JP6874619B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は無線通信システムに関する。

親機及び多段構成の複数の子機からなる無線通信システムと、センタ装置とを有し、子機で取得された監視情報（ガスメータや水道メータの検針値、ガス漏れ警報や電池残量低下警報など）を親機経由でセンタ装置に通知する遠隔監視システムがある（特許文献１）。

この遠隔監視システムにおいて、センタ装置−親機間は無線や有線の公衆回線を介して通信を行い、「親機，１段目子機，２段目子機，・・・，Ｎ段目子機」により構成される無線通信システム内の無線通信は特定小電力無線を用いて行う。各子機にはガスメータ、水道メータ、ガス漏れ検知器などのセンサ接続されており、それらのセンサで生成された監視情報を上位の子機経由で、即ち上位の子機を中継子機として親機に通知するマルチホップ通信を行う。

監視領域を常時監視するためには、子機を常時動作状態としておくことが理想的である。しかし、通常、子機は電池駆動であり、長期間使用可能にするため、その消費電力を極力抑えることが望ましい。そこで、子機を間欠動作させる、即ち、例えば１０秒〜１５秒間休止（スリープ）した後に３５ミリ秒間だけ動作するように設定することで消費電力を抑えている。

子機は、例えば休止後の動作状態の３５ミリ秒間に親機からの検針要求を受信すると、間欠動作状態からデータ通信可能な連続動作状態に移行し、メータ検針を行い、検針値を親機へ通知した後に間欠動作状態に戻る。また、子機は、ガス漏れ検知器などのセンサ出力を検知すると、間欠動作状態からデータ通信可能な連続動作状態に移行し、ガス漏れ警報を親機へ通知した後に間欠動作状態に戻る。このように、子機を間欠動作させることで、消費電力を低減し、電池寿命を延ばすことはできる。

ここで、年間の合計動作時間は、例えば、１０秒間の休止と３５ミリ秒間の動作とを周期的に繰り返す間欠動作の場合、約１１万時間、１５秒間の休止と３５ミリ秒間の動作とを周期的に繰り返す間欠動作の場合、約７万４千時間となる。したがって、合計動作時間を短縮し、電池寿命を延ばすためには、間欠動作周期を長くして、年間合計動作時間を短くすればよいことがわかる。

しかしながら、間欠動作周期を長くすると、子機からの監視情報を親機に通知するまでの時間が長くなるという問題がある。

特開２００８−３１２０６２号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、親機及び間欠動作を行う子機からなり、子機で取得された監視情報を親機に通知する無線通信システムにおいて、監視情報の親機への通知に要する時間を延ばすことなく、子機の間欠動作時間を少なくすることである。

本発明は、親機及び間欠動作を行う子機からなり、前記子機で取得された監視情報を前記親機に通知する無線通信システムであって、前記子機及び親機は、第１の無線部と、前記第１の無線部より低消費電力で通信距離の長い第２の無線部とを有し、前記子機の第１の無線部は、所定の検針日時のみ間欠動作を行い、当該検針日時以外は休止し、前記子機の第２の無線部は、前記子機が前記監視情報として警報を取得したときが前記検針日時でない場合に動作し、前記親機の第１の無線部は、少なくとも前記検針日時に間欠動作を行い、前記親機の第２の無線部は、常時間欠動作又は連続動作を行う、無線通信システムである。

本発明によれば、親機及び間欠動作を行う子機からなり、子機で取得された監視情報を親機に通知する無線通信システムにおいて、監視情報の親機への通知に要する時間を延ばすことなく、子機の間欠動作時間を少なくすることができる。

本発明の実施形態に係る無線通信システムを含む遠隔監視システムを示す図である。 図１における子機の概略構成を示すブロック図である。 図１における親機の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける検針値の通知手順の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおけるガス漏れ検知時の子機の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける親機の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける特定小電力無線による警報通知手順の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおけるＬＰＷＡ無線による警報通知手順の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、親機が子機に対してビーコンを送信している状態を示す図である。 図９におけるビーコン送信動作及び受信動作のタイミング並びにビーコンデータの内容を示す図である。 親機がビーコン送信時のキャリアセンスの連続ビジー時にスリープモードとなること、及びその時の子機の動作を示すタイミング図である。 子機がビーコンデータ中の親機アドレスを検出する前にスリープモードとなる場合のタイミング図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〈遠隔監視システムの構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る無線通信システムを含む遠隔監視システムを示す図である。

