JP7147986B2 - 通信システム、子局、および通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、子局と親局とで構成されるセンサネットワークにおける通信システムに関する。

情報通信技術の発展により、センサネットワークを用いた様々なサービスが提供されている。例えば、ユーザーの身体に装着して様々な身体データを取得したり、工場の機器に取り付けて安全動作を管理したりするサービスがある（例えば、特許文献１参照）。

従来のセンサネットワークの構成例を図１５に示す。従来のセンサネットワークは、１つまたは複数の子局と、親局とで構成される。各子局は、センサ端末としてデータ取得やイベントの検出を行う。そして、取得した情報やイベント、さらには、子局の識別番号等を電波で親局に送信する。親局は、こうして得られたデータを解析し、様々なサービスをユーザーに提供している。従来のセンサネットワークでは、親局と子局の通信には電波が用いられることが一般的である。例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）等の通信規格では２．４ＧＨｚ帯の周波数の電波が用いられている。

従来のセンサネットワークにおける一般的な子局の構成例を図１６に示す。子局は、センサと、制御部と、電波放出部と、電力供給部とで構成される。本構成例において、センサは、センシングを行い、センシングしたセンサ信号を制御部に送信する機能を有する。制御部は、受信したセンサ信号をもとに、親局に送信すべき情報を生成し、生成した情報を送信信号として電波放出部に送信する機能を有する。

電波放出部は、受信した送信信号を電波に乗せて親局に送信する機能を有する。電力供給部は、電力をセンサ、制御部、電波放出部に供給する機能を有する。本構成例における電波放出部は、発振回路や増幅回路を集積した電子回路で構成されることがある。従来のセンサネットワークにおける子局では、電波による通信を実現するために電子回路が使用されることが一般的である。

特開２０１７－２０７８５１号公報

従来のセンサネットワークでは、有機半導体などを用いた動作周波数が低いトランジスタでセンサネットワークの子局を構成することは難しかった。これは、電波を用いた通信においては、電子回路のトランジスタに高い周波数での動作が求められるためである。

本発明は、動作周波数の低い電子回路で動作する通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、複数の子局から親局への信号の伝送に音波信号を用いる通信システムであって、前記複数の子局のそれぞれは、センサ信号を検出するセンサと、前記センサ信号を用いて所定の周波数の第１の電気信号を生成する制御部と、前記第１の電気信号を音波信号に変換して、前記音波信号を放出する音波放出部と備え、前記親局は、前記音波信号を受信し、前記音波信号を第２の電気信号に変換する音波受信部と、前記第２の電気信号に基づいて、前記子局の前記センサが前記センサ信号を検出したことを検知する制御部とを備え、前記複数の子局のそれぞれの制御部は、前記センサ信号に応じて動作する第１のスイッチと、前記第１のスイッチの動作に応じて、前記所定の周波数の第１の電気信号を生成する第１の発振回路と、前記第１のスイッチの動作に応じて、前記第１の電気信号よりも低い周波数の第３の電気信号を生成する第２の発振回路とを備え、前記第３の電気信号に応じて、前記複数の子局のそれぞれに割り当てられた固有の識別番号に対応する信号を生成し、前記第１の電気信号は、前記識別番号に対応する信号に基づいて変調されるように構成され、前記親局の制御部は、前記変換された電気信号を復調することにより得られる前記識別番号に基づいて、前記音波信号を送信した前記子局を識別する。

本発明は、複数の子局から親局への信号の伝送に音波信号を用いる通信システムにおける通信方法であって、前記複数の子局のそれぞれが、センサ信号を検出するステップと、前記センサ信号を用いて所定の周波数の第１の電気信号を生成するステップと、前記第１の電気信号を音波信号に変換して、前記音波信号を放出するステップと、前記親局が、前記音波信号を受信するステップと、前記音波信号を第２の電気信号に変換するステップと、前記第２の電気信号に基づいて、前記子局がセンサ信号を検出したことを検知するステップとを含み、前記複数の子局のそれぞれは、前記センサ信号を用いて、前記第１の電気信号よりも低い周波数の第３の電気信号を生成し、前記第３の電気信号に応じて、前記複数の子局のそれぞれに割り当てられた固有の識別番号に対応する信号を生成し、前記第１の電気信号を、前記識別番号に対応する信号に基づいて変調し、前記親局は、前記変換された電気信号を復調することにより得られる前記識別番号に基づいて、前記音波信号を送信した前記子局を識別する。

