JP6993727B2

JP6993727B2 - 無線タグ

Info

Publication number: JP6993727B2
Application number: JP2020022599A
Authority: JP
Inventors: 雅史清水; 康久中村; 健治酒田; 義矢酒田
Original assignee: ユーピーアール株式会社
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2040-02-13
Also published as: JP2021129207A

Description

本発明は、パレット等に搭載され、物流センサとして用いられる無線タグに関し、特に、内蔵した電池により動作するアクティブタグに関する。

物品を運搬するパレットに無線タグを備えて、無線タグが送信する無線信号を受信することによりパレットの移動を管理し、無線タグを物流センサとして用いる技術が注目されている。無線タグには、パッシブタグとアクティブタグがあり、アクティブタグは、電波の送信距離が長い点で、パッシブタグよりも有利であるが、内蔵電池により動作するため、電池の使用可能時間（電池寿命）をできるだけ長くするために消費電力をできるだけ削減することが必要である。

アクティブタグにおいて、消費電力をできるだけ削減するには、アクティブタグの無線信号の送信を間欠動作させることが有効であるが、その一方で、間欠動作の間隔を長くしすぎると物品の移動管理の信頼性が低くなるという問題があるので、アクティブタグにおいては、低消費電力化と移動管理の信頼性の維持の両立を図ることが必要となる。

アクティブタグの低消費電力化と移動管理の信頼性の維持の両立を図る方法として、アクティブタグに振動センサを搭載し、振動センサの検出結果に基づいて無線信号の送信間隔を制御する技術が提案されている。例えば、特許文献１の無線タグでは、振動センサが振動を感知した場合にのみ、無線信号を送信し、消費電力の削減と信頼性の維持の両立を図っている。また、特許文献２では、振動センサが検出した振動パターンに応じて、無線信号を送信するか否かを判断することにより、無駄な無線信号の送信を抑制して、より一層の消費電力の削減を可能としている。

特開２００３－３４６１０７号公報特開２０１１－２４８７５５号公報

アクティブタグを物流センサとして用いる場合には、アクティブタグを搭載したパレットの様々な環境で用いられるため、アクティブタグに搭載したセンサの異常等により、電池の電池寿命が想定した時間よりも短くなる場合がある。このような場合に、倉庫等に設置された数多くのアクティブタグの中から異常状態のアクティブタグを特定して電池交換等のメンテナンス作業を行うことは困難な場合が多い。

ここで、アクティブタグから無線信号を受信する無線タグリーダにおいて、各アクティブタグのセンサや電池の状態を把握して、アクティブタグの動作を集中制御して消費電力が小さくなるようにすることも考えられるが、通常の無線通信と異なり、無線タグリーダが全ての無線タグの状態を把握できるとは限らないので、無線タグリーダが各アクティブタグの動作を集中制御する方法も現実的でない。

本発明は、以上のような問題を解消するためになされたものであり、アクティブタグに異常が発生した場合でも、自律的に消費電力を削減して、できるだけ長く動作することが可能なアクティブタグを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る無線タグは、電源と、ビーコン信号を送信する無線部と、振動を測定する振動センサと、前記電源の電圧を測定し、前記振動センサへの電圧供給を制御する電圧制御部と、前記ビーコン信号の送信間隔を制御する送信間隔制御部とを備え、前記送信間隔制御部は、前記振動センサからの情報に基づき、少なくとも２つの正常モード送信間隔を用いて、前記無線部に前記ビーコン信号を送信させ、前記電圧制御部は、前記電源の電圧が閾値電圧を下回った場合に、前記振動センサへの電圧供給を停止し、前記送信間隔制御部は、前記無線部に、前記正常モード送信間隔での前記ビーコン信号の送信を停止させ、異常モード送信間隔で前記ビーコン信号を送信させ、前記異常モード送信間隔は、前記正常モード送信間隔の最も長い送信間隔と同一か、または前記最も長い送信間隔よりもより長い。

