JP6764153B2 - 無線送信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線送信装置に関し、特に、ＩｏＴ（Internet of Things）及び／又はＭＴＭ(Machine to Machine)に適した無線送信装置に関する。

最近、ＩｏＴ及び／又はＭＴＭが注目を浴びている。ＩｏＴ及び／又はＭＴＭでは、センサを含むデバイスから他のデバイス／ゲートウェイに無線送信する無線送信装置が必要である。また、ＩｏＴ及び／又はＭＴＭで使用されるデバイスは電源の無い場所或いは電源から離隔した位置に設置されることも多い。このようなデバイスに電源を供給するために風力発電或いは太陽光発電等による自然エネルギーを利用することが好適である。

特許文献１はＩｏＴ及び/又はＭＴＭに用いられるシステムを開示している。しかしながら、特許文献１はＩｏＴ及び／又はＭＴＭに使用される無線送信装置等のデバイスに自然エネルギーを供給した場合における課題について何等開示していない。

一方、ＩｏＴ及び／又はＭＴＭに使用される無線送信装置等のデバイスに自然エネルギーを供給した場合、当該自然エネルギーの供給が不安定であるため、自然エネルギーをそのままセンサを含むデバイスに供給したのでは、デバイスに含まれる無線送信装置の動作が不安定になってしまい、継続的に安定なＩｏＴ、ＭＴＭの運用が困難になってしまう。

自然エネルギーの不安定さによる影響を少なくするために、自然エネルギーを一旦電解コンデンサやスーパーキャパシタ、電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を介して、無線送信装置に与えることが考えられる。この場合、蓄電素子は小容量の電気エネルギーを一時的に保存する共に、自然エネルギーの変動によって充放電を繰り返すことになる。

このように、蓄電素子からの電源を無線送信装置に与えても、蓄電素子の充放電によって、無線送信装置の動作は十分には安定化できない。

特表２０１５−５０８５２３号公報 国際公開第２０１３／１９０７４１号 国際公開第２０１２／０３２９３７号

また、ＩｏＴ及び／又はＭＴＭに使用され無線送信装置（以下、ＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置と略称する）は低消費電力であることも要求される。蓄電素子の充放電による影響を緩和すると共に、センサからの数値情報を演算するために、論理コンポーネントを備えた半導体装置をＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置に適用することが考えられる。

しかしながら、実際には、自然エネルギーによって動作するＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置に対して、論理コンポーネントを含む半導体装置を適用した例は見当たらないのが実情である。例えば、論理コンポーネントを含むＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field programmable Gate Array）等の半導体装置をＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置に適用しても、低電力化の点及び電源投入の際の動作速度の点で不十分であることが判明した。

本発明の課題は、ＩｏＴ/ＭＴＭに適した低電力化を実現できる無線送信装置及び無線送信方法を提供することにある。

本発明の他の課題は、ＣＰＬＤ及びＦＰＧＡ等の半導体装置よりも低消費電力化を図ることができる無線送信装置及び無線送信方法を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、入力された電気エネルギーを蓄え、電源として使用される蓄電素子と、前記蓄電素子による電源供給により動作し、不揮発性で且つ書換え可能であって、内部状態を電気エネルギー無しに保持できる抵抗変化素子を含む半導体装置と、前記半導体装置からの情報を受け、当該情報を前記蓄電素子からの給電を用いて無線信号として送信する変調器と、前記蓄電素子の電圧値を参照し、前記半導体装置と前記変調器の状態を無線通信可能とする状態であるセット状態と、前記半導体装置と前記変調器の状態を無線通信不能とする状態であるリセット状態に、ヒステリシス状に閾値判定を行うヒステリシス式閾値判定器と、を有するＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置が得られる。

本発明の他の実施形態によれば、入力された電気エネルギーを蓄え、電源として動作する蓄電素子と、該蓄電素子による電源供給により動作し、不揮発性で且つ書換え可能であって、内部状態を電気エネルギー無しに保持できる抵抗変化素子を含む半導体装置であるＮａｎｏ Ｂｒｉｄｇｅ（登録商標） -ＦＰＧＡ（以下、ＮＢ−ＦＰＧＡと略称する）を用い、センサからの情報を前記ＮＢ−ＦＰＧＡにより処理して、前記蓄電素子からの給電を用いて変調器により無線信号として送信するＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置用のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法であって、ヒステリシス状に閾値判定を行うヒステリシス式閾値判定器を構成に含み、前記蓄電素子の電圧値を参照し、前記ＮＢ−ＦＰＧＡと前記変調器の状態を無線通信可能とする状態であるセット状態と、前記半導体装置と前記変調器の状態を無線通信不能とする状態であるリセット状態に弁別する、判定ステップを含む、ＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法が得られる。

