JP6956972B2 - 可視光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、送信機と受信機で可視光通信をおこなう可視光通信システムに関するものである。

従来から電力設備を点検する必要がある。点検は計器類で示される電圧などのデータを読み取り、紙に記録している。記録したデータは必要に応じてコンピュータに入力し、保存する。そのため、電力設備からタブレットやノートパソコンなどの携帯端末にデータを送信できれば、点検が容易になる。

しかし、電力設備と携帯端末を有線接続すると、端子同士を接続する必要が有り、端子を破損する場合が有る。また、高電圧の電力設備に有線接続する際に、感電などの危険性もある。電力設備と携帯端末を電波で無線接続すると、上記のような不具合は解消されるが、電波が伝播できる範囲に他の携帯端末があると、情報漏えいなどの恐れが生じる。また、使用できる電波の周波数に限りが有り、電波を使用できない恐れもある。

そこで、可視光通信で電力設備と携帯端末を接続することが考えられる。可視光通信であれば、光の届く限られた範囲での通信であり、情報漏えいの危険性が格段に小さくなる。

しかし、既存の可視光通信システムは専用のシステムとして設計されるため、既存の設備に組み込むことが難しい。既存の設備に合わせた専用の可視光通信システムであると、汎用性が無く、可視光通信システムが高価になり、普及を妨げることになる。

また、下記の特許文献１に負荷変動要素を利用して発光ダイオードに流れる電流を制御する可視光通信装置が開示されている。特許文献１は照明装置に適用しているため、負荷変動要素によって発光ダイオードに流れる電流を制御して調光することが考えられるが、点検に使用する発光ダイオードを調光する必要が無いため、特許文献１の回路を適用することは考えられない。

特開２０１３−１１０６３６号公報

本発明の目的は、既存の設備に接続することができ、汎用性の高い可視光通信システムを提供することにある。

本発明は、送信機と受信機で可視光通信をおこなう。送信機は、可視光通信の信号を発信する発光素子を含む発光ユニットと、データから駆動信号を生成する制御回路、前記駆動信号が入力され、可視光通信の信号になるように発光素子を点灯・消灯させるスイッチング素子、および制御回路とスイッチング素子の間に備えられた絶縁回路を含む信号生成ユニットと、前記信号生成ユニットに電力供給する第１電源を備える。受信機は、発光素子で発光された光を受信する受光素子および受光した光をデータに復調する回路を含む受信ユニットを備える。また、発光素子に電力供給する第２電源を含む。発光ユニットと信号生成ユニットが端子によって接続および切断できる。

本発明によると、発光ユニットが信号生成ユニットに端子で接続および切断できるため、汎用性のある発光ユニットを使用することができる。絶縁回路によって第１電源と第２電源の電力が混在することを防止でき、回路の動作を不安定にすることはない。

本発明の可視光通信システムの構成を示す図である。 送信機の構成を示す図である。 受信機の構成を示す図である。

本発明の可視光通信システムについて図面を使用して説明する。

[実施形態１]
図１に示す本発明の可視光通信システム１０は、送信機１２と受信機１４を備える。送信機１２はＰＬＣ（programmable logic controller）などを備えた外部機器１６と接続し、外部機器１６からデータが入力される。送信機１２から受信機１４にデータが送信され、受信機１４に接続されたタブレットやノートパソコンなどの携行可能なコンピュータ１８にデータを出力する。なお、外部機器１６として電力設備のキュービクルなどが挙げられる。

送信機１２は、発光ユニット２０、信号生成ユニット２２および第１電源Ｅ１を備える。受信機１４は受信ユニット２４および第３電源Ｅ３を備える。

図２に示すように、発光ユニット２０は、第２電源Ｅ２、発光ダイオードＤおよび抵抗Ｒを含む回路である。第２電源Ｅ２は直流電源であり、一次電池や二次電池を使用することができる。発光ダイオードＤは第２電源Ｅ２からの電力供給によって電流が流れ、発光する。発光ダイオードＤの数は１つに限られず、複数であっても良い。発光ダイオードＤを複数使用する場合、それらは直列接続および並列接続のいずれで接続されても良い。抵抗Ｒは発光ダイオードＤに印加される電圧を調節するものであり、抵抗Ｒを省略する場合もある。

発光ユニット２０の発光素子として発光ダイオードＤを示しているが、発光トランジスタなどに変更しても良い。発光トランジスタであれば、ゲートを接地し、ソースとドレインに電圧が印加されるように回路を構成する。