また、前記無線タグの温度を測定する温度センサをさらに備え、前記送信間隔制御部は、前記温度センサの測定結果に基づいて、前記閾値電圧及び前記異常モード送信間隔を決定するようにしてもよい。

本発明によれば、アクティブタグに異常が発生した場合でも、自律的に消費電力を削減して、できるだけ長く動作することが可能なアクティブタグを提供することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る無線タグをパレットに搭載した場合のシステム構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係る無線タグと無線タグリーダの機能ブロック図である。図３は、本発明の実施の形態に係る端末ビーコン信号の送信間隔の制御を説明するための図である。図４は、本発明の実施の形態に係る動作モード判定による端末ビーコン信号の送信間隔の制御の一例を説明するための図である。図５は、本発明の実施の形態に係るアクティブタグの消費電力を説明するための図である。図６は、リチウムイオン電池の放電特性のグラフの一例である。図７は、本発明の第１の実施の形態に係る正常モードから異常モードに遷移する場合の端末ビーコン信号の送信間隔の制御の一例である。図８は、本発明の第１の実施の形態に係る正常モードから異常モードに遷移する場合の端末ビーコン信号の送信間隔の制御フローチャートの一例である。図９は、本発明の第１の実施の形態に係る異常モードにおける端末ビーコン信号の送信間隔の制御フローチャートの一例である。図１０は、リチウムイオン電池の放電特性を、温度をパラメータとして表したグラフの一例である。図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る正常モードから異常モードに遷移する場合の端末ビーコン信号の送信間隔の制御の一例である。図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る正常モードから異常モードに遷移する場合の端末ビーコン信号の送信間隔の制御フローチャートの一例である。図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る異常モードにおける端末ビーコン信号の送信間隔の制御フローチャートの一例である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。尚、本発明は様々な実施の形態で実施可能であり、以下に説明する発明の実施の形態に限定されるものではない。

＜システム構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る無線タグをパレットに搭載した場合のシステム構成図である。図１のシステムは、無線タグ１０を搭載したパレット１と無線タグ１０が送信する端末ビーコン信号を受信し、無線タグ１０にコマンド（応答）等を送信する無線タグリーダ２０から構成されている。無線タグ１０は各無線タグを識別するためのタグＩＤを含む端末ビーコン信号を所定の間隔で送信し、無線タグリーダ２０は、端末ビーコン信号を受信してタグＩＤを読み取ることで、無線タグが自らのサービスエリアに存在することを確認することができる。

＜無線タグ、無線タグリーダの構成＞
図２は、本発明の実施の形態に係る無線タグと無線タグリーダの機能ブロック図である。無線タグとしては、内蔵した電源（電池）により動作するアクティブタグを用いる。無線タグ１０は、端末ビーコン信号を送信し、無線タグリーダ２０からのコマンド等を受信するためのアンテナ１１と無線部１２、無線タグ１０の振動を測定するための振動センサ１３、各部に電力を供給する電池１５、信号の送受信制御、電池１５の電圧の測定、各センサが測定した情報の取得を行うための中央処理部１６およびメモリ１７を含んで構成されている。また、必要に応じて、無線タグ１０の温度を測定するための温度センサ１４を備える。

中央処理部１６は、電池１５の電圧を測定する電源電圧測定部、端末ビーコン信号の送信間隔を自律的に制御する送信間隔制御部として動作する。アクティブタグにおいては、予め想定されるアクティブタグの動作の状況と目標とする電池寿命に基づき電池１５の容量が決定される。電池１５は、少なくとも予め定めた所定時間（電池寿命）が経過するまで、端末ビーコン信号を所定の送信間隔で送信可能な電池容量を備えている。

本実施の形態では、振動センサ１３や温度センサ１４を動作させるための電圧は、電池１５から中央処理部１６を経由して供給される。中央処理部１６は、電池１５の電圧の測定の結果に応じて、振動センサ１３や温度センサ１４への電圧供給を制御することができる。

