JP6228539B2 - 超音波通信システム - Google Patents

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Description

本発明は、ビーコンと携帯端末を利用する超音波通信システムに関し、詳しくは、超音波を発振するビーコンと、スマートフォン・携帯電話等の携帯端末とを利用した簡略で優れた通信性能を有する超音波通信システム、超音波通信システムで使用されるビーコン、超音波通信システムで使用される携帯端末用のプログラム、及び携帯端末用のプログラムを提供するサーバに関するものである。
近年、スマートフォン・携帯電話等の携帯端末の一般ユーザへの普及にともない、例えば店舗に超音波ビーコンを設置し、ユーザの携帯端末と超音波による通信を行って、ユーザのアクセスや商品購入等の利便性の向上、店舗側からユーザへの情報提供、ポイント還元等各種サービスの提供等によるサービス性向上を図るシステムが提案されている。
ここで、スマートフォン・携帯電話等の携帯端末のマイクを使う際に考えるべき技術的・原理的制約について考察すると、以下の（制約１）〜（制約６）が存在する。
（制約１）マイクがもつ周波数特性
携帯端末には様々な機種が存在し、また日々新機種が市場に投入される。そのため、全ての携帯端末の機種についてその都度テストすることは大きな費用負担となり、携帯端末の機種固有の事情に依存しないプログラムによってこれを回避することは非常に重要である。
特に、スマートフォン向けアプリケーションにおいては、アプリケーションを提供する場（Ａｐｐｌｅ Ｓｔｏｒｅ（登録商標）やＧｏｏｇｌｅ Ｐｌａｙ（登録商標）など）は携帯端末の機種別に分かれておらず、１種類のプログラムで複数機種の携帯端末（将来発売される新機種の携帯端末を含む）に対応することが必要となる。
ここで、携帯端末に組み込まれているマイクには周波数特性（周波数別の感度）が存在し、特に可聴域外にある高音域（概ね１８ｋＨｚ以上）の周波数特性には携帯端末ごとに大きなばらつきが存在する。そして、携帯端末のマイクの周波数特性がわからない状態で、音量（音圧レベルの意。以下同様）を測定することは難しい。
そのため、携帯端末の機種ごとに存在するマイクの周波数特性のばらつきは、携帯端末の機種を問わずに使える１種類のプログラムにより同一基準で音量を測定することを難しくしている。
すなわち、ある周波数の音をある一定の音量でビーコンから出力しても、測定する携帯端末の機種が異なると（組み込まれているマイクの周波数特性が異なるので）、測定される音量は異なるものとなる。
同様に、周波数特性の違いから、ある程度（数百Ｈｚ）以上離れた高さの２つの音を同じ音量で出力しても、携帯端末側で測定できるそれら２つの音の音量は異なる可能性がある。
これにより、携帯端末の周波数特性がわからない状態で、高さのある程度異なる２つの音の音量の差を通信のパラメーターに使うことは難しい。
（制約２）環境雑音、バックグラウンドノイズ
ネズミ除け、ゴキブリ除け、若者がたむろすることを防ぐモスキート音、デジタルサイネージ、電気製品など、店舗周辺には様々な高音域の雑音が存在する。これらの雑音のほとんどは、特定の高さ（特定の周波数）において一定の音量で発生する。
事前に当該店舗周辺でどのような雑音が存在するかを測定するのは大きな費用負担となり、またその環境は刻々と変化するため、どのような周波数帯の雑音があっても、影響されにくい通信の方式が必要となる。
（制約３）ドップラー効果
ユーザは、音シグナルの受信中にも移動する可能性があるため、ドップラー効果を考慮した通信方式が必要となる。
すなわち、ドップラー効果により、ビーコンからある高さの音（周波数Ａ）を出力しても、携帯端末側で検出される周波数が周波数Ａからずれる可能性があり、このずれはユーザの移動速度や移動方向によって決するため事前に想定することは不可能である。
発明者らの観測結果によると、ユーザが一般的な使用方法により携帯電話を使う際のドップラー効果による周波数の変化は最大でプラスマイナス２００Ｈｚ分にもなる。
（制約４）利用可能な帯域
人間の可聴域の上限は、個人差及び年齢による差があるものの１８ｋＨｚあるいは１９ｋＨｚ又は２０ｋＨｚといわれており、これを下回ると人間に聞こえてしまう（下限）。
一方で、携帯端末が音声ファイル・音声入出力を処理する際の典型的なサンプリングレートは４４，１００Ｈｚであり、検知できる周波数の理論上の上限値は２２，０５０Ｈｚ（ナイキスト周波数：サンプリングレートの２分の１）である（上限）。
実際には、制約１にあげたマイク特性や、品質を保つためのフィルタ処理（例：ローパスフィルター）等により、検知可能な上限が２１ｋＨｚ付近にある携帯端末も多い。そのため、ビーコンと携帯端末間の通信周波数としては、１８ｋＨｚあるいは１９ｋＨｚ又は２０ｋＨｚを下限とし、２１ｋＨｚ又は２２．０５ｋＨｚを上限とする限られた周波数帯域を使用する必要がある。
（制約５）利用可能な変調方式
ＣＤＭＡ等、デジタルデータをアナログの波形信号に変換する際によく用いられる方式としては位相変調がある。
位相変調は環境ノイズに強く、信号レベルが低くても復調がそれほど難しくないこと等から一般的に使われているが、この変調方式を利用した信号をスピーカから出力した場合、仮に可聴域を越える周波数を利用していたとしても、位相変調時に可聴音がスピーカから出力されてしまい音量すなわち信号の到達距離を十分に大きくすることは難しい。
また、これは特にビーコンを小型化しようとした際に利用する圧電式スピーカで現れやすく（小さな電圧変化で膜がよく動くため）、ビーコンの小型化の妨げにもなる。
（制約６）録音による不正行為
ビーコンから出力される信号がスマートフォン・携帯電話のマイクで検出可能であるならば、この信号の録音も可能である。そのため、今回のように、携帯端末がどの店舗に存在するかを当該店舗に設置したビーコンを用いて検出する場合、店舗のビーコンが出力する信号を不正に録音して再生することによって、あたかも店舗のビーコンから出力される信号を検出したかのように偽装することが可能となり、利用するサービスの形態によっては重大な問題となり得る。
（従来技術）
特許文献１には、店舗側で、ビーコンにより複数の周波数の信号を一定の音量で出力し、その周波数の組み合わせを店舗固有のものとし、携帯端末においてビーコンからの複数の周波数の信号を受信し、どの周波数が出ているかによって当該店舗を特定するように構成した存在検知の方法及びシステムが提案されている。
特許文献１の存在検知の方法及びシステムの場合、携帯端末の周波数特性（上記制約１）の影響を強く受ける。すなわち、特定の周波数帯の感度が非常に低い携帯端末があった場合、その周波数帯で音を出していても検知できない。また、ドップラー効果（上記制約３）の影響を強く受ける。ドップラー効果のため、ユーザが端末を持って歩き回っている間はどの周波数が出力されているか正確に求められない。
さらに、環境雑音（上記制約２）に弱い。環境雑音と、ビーコンから出力される信号を区別する方法が無い、伝送する情報量を増やそうとすると、使用する周波数帯域を広げざるを得えないが、上記（制約４）により実際には数ビット程度の情報しか伝送することができない（ＦＦＴの分解能を１０〜１００Ｈｚとして）等の問題があると推定される。
また、店舗側で特定の周波数（キャリアと呼ぶ。複数あってもよい）のオン／オフにより、モールス信号的に信号を送るように構成することも可能である。
この場合において、信号の内容及びキャリアに使う周波数が店舗固有のものとなっており、また、時間によって発信内容を変えるため、伝送できる情報量は増えるものと考えられる。
しかし、この従来例の場合、単キャリアで情報を搬送すると、当該周波数にノイズが発生した場合、異なる信号として復調される可能性が高まる上に単キャリアだけでは多くの情報を短い時間で送ることができない。
また、単キャリアの鳴っている・鳴っていないを判断するためには、閾値の設定などが必要となり、マイク特性（上記制約１）の影響により、適当な閾値を設定するのが非常に困難である。
更に、携帯端末ごと、場所ごとに閾値を変える必要があり、手間が膨大になり、また、プログラムが複雑化する。
更にまた、複数キャリアで送信する場合、それぞれのキャリアでそれぞれの情報を送るためキャリアごとの同期が取れない。つまり、ある瞬間において鳴っているキャリアが何本なのか、また、立ち上がりがどのタイミングなのかがそれぞれ異なる。そのため検出する際に周波数ごとに比較することができず、単キャリアと同じくキャリアの時間変化を見なければならなくなる。その場合単キャリアの場合と同じ問題を抱えることとなる。
国際公開第２０１１／０１４２９２号
本発明が解決しようとする問題点は、個々の携帯端末の携帯マイクがもつ周波数特性の相違を考慮し、環境雑音の影響や携帯端末自体の所在位置の移動によるドップラー効果の影響も無く、更に、聴覚の不要な音の聴取による不安感を生じさせることもなく、セキュリティ性にも優れ、しかも、簡略構成で優れた通信性能を発揮するようなビーコン、携帯端末を利用する超音波通信システムが存在しない点である。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、超音波を発振するビーコンと携帯端末との間で、超音波による通信を行う超音波通信システムに関する。