発光ダイオードＤが発光するときに、可視光通信の信号で発光する。たとえば、発光ダイオードＤは数Ｋ〜数ＭＨｚの周波数で点滅し、点灯と消灯を繰り返すことで可視光通信の信号になる。送信するデータに応じて点灯時間と消灯時間を異ならせることで、任意のデータを送信することができる。可視光通信の信号は、光を受光できる場所にしか信号を送信することはできないため、電波に比べて情報漏えいの危険性が格段に低い。発光ダイオードＤにレンズを設け、光の進行方向を限定し、光を受信できる場所を限定しても良い。

発光ユニット２０は信号生成ユニット２２に接続するための端子２６を備える。発光ユニット２０は発光ダイオードＤと第２電源Ｅ２の直列回路になっており、その直列回路の両端が端子２６である。端子２６として圧着端子が挙げられ、信号生成ユニット２２に接続される。端子２６によって発光ユニット２０を着脱することができ、必要なときだけ発光ユニット２０を接続することができる。発光ユニット２０は第２電源Ｅ２と発光ダイオードＤの回路であり、汎用的に使用できるものである。

信号生成ユニット２２は、可視光通信用の信号を生成する制御回路２８、発光ユニット２０をオン・オフするスイッチング素子Ｑ、および絶縁回路３０を備える。

制御回路２８は入力されたデータからスイッチング素子Ｑの駆動信号を生成する。その駆動信号がスイッチング素子Ｑに入力され、スイッチング素子Ｑがオン・オフすることで、発光ダイオードＤが可視光通信の信号で点滅する。データに応じてスイッチング素子Ｑのオン時間とオフ時間を変更することで、発光ダイオードＤの点灯時間と消灯時間が変化する。ＩＣ（integrated circuit）などで制御回路２８を構成することができる。また、そのＩＣを駆動させるために、コンデンサ等の周辺回路３２を必要に応じて備える。

制御回路２８はメモリなどの記憶素子を備え、記憶されたプログラムを書き換え可能（プログラム可能）なＩＣを使用する。発光ダイオードＤをどのような可視光通信の信号で発光させるかを決定し、その内容に応じてプログラムを記憶素子に書き込む。発光ダイオードＤが変更されても、その発光ダイオードＤに応じて制御回路２８をプログラミングすることができ、汎用性が高い。

スイッチング素子Ｑは、駆動信号に応じてオン・オフする回路である。スイッチング素子ＱとしてＦＥＴ（field effect transistor）、トランジスタ、サイリスタなどが使用できる。スイッチング素子Ｑは発光ユニット２０が接続され、第２電源Ｅ２、発光ダイオードＤ、およびスイッチング素子Ｑの直列回路が形成される。ＦＥＴであれば、ドレインとソースの２端子が発光ユニット２０に接続され、ゲートに駆動信号が入力されるたびにオンになり、発光ダイオードＤに電流が流れる。スイッチング素子Ｑがオン・オフすることで発光ダイオードＤが点灯・消灯され、可視光通信の信号になる。

スイッチング素子Ｑと発光ユニット２０を接続するために、スイッチング素子Ｑに端子３４が接続されている。上記のように発光ユニット２０の端子２６が圧着端子であれば、スイッチング素子Ｑに接続されている端子３４は、ネジ端子である。発光ユニット２０と信号生成ユニット２２が端子２６、３４によって接続されるため、必要に応じて発光ユニット２０を変更することができる。なお、端子２６、３４は圧着端子とネジ端子に限定されることはなく、他の接続コネクタ（雄型コネクタと雌型コネクタ）などであっても良い。

発光ユニット２０とスイッチング素子Ｑは端子２６、３４を介して直接接続されている。従来技術の引用文献ように、負荷変動要素を接続する必要はない。これは、本願の発光ダイオードＤがオンのときのみ発光し、従来技術の引用文献のように調光する必要が無いからである。

制御回路２８とスイッチング素子Ｑの間に絶縁回路３０が接続されている。絶縁回路３０は発光ユニット２０と制御回路２８を電気的に絶縁するものである。発光ユニット２０に第２電源Ｅ２が備えられており、信号生成ユニット２２は第１電源Ｅ１が接続される。そのため、２つの電源Ｅ１、Ｅ２から供給される電力が混在し、回路動作が不安定になることを防止するために絶縁回路３０を使用する。絶縁回路３０としては、フォトカプラや絶縁トランスが挙げられる。制御回路２８は絶縁回路３０を介してスイッチング回路Ｑにオン・オフの信号を供給する。