この遠隔監視システムは、例えば、ガスメータや水道メータの自動検針に用いられるものであって、センタ装置１と、親機２及び多段構成の複数の子機（１段目子機３−１，２段目子機３−２，３段目子機３−３，４段目子機３−４）からなる無線通信システムとを有する。なお、以下の説明では、各子機を区別しないときは子機３とする。

各子機にはガスメータ、水道メータ、ガス漏れ検知器などのセンサが接続されており、それらのセンサで生成された監視情報を上位の子機経由で、即ち上位の子機を中継子機として親機２に通知するマルチホップ通信を行う。

親機２とセンタ装置１との間の通信は携帯電話回線などの公衆通信回線を用いて行う。また、親機２，１段目子機３−１，２段目子機３−２，３段目子機３−３，及び４段目子機３−４により構成される無線通信システム内の無線通信は特定小電力無線を用いて行う。

また、親機２と子機３は、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area：低電力広域）無線により通信可能である。ＬＰＷＡ無線は特定小電力無線と比べて、低電力で広範囲に届く、即ち低消費電力で通信距離が長い。このため、特定小電力無線では親機２と直接的に接続されていない子機（例えば４段目子機３−４）も親機２と直接的に通信可能となる。本実施形態ではＬＰＷＡ無線として、特定小電力無線と同様、９２０ＭＨｚ帯を利用し、特別な免許が不要なＬｏＲａ方式を用いている。

〈子機の構成〉
図２は、図１における子機３の概略構成を示すブロック図である。
図示のように、子機３は、制御部３１と、それぞれが制御部３１に接続された記憶部３２、無線部３３、外部Ｉ／Ｆ（インタフェース）部３４、表示部３５、及び操作入力部３６を備えている。無線部３３にはアンテナ３７が接続されている。

制御部３１は、例えばマイクロプロセッサ及びその周辺回路等で構成され、子機３全体の制御や演算処理等を行う。
記憶部３２は、ＲＯＭなど不揮発性メモリ、フラッシュメモリ等の書換え可能な不揮発性メモリ、ＲＡＭ等の揮発性メモリからなる。そして、ＲＯＭには子機３を動作させるために必要な制御プログラムが格納されている。また、ＲＡＭには制御部３１が実行中の各プログラムや、それらの実行に必要な情報（端末番号、無線チャネル、電界強度、自端末の中継段数、各種テーブルなど）が格納される。また、書換え可能な不揮発性メモリには、各種設定データなどが格納される。ここでは、検針日時及び間欠動作パラメータを図示した。

無線部３３は、第１の無線部としての特定小電力無線部３３１及び第２の無線部としてのＬＰＷＡ無線部３３２を備えている。
特定小電力無線部３３１は、特定小電力無線により、他の子機３や親機２との間で無線通信を行う。より詳しくは、特定小電力無線部３３１は、検針日時以外は常時スリープモード（休止モード）となっており、電源電力が供給されていないが、検針日時になると、電源電力が供給され、間欠動作パラメータに基づく間欠受信動作を行うとともに、外部Ｉ／Ｆ部３４に接続された外部機器の検針値を送信する。また、外部Ｉ／Ｆ部３４に接続された外部機器が警報を生成した日時が検針日時である場合は警報を送信する。

ＬＰＷＡ無線部３３２はＬＰＷＡ無線により親機２と通信（ここでは送信のみ）を行う。より詳しくは、ＬＰＷＡ無線部３３２は通常はスリープモードとなっており、電源電力が供給されていないが、外部Ｉ／Ｆ部３４に接続された外部機器が警報を生成した日時が検針日時でない場合に電源電力が供給され、親機２に警報を送信する。

外部Ｉ／Ｆ部３４にはガスメータや水道メータ等の外部機器が接続される。
表示部３５は、ＬＥＤ等で構成されており、子機３の動作状態等を表示するユーザＩ／Ｆである。操作入力部３６は、ボタンやスイッチ等からなり、子機３に対する所定の設定を入力するためのユーザＩ／Ｆである。アンテナ３７は電波の送受信を行う。

〈親機の構成〉
図３は、図１における親機２の概略構成を示すブロック図である。
親機２は、制御部２１と、それぞれが制御部２１に接続された記憶部２２、無線部２３、網制御部２４、表示部２５、及び操作入力部２６を備えている。無線部２３にはアンテナ２７が接続されている。