無線タグリーダ２０は、無線タグ１０が送信した端末ビーコン信号を受信し、無線タグリーダにコマンド等を送信するためのアンテナ（２１－１、２１－２）と無線部（２２－１、２２－２）、信号の送受信を制御するための中央処理部２３およびメモリ２４を含んで構成されている。中央処理部２３は、端末ビーコン信号に含まれるタグＩＤを読み取ることで、無線タグが自らのサービスエリアに存在することを確認し、タグＩＤを用いて、特定の無線タグ１０に対して各種パラメータの設定を行うことができる。

本発明の実施の形態においては、図３に示すように、アクティブタグにおける端末ビーコン信号の送信間隔は予め動作モード毎に設定されており、各センサ等からの情報に基づき動作モードを変更し、動作モード毎に設定された送信間隔で端末ビーコン信号を送信する。アクティブタグでは、端末ビーコン信号の送信間隔を制御することにより、低消費電力化と移動管理の信頼性維持の両立を図っている。

＜動作モード判定による送信間隔制御＞
図４は、本発明の実施の形態に係る動作モード判定による端末ビーコン信号の送信間隔の制御の一例を説明するための図である。図４では、無線タグは、パレットが倉庫に置かれている状態を推定するモード（倉庫モード）、パレットがフォークリフトにより上下されている状態を推定するモード（短期振動モード）、パレットがトラック等で輸送されている状態を推定するモード（移動モード）、パレットが冷凍庫に入れられている状態を推定するモード（冷凍モード）を備えており、それぞれモードにおいて端末ビーコン信号の送信間隔が設定されている。

例えば、倉庫モードでは、１０００秒毎、短期振動モードでは、３０秒毎、移動モードでは、６０秒毎、冷凍モードでは、１０００秒毎とする。パレットの振動を検知した場合には、短い周期にしてパレットの移動管理の信頼性を高めて、パレットが振動していない場合や温度が低下した場合には、より長い送信間隔に切り替えて、電池の消費電力の削減を図っている。

倉庫モードでは、パレットが移動していないので端末ビーコン信号の送信間隔はより長く設定する。次にパレットがフォークリフトにより上下されると振動センサがパレットの振動を検知するので、パレットが移動を開始したと判断し、端末ビーコン信号の送信間隔をより短い周期に切り替え、さらにパレットがトラック等で輸送されている状態が推定される場合には、短期振動モードよりも長い送信間隔で、端末ビーコン信号を送信する。

その後、振動センサの振動が無くなるか、または、温度センサが低い温度を検出した場合には、パレットが静止、あるいは冷凍庫に入れられた状態にあると推定し、端末ビーコン信号の送信間隔をより長く設定する。このように、パレットの移動を検知した場合には、端末ビーコンの送信間隔をより短い周期にして移動状態を把握するとともに、パレットが移動していない場合や、温度が低い場合には、より長い送信間隔に切り替えて、電池の消費電力の削減を図る。

＜アクティブタグにおける消費電力＞
図５は、本発明の実施の形態に係るアクティブタグの消費電力を説明するための図である。アクティブタグにおいては、予め想定される動作の状況と目標とする電池寿命に基づき電池の容量が決定される。

図５に示すように、アクティブタグにおける消費電力は、主に、無線タグリーダに端末ビーコン信号を送信するための電力と、無線タグリーダからの信号を受信するための待受け時電力により構成される。想定していた電池寿命（Ｔｂａｔ）における単位時間あたりの送信回数（ｎ０）は、電池容量（Ｂ）、送信時電流（Ｉｔｘ）、送信時間（Ｔｔｘ）、待受け時電流（Ｉｓｔ）、電池寿命（Ｔｂａｔ）を用いて、図５の式（３）により計算することができる。

ここで、アクティブタグに搭載したセンサの異常等により、待受け時電流が増大し、電池の電池寿命が想定した時間よりも短くなる場合がある。例えば、無線タグの振動センサが故障し、振動センサへのリーク電流による消費電力が待受け時電力の中で支配的となり、消費電力が増大する場合がある。このような場合、倉庫モードで動作している場合でも、正常なアクティブタグと比較して、待受け時電流が増大し、電池の電池寿命が想定した時間よりも短くなる。