ここで、ＮＢ−ＦＰＧＡとしては、特許文献２及び３に記載された半導体装置を使用することができる。ＮＢ−ＦＰＧＡは、不揮発性で且つ書換え可能であって、内部状態を電気エネルギー無しに保持できる抵抗変化素子を複数のトランジスタ間の接続/非接続を決定する部分に備えている。当該ＮＢ−ＦＰＧＡの抵抗変化素子は遷移金属酸化物を用いたＲｅＲＡＭ（Resistance Random Access Memory）や、イオン伝導体を用いた不揮発性のＮａｎｏ Ｂｒｉｄｇｅ（登録商標）などの抵抗変化素子によって構成され、各セルは回路情報を不揮発的に保持できる。

本発明によれば、低電力で安定な動作を行うことができ、電源投入の際における立ち上がりの早いＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置及び無線送信方法が得られる。

本発明の一実施形態に係るＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置を原理的に説明するブロック図である。 本発明の一実施例に係るＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置を示すブロック図である。 図１及び２に示されたＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置の構成をより具体的に示す図である。 市販のＦＰＧＡ半導体装置を用いたＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置の構成を示す図である。 図２−１で使用されているＦＰＧＡ半導体装置の構成を示す図である。 ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置を用いたＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置と、市販のＦＰＧＡ半導体装置を用いたＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置における動作可能時間の違いを説明する波形図である。 本発明の第２実施例に使用されるＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置を説明する図である。

本発明の実施形態の原理：
図１を参照すると、本発明の実施形態に係るＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置の原理的な構成が示されている。図示されたＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は小容量で電力によっても安定な動作を行え、且つ、変動の激しい自然エネルギーを電源として使用した場合にも、安定した動作を行うことができる。

このため、ＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は小容量の電気エネルギーを一時的に保存できる電解コンデンサやスーパーキャパシタ、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を電源として使用できる。

図１を参照すると、本発明の実施形態に係るＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置の原理的な構成が示されている。低消費電力で安定動作を可能にするために、図１に示されているように、本発明の実施形態に係るＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は、イオン伝導体を用いた不揮発性のＮａｎｏ Ｂｒｉｄｇｅ（登録商標）の抵抗変化素子を搭載した半導体装置ＮＢ−ＦＰＧＡ１０１と、当該半導体装置からの情報を受け、当該情報を無線信号として送信する変調器１０６を有している。

変調器１０６からの信号は空中線１０７を通して、サーバ等に送信される。

ここで、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１に含まれる抵抗変化素子は不揮発性で且つ書換え可能であり、更に、電源を投入しない状態においても、電源投入前の状態を保持できるという特性を有している。

一方、市販されているＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field programmable Gate Array）のような半導体装置をＩｏＴ／ＭＴＭ用無線装置に適用した場合、十分な低電力化が図れない。ＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ等の半導体装置は、半導体内部に含まれるトランジスタ、その他素子間の回路、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の構成回路を含んでいる。ＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ等では、これらの構成回路の状態を何度も書き換えることができる。しかしながら、これら構成回路の状態は、電気的なエネルギーを供給することによって保時し続ける必要がある。

このため、上記した市販の半導体装置内部の構成回路を動作させる電気的エネルギーに加えて、当該半導体装置内部で構成されるトランジスタやその他素子間の回路接続の状態を電気的なエネルギーで保持し続けるために、定常的な電気的エネルギーが必要となる。

ここで、市販のＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ等の半導体装置をＩｏＴ/ＭＴＭデバイスに適用した場合について説明する。ＩｏＴ/ＭＴＭデバイスでは、ＩｏＴやＭ２Ｍで用いられるセンサなどの数値情報を当該デバイスから離れたゲートウェイ機器へ送信する必要がある。しかし、ＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ等の半導体装置は消費電力が大きい。このため、自然エネルギーを変換することによって得られた小容量の電気エネルギーを一時的に保存蓄積できる電解コンデンサやスーパーキャパシタ、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を電源として利用することはできない。また、蓄電素子を電源として使用できたとしても、消費電力が大きいために無線送信装置を正しく機能させることができない。