制御部２１は、例えばマイクロプロセッサ及びその周辺回路等で構成され、親機２全体の制御や演算処理等を行う。
記憶部２２は、ＲＯＭなど不揮発性メモリ、フラッシュメモリ等の書換え可能な不揮発性メモリ、ＲＡＭ等の揮発性メモリからなる。そして、ＲＯＭには親機２を動作させるために必要な制御プログラムなどが格納されている。また、ＲＡＭには制御部２１が実行中の各プログラムや、それらの実行に必要な情報（端末番号、無線チャネル、電界強度、各種テーブルなど）が格納される。また、書換え可能な不揮発性メモリには、各種設定データなどが格納される。ここでは、検針日時及び間欠動作パラメータを図示した。

無線部２３は、第１の無線部としての特定小電力無線部２３１及び第２の無線部としてのＬＰＷＡ無線部２３２を備えている。
特定小電力無線部２３１は、特定小電力無線により、子機３との間で無線通信を行う。より詳しくは、特定小電力無線部２３１は、検針日時以外は常時スリープモードとなっており、電源電力が供給されていないが、検針日時になると、電源電力が供給され、間欠動作パラメータに基づく間欠受信動作を行い、子機３の特定小電力無線部３３１から送信された検針値を受信する。また、検針日時に子機３の特定小電力無線部３３１から警報が送信された場合にそれを受信する。

ＬＰＷＡ無線部２３２はＬＰＷＡ無線により子機３と通信（ここでは受信のみ）を行う。より詳しくは、ＬＰＷＡ無線部２３２は常時間欠動作又は連続動作を行っており、検針日時でない時に子機３のＬＰＷＡ無線部３３２から送信された警報を受信する。網制御部２４は、公衆通信回線を介してセンタ装置１と通信を行う。

表示部２５は、ＬＥＤ等で構成されており、親機２の動作状態等を表示する。操作入力部２６は、ボタンやスイッチ等からなり、親機２に対する所定の設定を入力するためのユーザＩ／Ｆである。アンテナ２７は電波の送受信を行う。

〈検針値の通知手順〉
次に子機３の検針値の通知手順について説明する。
子機３の特定小電力無線部３３１は、記憶部３２に保持されている検針日時以外は休止しており、電源電力が供給されていないが、検針日時になると、記憶部３２に保持されている間欠動作パラメータに基づいて、例えば１０秒間スリープモードとなった後に３５ミリ秒間だけ動作モードとなる間欠動作を繰り返す。そして、外部Ｉ／Ｆ部３４に接続されたガスメータや水道メータの検針値を送信する。

図４は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける検針値の通知手順の一例を示す図である。
この通知手順では段数の少ない子機３から順に親機２に検針値を送信している。即ち、最初に１段目子機３−１の検針値の送信（手順Ｓ１１）、次に２段目子機３−２の検針値の送信（手順Ｓ２１，Ｓ２２）、次に３段目子機３−３の検針値の送信（手順Ｓ３１〜Ｓ３３）、最後に４段目子機３−４の検針値の送信（手順Ｓ４１〜Ｓ４４）を行う。なお、実際の手順では検針値の通知に対する応答のやりとりを行うが、この応答のやりとりを含む上記の通知手順は公知であるため省略した。

以上説明した本実施形態に係る無線通信システムの特徴の一つは、子機３の特定小電力無線部３３１が検針日時以外は常時スリープモードとなっており、検針日時のみスリープモードと動作モードを交互に繰り返す間欠動作を行うことである。これにより、常時間欠動作を行う従来システムより年間の合計動作時間が短くなり、その結果、電池寿命が長くなる。

〈警報の通知〉
上述したように、子機３の特定小電力無線部３３１は、検針日時以外は常時スリープモードとなっている。したがって、検針日時以外にはガス漏れ警報などを親機２に通知することができない。そこで、本実施形態に係る無線通信システムでは、検針日時以外の警報はＬＰＷＡ無線により親機２に直接通知する。以下、詳しく説明する。

図５は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおけるガス漏れ検知時の子機の動作を示すフローチャートである。このフローは、子機３の外部Ｉ／Ｆ部３４に接続された外部機器でガス漏れが検知されたときにスタートする。

子機３の制御部３１は、記憶部３２に保持されている検針日時を読み込み、内蔵する時計（図示せず）から取得した時刻情報と比較することで、現時点が検針日時であるか否かを判断する（ステップＳＴ１）。検針日時には特定小電力無線部３３１が間欠動作を行っている。