制御回路２８にデータを入力するために外部機器１６と接続するコネクタ３６を備える。コネクタ３６は、ＲＳ−２３２Ｃ、ＵＳＢ（universal serial bus）、ＩＥＥＥ１３９４などのインターフェース規格のコネクタが挙げられる。このようにデータの入力に汎用的な通信プロトコルを使用することで、既存の外部機器１６に接続しやすくなっている。既存の外部機器１６のデータを出力するための出力端子３８にコネクタ３６をケーブルで接続する。外部機器１６の中でデータが転送されていれば、そのデータがコネクタ３６を介して制御回路２８に入力される。制御回路２８とコネクタ３６との間にレベル変換回路４０を接続し、入力されたデータの電位レベルを制御回路２８の電位レベルに変換しても良い。レベル変換回路４０は抵抗、トランジスタ、ＦＥＴなどを使用した回路が使用できる。

信号生成ユニット２２と第１電源Ｅ１は端子４２、４４で接続されている。端子４２を圧着端子にすれば、端子４４はネジ端子を使用する。なお、端子４２、４４は圧着端子とネジ端子に限定されることはなく、他の接続コネクタ（雄型コネクタと雌型コネクタ）などであっても良い。第１電源Ｅ１の出力電圧は、電源回路４６によって所定の電圧に変換されて、制御回路２８に電力供給される。第１電源Ｅ１は直流電源であり、電源回路４６は第１電源Ｅ１の出力電圧をＤＣ／ＤＣ変換し、制御回路２８が駆動できる所定の電位に変換する回路である。なお、第１電源Ｅ１を交流電源にし、ＡＣ／ＤＣ変換をして、信号生成ユニット２２に接続しても良い。

第１電源Ｅ１と第２電源Ｅ２の両端電圧は異なる。第１電源Ｅ１と第２電源Ｅ２を１つにすることはできず、本願では送信機１２に２つの電源Ｅ１、Ｅ２を備える。そのため、絶縁回路３０によって回路動作が不安定になることを防止している。

信号生成ユニット２２は、周知の端子台の筐体の中に上述した回路を収納しても良い。端子台には上記のネジ端子が備えられ、ネジ端子に回路を接続することができる。

図３に示すように、受信ユニット２４は受光素子ＰＤ、受光素子ＰＤで受光された可視光通信の信号を復調する復調回路４８、復調回路４８に電力を供給するための第３電源Ｅ３を備える。

受光素子ＰＤはフォトダイオード、フォトトランジスタまたはイメージセンサである。可視光通信の光を受光しやすいように、複数の受光素子ＰＤを備えることが好ましい。受光素子ＰＤが可視光通信の信号を受光できるように受信ユニット２４を移動させる。

復調回路４８は受光素子ＰＤが受信した可視光通信の信号を復調する回路である。復調回路４８はノイズフィルタを備えてもよいし、復調した信号を増幅器で増幅させてもよい。復調回路４８はＩＣを使用することができ、そのＩＣを駆動させるために、コンデンサ等の周辺回路５０を備えても良い。復調回路４８は制御回路２８と同様に、プログラム可能なＩＣを使用しても良い。

第３電源Ｅ３は一次電池や二次電池を使用することができる。第３電源Ｅ３から復調回路４８に電力を供給するために、電源回路５２によって復調回路４８で使用できる電位に変換する。第３電源Ｅ３と受信ユニット２４は端子５４、５６で接続される。

復調回路４８で復調されたデータは、コンピュータやタブレットなどに入力して利用することができる。そのために、コンピュータ等に接続するためのコネクタ５８を備える。コネクタ５８はＵＳＢ、ＩＥＥＥ１９３４、ＲＳ−２３２Ｃなどのインターフェース規格のコネクタなど、汎用的なコネクタが挙げられる。復調回路４８とコネクタ５８の間にレベル変換回路６０を接続し、データをコネクタ５８で使用できる電圧レベルに変換してもよい。

コンピュータ１８の入力端子６２にコネクタ５８がケーブルを介して接続され、コンピュータ１８にデータが入力される。入力されたデータは、ディスプレイに表示できるようにしても良い。また、データを使用して、所望の形式の書類になるようにしても良い。

次に本願の可視光通信システム１０の動作について説明する。（１）信号生成ユニット２２に発光ユニット２０および第１電源Ｅ１を接続し、信号生成ユニット２２と外部機器１６とをケーブルで接続する。

（２）外部機器１６から信号生成ユニット２２の制御回路２８にデータを入力し、制御回路２８はデータをスイッチング素子Ｑに入力する駆動信号に変換する。

（３）絶縁回路３０を介して制御回路２８からスイッチング素子Ｑに駆動信号を入力し、スイッチング素子Ｑはその信号に応じてオン・オフする。スイッチング素子Ｑがオンになった時、発光ダイオードＤに電流が流れ、発光ダイオードＤが発光する。発光ダイオードＤは、高速で点灯と消灯を繰り返しており、可視光通信の信号になっている。