＜電池電圧による自律的な送信間隔制御＞
本発明の実施の形態のアクティブタグでは、アクティブタグに異常が発生した場合でも、できるだけ長くアクティブタグを動作させるために、端末ビーコン信号の送信間隔を自律的に制御し、消費電力を削減する。以下の説明では、通常の動作モード判定により端末ビーコン信号の送信間隔を制御する場合を「正常モード」と記載し、アクティブタグの異常発生時に、自律的に端末ビーコン信号の送信間隔を制御する場合を「異常モード」と記載する。

図６は、アクティブタグの電源として用いられるリチウムイオン電池の放電特性のグラフの一例である。図６に示すように、アクティブタグでは、センサにおけるリーク電流等が原因で待受け時電力が増大した場合には、それが電池電圧の低下として現れる。

本実施の形態では、測定した電池電圧が所定の閾値電圧（Ｖｔ）を下回った場合には、リーク電流の発生等により電池の寿命が想定した期間よりも早く終了するおそれがあると判断し、振動センサへの電圧供給を停止して、「正常モード」における動作モード判定による送信間隔の制御を中止し、「異常モード」による送信間隔の制御に遷移する。

「異常モード」では、振動センサにおける測定及び動作モード判定による送信間隔の制御は行われず、常に一定の間隔で端末ビーコン信号を送信する。無線タグ自らが無線タグの異常を検出し、端末ビーコン信号の送信間隔を自律的に制御することで、消費電力を削減し、できるだけ長く端末ビーコン信号を送信することが可能となる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について説明する。

＜正常モードから異常モードへの遷移＞
図７は、第１の実施の形態に係る「正常モード」から「異常モード」に遷移する場合の端末ビーコン信号の送信間隔の制御の一例である。

「異常モード」では、動作モード判定による送信間隔の制御は行わず、常に一定の間隔で端末ビーコン信号を送信する。無線タグリーダからの指示を受けることなく、無線タグの状況に応じて、無線タグ自らが端末ビーコン信号の送信間隔を自律的に制御することにより、消費電力を削減し、できるだけ長く端末ビーコン信号を送信することが可能となる。

具体的には、無線タグは、電池電圧が所定の閾値電圧を下回った場合には、想定していた電池寿命が経過するまでの間、端末ビーコン信号の送信ができなくなると判断し、「異常モード」への遷移を決定する。「異常モード」においては、例えば、「正常モード」の最も長い送信間隔（例えば、倉庫モード、冷凍モード）と同一か、または「正常モード」の最も長い送信間隔よりも長い送信間隔、例えば、２０分間隔で端末ビーコン信号を送信する。

振動センサへの電圧供給を停止することによりリーク電流による待ち受け時電流の増大を防止し、さらに、動作モード判定による送信間隔の制御は行わず、常に一定の間隔で端末ビーコン信号を送信することにより、消費電力を削減することが可能となる。

＜送信間隔の制御フローチャート＞
図８、図９を用いて、第１の実施の形態に係る端末ビーコン信号の送信間隔の制御について詳細に説明する。

図８は、本発明の第１の実施の形態に係る「正常モード」から「異常モード」に遷移する場合の端末ビーコン信号の送信間隔の制御フローチャートの一例である。「正常モード」においては、動作モード判定を行い（Ｓ１－１）、動作モード判定に基づき端末ビーコン信号の送信間隔を制御する（Ｓ１－２）。

次に、所定の時間（ｔｐａｓｓ）が経過すると（Ｓ１－３）、「異常モード」に遷移するか否かの判定を行う。図８の例では、測定した電池電圧（Ｖ１）が所定の閾値電圧（Ｖｔ）を下回った場合には、想定していた電池寿命（Ｔｂａｔ）が経過するまでの間、端末ビーコン信号の送信ができなくなる可能性があると判断し、「異常モード」への遷移を決定する（Ｓ１－４、Ｓ１－５）。