更に、上記した半導体装置では、電源起動の際にあらかじめ保存しておいた半導体装置内部で構成される回路情報は、半導体装置外部のＲＯＭ（Read Only Memory）、あるいは半導体装置に内蔵のＲＯＭから読込み、半導体装置内部で回路接続を再構成する手続き（コンフィグレーション）が必要である。このため、ＲＯＭとコンフィグレーション時間、及び当該コンフィグレーションに要する電力が必要である。特に、昨今のように回路接続の規模が大きくなれば大きくなるほど、それらコンフィグレーション時間とコンフィグレーションに要する電力は大きくなる傾向にある。

更に、このコンフィグレーションは、不揮発的に半導体装置へ記録されていないため、電源投入の度に繰り返される必要がある。

他方、図１に示された本発明の一実施形態に係るＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１はＲＯＭから半導体装置への回路情報の読み込み手段、および回路接続情報の展開（コンフィグレーション）手段を必要としない。このため、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置は、回路情報の読み込みとコンフィグレーションに要する電力が不要で、且つ回路の起動時間が早いという特徴を有している。これは、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置に含まれる抵抗変化素子が不揮発性で且つ書換え可能であり、電気エネルギーを供給していない状態においても内部の状態を維持でき、回路の接続状態を保持できるからである。また、この種の抵抗変化素子は、遷移金属酸化物を用いたＲｅＲＡＭ（Resistance Random Access Memory）や、イオン伝導体を用いた不揮発性のＮａｎｏ Ｂｒｉｄｇｅ（登録商標）などの抵抗変化素子によって構成できる。なお、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置は、基本構成要素である複数のトランジスタ間の接続／非接続を決定する個所全てに、上記した抵抗変化素子が使用されていることに留意すべきである。このことは、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置にＲＡＭ、ＲＯＭを含んでいる場合にも、同様に、複数のトランジスタ間の接続／不接続を決定する個所全てに、上記した抵抗変化素子が使用されている。

（第１実施例）
以下、図２を参照して、本発明の第１実施例に係るＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置を説明する。

図示されたＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は、Ｎａｎｏ Ｂｒｉｄｇｅ（登録商標）抵抗変化素子を搭載したＮａｎｏ Ｂｒｉｄｇｅ−ＦＰＧＡ（ＮＢ−ＦＰＧＡ）半導体装置１０１を含んでいる。

当該ＮＢ−ＦＰＧＡ１０１には、風力、太陽光等の自然エネルギーを電気エネルギーへ変換するエネルギー変換器１０２、及び、電圧制限器あるいは整流器１０３が接続されている。

更に、図示されたＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は電解コンデンサ、スーパーキャパシタ、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子１０４、ヒステリシス式閾値判定器１０５、無線変調器（ＭＯＤ）１０６、空中線（アンテナ）１０７を有している。当該ＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置には、温度や湿度、加速度、重力、磁気等の物理量を検知する第１のセンサ１０８及び第２のセンサ１０９が接続されている。第１及び第２のセンサ１０８及び１０９は互いに異なる物理量を検知するものであっても良いし、同じ物理量を異なる場所で検知するものであっても良い。

また、図２に示されたＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は第１及び第２の水晶発振器１１０及び１１１を含んでいる。

自然エネルギーはエネルギー変換器１０２で電気エネルギーに変換される。エネルギー変換器１０２は直流あるいは交流電流を電圧制限器あるいは整流器１０３に供給する。蓄電素子１０４は、直流あるいは交流電流のピーク電圧を制限、或いは直流電流に整流された電気エネルギーを蓄電する。この時、蓄電素子１０４に蓄電された電荷は、エネルギー変換器１０２側との電圧差によりエネルギー変換器１０２側へ流れ出ないよう、整流器１０３により食い止められている。

ここで、蓄電素子１０４の電圧が、ヒステリシス式閾値判定器１０５で設定された閾値以上の時、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１と無線変調器１０６は当該ＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置を動作できるセット状態に維持される。他方、閾値未満の時は、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１と無線変調器１０６はリセット状態に維持され、ＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は動作しない。