そして、前記ビーコンは、互いに異なる周波数として予め定められた３以上の信号キャリアを発振可能であり、所定情報に応じて３以上の前記信号キャリアにより構成されたデータ信号を出力するようになっており、前記ビーコンから出力される音圧が所定の範囲となるように、前記データ信号の発生中に、その音圧変動を補完するダミー発振がされるようになっており、
前記携帯端末は、携帯マイクと、前記ビーコンから送出された超音波を受信したときに、その周波数又は波長の解析を行って、３以上の前記信号キャリアを復調する復調処理を実行する復調処理部と、該復調処理により認識された前記データ信号に基づき、前記所定情報を復号する復号処理を実行する復号処理部とを有することを特徴とする。
かかる本発明によれば、例えば情報提供者側が設けた特定の区画内において、個々の携帯端末の携帯マイクが有する周波数特性の相違を考慮し、環境雑音の影響や携帯端末自体の所在位置の移動によるドップラー効果の影響も無く、更に、聴覚の不要な音の聴取による不安感を生じさせることなくもなく、簡略構成でありながら情報提供者側のビーコンと、携帯端末との間で優れた通信性能を発揮する超音波通信システムを実現し提供することができる。
また、前記ビーコンは、３以上の前記信号キャリアの一つ又は複数により構成される所定の制御信号間において、前記信号キャリアにより構成されるデータ信号を所定回数出力することを特徴とする。
また、前記ビーコンに設定された信号キャリア数がｎであるときに、該ビーコンから同時に出力される信号キャリア数は１以上ｎ未満となっていることを特徴とする。
また、複数の前記ビーコンを備え、
各ビーコンには、前記３以上の信号キャリアの組み合わせが、周波数の設定を互いに相違させて個別に割り当てられ、各ビーコンは、該割り当てられた組み合わせにより１チャンネルのビーコン情報を生成して超音波として送出し、
前記携帯端末の前記復調処理部は、各ビーコンから送出される超音波の前記ビーコン情報のうち、前記携帯マイクの周波数特性に適合した前記ビーコン情報を受信すると共に、該受信した前記ビーコン情報に対して前記復調処理を実行することを特徴とする。
この構成によれば、異なる周波数をもった超音波を送出するビーコンを複数備える構成として、顧客の携帯端末の携帯マイクの周波数特性に最も適合したチャンネルの超音波の発信情報を受信することにより、個々の携帯マイクにおける周波数特性の相違を乗り越え、それぞれの顧客に対して高品質の情報配信を行うことができる超音波通信システムを実現し提供することができる。
また、前記ビーコンは、前記３以上の信号キャリアを組み合わせた１チャンネルのビーコン情報を、互いに周波数を異ならせて複数チャンネル分生成し、該複数チャンネルのビーコン情報を超音波により送出し、
前記携帯端末の前記復調処理部は、前記ビーコンから送出される複数チャンネルの超音波の前記ビーコン情報のうち、前記携帯端末の携帯マイクの周波数特性に適合したチャンネルの前記ビーコン情報を受信すると共に、該受信した前記ビーコン情報に対して前記復調処理を実行することを特徴とする。
この構成によれば、一つのビーコンから、周波数が異なる複数のチャンネルにおいて、同じ超音波の信号を携帯端末に向けて送出する構成としているので、携帯端末の周波数特性の違いを乗り越え、個々の携帯端末に最適なチャンネルにおいて情報提供者側又は店舗側から信号を受け取ることができ、それぞれの顧客に対して高品質の情報配信を行うことができる超音波通信システムを実現し提供することができる。
また、前記携帯端末は、インターネットを介してサーバからインターネット情報を取得する手段と、該取得したインターネット情報を超音波としてスピーカから出力する手段とを有し、
前記ビーコンは、マイクと、前記携帯端末のスピーカから出力される超音波のインターネット情報を該マイクにより受信することによって、前記サーバから提供されるインターネット情報を、前記携帯端末を介して取得する手段とを有することを特徴とする。
前記ビーコンに対して前記所定情報を変更する等のメンテナンスを行う場合、前記ビーコンとメンテナンス用機器との間で通信を行って、前記ビーコン情報の設定を書き換え等をすることが考えられる。そして、この場合の前記ビーコンとメンテナンス用機器との間の通信インターフェースとしては、無線ＬＡＮ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の汎用の通信インターフェースを用いることができるが、これらの通信インターフェースの回路を前記ビーコンに備えることは、前記ビーコンのコンパクト化の妨げになると共に、部品コストの増加を招く。
そこで、この構成においては、前記特定の区画内に設置されたビーコンが、顧客側の携帯端末のインターネット環境を利用してインターネット情報を受信できるようにしている。そのため、情報提供者側又は店舗側でメンテナンス用の専用のインターフェース回路を備えていなくても、インターネットを介してサーバからメンテナンスやアップデート情報を取得してビーコンのメンテナンス、アップデート等を実行することができ、これにより、上述したように汎用の通信インターフェース回路を備えることを不要として、大幅なコストダウン及び省力化、省スペース化に寄与する超音波通信システムを実現し提供することができる。
また、複数の前記ビーコンが前記特定の区画内に配置され、
前記携帯端末を介してサーバからインターネット情報を取得したビーコンは、該インターネット情報を超音波によりスピーカから出力し、他のビーコンが該超音波によるインターネット情報をマイクにより受信することによって、複数のビーコン間で該インターネット情報を伝送することを特徴とする。
この構成によれば、前記特定の区画内に設置された複数台のビーコン間で、顧客側の携帯端末のインターネット環境を利用した間接的、かつ、簡略なネットワークを構成することが可能となる。そのため、情報提供者側又は店舗側でローカルネットワークを用意しなくても、サーバから取得したメンテナンスやアップデート情報を、複数のビーコンに伝送して、各ビーコンのメンテナンス、アップデート等を実行することができる。
また、前記所定情報のデータを、内容を変えて所定個数分記憶した記憶部を備え、
前記ビーコンは、前記データ信号の送出回数が所定回数を超えたとき、又は前記データ信号の送出を行った期間が所定期間を超えたときに、前記記憶部から内容が変えられた前記所定情報のデータを取得して、前記データ信号の生成に使用する前記所定情報を更新することを特徴とする。
この構成によれば、前記所定情報のデータを、内容を変えて所定個数分記憶した記憶部を有し、ビーコンは、前記ビーコン情報を所定回数出力したとき又は前記ビーコン情報の送出を行った期間が所定期間を超えたときに、内容が変えられた前記所定情報を記憶部から取得して送出する。これにより、不正使用者が、情報提供者又は店舗のビーコンが送出するビーコン情報を録音しておき、この録音したビーコン情報を後で携帯端末に対して送信することによって、ビーコンが設置された場所にいることを偽装するという悪用がなされる事態を回避することができる超音波通信システムを実現し提供することができる。
また、前記ビーコンは、可聴域外の周波数を有する３以上の搬送信号に、前記所定情報を示す信号による振幅変調を行って、前記３以上の信号キャリアを生成することを特徴とする。
この構成によれば、前記所定情報を有する前記複数のデータキャリアを容易に生成することができる。
また、前記データ信号は、前記３以上の信号キャリアから同時に出力されるキャリア信号の数が一定になっていることを特徴とする。
この構成によれば、同時に出力される前記キャリア信号の数を一定にすることによって、前記ビーコン情報を送出するときの超音波の音圧をほぼ一定にすることができるため、使用者が耳障りな音をさらに感じ難くすることができる。
また、前記ビーコンは、暗号化された前記所定情報を用いて前記データ信号を生成し、
前記携帯端末は、前記ビーコンから受信した前記データ信号から復調した暗号化された前記所定情報を復号して所定情報を認識することを特徴とする。
この構成によれば、前記ビーコンから前記携帯端末に提供する前記所定情報を暗号化することにより、セキュリティ性を向上させることができる。
また、前記携帯端末と通信可能なサーバを備え、
前記ビーコンは、第１計時部と、所定ロジックにより該第１計時部の計時時刻に応じた暗号鍵を決定する第１暗号鍵乱数表のデータを保持した記憶部と、該第１暗号鍵乱数表により決定された第１暗号鍵により前記所定情報を暗号化する暗号化処理部と、該暗号化処理部以外からの前記第１暗号鍵乱数表へのアクセスを禁止する暗号鍵アクセス禁止部とを有して、該暗号化された所定情報を用いて前記データ信号を生成し、
前記サーバは、計時時刻が前記第１計時部と同一となるように構成された第２計時部と、前記第１暗号鍵乱数表と同一構成の第２暗号鍵乱数表のデータを保持した記憶部とを有し、前記携帯端末から前記第１暗号鍵により暗号化された暗号化済データを受信した時に、該受信時の前記第２計時部の計時時刻を前記第２暗号鍵乱数表に適用して得た第２暗号鍵により、該暗号化済データを復号して前記所定情報を認識することを特徴とする。