図９は、本発明の第１の実施の形態に係る「異常モード」における端末ビーコン信号の送信間隔の制御フローチャートの一例である。「異常モード」では、振動センサや温度センサ等のセンサへの電圧供給を停止し、振動や温度の測定を停止し（Ｓ１－６）、「異常モード」における送信間隔を決定し（Ｓ１－７）、その送信間隔の値を用いて端末ビーコン信号を送信する（Ｓ１－８）。

ここで、「異常モード」への遷移を判断するための閾値電圧（Ｖｔ）や「異常モード」における端末ビーコン信号の送信間隔については、用いる電池の種類や容量に応じて適宜設定すればよい。例えば、リチウムイオン電池の場合には、閾値電圧を、２．６Ｖに設定し、「異常モード」における送信間隔を、例えば、「正常モード」の最も長い送信間隔（１０００秒）と同一か、または１０００秒より長い送信間隔、例えば、２０分間隔で端末ビーコン信号を送信するように設定すればよい。

このように、本実施の形態では、電池電圧が所定の閾値電圧を下回った場合には、「正常モード」から「異常モード」に遷移し、「異常モード」では、振動センサへの電圧供給を停止し、動作モード判定による送信間隔の制御は行わず、常に一定の間隔で端末ビーコン信号が送信するように構成したので、「正常モード」の場合と比較して大幅に消費電力が削減されると共に、所定の送信間隔で送信される端末ビーコン信号を受信することにより、無線タグを搭載したパレットの移動管理においても一定の信頼性を維持することができる。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。

第１の実施の形態では、「異常モード」に遷移するかどうかを判断する場合には、無線タグが設置されている環境における温度を考慮していなかった。第２の実施の形態では、電池電圧と温度を考慮して「異常モード」に遷移するか判断する。

＜リチウムイオン電池の放電特性＞
図１０は、リチウムイオン電池の放電特性を、温度をパラメータとして表したグラフの一例である。リチウムイオン電池は、温度が高い場合は、温度変動における特性の変化は比較的少ないが、温度が低くなると電池電圧と電池容量が大きく低下するという特性を有している。このため、無線タグや無線タグが設置されている環境の温度が低い場合には、電池容量および電池寿命が想定よりも短くなるので、「異常モード」においても、無線タグの温度を考慮して端末ビーコンの送信間隔を制御する必要がある。

＜正常モードから異常モードへの遷移＞
図１１は、第２の実施の形態に係る「正常モード」から「異常モード」に遷移する場合の端末ビーコン信号の送信間隔の制御の一例である。

図１０に例示したように、リチウムイオン電池は、温度が低くなると電池電圧と電池容量が大きく低下するという特性を有しているので、無線タグや無線タグが設置されている環境の温度が低い場合には、電池容量が低下し、常温の場合に比べて電池寿命が短くなる可能性が高い。そのため、第２の実施の形態では、電池電圧に加えて、無線タグの温度を考慮して「異常モード」への遷移を判定し、「異常モード」における送信間隔を決定する。例えば、温度が低い場合には、「異常モード」における送信間隔を、第１の実施の形態の２０分よりも長い送信間隔、例えば、３０分に設定する。

＜送信間隔の制御フローチャート＞
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る「正常モード」から「異常モード」に遷移する場合の端末ビーコン信号の送信間隔の制御フローチャートの一例である。「正常モード」においては、動作モード判定を行い（Ｓ２－１）、動作モード判定に基づき端末ビーコン信号の送信間隔を制御する（Ｓ２－２）。

次に、所定の経過時間が経過したことを検出すると（Ｓ２－３）、「異常モード」に遷移するか否かの判定を行う。図１２の例では、電池電圧を測定し（Ｓ２－４）、その時の温度（Ｔｅｍ１）を測定し（Ｓ２－５）、温度（Ｔｅｍ１）おいて、電池電圧が所定の閾値電圧（Ｖｔ(Tem1)）を下回った場合には、想定していた電池寿命（Ｔｂａｔ）が経過するまでの間、端末ビーコン信号の送信ができなくなる可能性があると判断し、「異常モード」への遷移を決定する（Ｓ２－６）。