（４）受信ユニット２４の受光素子ＰＤで可視光通信の信号を受光し、受光素子ＰＤに流れた電流のタイミングから、復調回路４８でデータに復調する。

（５）受信ユニット２４のコネクタ５８にタブレットなどのコンピュータ１８を接続し、復調されたデータをコンピュータ１８に転送する。

以上のように、本発明は可視光通信によって外部機器１６のデータをコンピュータ１８に入力しており、情報漏洩の恐れが小さい。発光ユニット２０が信号生成ユニット２２に端子２６、３４で接続および切断できるため、汎用性のある発光ユニット２０を使用することができる。絶縁回路３０によって第１電源Ｅ１と第２電源Ｅ２の電力を分離することができ、回路の動作を不安定にすることはない。

[実施形態２]
発光ユニット２０において、第２電源Ｅ２を発光ダイオードＤと異なる筐体に設け、端子で第２電源Ｅ２と発光ダイオードＤとを接続しても良い。上記の実施形態であれば、信号生成ユニット２２の筐体に端子台の筐体を使用することも可能であり、その端子台のネジ端子を利用して、第２電源Ｅ２と発光ダイオードＤを接続しても良い。汎用の第２電源Ｅ２と発光ダイオードＤを組み合わせて使用することができる。

[実施形態３]
図２に含まれる第２電源Ｅ２を省略し、電源回路４６から発光ユニット２０に電力を供給しても良い。必要に応じて抵抗Ｒの値を調節し、発光ダイオードＤに印加される電圧を調節する。さらに、必要に応じて電源回路４６と制御回路２８の間に抵抗を接続し、制御回路２８への印加電圧を調整しても良い。第２電源Ｅ２を省略することで構成が簡略化される。

[実施形態４]
受信ユニット２４はコンピュータ１８などに接続されるため、第３電源Ｅ３を省略し、コンピュータ１８から受信ニュニット２４に電力供給しても良い。たとえば、コネクタ５８にＵＳＢのコネクタを使用した場合、ＵＳＢ給電によってコンピュータ１８に備えられた電源から受信ユニット２４に電力供給しても良い。受信ユニット２４を使用する時、携行可能なコンピュータ１８に接続した状態で使用する。第３電源Ｅ３が無い分、受信ユニット２４が軽量・小型化し、持ち運びが容易になる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：可視光通信システム
１２：送信機
１４：受信機
１６：外部機器
１８：コンピュータ
２０：発光ユニット
２２：信号生成ユニット
２４：受信ユニット
２６、３４、４２、４４、５４、５６：端子
２８：制御回路
３０：絶縁回路
３２、５０：周辺回路
３６、５８：コネクタ
３８：出力端子
４０、６０：レベル変換回路
４６、５２：電源回路
４８：復調回路
６２：入力端子
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３：電源
Ｄ：発光ダイオード
Ｒ：抵抗
Ｑ：スイッチング素子
ＰＤ：受光素子

Claims (5)

1. 送信機と受信機で可視光通信をおこなう可視光通信システムであって、
   前記送信機が、
   可視光通信の信号を発信する発光素子を含む発光ユニットと、
   データから駆動信号を生成する制御回路、前記駆動信号が入力され、可視光通信の信号になるように発光素子を点灯・消灯させるスイッチング素子、および制御回路とスイッチング素子の間に備えられた絶縁回路を含む信号生成ユニットと、
   前記信号生成ユニットに電力供給する第１電源と、
   を備え、
   前記受信機が、
   前記発光素子で発光された光を受信する受光素子および受光した光をデータに復調する回路を含む受信ユニットと、
   を備え、
   前記発光ユニットと信号生成ユニットが端子によって接続および切断でき、
   前記発光ユニットが発光素子に電力供給する第２電源を含み、前記第１電源と第２電源の両端電圧が異なる可視光通信システム。
2. 前記スイッチング素子に端子が接続されており、
   前記発光ユニットとスイッチング素子が端子を介して直接接続できる請求項１の可視光通信システム。
3. 前記端子が接続されたときに、発光素子、第２電源およびスイッチング素子が直列回路となる請求項２の可視光通信システム。
4. 前記端子が圧着端子とネジ端子を含む請求項１から３のいずれかの可視光通信システム。
5. 前記制御回路は、プログラミング可能なＩＣを含む請求項１から４のいずれかの可視光通信システム。

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