そして、検針日時であると判断した場合は（ステップＳＴ１：Yes）、特定小電力無線部３３１により検針値を通知する（ステップＳＴ２）。また、検針日時ではないと判断した場合は（ステップＳＴ１：No）、ＬＰＷＡ無線部３３２により、検針値を通知する。また、特定小電力無線部３３１による通知が通信エラーになった場合も（ステップＳＴ３：Yes）、ＬＰＷＡ無線部３３２により、検針値を通知する。

ＬＰＷＡ無線部３３２による通知を行った後、この図に示されているフローが終了となる。また、特定小電力無線部３３１による通知が通信エラーにならなかった場合も（ステップＳＴ３：No）、この図に示されているフローが終了となる。

図６は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける親機の動作を示すフローチャートである。
親機２の制御部２１は、記憶部２２に保持されている検針日時を読み込み、内蔵する時計（図示せず）から取得した時刻情報と比較することで、現時点が検針日時であるか否かを判断する（ステップＳＴ１１）。

そして、検針日時であると判断した場合は（ステップＳＴ１１：Yes）、間欠受信のスリープモードであるか否かを判断する（ステップＳＴ１２）。そして、スリープモードではない、即ち受信モード（起きている状態）であると判断した場合は特定小電力無線部２３１による受信を行う（ステップＳＴ１３）。
検針日時ではないと判断した場合（ステップＳＴ１１：No）、及び検針日時であり、かつスリープモードであると判断した場合は（ステップＳＴ１１：Yes→ステップＳＴ１２：Yes）、ＬＰＷＡ無線部２３２による受信を行う（ステップＳＴ１４）。
特定小電力無線部２３１による受信、ＬＰＷＡ無線部２３２による受信のそれぞれでデータが受信できた場合は（ステップＳＴ１５：Yes、ステップＳＴ１７：Yes）、それぞれの受信処理を行い（ステップＳＴ１６、ステップＳＴ１８）、ステップＳＴ１１に戻る。一方、データが受信できなかった場合は（ステップＳＴ１５：No、ステップＳＴ１７：No）、そのままステップＳＴ１１に戻る。

〈警報通知手順〉
図７は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける特定小電力無線による警報通知手順の一例を示す図であり、図８は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおけるＬＰＷＡ無線による警報通知手順の一例を示す図である。換言すれば、図７は検針日時の警報通知手順であり、図８は検針日時以外の警報通知手順である。

図７に示すように、検針日時の場合、各子機３の警報は特定小電力無線により、親機２に通知される。このとき、１段目子機３−１の警報は親機２に直接通知される（手順Ｓ８１）。

一方、親機２と直接的に接続されていない子機の警報は上位の子機を介して親機２に通知される。即ち、４段目子機３−４の警報は、３段目子機３−３，２段目子機３−２及び１段目子機３−１を介して親機２に通知される（手順Ｓ５１〜Ｓ５４）。また、３段目子機３−３の警報は、２段目子機３−２及び１段目子機３−１を介して親機２に通知される（手順Ｓ６１〜Ｓ６３）。また、２段目子機３−２の警報は、１段目子機３−１を介して親機２に通知される（手順Ｓ７１，Ｓ７２）。

図８に示すように、検針日時以外には、各子機３の警報はＬＰＷＡ無線により親機２に直接通知される（４段目子機３−４は手順Ｓ９１，３段目子機３−３は手順Ｓ１０１，２段目子機３−２は手順Ｓ１１１，１段目子機３−１は手順Ｓ１２１）。

〈親機のビーコン送信による子機の間欠動作タイミングの同期制御〉
本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいては、検針日時でないときは子機３が常時スリープモードになっているため、子機３は親機２からの緊急通報（ガス機器停止指令等）を受信できない。そこで、親機２はＬＰＷＡ無線部２３２により周期的にビーコンを送信し、子機３のＬＰＷＡ無線部３３２は通常スリープモードで親機２のビーコン送信周期に合わせて間欠受信する。親機３はビーコン送信時に緊急通報データを乗せることで、子機３への緊急通報を可能とする。

図９は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、親機が子機に対してビーコンを送信している状態を示す図である。図示のように、親機２は無線通信システムを構成する全子機（ここでは、１段目子機３−１，２段目子機３−２，３段目子機３−３，４段目子機３−４）に対して、ＬＰＷＡ無線によるビーコンを送信する。