この構成によれば、前記第１計時部と前記第２計時部の計時時刻が同一であるため、同一時刻において前記第１暗号鍵乱数表により決定される前記第１暗号鍵と前記第２暗号鍵乱数表による決定される前記第２暗号鍵とは同一となる。そのため、前記ビーコンと前記携帯端末間及び前記サーバと前記携帯端末間の通信に要する時間が、前記第１計時部及び前記第２計時部の計時単位に対して無視できる程度に設定することで、同一の暗号鍵である前記第１暗号鍵と前記第２暗号鍵を用いて、前記ビーコンにおける暗号化の処理と前記サーバにおける復号化の処理を行うことができる。
さらに、前記暗号鍵アクセス禁止部によって、前記暗号化処理部以外からの前記第１暗号鍵乱数表へのアクセスが禁止されているため、不正を試みようとする者が、外部から前記第１暗号鍵乱数表にランダムに計時時刻を適用して、前記第１暗号鍵乱数表の暗号鍵生成ルールを解読することは不可能である。
次に、本発明のビーコンは、
超音波を発振するビーコンと携帯端末との間で、超音波による通信を行う超音波通信システムで使用されるビーコンであって、
互いに異なる周波数として予め定められた３以上の信号キャリアを発振可能であり、所定情報に応じて３以上の前記信号キャリアにより構成されるデータ信号を出力するようになっており、
前記ビーコンから出力される音圧が所定の範囲となるように、前記データ信号の発生中に、その音圧変動を補完するダミーの発振がされるようになっていることを特徴とする。
かかる本発明のビーコンを用いることにより、例えば情報提供者側が設けた特定の区画内において、個々の携帯端末の携帯マイクが有する周波数特性の相違を考慮し、環境雑音の影響や携帯端末自体の所在位置の移動によるドップラー効果の影響も無く、更に、聴覚の不要な音の聴取による不安感を生じさせることなくもなく、簡略構成でありながら情報提供者側のビーコンと、携帯端末との間で優れた通信性能を発揮する超音波通信システムを実現し提供することができる。
次に、本発明の携帯端末用プログラムは、
超音波を発振するビーコンと携帯端末との間で、超音波による通信を行う超音波通信システムで使用される携帯端末用のプログラムであって、
前記携帯端末に実装されたＣＰＵで実行されることにより、該ＣＰＵを、
前記ビーコンから送出される、互いに異なる周波数として予め定められた３以上の信号キャリアにより所定情報に応じて構成され、音圧が所定の範囲となるように、音圧変動を補完するダミー発振がされたデータ信号を受信したときに、該受信したデータ信号に対する周波数又は波長の解析を行って、３以上の前記信号キャリアを復調する復調処理を実行する復調処理部と、
前記復調処理により認識された前記データ信号に基づき、前記所定情報を復号する復号処理部として機能させることを特徴とする。
かかる本発明の携帯端末用プログラムを、前記携帯端末に実装されたＣＰＵで実行させることにより、前記超音波通信システムで使用可能な携帯端末を容易に構成することができる。
次に、本発明のプログラム提供サーバは、
超音波を発信するビーコンと携帯端末との間で、超音波による通信を行う超音波通信システムで使用される携帯端末と、ネットワークを介して通信可能なサーバであって、
前記携帯端末に対して、
前記携帯端末に実装されたＣＰＵで実行されることにより、該ＣＰＵを、
前記ビーコンから送出される、互いに異なる周波数として予め定められた３以上の信号キャリアにより所定情報に応じて構成され、音圧が所定の範囲となるように、音圧変動を補完するダミー発振がされたデータ信号を受信したときに、該受信したデータ信号に対する周波数又は波長の解析を行って、３以上の前記信号キャリアを復調する復調処理を実行する復調処理部と、
前記復調処理により認識された前記データ信号に基づき、前記所定情報を復号する復号処理部として機能させる携帯端末用プログラムを送信することを特徴とする。
かかる本発明のプログラム提供サーバから、前記携帯端末に前記携帯端末用プログラムを送信して、前記携帯端末に実装されたＣＰＵで実行させることにより、前記超音波システムで使用可能な携帯端末を容易に構成することができる。
図１は本発明の実施例１に係る超音波通信システムの全体構成を示す概略構成図である。 図２は本実施例１に係る超音波通信システムのビーコンの設置状態を示す説明図である。 図３は本実施例１に係る超音波通信システムの店舗側のコンピュータ装置の概略ブロック図である。 図４は本実施例１に係る超音波通信システムの店舗に設置したビーコンの概略ブロック図である。 図６は本実施例１に係る超音波通信システムの携帯端末、インターネット、サーバの概略構成を示すブロック図である。 図６は本実施例１に係る超音波通信システムのビーコン、携帯端末の処理の流れを示すフローチャートである。 図７は本実施例１に係る超音波通信システムにおけるＤ／Ａ変換前のビーコンの出力波形、携帯端末の復調処理波形を示す説明図である。 図８は本実施例１に係る超音波通信システムにおいて周波数切り替えを行う場合のＤ／Ａ変換前のビーコンの出力波形図である。 図９は本発明の実施例２に係る超音波通信システムの全体構成を示す概略構成図である。 図１０は本実施例２に係る超音波通信システムの店舗側のコンピュータ装置及びビーコンの概略ブロック図である。 図１１は本発明の実施例３に係る超音波通信システムの全体構成を示す概略構成図である。 図１２は本実施例３に係る超音波通信システムのビーコンの概略ブロック図である。 図１３は本発明の実施例４に係る超音波通信システムの全体構成を示す概略構成図である。 図１４は本実施例４に係る超音波通信システムのビーコンの概略ブロック図である。 図１５は本発明の実施例５に係る超音波通信システムの制御キャリア及びデータキャリアのタイミングチャートである。 図１６は本実施例に係る超音波通信システムで用いられるマッピングテーブルの説明図である。 図１７は本実施例５に係る超音波通信システムにおいて、二つのスピーカから制御キャリア及びデータキャリアを送出する場合のタイミングチャートである。
以下、本発明の実施例に係るビーコン、携帯端末を利用する超音波通信システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例１に係る超音波通信システム１について、図１〜図８を参照して説明する。
本実施例１に係る超音波通信システム１は、図１に示すように、例えば、小売店、量販店のような店舗側のコンピュータ装置２と、図２に示すように、店舗側が一つのフロアに設けた売場３内の例えば天井４に配置され、前記店舗側のコンピュータ装置２に接続されて超音波を発振するビーコン５と、個々の顧客が保持し、前記ビーコン５と交信する例えばスマートフォン等の携帯端末６と、顧客が自己の携帯端末６を操作して無線接続し、インターネット情報を取得するためのインターネット網Ｎと、このインターネット網Ｎを通じて前記携帯端末６にインターネット情報を配信するサーバ７（本発明のプログラム提供サーバの機能を含む）と、を含んで構成される。
前記店舗側のコンピュータ装置２は、図３に示すように、オペレーティング用、超音波通信システム１の動作用等各種プログラムを格納したメモリ１１と、全体の制御を行う制御部１０と、各種情報を記憶する記憶部１２と、インターネット網Ｎに接続するための通信処理部１３と、各種操作を行うためのキーボードのような操作部１４と、各種情報を画面表示するＬＣＤディスプレイ等のような表示部１５と、各種情報をプリント出力するプリンタ１６と、店舗側の操作員が作成する顧客に対するサービス情報、宣伝情報等の送信したい店舗情報を出力する店舗情報出力部１８と、ビーコン５に対して、詳細は後述する制御キャリア（本発明の信号キャリアに相当する）の出力制御を行うための制御キャリア制御信号、ビーコン５から売場３内に向けて発信するビーコン情報の発信周波数を切り替えるための周波数切り替え信号等を出力するビーコンコントローラ１７と、を有している。
ビーコン５は、図４に示すように、店舗側のコンピュータ装置２から送信したい店舗情報（本発明の所定情報に相当する）を受信する店舗情報受信部２１と、１つの演算チップ内に乱数表（第１暗号鍵乱数表）とリアルタイムクロック（第１リアルタイムクロック）を実装することにより構成されて店舗情報受信部２１から出力される店舗情報の暗号化処理を行う暗号化処理部２２と、前記制御キャリア制御信号により制御され一定のサイクルで信号開始点を表す制御キャリア信号（矩形波信号）を出力する制御キャリア発信部２３と、前記店舗情報に同期して後述する第１搬送信号出力部２５及び第２搬送信号出力部２６を動作させる搬送信号同期制御部２４と、搬送信号同期制御部２４の制御の基に第１搬送信号（アナログ信号）を出力する第１搬送信号出力部２５と、搬送信号同期制御部２４の制御の基に第２搬送信号（アナログ信号）を出力する第２搬送信号出力部２６と、前記店舗情報、第１搬送信号、第２搬送信号が入力されて、振幅変調を行い、店舗情報を載せた第１キャリア及び第２キャリア（本発明の信号キャリアに相当する）を出力する振幅変調部（ＡＳＫ（Ａｍｐｕｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ））２７と、前記制御キャリア、第１キャリア及び、第２キャリアをデジタル／アナログ変換しビーコン情報とするＤ／Ａ変換部２８と、前記ビーコン情報を売場３内に超音波情報として送信するビーコン情報発信部２９と、前記ビーコン情報に時間情報を付加するためのクロック３０と、振幅変調部２７とＤ／Ａ変換部２８との間に接続した必要に応じて振幅変調部２７からの出力信号の周波数切り替えを行う周波数切り替え部２０と、を有している。