図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る「異常モード」における端末ビーコン信号の送信間隔の制御フローチャートの一例である。「異常モード」では、振動センサ等のセンサへの電圧供給を停止して、振動等の測定を停止し（Ｓ２－７）、温度（Ｔｅｍ１）おける「異常モード」の送信間隔を決定し（Ｓ２－８）、その送信間隔の値を用いて端末ビーコン信号を送信する（Ｓ２－９）。

「異常モード」への遷移を判断するための閾値電圧（Ｖｔ(Tem1)）や「異常モード」における送信間隔については、用いる電池の種類や容量に加えて、無線タグの温度（Tem1）に応じて適宜設定すればよい。例えば、無線タグの温度（Tem1）が第１の実施の形態に比べて低い場合には、閾値電圧（Ｖｔ(Tem1)）を、第１の実施の形態の２．６Ｖよりも低い２．５Ｖに設定し、「異常モード」における送信間隔を、「正常モード」の倉庫モードにおける送信間隔（１０００秒）より長く、さらに、第１の実施の形態の２０分よりも長い送信間隔、例えば、３０分に設定すればよい。

このように、本発明の実施の形態では、電池電圧が所定の閾値電圧を下回った場合には、「正常モード」から「異常モード」に遷移し、「異常モード」では、振動センサへの電圧供給を停止し、動作モード判定による送信間隔の制御は行わず、常に一定の間隔で端末ビーコン信号が送信するように構成したので、「正常モード」の場合と比較して大幅に消費電力が削減されると共に、所定の送信間隔で送信される端末ビーコン信号を受信することにより、無線タグを搭載したパレットの移動管理においても一定の信頼性を維持することができる。

さらに、本実施の形態では、電池電圧に加えて、無線タグの温度を考慮して「異常モード」への遷移を判定し、「異常モード」における送信間隔を決定するように構成したので、無線タグが置かれている環境に応じて、電池の電池寿命の制御が可能な無線タグを提供することができる。

本発明は、パレット等を用いて貨物を運搬する物流システムにおけるトレーサビリティシステム等に利用することができる。

１…パレット、１０…無線タグ、１１…アンテナ（無線タグ）、１２…無線部（無線タグ）、１３…振動センサ、１４…温度センサ、１５…電池、１６…中央処理部（無線タグ）、１７…メモリ（無線タグ）、２０…無線タグリーダ、２１－１、２１－２…アンテナ（無線タグリーダ）、２２－１、２２－２…無線部（無線タグリーダ）、２３…中央処理部（無線タグリーダ）、２４…メモリ（無線タグリーダ）。

Claims

電源と、
ビーコン信号を送信する無線部と、
振動を測定する振動センサと、
前記電源の電圧を測定し、前記振動センサへの電圧供給を制御する電圧制御部と、
前記ビーコン信号の送信間隔を制御する送信間隔制御部と
を備え、
前記送信間隔制御部は、
前記振動センサからの情報に基づき、少なくとも２つの正常モード送信間隔を用いて、前記無線部に前記ビーコン信号を送信させ、
前記電圧制御部は、
前記電源の電圧が閾値電圧を下回った場合に、前記振動センサへの電圧供給を停止し、
前記送信間隔制御部は、
前記無線部に、前記正常モード送信間隔での前記ビーコン信号の送信を停止させ、異常モード送信間隔で前記ビーコン信号を送信させ、
前記異常モード送信間隔は、
前記正常モード送信間隔の最も長い送信間隔と同一か、または前記最も長い送信間隔よりもより長い
無線タグであって、
前記無線タグの温度を測定する温度センサをさらに備え、
前記送信間隔制御部は、
前記温度センサの測定結果に基づいて、前記閾値電圧及び前記異常モード送信間隔を決定する
無線タグ。