なお、蓄電素子１０４からの電力は、その大小に関わらずＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１へ供給され続ける。この状態で、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１は、蓄電素子１０４を電源として、第１の水晶発振器１１０で生成したメインクロックを使って、第１のセンサ１０８で測定した物理量と第２のセンサ１０９で測定した物理量を、それぞれパケットデータに変換する。この場合、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１は、第１の水晶発振器１１０で生成したメインクロックを使って、パケットデータを無線変調器１０６で求められるタイミング、あるいは適当なタイミングで無線変調器１０６へ送出する。無線変調器１０６には、空中線１０７から送信される変調周波数の源振となる第２の水晶発振器１１１からクロックが与えられている。このため、無線変調器１０６は、第２の水晶発振器１１１からクロックを使って、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１から得た前述のパケットデータを変調し、空中線１０７から送信する。

なお、図２では、無線変調器１０６、第１及び第２のセンサ１０８、１０９、第１及び第２の水晶発振器１１０、１１１への電力供給の配線は省略されている。

次に、図２に示したＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１の内部構成について説明する。 図３は、図２に示したＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１の内部構成を示している。ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１はタイミング生成器１０１１、多重器１０１２、パケット生成器１０１３、及びバッファ１０１４を備えている。タイミング生成器１０１１、多重器１０１２、パケット生成器１０１３、及びバッファ１０１４は複数のトランジスタ間の接続／非接続を決定する箇所に、前述した抵抗変化素子を有している。

図３に示されたＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１には、第１及び第２のセンサ１０８、１０９、及びヒステリシス式閾値判定器１０５が図２と同様に接続されている。

第１及び第２のセンサ１０８及び１０９で測定した物理量はＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１内部において、多重器１０１２により１つのデータとなり、パケット生成器１０１３に送出される。パケット生成器１０１３は無線変調器１０６の入力フォーマットに従って、ヘッダーや制御部、パリティチェックなどを付加したパケットデータを生成した後、当該パケットデータをバッファ１０１４に格納する。

第１及び第２のセンサ１０８、１０９からバッファ１０１４に至る一連の工程は、タイミング生成器１０１１で生成されたタイミングに従って行われ、前述のパケットデータは、最後にバッファ１０１４から外部の無線変調器１０６に向けて送出される。なお、ヒステリシス式閾値判定器１０５の出力は、本ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１内部の各機能をリセット（ＲＳＴ）状態にするために用いられる。

ここで、図２に示されたＩｏＴ／ＭＴＭ無線送信装置の効果を具体的に説明するために、図２のＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１の代わりに、市販されているＣＰＬＤやＦＰＧＡ半導体装置を適用した場合について説明する。これらＣＰＬＤやＦＰＧＡ半導体装置は構成回路を何度も書き換えられることができる。

図４を参照すると、市販のＦＰＧＡ半導体装置を使用してＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置を構成した例が示されている。図４に示されたＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は、市販のＦＰＧＡ半導体装置２０１、自然エネルギーを電気エネルギーへ変換するエネルギー変換器２０２、電圧制限器あるいは整流器２０３、電解コンデンサやスーパーキャパシタ、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子２０４を備えている。また、ヒステリシス式閾値判定器２０５、無線変調器２０６、及び空中線２０７がＦＰＧＡ半導体装置２０１に接続されている。更に、第１及び第２のセンサ２０８及び２０９、第１及び第２の水晶発振器２１０及び２１１もＦＰＧＡ２０１に接続されている。

更に、ＦＰＧＡ半導体装置２０１には、ＯＲ回路２１２がＦＰＧＡ半導体装置２０１の外部に接続されているが、当該ＯＲ回路２１２はＦＰＧＡ半導体装置２０１の内部にあっても良い。

エネルギー変換器２０２で電気エネルギーに変換された直流あるいは交流電流は、電圧制限器あるいは整流器２０３でピーク電圧の制限を受けるか、直流電流に整流され、蓄電素子２０４に蓄電される。この時、蓄電素子２０４に蓄電された電荷は、エネルギー変換器２０２側との電圧差により当該エネルギー変換器２０２側へ流れ出ないよう、整流器２０３により食い止められている。ここで、蓄電素子２０４の電圧が、ヒステリシス式閾値判定器２０５で設定された閾値以上の時、ＦＰＧＡ半導体装置２０１と無線変調器２０６はセット状態となり動作を行うことができ、閾値未満の時は、ＦＰＧＡ半導体装置２０１と無線変調器２０６はリセット状態となって動作しない。