前記第１キャリア、第２キャリアは、近接する可聴域外の周波数（例えば、第１キャリア：１９，０００Ｈｚ、第２キャリア：１９，０５０Ｈｚ）をもち、かつ、対となる音量レベルの二つのデジタル信号であり、これらの組み合わせにより一つのチャンネルとして前記店舗情報を含むビーコン情報（本発明のデータ信号に相当する）を構成している。
第１キャリアと第２キャリアの周波数の差は、個々のユーザの携帯端末６が保有する一つの機能であるＦＦＴ（高速フーリエ変換、本発明の周波数の解析に相当する）分解能が許す限りなるべく小さな差となるように設定している。なお、ＦＦＴ以外の手法により周波数解析を行ってもよい。或いは、波長の解析により制御キャリア、第１キャリア、及び第２キャリアを抽出してもよい。
これは、周波数が十分に近いと、携帯端末６の携帯マイク３６の周波数特性の差の影響を小さくし、既述した制約１の個々の携帯端末６の携帯マイク３６がもつ周波数特性の相違を無視できる利点があることを考慮したものである。
また、第１キャリア，第２キャリア間の周波数の幅は、利用可能な周波数帯域において、予め約束された定数を使用するものとしている。
更に、ビーコン５は、環境雑音の影響が少ないチャンネルを用いることに留意する。また、複数台のビーコン５を同時使用する場合、各ビーコン５は他のビーコン５が使用していないチャンネルを用いることが適切であることに留意する。
なお、詳細は後述するが、暗号化処理部２２は、店舗情報の暗号化処理を行う際に用いる第１リアルタイムクロック２２１と第１暗号鍵乱数表２２２のデータを保持した記憶部とを有している。また、図１に示したように、サーバ７は、店舗情報の復号化処理を行う際に用いる第２リアルタイムクロック７１と第２暗号鍵乱数表７２のデータを保持した記憶部とを有している。
また、サーバ７は、携帯端末６からのダウンロード要求に応じて、携帯端末６で実行される超音波通信用のアプリケーションプログラム（本発明の携帯用プログラムに相当する）のデータを送信する。
携帯端末６は、図５に示すように、携帯端末６自体の動作を制御する携帯制御部３１と、携帯端末６自体の動作プログラム（ＯＳ等の基本プログラム、サーバ７からダウンロードされたアプリケーションプログラム等）を格納した携帯メモリ３２と、インターネット網Ｎと無線接続するための無線送受信部３３と、各種情報を表示するＬＣＤディスプレイ等の表示部３４と、例えばタブレット型の入力キー等から構成される操作部３５と、前記ビーコン情報発信部２９からの前記ビーコン情報に対応した超音波を受信する携帯マイク３６と、各種情報を記憶する記憶部３９と、前記ビーコン５に対して、前記インターネット網Ｎを利用してサーバ７から受信したインターネット情報を超音波情報として発音し送信する等の動作を行う携帯スピーカ４０と、前記インターネット情報等を携帯スピーカ４０により発音させるためのデジタル／アナログ変換を行うＤ／Ａ変換部４１とを有している。
また、携帯端末６は、携帯メモリ３２に格納されたアプリケーションプログラムを、携帯端末６に実装されたＣＰＵ（Central Processing Unit、図示しない）で実行することにより、ＣＰＵを、携帯マイク３６にて受信されて電気信号に変換された前記ビーコン情報を復調処理する（詳細は後述する）復調処理部３７と、復調処理部３７にて復調したビーコン情報に含まれている店舗情報を復号する復号処理部３８として機能させる。
次に、本実施例１に係る超音波通信システム１の動作について図６〜図８をも参照して詳述する。
本実施例１の超音波通信システム１では、通信に利用可能な帯域（制約４）において複数の周波数の搬送キャリアを確定し、送信した店舗情報、複数の搬送キャリアに対して振幅変調処理を実施して店舗側が売場３内の天井４に設置したビーコン５から顧客の携帯端末６に店舗情報を送信するものである。
ここで、搬送キャリアが立ち上がるとは、ある周波数を持った搬送キャリアの音が鳴ってない状態からなっている状態に遷移すること（搬送キャリアによるキャリア信号が出力されていない状態から出力されている状態に遷移すること）を意味するものとして、以下の説明を行う。
本実施例１に係る超音波通信システム１の動作について図６、図７を参照して以下に具体的に説明する。
［ビーコン５側］
（１）前記ビーコン５の店舗情報受信部２１は、店舗側のコンピュータ装置２にて作成した顧客の携帯端末６に送るべき店舗情報を受信し、出力する。暗号化処理部２２は、詳細は後述するが店舗情報の暗号化処理を行い出力する。
（２）前記ビーコン５の制御キャリア発信部２３は、店舗側のコンピュータ装置２のビーコンコントローラ１７からの制御キャリア制御信号により制御されて、図７に示すように、一定のサイクル（１サイクルの時間幅ｔｃ）で信号開始点を表す制御キャリア信号（矩形波信号，本発明の制御信号に相当する）を出力する。この制御キャリア信号が最初に立ち上がる時点をシグナルの開始時点と定義する。なお、複数の制御キャリア信号により制御信号を構成してもよい。
（３）次に、制御キャリア信号を規定時間（ｔ）出力した（鳴らした）後に、例えば第１キャリアを立ち上げる。この場合、どのキャリアが立ち上がるか、いくつのキャリアが立ち上がるか（どのキャリアによるキャリア信号をいくつ出力するか）は、送信したい店舗情報を元に決定する。すなわち、搬送信号同期制御部２４は、前記店舗情報に同期して第１搬送信号出力部２５により第１搬送信号を振幅変調部２７に送り店舗情報の信号により第１搬送信号を振幅変調して第１キャリアを生成する。
（４）前記（３）で立ち上げた第１キャリアを規定時間鳴らした後（第１キャリアによる第１キャリア信号を規定時間出力した後）、次の第２キャリアを同様に送信したい店舗情報を元に決定し立ち上げる（第２キャリアによる第２キャリア信号を出力する）。すなわち、搬送信号同期制御部２４は、前記店舗情報に同期して第２搬送信号出力部２６により第１搬送信号を振幅変調部２７に送り、店舗情報の信号により第２搬送信号を振幅変調して第２キャリアを生成する。
（５）前記（３）、（４）を規定の回数繰り返し行った後、前記（２）の開始時点を示すシグナルを再び立ち上げる。このような処理を順に繰り返す。
［携帯端末６側］
（１）携帯端末６側は、携帯マイク３６で聴取したビーコン情報を復調処理部３７によりＦＦＴ変換（高速フーリエ変換）し記憶部３９に記憶し蓄積する。ＦＦＴ変換処理した制御キャリア、第１キャリア、第２キャリアの波形を図７に示す。
（２）次に、復調処理部３７により制御キャリアの立ち上がり（制御キャリア信号の出力開始時）に対応するシグナルの開始時点を検出し、蓄積したビーコン情報内の制御キャリア信号間における立ち上がりのエッヂを判定する。
（３）更に、前記（２）で判定したエッヂを元に、第１キャリア、第２キャリアの鳴っている区間（制御キャリア信号間の区間）を特定し、それぞれの区間において鳴っているキャリア（出力されている第１キャリア信号及び第２キャリア信号）を推定する。
この時、同時に鳴っているキャリアが何本あるかをビーコン側でＮ本と規定することで、ある区間における音の大きなキャリアからＮ本（図７では第１キャリア５本、第２キャリア４本）をその区間において鳴っている音（出力されている第１キャリア信号と第２キャリア信号の数）と推定することができる。
（４）次に、前記（３）の結果を元に、前記復号処理部３８により図７に示す第１キャリア、第２キャリアの個々の区間毎の信号判定処理により第１キャリア信号５本、第２キャリア信号４本をこの区間におけるビーコン５から受信した店舗情報として復号する。このとき、携帯端末６においては、必要に応じて、誤り検出訂正や、復号した店舗情報に暗号化部分が含まれている場合の暗号復号処理を実施することもできる。
ここで、誤り検出訂正としては、例えば、ビーコン５は同じビーコン情報を繰り返し発信しているので、携帯端末６側で、異なるタイミングで受信したビーコン情報のデータが一致するか否かを判断することによって、ビーコン情報の誤りの検出と訂正を行うことができる。また、帯域が異なるチャンネルを使用するビーコン５を複数台設置して、各ビーコン５から同じビーコン情報を送信し、携帯端末６側で異なる帯域のチャンネルにより受信したビーコン情報のデータが一致するか否かを判断することによって、ビーコン情報の誤りの検出と訂正を行ってもよい。さらに、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）等の一般的な誤り検出手法を採用して、ビーコン情報の誤りの検出と訂正を行ってもよい。
また、暗号復号処理としては、上述する暗号鍵を用いた手法等を採用することができる。