図１０は、図９におけるビーコン送信動作及び受信動作のタイミング並びにビーコンデータの内容を示す図である。
図示のように、親機２は、キャリアセンス１０１を行い、キャリアビジーでない場合にビーコンデータ１１１を送信し、１０秒間のスリープの後、２番目のキャリアセンス１０１及びビーコンデータ１１１の送信を行う。キャリアビジーの場合、キャリアセンスを繰り返し、キャリアビジーでなくなった時にビーコンデータ１１１を送信する。この図の場合、３番目のビーコンデータ１１１は、３回目のキャリアセンスの後に送信されている。３番目のビーコンデータの送信終了後、（１０秒−２×キャリアセンス時間）の後、図示されていない４番目のビーコンデータを送信するためのキャリアセンスが行われる。この間欠動作は、記憶部２２に保持されている間欠動作パラメータに基づいて行われる。

ビーコンデータ１１１は、プリアンブル、ＳＹＮＣ（同期データ）、緊急通報有／無ビット、及び親機アドレスを含む。緊急通報有/無ビットが有の場合、親機アドレスの後に緊急通報データがある。子機３は、ビーコンデータ１１１を受信すると、その立ち上がりに同期して間欠動作がスタートし、以後、記憶部３２に保持されている間欠動作パラメータに基づいて、所定の間欠受信周期で受信モード１２１とスリープモードを交互に繰り返す。３番目のビーコンデータ１１１に対しては、２回目のキャリアセンスのタイミングで受信モードとなり、そのビーコンデータ１１１を受信できるまで受信モードを持続させる。

図１１は、親機２がビーコン送信時のキャリアセンスの連続ビジー時にスリープモードとなること、及びその時の子機３の動作を示すタイミング図である。
図１０の場合、３番目のビーコンデータ１１１は３回目のキャリアセンスの後に送信されており、子機３はそのビーコンデータを受信できるまで受信モードを維持している。しかし、図１１に示されているように、親機２は５回（５スロット）連続してキャリアビジーになった場合、ビーコンの送信を中止してスリープモードとなる。また、子機３も受信モードの開始から５スロット期間経過した時点でスリープモードとなる。

図１２は、子機がビーコンデータ中の親機アドレスを検出する前にスリープモードとなる場合のタイミング図である。
子機３は下記(i)、(ii)、(iii)のいずれかに該当する場合に直ちにスリープモードとなる。
(i)プリアンブルを検出できない場合。
(ii)ＳＹＮＣを検出できない場合。
(iii)緊急通報有／無ビットが無の場合。

一方、上記(i)、(ii)、(iii)のいずれにも該当しない場合、即ちプリアンブルを検出でき、ＳＹＮＣを検出でき、緊急通報有／無ビットが有の場合は、緊急通報データの受信を行い、受信後、スリープモードとなる。

このように、上記(i)、(ii)、(iii)のいずれかに該当する場合に直ちにスリープモードとすることにより、その場合でも親機アドレスを読み取った後にスリープモードとすることに比べて、消費電力を低減することができる。

１…センタ装置、２…親機、３，３−１〜３−４…子機、２３１，３３１…特定小電力無線部、２３２，３３２…ＬＰＷＡ無線部。

Claims (4)

1. 親機及び間欠動作を行う子機からなり、前記子機で取得された監視情報を前記親機に通知する無線通信システムであって、
   前記子機及び親機は、第１の無線部と、前記第１の無線部より低消費電力で通信距離の長い第２の無線部とを有し、
   前記子機の第１の無線部は、所定の検針日時のみ間欠動作を行い、当該検針日時以外は休止し、
   前記子機の第２の無線部は、前記子機が前記監視情報として警報を取得したときが前記検針日時でない場合に動作し、
   前記親機の第１の無線部は、少なくとも前記検針日時に間欠動作を行い、
   前記親機の第２の無線部は、常時間欠動作又は連続動作を行う、
   無線通信システム。
2. 請求項１に記載された無線通信システムにおいて、
   前記第１の無線部は特定小電力無線部であり、前記第２の無線部はＬＰＷＡ無線部である、無線通信システム。
3. 請求項２に記載された無線通信システムにおいて、
   前記第２の無線部はＬｏＲａ方式の無線部である、無線通信システム。
4. 請求項１に記載された無線通信システムにおいて、
   前記親機の第２の無線部は、所定の周期でビーコンを送信し、前記子機の第２の無線部は、前記ビーコンに同期して所定の周期で受信モードとスリープモードを繰り返す間欠動作を行い、前記ビーコンのプリアンブルとＳＹＮＣの直後に配置された緊急通報有／無ビットが緊急通報無しの場合はすぐにスリープモードに入り、緊急通報有りの場合は緊急通報データの受信処理を行う、無線通信システム。

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