ここで、ＯＲ回路２１２は、ＦＰＧＡ半導体装置２０１から出力されるコンフィグレーション完了信号（CNF_DONE）とヒステリシス式閾値判定器２０５出力の論理和を出力し、無線変調器２０６のリセット（ＲＳＴ）端子に供給する。なお、蓄電素子２０４からの電力は、その大小に関わらずＦＰＧＡ半導体装置２０１へ供給され続ける。

ＦＰＧＡ半導体装置２０１は、蓄電素子２０４を電源に、第１の水晶発振器２１０で生成したメインクロックを使って、第１のセンサ２０８で測定した物理量と第２のセンサ２０９で測定した物理量を、それぞれパケットデータに変換し、無線変調器２０６で求められるタイミング、あるいは適当なタイミングで無線変調器２０６へ送出する。空中線２０７から送信される変調周波数の源振となる第２の水晶発振器２１１からクロックを得た無線変調器２０６は、ＦＰＧＡ半導体装置２０１から得た前述のパケットデータを変調し、空中線２０７から送信する。

なお、この図においても、無線変調器２０６、第１及び第２のセンサ２０８及び２０９、及び第１及び第２の水晶発振器２１０及び２１１に接続された電力供給用配線は省略されている。

図５には、図４に示されたＦＰＧＡ半導体装置２０１の内部構成が示されている。当該ＦＰＧＡ半導体装置２０１は、タイミング生成器２０１１、多重器２０１２、パケット生成器２０１３、及びバッファ２０１４を含んでいる。なお、当該ＦＰＧＡ半導体装置２０１は複数のトランジスタ間に、抵抗変化素子を含んでいない。

第１のセンサ２０８で測定した物理量と第２のセンサ２０９で測定した物理量は、ＦＰＧＡ半導体装置２０１内部において、多重器２０１２により１つのデータとなり、パケット生成器２０１３において無線変調器２０６の入力フォーマットに従って、ヘッダーや制御部、パリティチェックなどを付加したパケットデータとなった後、バッファ２０１４に格納される。第１及び第２のセンサ２０８及び２０９からバッファ２０１４に至る一連の工程は、タイミング生成器２０１１で生成されたタイミングに従って加工や遷移が成され、前述のパケットデータは、最後に外部の無線変調器２０６に向けてバッファ２０１４より送出される。なお、ヒステリシス式閾値判定器２０５の出力は、本ＦＰＧＡ半導体装置２０１内部の各機能をリセット（ＲＳＴ）状態にするために用いられる。

図６には、図２に示した半導体装置ＮＢ−ＦＰＧＡを使用したＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置と、図４に示した市販のＦＰＧＡ半導体装置を使用したＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置の動作波形が比較のために示されている。

図６の上段には、蓄電素子１０４及び２０４から与えられる電源電圧が示されている。 図６の中段には、図２に示された無線送信装置の動作時間が示されており、図６の下段には、図４に示された無線送信装置の動作時間が示されている。

この例では分り易くするため、図２のＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置と図４のＦＰＧＡ半導体装置は、電源電圧において同じ動作可能電圧範囲であることを前提としている。

図６における参照番号のうち、３０１は蓄電素子１０４あるいは２０４から供給される電源電圧の時間に対する変動の様子を示している。また、３０１１はＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置および通常のＦＰＧＡ半導体装置における動作有効電圧範囲を示し、両者の動作有効電圧は等しいものとしている。更に、３０１２はＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置、およびＦＰＧＡ半導体装置等へのリセットが解除される時の電源電圧（＝Ｒｅｓｅｔ解除電圧）である。また、３０１３はＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置、およびＦＰＧＡ半導体装置等へのリセットが有効となる時の電源電圧（＝Ｒｅｓｅｔ電圧）である。ここで、Ｒｅｓｅｔ解除電圧及びＲｅｓｅｔ電圧は、それぞれＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置全体をリセット解除電圧及びリセットする電圧である。

ここで、３０１４はＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置、およびＦＰＧＡ半導体装置が動作できる最低有効電圧である。