（５）次に、インターネット網Ｎを介してサーバ７と無線交信し、サーバ７から配信されたサーバ情報とビーコン５からの受信内容と照合し、両者が一致していればその店舗に顧客が居ることが特定される（顧客の存在確認）。
顧客の存在確認の処理は、上述したビーコン５と携帯端末６の動作によって、例えば、（i）ビーコン５から携帯端末６に店舗ＩＤ（店舗情報）のデータが超音波により送信され、（ii）携帯端末６からサーバ７に店舗ＩＤ及び携帯端末のユーザＩＤのデータがインターネット網Ｎを介して送信され、（iii）店舗ＩＤ及びユーザＩＤのデータを受信したサーバ７が、ユーザＩＤに対応するユーザが店舗ＩＤに対応する店舗に来店していることを認識して、来店ポイントを設定し、（iv）サーバ７から携帯端末６に来店ポイントのデータが送信され、携帯端末６のユーザが来店ポイントを獲得する、といった一連の処理により実現される。
本実施例１は、可聴周波数外の超音波を使用してビーコン５、携帯端末６の交信を行うように構成したものであり、図７に示したように、制御キャリア信号間における第１キャリア信号及び第２キャリア信号の出力を、第１キャリア信号と第２キャリア信号の一部を重複させて（図７の斜線を付した部分）行っている。
この場合、制御キャリア信号間において、第１キャリア信号と第２キャリア信号の少なくともいずれかが出力され、ビーコン５から送出される超音波の周波数全域でみた音量はほぼ一定になる。そのため、人（顧客、従業員）の耳に聞こえにくいことから、不安感を与えることは無く、心理的な抵抗感や不安感を取り除くことができ、また，より正確な位置情報に基づく精度の高い情報配信が安定した状態で実行可能となる超音波通信システム１を提供することができる。
また、本実施例１のビーコン５は安定動作するため、メンテナンスコストが低くてすみ、店舗等において導入し易く、ビーコン５の導入指向の拡大を図ることができ、システム提供者にとっても営業し易い利点がある。
更に、本実施例１におけるビーコン５、携帯端末６間の交信においては、携帯端末６において、店舗情報の存在を一定の区間毎に分けた制御キャリア及び近接する複数の周波数を持った第１キャリア、第２キャリアの復調処理、及び、一定の区間毎における第１キャリア、第２キャリアの復調信号の有効分の復号処理を行っている。
そのため、マイク特性、環境雑音、ドップラー効果等に影響されにくく、ネズミ除け、ゴキブリ除け、若者のたむろ防止のモスキート音、眼鏡等の超音波洗浄機、デジタルサイネージや電子機器等から発生する環境雑音と混信するようなことはなく、環境雑音に強く、安定的な通信を確保できる超音波通信システムを構築できる。
携帯端末６における既述したような技術的な制約１〜３により、周波数の絶対値、音量の絶対値、環境雑音の音量の絶対値、ある程度離れた複数の周波数の音量の比較等を通信のパラメーターとすることは不完全であるが、本実施例１によれば、このような欠点のない超音波通信システム１を実現し、提供することができる。
［店舗情報の暗号化処理］
次に、前記暗号化処理部２２による店舗情報の暗号化処理について以下に詳述する。
前記ビーコン５の暗号化処理部２２は、第１リアルタイムクロック２２１（本発明の第１計時部に相当する）と高性能の第１暗号鍵乱数表２２２のデータを保持した記憶部（図示しない）とを備えている。第１リアルタイムクロック２２１と第１暗号鍵乱数表２２２のデータを保持した記憶部は、１つの演算チップ内に実装して備えられている。
第１暗号鍵乱数表２２２は、与えられた時刻情報に対して、所定ロジックで決められた乱数表から一意の暗号鍵を選択するものであり、暗号化処理部２２は、第１リアルタイムクロック２２１による時刻情報（計時時刻）を第１暗号鍵乱数表２２２に適用して、一意の暗号鍵（第１暗号鍵）を取得する。
ここで、第１暗号鍵乱数表２２２は、第１暗号鍵乱数表２２２のデータが保持された記憶部を、第１リアルタイムクロック２２１と共に１つの演算チップ内に実装することによって、第１リアルタイムクロック２２１による時刻情報のみが適用可能になっている。これにより、暗号化処理部２２以外によって、この演算チップ外から時刻情報を第１暗号鍵乱数表２２２に適用することが禁止された構成となっている。
なお、このように、暗号化処理部２２以外による第１暗号鍵乱数表２２２へのアクセスを禁止した構成が、本発明の暗号鍵アクセス禁止部に相当する。また、第１暗号鍵乱数表２２２は、推定されることのない十分に大きなものであるとする。
一方、サーバ７は、図１に示したように、ビーコン５が用いる第１暗号鍵乱数表２２２と同一の構成の第２暗号鍵乱数表７２のデータを保持した記憶部（図示しない）と、計時時刻がビーコン５の有する第１リアルタイムクロック２２１と同一となるように構成された第２リアルタイムクロック７１（本発明の第２計時部に相当する）とを有している。
第１リアルタイムクロック２２１と第２リアルタイムクロック７１は、例えば、標準電波送信所から送信される標準電波により認識可能な標準時刻による計時を行うことで、同一時点における計時時刻が同一（厳密な意味での同一を意味するものではなく、第１リアルタイムクロック２２１と第２リアルタイムクロック７１の計時単位に対して、無視できる範囲の時刻のずれを許容する）となるように構成されている。
サーバ７は、第２リアルタイムクロック７１による時刻情報を、ビーコン５が用いる第１暗号鍵乱数表２２２と同一構成の第２暗号鍵乱数表７２に適用して、ビーコン５側と同じロジックで暗号鍵（第２暗号鍵）を取得する。
ここで、ビーコン５側の第１リアルタイムクロック２２１による時刻情報と、サーバ７側の第２リアルタイムクロック７１による時刻情報は同じものとなるため、ビーコン５とサーバ７が同時刻に選択している暗号鍵（第１暗号鍵及び第２暗号鍵）は同一の値を持つ。なお、第１リアルタイムクロック２２１と第２リアルタイムクロック７１の計時単位は、ビーコン５と携帯端末６間及び携帯端末６とサーバ７間の通信による遅延時間を無視できる程度に設定されている。
これにより、ビーコン５が送信した暗号化ボディ（暗号化済みデータ）を携帯端末６、インターネット網Ｎを通じてサーバ７が受信し、復号化した元のデータをサーバ７側で正しく読むことができる。
ここで、暗号化処理手段として、リアルタイムクロックと演算チップが別々になっている通常の実装方法では、異なる時刻データを演算チップに対して送信し、返り値を分析することで乱数表を復元できる可能性がある。
ビーコン５はスタンドアローンのハードウェアである以上、ビーコン５が盗難等で悪意ある第三者の手に渡った場合、こうした総当たり攻撃が試みられることは十分考えられる。また、乱数表が復元できてしまうと同じ暗号表を持つ他のビーコンの暗号化も解読可能になるため、損害範囲が大きい。
今日、高性能携帯電話（以下スマートフォン）の世界的な普及にともない、位置情報を活用したサービスが爆発的に増加している。なかでも、スマートフォンの位置情報機能を活用して実店舗の販促支援を行うアプリケーションは今後一層拡大が見込まれるマーケットである。
一方で、サービスの利用者が、サービス提供者が想定していない方法で、スマートフォンが認識する位置情報を偽装または改ざんし、不正に景品等を入手する利用者が出現するリスクが高まることが考えられる。
上述した構成の本実施例１の超音波通信システム１によれば、上述した暗号化処理部２２の構成により、位置情報の偽装又は改ざんを効果的に防止でき、ビーコン５を分解しての総当たり攻撃による乱数表解読を困難とし、超音波通信システム１のセキュリティ性を大幅に向上させることができる。
更に、前記暗号化処理部２２による店舗情報の暗号化処理について付言すると、通信内容をビーコン５に固有の値である平文固有値と、任意のデータを暗号化した値である暗号化ボディ値に分割した構成とすることもできる。
通信内容に、平文固有値を含めることで、万が一復号化できなくてもどのビーコン５からの情報が送信されているのかを特定することができる。
特に、リアルタイムクロックに何らかの理由で誤差が生じることは十分想定できる不具合であり、その場合不具合の起きているビーコン５を特定することは有益である。
上述した平文固有値の具体例としては、デバイスや設置してある店舗を示すＩＤ番号等を含めることが考えられる。
また、暗号化ボディ値の具体例としては、それが改ざん・複製されたものではないことを認証するためのパスワードや、秘匿したい通信の内容を含めることが考えられる。
これらにより、何らかの理由で復号化できない場合でも、どのビーコン５や店舗に不具合があったのかを平文で送信されるＩＤ番号をもって把握することが可能となる。
このような前記暗号化処理部２２による店舗情報の暗号化処理の構成によれば、以下のような利点がある。
すなわち、店舗等に設置してあるビーコン５が発信しているビーコン情報は、付近にいる不特定多数の携帯端末６が自由に受信することができるため、暗号化しないと解析されて不正利用されるリスクを免れない。
これは、店舗という不特定多数人の出入りを管理することができない場にデバイス（ビーコン）が設置されているという特殊性に起因する。
サーバ・クライアントモデルの暗号化においては、両者間で鍵を交換することが一般的であるが、本実施例のビーコン、携帯端末を利用する超音波通信システムについては、ビーコン５と携帯端末６が双方向通信を行わないシステムも考慮されており、鍵交換を必要としない暗号化が必要となる。
また、超音波通信システムにおいては、後述するようにビーコン５自体がインターネット網Ｎと接続しない利点があり、このためインターネット網Ｎ経由で時刻を同期することも必須としない暗号化システムが求められるところであり、前記暗号化処理部２２の構成によれば、このような場合にも対応できるものである。
［周波数切り替え処理］
次に、周波数切り替え部２０によるビーコン情報の周波数切り替え処理について図８を参照して説明する。
周波数切り替え部２０は、ビーコン５から発信するビーコン情報の例えば制御キャリア、第１キャリア又は第２キャリアの波形を、一方のレベルを０、他方のレベルを１とする矩形波とし、必要に応じて前記ビーコンコントローラ１７から周波数切り替え信号を前記周波数切り替え部２０に送る。
そして、周波数切り替え部２０は、図８に示すように、波形の終端が０のレベルで終わっている波長λＡ（周波数ＦＡ）の波形と、波形の始端が０のレベルからはじまっている波長λＢ（周波数ＦＢ）の波形とを両者のアクティブ時点でつなぎ合わせることで、波形の急な断絶を防止して、ビーコン５からビーコン情報を発信する構成とするものである。
これにより、携帯端末６にて受信するビーコン情報においては、信号波形の急な断絶が無くなる。そのため、人間の可聴域を超える１８ｋＨｚ以上の音域であっても、発信するビーコン情報の波形に急な断絶があると、受信側でクリック音（クリックノイズ）が生じてしまうという不都合を回避することができる。
本実施例１の超音波通信システム１においては、以下に述べるような技術要素を付加することができる。
既述した（制約６：録音による不正行為）を満たすためにはビーコン情報が変化しなければならない。そして、多くの店舗を包含して、現実的な検出時間でそれを行うには多くの店舗情報をビーコン情報に載せる必要が出てくる。
本実施例１の超音波通信システム１のように複数キャリアを用いた通信であれば、ビーコン情報に載せられる店舗情報の情報量を増やせるため、ビーコン情報に店舗情報に加えて時計情報等を載せることが可能となる。
その場合ビーコン情報は時間変化するため、録音したビーコン情報は価値を失う。
本実施例１の超音波通信システム１における店舗コンピュータ装置２において、記憶部１２を大容量の構成とし、ビーコン５側に送る店舗情報を、内容を変えて所定個数（例えば１月分の送信回数の想定値）記憶部１２に保持しておく構成としてもよい。
この構成とした場合、ビーコン５があるビーコン情報を所定回数出力したら、店舗コンピュータ装置２から内容を変えた（更新した）店舗情報をビーコン５に送り、ビーコン５は店舗情報の内容が異なる次のビーコン情報を出力する。
このようにすることで、次に出力されるビーコン情報は製作者のみが知っているものとなって、当該ビーコン情報を製作者以外の者が予測することは非常に困難となるため、不正に店舗の発するビーコン情報を録音し悪用するという事態を回避することができる。
なお、他の構成として、ビーコン５が店舗情報を出力した期間が所定期間（例えば、１か月）を超えたときに、出力する店舗情報を更新する構成としてもよい。
また、上述のような構成とすることで、交換が困難な場所に設置するビーコン５において時計の時刻調整等のようなメンテナンスを不要とすることができ、非常に有用である。
（実施例２）
本発明の実施例２に係る超音波通信システム１Ａについて、図９、図１０を参照して説明する。
本実施例２に係る超音波通信システム１Ａは、基本的構成は実施例１の場合と同様であるため、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施例２に係る超音波通信システム１Ａは、図９、図１０に示すように、実施例１の構成に替えて、店舗側が一つのフロアに設けた売場３内の例えば天井４に超音波を発振する２台のビーコン５Ａ、５Ｂを配置したこと、及び、二つのビーコン５Ａ、５Ｂ各々のキャリアの周波数を個々のチャンネル（第１のチャンネル、第２のチャンネルとする）別に可聴域外の周波数帯域で異ならせて個別に割り当てた構成とし、各ビーコン５Ａ、５Ｂから、個々のチャンネル別に同じ発信情報を売場内に同時に発信する構成としたことが特徴である。なお、３台以上のビーコンを売り場内に設けてもよい。
なお、図１０においては、ビーコン５Ｂの第１搬送信号出力部を２５ａ、第２搬送信号出力部を２６ａとして示している。
このような構成は、ビーコン５Ａ、５Ｂ間で超音波を使った通信によるローカルなネットワークを形成していることと同義であり、インターネット網Ｎ（図１参照）やＩＰ網に接続するための複雑なシステムを必要としない点で有利である。
すなわち、一方のビーコン５Ａにおいては、第１のチャンネルとして、第１搬送信号出力部２５の周波数設定により第１キャリアの周波数を１９，０００Ｈｚ、第２搬送信号出力部２６の周波数設定により第２キャリアの周波数を１９，０５０Ｈｚとし、他方のビーコン５Ｂにおいては、第２のチャンネルとして、第１搬送信号出力部２５ａの周波数設定により第１キャリアの周波数を１９，５００Ｈｚ、第２搬送信号出力部２６ａの周波数設定により第２キャリアの周波数を１９，５５０Ｈｚとして、第１のチャンネル、第２のチャンネル間の周波数間隔を十分に大きく（５００Ｈｚ）とった構成としている。
本実施例２に係る超音波通信システム１Ａの前記ビーコン５Ａ、ビーコン５Ｂと携帯端末６間の交信動作は、上述した実施例１の場合と同様であり、実施例１の場合と同様な効果を発揮する。
また、売場３内で顧客の携帯端末６の携帯マイク３６により、当該携帯マイク３６の周波数特性に最も適合したチャンネル（第１のチャンネル又は第２のチャンネル）の超音波のビーコン情報を受信することにより、個々の携帯端末６の携帯マイク３６における周波数特性の相違を乗り越え、それぞれの顧客の携帯端末６に対してそれぞれ高品質の店舗情報の配信を行うことができる。
更に、第１のチャンネル、第２のチャンネル間の周波数差も十分に大きいので、これにより、第１のチャンネル、第２のチャンネル間での干渉・混信を防ぎつつ個々の携帯端末６を保持する多数の顧客への情報配信を好適に行うことができる。
本実施例２の超音波通信システム１Ａにおいても、実施例１で述べた場合と同様な技術要素を付加することができ、これにより、既述した場合と同様な作用効果を発揮させることができる。
（実施例３）
次に、本発明の実施例３に係る超音波通信システム１Ｂについて、図１１、図１２を参照して説明する。
本実施例３に係る超音波通信システム１Ｂは、基本的構成は実施例２の場合と略同様であるため、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施例３に係る超音波通信システム１Ｂは、図１１、図１２に示すように、一つのビーコン５から、実施例２で述べたような周波数が異なる第１のチャンネル、第２のチャンネルの二つの超音波の信号を携帯端末６に向けて送出するように構成したことが特徴である。なお、三つ以上のチャンネルの超音波の信号を送出するようにしてもよい。
本実施例３に係る超音波通信システム１Ｂによれば、実施例１の場合と同様な作用効果を奏するとともに、図１１に示すように、一つのビーコン５から、第１のチャンネル及び第２のチャンネルによって、同じ内容の超音波のビーコン情報を顧客の携帯端末６に向けて送出することで、携帯端末６の技術制約１（周波数特性の違い）をのりこえ、個々の携帯端末６に最適なチャンネルにおいてビーコン情報を受信し復号することができる（冗長化）超音波通信システム１を提供することができる。
本実施例３の超音波通信システム１Ｂにおいても、実施例１で述べた場合と同様な技術要素を付加することができ、これにより、既述した場合と同様な作用効果を発揮させることができる。
（実施例４）
次に、本発明の実施例４に係る超音波通信システム１Ｂについて、図１３、図１４を参照して説明する。
本実施例４に係る超音波通信システム１Ｃは、基本的構成は実施例１、実施例２の場合と略同様であるため、同一の要素には同一の符号を付して示す。
本実施例４に係る超音波通信システム１Ｃは、実施例２の場合と同様に売場３内の例えば天井４に超音波を発振する例えば２台のビーコン５Ａ、５Ｂを配置したこと、また、ビーコン５Ａ、５Ｂにおいては、実施例２の場合の構成に加えて、各々マイク５１及びスピーカ５２を増設したことが特徴である。
本実施例４におけるビーコン５Ａ、５Ｂから携帯端末６への超音波によるビーコン情報の配信に関する動作は実施例２の場合と同様であり、本実施例４に係る超音波通信システム１Ｃにおいても実施例２の超音波通信システム１Ａの場合と同様な作用、効果を発揮させることができる。
また、本実施例４に係る超音波通信システム１Ｃにおいては、前記顧客による携帯端末６（携帯端末６には通例インターネット網Ｎに接続する手段が備わっている）の操作によってサーバ７とのインターネット接続により取得し、携帯スピーカ４０から発信される超音波のインターネット情報（インターネット環境を利用するもの）をビーコン５Ａ、５Ｂにのうちのいずれか（例えばビーコン５Ｂ）のマイク５１により受信する。