３０１５であらわされる区間Ａは、電源電圧が動作有効電圧範囲３０１１内にあり、リセット（ＲＳＴ）＋Ｃｏｎｆ_Ｄｏｎｅが有効である区間である。

３０１６であらわされる区間Ｂは、電源電圧は動作有効電圧範囲３０１１内だが、リセット（ＲＳＴ）が有効である区間である。

３０１７であらわされる区間Ｃは、電源電圧は動作有効電圧範囲３０１１外で且つ、リセット（ＲＳＴ）が有効である区間である。

また、中段に示された３０２は図２のＩｏＴ／ＭＴＭ無線送信装置を動作させた場合、ヒステリシス式閾値判定器１０５がリセット（ＲＳＴ）信号を出力しているときの、時間に対する変化の様子を示している。

３０２１は電源電圧が、動作有効電圧範囲３０１１にあるＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置の動作有効時間を示し、３０２２はＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置の動作有効時間３０２１からリセット（ＲＳＴ）時間を除いた動作可能時間を示している。

更に、３０２３はリセット（ＲＳＴ）時間および最低有効電圧３０１４を下回った動作不可時間を示している。

他方、図３の下段に示された３０３は、図４のＩｏＴ／ＭＴＭ無線送信装置を動作させた時におけるＯＲ回路２１２出力の時間に対する変化の様子を示している。また、３０３１は電源電圧が動作有効電圧範囲３０１１にあるＦＰＧＡ半導体装置の動作有効時間を示し、且つ、３０３２はＦＰＧＡ半導体装置の動作有効時間３０３１からリセット（ＲＳＴ）時間を除いた動作可能時間を示している。

また、３０３３はリセット（ＲＳＴ）時間および最低有効電圧３０１４を下回った動作不可時間を示している。

ここでは、電源投入時の３０１５であらわされる区間Ａと、リセット（ＲＳＴ）が有効な３０１６であらわされる区間Ｂ、最低有効電圧３０１４未満およびリセット（ＲＳＴ）が有効な３０１７であらわされる区間Ｃにおける状況が示されている。

図６の各区間Ａ（３０１５）、Ｂ（３０１６）、Ｃ（３０１７）のうち、区間Ｂ（３０１６）と区間Ｃ（３０１７）は、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１及びＦＰＧＡ半導体装置２０１を用いた場合において同じである。他方、ＦＰＧＡ半導体装置２０１によるＯＲ回路２１２出力の時間に対する変化３０３は、動作可能時間３０３２に示される通り、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置の動作可能時間３０２２より短いことが分る。

これは、市販のＦＰＧＡでいうコンフィグレーション時間がＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置では削除され、また同コンフィグレーション時間に要する電力も不要となる効果をもたらす。また、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置を用いた場合、電源投入の度毎にコンフォグレーションが繰り返されることも無くなるため、図２に示す第１のセンサ１０８で測定した物理量と第２のセンサ１０９で測定した物理量を送信する機会も増えることを意味する。

（第２実施例）
図４示された第２実施例は、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１への書込み内容を、図３に示す純粋なハードウェアではなく、搭載された簡易ＣＰＵによって処理する。この点で、図４示された第２実施例は図２のＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置を使用したＩｏＴ用センサノード構成例とは異なっている。即ち、 本発明の第２実施例は別の内部構成を有するＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１を示している。具体的には、図示されたＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１は簡易ＣＰＵ１０１Ａ、タイミング生成器１０１Ｂ、ＲＡＭ１０１Ｃ、ＲＯＭ１０１Ｄ、及びバッファ１０１Ｅを備え、これら各部の複数のトランジスタ間の接続／非接続を決定する箇所には抵抗変化素子が配置されている。

第２実施例の場合、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１は、電源投入と同時に、ＲＯＭ１０１Ｄに格納されているプログラムをＲＡＭ１０１Ｃに展開しプログラムをスタートする。第１及び第２のセンサ１０８及び１０９で測定した物理量は、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１において、簡易ＣＰＵ１０１Ａのポーリング機能あるいは割込機能により取り込まれ、一旦、ＲＡＭ１０１Ｃに保存される。例えば、簡易ＣＰＵ１０１Ａにおいて２つの第１及び第２のセンサ１０８及び１０９の平均を算出する。更に、簡易ＣＰＵ１０１Ａはその平均物理量をパケット化するため、無線変調器１０６の入力フォーマットに従って、ヘッダーや制御部、パリティチェックなどを付加する。ここで、パケット化されたパケットデータは、バッファ１０１Ｅに格納される。

第１及び第２のセンサ１０８及び１０９からバッファ１０１Ｅに至る一連の工程は、タイミング生成器１０１Ｂで生成されたタイミングに基づいて実施され、前述のパケットデータは、最後に外部の無線変調器１０６に向けてバッファ１０１Ｅより送出される。