そして、インターネット情報を受信したビーコン（ビーコン５Ｂ）のスピーカ５２から他のビーコン（ビーコン５Ａ）のマイク５１に超音波のインターネット情報として送信することにより、携帯端末６のインターネット環境を利用する間接的なネットワークを構成することが可能となる（携帯端末６には通例インターネットに接続する手段が備わっている）。なお、ビーコンは、受信したインターネット情報が暗号化されていた場合には、内蔵するＣＰＵによって復号を行う。
これにより、店舗側においては、上述した顧客の携帯端末６を利用した間接的なネットワークを介してサーバ７からメンテナンスやアップデート情報を取得して、ビーコン５Ａ、５Ｂのメンテナンスやアップデートを実行することができるため、大幅なコストダウン及び省力化、省スペース、設置場所の柔軟性向上につながることが可能となる。
また、多店舗経営を行っているような店舗では、全国各地に散らばっているビーコンがインターネットに接続されていなくても、顧客の携帯端末６が取得するインターネット情報を利用して間接的にネットワークを介してメンテナンスやアップデートをすることができ、大幅なコストダウン及び省力化、省スペース化を実現し、更に設置場所の柔軟性向上につなげることもできるという利点がある。
更に、図示していないが、ビーコン５Ａ、５Ｂにマイク５１により受信した他のビーコンからの信号を基に当該ビーコンのキャリアの周波数を判定する機能をもたせて、自動的に自己が発信するキャリアのチャンネルを切り替えることにより、他のビーコンとの間の混信を防止するように構成することも可能である。
ここで、特にビーコンに時計等を設置した場合、またはそのビーコン情報に暗号が入っていてその暗号が解かれてしまった場合などに、ビーコン交換の必要が生じることは十分考えられる。そのため、上述したように他のビーコンとの間の混信を防止する構成を備えることは非常に重要である。
従来では、このようなビーコンのメンテナンス等を行うために、ビーコンをインターネット網ＮやＩＰ網を通じてネットワークに接続する必要があったが、本実施例４によれば、ユーザの携帯端末６がインターネット網Ｎを介しての通信手段の役割を担うことで、ネットワークレスで（ビーコン用のネットワークを店舗側で用意することなく）ビーコン５Ａ、５Ｂの遠隔操作等が可能となる利点がある。
ここで、複数台のビーコンのうちのいずれかを特定してメンテナンスを行う場合には、各ビーコン毎に帯域が異なるメンテナンス用のチャンネルを設定する、メンテナンス用のデータ中に各ビーコン毎に設定した識別子を含める等の仕様として、各ビーコン側で自身宛てのメンテナンス用のデータを認識できるようにしておけばよい。
本実施例４の超音波通信システム１Ｃにおいても、実施例１で述べた場合と同様な技術要素を付加することができ、これにより、既述した場合と同様な作用効果を発揮させることができる。
（実施例５）
次に、本発明の実施例５に係る超音波通信システムについて、図１５〜図１７を参照して説明する。
上述した実施例１〜本実施例４では、第１キャリア及び第２キャリアという二つのデータキャリアにより一つのチャンネルを構成したが、実施例５では、第１キャリア〜第６キャリアという六つのデータキャリアにより一つのチャンネルを構成する。なお、システムの基本的な構成は、実施例１で示したものと同様である。
実施例５において、ビーコン５は、図１５のタイミングチャート（時間軸ｔ）に示したように、一定のサイクルｔｃで制御キャリア信号を出力し、ｔｃの期間内に設定した四つの区分期間ｔｂ1（ｔ11〜ｔ12），ｔｂ2（ｔ12〜ｔ13），ｔｂ3（ｔ13〜ｔ14），ｔｂ4（ｔ14〜ｔ15）で、六つのデータキャリア（第１キャリア〜第６キャリア）によるデータキャリア信号（第１キャリア信号〜第６キャリア信号）を出力する。
実施例５において、ビーコン５は、出力するキャリア信号を切替えるときに、図１５において斜線で示したように、切替前後のキャリア信号が重複する期間ｔｖを設けている。これにより、上述した図７の場合と同様に、制御キャリア信号間において、いずれかのデータキャリア信号が常に出力されるようにしている。
また、各区分期間で出力するキャリア信号（制御キャリア信号，第１キャリア信号〜第６キャリア信号）の数を、重複期間ｔｖ以外では一定（二つ）にすることで、超音波の音圧変化が所定範囲内に抑制され、これにより、超音波によるビーコン情報が携帯端末の使用者に聞こえ難くしている。
ここで、超音波の音圧のトータルが所定範囲（ほぼ一定）となるように、制御キャリア或いは他のキャリアによりダミーのキャリア信号を第１キャリア信号〜第６キャリア信号に重複させて出力（発振）することによって、超音波のトータルの音圧の変化による不快感を人に与えることをさらに防止することができる。
ビーコン５は、このようにして構成されるビーコン情報を、繰り返し送出する。なお、使用するデータキャリアの本数は、上記実施例１〜４の２本或いは本実施例５の６本に限定されるものではなく、２本以上であればよい。また、同時に出力する制御キャリア信号とデータキャリア信号の総数は、１以上であればよい。また、制御キャリア信号の出力周期ｔｃ及び区分期間の設定数は、ビーコン情報を構成するデータの長さ等に応じて変更することができる。
ビーコン５は、図１６に示したマッピングテーブルに従って、ビーコン情報に応じた各チャンネルのデータキャリアの出力態様を決定する。
図１５に示したチャンネルでは、ｔｂ1で制御キャリア信号と第１キャリア信号が出力され、ｔｂ2で第２キャリア信号と第４キャリア信号が出力され、ｔｂ3で第３キャリア信号と第５キャリア信号が出力され、ｔｂ4で第４キャリア信号と第６キャリア信号が出力されている。そのため、ｔｂ1→‘０１’，ｔｂ2→‘１３’，ｔｂ3→‘１７’，ｔｂ4→‘２０’とデータ信号が割り当てられた、‘０１・１３・１７・２０’というビーコン情報を表している。
携帯端末６側では、ＦＦＴ解析により抽出した制御キャリア及び第１キャリア〜第６キャリアにおける制御キャリア信号及び第１キャリア信号〜第６キャリア信号の出力を、図１６に示したマッピングテーブルに適用して、ビーコン情報を認識する。
また、超音波の出力を圧電素子のように同時に複数の周波数帯の音を鳴らすことが難しいスピーカを用いて行う場合には、図１７のタイミングチャート（時間軸ｔ）に示したように、複数のスピーカを用いて超音波の出力を行うようにしてもよい。
図１７に示した例では、第１キャリア，第２キャリア，第３キャリア，及び第４キャリアをスピーカ１から出力し、制御キャリア，第４キャリア，第５キャリア，及び第６キャリアをスピーカ２から出力する構成となっている。なお、一つのキャリアに対して一つのスピーカを用意するようにしてもよい。
以上説明した実施例１から５の超音波通信システムによれば、人の耳に聞こえない可聴周波数外の超音波を使用し、かつ、超音波は周波数全域でみた音量は一定のため、人（顧客、従業員）の耳に聞こえにくいことから、不安感を与えることは無く、心理的な抵抗感や不安感を取り除くことができる。また、より正確な位置情報に基づく精度の高い情報配信が安定した状態で実行可能となり、また、ビーコン情報配信時のセキュリティ性も向上し、ビーコン５等の店舗等への導入可能性が拡大する。
また、システム全体として安定した通信性能を確保でき、メンテナンスコストが低くてすみ、店舗等において導入し易く、普及の拡大を図ることができ、システム提供者にとっても営業し易い利点がある。
更に、可聴周波数外の超音波を使用することで、ネズミ除け、ゴキブリ除け、若者のたむろ防止のモスキート音、眼鏡等の超音波洗浄機、デジタルサイネージや電子機器等から発生する環境雑音に強く、安定的な通信を確保可能な優れた性能を有する超音波通信システム１乃至１Ｃを実現し提供することができる。
本発明は、上述した店舗等における店舗側と顧客の携帯端末との通信に適用する場合の他、例えば携帯端末を保持した多数の出席者が集合する会議場等における個々の出席者の存在確認、イベント会場等における携帯端末を保持した多数の顧客の存在確認等の用途に広範に適用可能である。
１ ビーコン、携帯端末を利用する超音波通信システム
１Ａ ビーコン、携帯端末を利用する超音波通信システム
１Ｂ ビーコン、携帯端末を利用する超音波通信システム
１Ｃ ビーコン、携帯端末を利用する超音波通信システム
２ コンピュータ装置
３ 売場
４ 天井
５ ビーコン
５Ａ ビーコン
５Ｂ ビーコン
６ 携帯端末
７ サーバ
１０ 制御部
１１ メモリ
１２ 記憶部
１３ 通信処理部
１４ 操作部
１５ 表示部
１６ プリンタ
１７ ビーコンコントローラ
１８ 店舗情報出力部
２０ 周波数切り替え部
２１ 店舗情報受信部
２２ 暗号化処理部
２３ 制御キャリア発信部
２４ 搬送信号同期制御部
２５ 第１搬送信号出力部
２５ａ 第１搬送信号出力部
２６ 第２搬送信号出力部
２６ａ 第２搬送信号出力部
２７ 振幅変調部
２８ Ｄ／Ａ変換部
２９ ビーコン情報発信部
３０ クロック
３１ 携帯制御部
３２ 携帯メモリ
３３ 無線送受信部
３４ 表示部
３５ 操作部
３６ 携帯マイク
３７ 復調処理部
３８ 復号処理部
３９ 記憶部
４０ 携帯スピーカ
４１ Ｄ／Ａ変換部
５１ マイク
５２ スピーカ
Ｎ インターネット網

Claims (15)

  1. 超音波を発振するビーコンと携帯端末との間で、超音波による通信を行う超音波通信システムであって、
    前記ビーコンは、互いに異なる周波数として予め定められた３以上の信号キャリアを発振可能であり、所定情報に応じて３以上の前記信号キャリアにより構成されたデータ信号を出力するようになっており、前記ビーコンから出力される音圧が所定の範囲となるように、前記データ信号の発生中に、その音圧変動を補完するダミー発振がされるようになっており、
    前記携帯端末は、携帯マイクと、前記ビーコンから送出された超音波を受信したときに、その周波数又は波長の解析を行って、３以上の前記信号キャリアを復調する復調処理を実行する復調処理部と、該復調処理により認識された前記データ信号に基づき、前記所定情報を復号する復号処理を実行する復号処理部とを有すること
    を特徴とする超音波通信システム。
  2. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記ビーコンは、３以上の前記信号キャリアの一つ又は複数により構成される所定の制御信号間において、前記信号キャリアにより構成されるデータ信号を所定回数出力することを特徴とする超音波数通信システム。
  3. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記ビーコンに設定された信号キャリア数がｎであるときに、該ビーコンから同時に出力される信号キャリア数は１以上ｎ未満となっていることを特徴とする超音波通信システム。
  4. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    複数の前記ビーコンを備え、
    各ビーコンには、前記３以上の信号キャリアの組み合わせが、周波数の設定を互いに相違させて個別に割り当てられ、各ビーコンは、該割り当てられた組み合わせにより１チャンネルのビーコン情報を生成して超音波として送出し、
    前記携帯端末の前記復調処理部は、各ビーコンから送出される超音波の前記ビーコン情報のうち、前記携帯マイクの周波数特性に適合した前記ビーコン情報を受信すると共に、該受信した前記ビーコン情報に対して前記復調処理を実行すること
    を特徴とする超音波通信システム。
  5. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記ビーコンは、前記３以上の信号キャリアを組み合わせた１チャンネルのビーコン情報を、互いに周波数を異ならせて複数チャンネル分生成し、該複数チャンネルのビーコン情報を超音波により送出し、
    前記携帯端末の前記復調処理部は、前記ビーコンから送出される複数チャンネルの超音波の前記ビーコン情報のうち、前記携帯端末の携帯マイクの周波数特性に適合したチャンネルの前記ビーコン情報を受信すると共に、該受信した前記ビーコン情報に対して前記復調処理を実行すること
    を特徴とする超音波通信システム。
  6. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記携帯端末は、インターネットを介してサーバからインターネット情報を取得する手段と、該取得したインターネット情報を超音波としてスピーカから出力する手段とを有し、
    前記ビーコンは、マイクと、前記携帯端末のスピーカから出力される超音波のインターネット情報を該マイクにより受信することによって、前記サーバから提供されるインターネット情報を、前記携帯端末を介して取得する手段とを有すること
    を特徴とする超音波通信システム。
  7. 請求項６に記載の超音波通信システムにおいて、
    複数の前記ビーコンが前記特定の区画内に配置され、
    前記携帯端末を介してサーバからインターネット情報を取得したビーコンは、該インターネット情報を超音波によりスピーカから出力し、他のビーコンが該超音波によるインターネット情報をマイクにより受信することによって、複数のビーコン間で該インターネット情報を伝送すること
    を特徴とする超音波通信システム。
  8. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記所定情報のデータを、内容を変えて所定個数分記憶した記憶部を備え、
    前記ビーコンは、前記データ信号の送出回数が所定回数を超えたとき、又は前記データ信号の送出を行った期間が所定期間を超えたときに、前記記憶部から内容が変えられた前記所定情報のデータを取得して、前記データ信号の生成に使用する前記所定情報を更新すること
    を特徴とする超音波通信システム。
  9. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記ビーコンは、可聴域外の周波数を有する３以上の搬送信号に、前記所定情報を示す信号による振幅変調を行って、前記３以上の信号キャリアを生成することを特徴とする超音波通信システム。
  10. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記データ信号は、前記３以上の信号キャリアから同時に出力されるキャリア信号の数が一定になっていることを特徴とする超音波通信システム。
  11. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記ビーコンは、暗号化された前記所定情報を用いて前記データ信号を生成し、
    前記携帯端末は、前記ビーコンから受信した前記データ信号から復調した暗号化された前記所定情報を復号して所定情報を認識する
    ことを特徴とする超音波通信システム。
  12. 請求項１に記載の超音波通信システムにおいて、
    前記携帯端末と通信可能なサーバを備え、
    前記ビーコンは、第１計時部と、所定ロジックにより該第１計時部の計時時刻に応じた暗号鍵を決定する第１暗号鍵乱数表のデータを保持した記憶部と、該第１暗号鍵乱数表により決定された第１暗号鍵により前記所定情報を暗号化する暗号化処理部と、該暗号化処理部以外からの前記第１暗号鍵乱数表へのアクセスを禁止する暗号鍵アクセス禁止部とを有して、該暗号化された所定情報を用いて前記データ信号を生成し、
    前記サーバは、計時時刻が前記第１計時部と同一となるように構成された第２計時部と、前記第１暗号鍵乱数表と同一構成の第２暗号鍵乱数表のデータを保持した記憶部とを有し、前記携帯端末から前記第１暗号鍵により暗号化された暗号化済データを受信した時に、該受信時の前記第２計時部の計時時刻を前記第２暗号鍵乱数表に適用して得た第２暗号鍵により、該暗号化済データを復号して前記所定情報を認識することを特徴とする超音波通信システム。
  13. 超音波を発振するビーコンと携帯端末との間で、超音波による通信を行う超音波通信システムで使用されるビーコンであって、
    互いに異なる周波数として予め定められた３以上の信号キャリアを発振可能であり、所定情報に応じて３以上の前記信号キャリアにより構成されるデータ信号を出力するようになっており、
    前記ビーコンから出力される音圧が所定の範囲となるように、前記データ信号の発生中に、その音圧変動を補完するダミーの発振がされるようになっていること
    を特徴とするビーコン。
  14. 超音波を発振するビーコンと携帯端末との間で、超音波による通信を行う超音波通信システムで使用される携帯端末用のプログラムであって、
    前記携帯端末に実装されたＣＰＵで実行されることにより、該ＣＰＵを、
    前記ビーコンから送出される、互いに異なる周波数として予め定められた３以上の信号キャリアにより所定情報に応じて構成され、音圧が所定の範囲となるように、音圧変動を補完するダミー発振がされたデータ信号を受信したときに、該受信したデータ信号に対する周波数又は波長の解析を行って、３以上の前記信号キャリアを復調する復調処理を実行する復調処理部と、
    前記復調処理により認識された前記データ信号に基づき、前記所定情報を復号する復号処理部として機能させることを特徴とする携帯端末用プログラム。
  15. 超音波を発信するビーコンと携帯端末との間で、超音波による通信を行う超音波通信システムで使用される携帯端末と、ネットワークを介して通信可能なサーバであって、
    前記携帯端末に対して、
    前記携帯端末に実装されたＣＰＵで実行されることにより、該ＣＰＵを、
    前記ビーコンから送出される、互いに異なる周波数として予め定められた３以上の信号キャリアにより所定情報に応じて構成され、音圧が所定の範囲となるように、音圧変動を補完するダミー発振がされたデータ信号を受信したときに、該受信したデータ信号に対する周波数又は波長の解析を行って、３以上の前記信号キャリアを復調する復調処理を実行する復調処理部と、
    前記復調処理により認識された前記データ信号に基づき、前記所定情報を復号する復号処理部として機能させる携帯端末用プログラムを送信することを特徴とするプログラム提供サーバ。
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