なお、ヒステリシス式閾値判定器１０５の出力は、本ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１内部の各機能をリセット（ＲＳＴ）状態にするために用いられる。

なお、ＲＯＭ１０１Ｄは、一般的にＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１の外部へ別に実装し、ＪＴＡＧ（Joint Test Action Group）などを用いてプログラムを書込変更可能とする。しかし、この実施例の場合、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１へ書込む回路情報の元となったＲＴＬ（Register Transfer Level）の段階で、既にアセンブラ言語の形で記述されている方法を取っている。このため、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置１０１へは、１回の回路情報書込みでアセンブラの記述書き込みも完了することができる。上記したＲＴＬはＳｙｓｔｅｍ Ｖｅｒｉｌｏｇ、Ｖｅｒｉｌｏｇ−ＨＤＬ等のＨＤＬ（ハードウェア記述言語）の総称である。

従って、通常のＦＰＧＡで図７を実現した場合、ＦＰＧＡ半導体装置の回路情報の書込みとＲＯＭへのプログラムの書込みの２工程が必要となる。

しかし、ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置を使用した場合、１回の回路情報の書込み工程で実現できる特徴がある。

なお、実施形態及び／又は実施例を例示して本発明を説明した。しかし、本発明の具体的な構成は前述の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があってもこの発明に含まれる。例えば、上述した実施形態及び／又は実施例のブロック構成の分離併合、手順の入れ替えなどの変更は本発明の趣旨および説明される機能を満たせば自由であり、上記説明が本発明を限定するものではない。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下のようにも記載されうる。尚、以下の付記は本発明をなんら限定するものではない。

［付記１］
不揮発性で且つ書換え可能であって、内部状態を電気エネルギー無しに保持できる抵抗変化素子を含む半導体装置と、当該半導体装置からの情報を受け、当該情報を無線信号として送信する変調器を有するＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記２］
前記半導体装置はＮａｎｏＢｒｉｄｇｅ(登録商標)−ＦＰＧＡ（以下、ＮＢ−ＦＰＧＡと略称する）である付記１に記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記３］
前記半導体装置に対する電源投入時に、前記半導体装置の内部構成に関するコンフィグレーションが不要である付記１又は２に記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記４］
電源として動作する蓄電素子を含み、前記半導体装置は前記蓄電素子からの電源供給により動作する付記１〜３のいずれかに記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記５］
前記蓄電素子には自然エネルギーが与えられる付記１〜４のいずれかに記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記６］
更に、少なくとも一つのセンサを含む付記１〜５のいずれかに記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記７］
不揮発性で且つ書換え可能であって、内部状態を電気エネルギー無しに保持できる抵抗変化素子を含む半導体装置であるＮＢ−ＦＰＧＡを用い、当該センサからの情報を処理して、無線信号として送信するＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法。

［付記８］
前記半導体装置に蓄電素子を接続しておき、当該蓄電素子には自然エネルギーが供給され付記７記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法。

［付記９］
前記半導体装置に対する電源投入時に、前記半導体装置の内部構成に関するコンフィグレーションが前記半導体装置から出力されない付記７又は８記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法。

［付記１０］
前記蓄電素子として、電解コンデンサ、スーパーキャパシタ、及び電気二重層キャパシタを使用する付記７〜９のいずれかに記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法。

［付記１１］
蓄電素子と、不揮発性で且つ書換え可能であって、内部状態を電気エネルギー無しに保持できる抵抗変化素子を含む半導体装置と、当該半導体装置からの情報を受け、当該情報を無線信号として送信する変調器と、及びセンサとを備え、前記蓄電素子は前記半導体装置の電源として動作するＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記１２］
自然エネルギーをエネルギー変換するエネルギー変換器と、前記エネルギー変換器と前記蓄電素子との間に設けられた電圧制限器あるいは整流器を有する付記１１記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記１３］
前記蓄電素子からの電源の閾値判定を行う閾値判定器を有する付記１２記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記１４］
前記半導体装置は多重器、パケット生成器、及びバッファを含む付記１１〜１３のいずれか記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置。

［付記１５］
前記半導体装置はＣＰＵ、バッファ、ＲＡＭ、及びＲＯＭを含んでいる付記１１〜１３のいずれかに記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置。

本発明は、自然エネルギーで動作するＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置として利用できる。この場合、ＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信装置は商用電源を利用できない遠隔地に設けられる無線送信装置を安定に動作させることができる。

１０１ ＮＢ−ＦＰＧＡ半導体装置
２０１ ＦＰＧＡ半導体装置
１０２、２０２ エネルギー変換器
１０３、２０３ 電圧制限器あるいは整流器
１０４、２０４ 蓄電素子
１０５、２０５ ヒステリシス式閾値判定器
１０６、２０６ 無線変調器
１０７、２０７ 空中線
１０８、２０８ 第１のセンサ
１０９、２０９ 第２のセンサ
１１０、２１０ 第１の水晶発振器
１１１、２１１ 第２の水晶発振器
１０１１、２０１１ タイミング生成器
１０１２、２０１２ 多重器
１０１３、２０１３ パケット生成器
１０１４、２０１４ バッファ
２０５ ＯＲ回路

Claims (10)

1. 入力された電気エネルギーを蓄え、電源として使用される蓄電素子と、
   前記蓄電素子による電源供給により動作し、不揮発性で且つ書換え可能であって、内部状態を電気エネルギー無しに保持できる抵抗変化素子を含む半導体装置と、
   前記半導体装置からの情報を受け、当該情報を前記蓄電素子からの給電を用いて無線信号として送信する変調器と、
   前記蓄電素子の電圧値を参照し、前記半導体装置と前記変調器の状態を無線通信可能とする状態であるセット状態と、前記半導体装置と前記変調器の状態を無線通信不能とする状態であるリセット状態に、ヒステリシス状に閾値判定を行うヒステリシス式閾値判定器と、
   を有するＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。
2. 前記半導体装置はＮａｎｏＢｒｉｄｇｅ(登録商標)−ＦＰＧＡ（以下、ＮＢ−ＦＰＧＡと略称する）である請求項１に記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。
3. 該ＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置は、前記蓄電素子の電圧が、セット状態の閾値（Ｒｅｓｅｔ解除電圧）を超えた際に、前記半導体装置の内部構成に関するコンフィグレーションが不要である請求項１又は２に記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。
4. 前記半導体装置は、前記ヒステリシス式閾値判定器の判定がリセット状態からセット状態に移行した際に、コンフィグレーションを行うこと無しに、送信情報を生成し、該送信情報を前記変調器に送るように構成されて成る、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。
5. 前記蓄電素子には自然エネルギーがエネルギー変換器を介して与えられる請求項１〜４のいずれかに記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。
6. 更に、少なくとも前記半導体装置と接続された一つのセンサを含む請求項１〜５のいずれかに記載のＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置。
7. 入力された電気エネルギーを蓄え、電源として動作する蓄電素子と、該蓄電素子による電源供給により動作し、不揮発性で且つ書換え可能であって、内部状態を電気エネルギー無しに保持できる抵抗変化素子を含む半導体装置であるＮＢ−ＦＰＧＡを用い、センサからの情報を前記ＮＢ−ＦＰＧＡにより処理して、前記蓄電素子からの給電を用いて変調器により無線信号として送信するＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置用のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法であって、
   ヒステリシス状に閾値判定を行うヒステリシス式閾値判定器を構成に含み、前記蓄電素子の電圧値を参照し、前記ＮＢ−ＦＰＧＡと前記変調器の状態を無線通信可能とする状態であるセット状態と、前記半導体装置と前記変調器の状態を無線通信不能とする状態であるリセット状態に弁別する、判定ステップを含む、
   ＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法。
8. 前記蓄電素子には自然エネルギーがエネルギー変換器を介して供給される請求項７記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法。
9. ＩｏＴ/ＭＴＭ用無線送信装置は、前記蓄電素子の電圧が、セット状態の閾値（Ｒｅｓｅｔ解除電圧）を超えた際に、前記ＮＢ−ＦＰＧＡの内部構成に関するコンフィグレーションを行わずに、前記センサからの情報を前記ＮＢ−ＦＰＧＡにより処理する請求項７又は８記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法。
10. 前記ＮＢ−ＦＰＧＡは、前記ヒステリシス式閾値判定器の判定がリセット状態からセット状態に移行した際に、コンフィグレーションを行うこと無しに、送信情報を生成し、該送信情報を前記変調器に送る請求項７〜９のいずれかに記載のＩｏＴ／ＭＴＭ用無線送信方法。

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