本発明によれば、動作周波数の低い電子回路で動作する通信システムを提供することが可能となる。

図１は、第１の実施の形態に係る通信システムの構成例である。 図２は、第１の実施の形態に係る子局の構成例である。 図３は、第１の実施の形態に係る子局の制御部の構成例である。 図４は、第１の実施の形態に係る子局の音波放出部の構成例である。 図５は、第１の実施の形態に係る親局の構成例である。 図６は、第１の実施の形態に係る親局の他の構成例である。 図７は、第１の実施の形態に係る通信方法のシーケンス例である。 図８は、第１の実施の形態に係る子局の音波放出部の他の構成例である。 図９は、第２の実施の形態に係る通信システムの構成例である。 図１０は、第２の実施の形態に係る親局の構成例である。 図１１は、第３の実施の形態に係る通信システムの構成例である。 図１２は 、第３の実施の形態に係る子局の制御部の構成例である。 図１３は、第３の実施の形態に係る親局の構成例である。 図１４は、第３の実施の形態に係る子局の制御部の他の構成例である。 図１５は、従来のセンサネットワークの構成例である。 図１６は、従来のセンサネットワークにおける子局の構成例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。

＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係る通信システム１の構成例である。本構成例では、親局と子局から親局に１対１で音波信号を伝送する。本構成例は、子局１０が光を検出すると１０ｋＨｚ程度の音波を放出して親局２０に光を検出したことを通知するように構成されている。

図２は、本実施の形態に係る子局の構成例である。本構成例において、子局１０は、センサ信号を検出するセンサ１１と、センサ信号を用いて所定の周波数の電気信号を生成する制御部１２と、制御部１２が生成した電気信号（第１の電気信号）を音波音波信号に変換して音波信号を放出する音波放出部１３と、各部に電力を供給する電力供給部１４とで構成される。

従来との違いは、電波放出部１０３に相当する部分が音波放出部１３で構成されている点である。本構成例において、電力供給部１４は、一般的なボタン電池等で構成することができる。また、センサ１１は、光を検出すると電流を生成する一般的なフォトダイオードで構成することができる。

制御部１２の構成例を図３に示す。制御部１２は、センサ信号に応じて動作するスイッチと、スイッチの動作に応じて、所定の周波数の電気信号を生成する発振回路１５から構成されている。図３において、発振回路１５は、一般的なＲＣ発振回路で構成されている。ＲＣ発振回路は、Ｒ（抵抗）と、Ｃ（コンデンサ）と、論理反転器とで構成される。ＲＣ発振回路では、２つのＲ（Ｒ１とＲ２）とＣの値により事前に発振周波数を決めておくことができる。本実施の形態は、音波信号を用いた通信であるため、ＲＣ発振回路の発振周波数は１０ｋＨｚ程度に設定される。このため、論理反転器の中にあるトランジスタに必要とされる動作周波数も数１０ｋＨｚ程度であり、有機半導体などのような動作周波数が低いトランジスタでも動作させることが可能である。

音波放出部１３の構成例を図４に示す。音波放出部１３は、制御部１２で生成された電気信号を音波信号に変換して親局に送信する圧電スピーカーと、圧電スピーカーを駆動するトランジスタで構成される。この圧電スピーカーを駆動するトランジスタに必要とされる動作周波数も数１０ｋＨｚでよいので、有機半導体などのような動作周波数が低いトランジスタを用いることができる。

本実施の形態における通信動作を説明する。子局１０において、センサ１１が光を検出していない状態では、センサ１１から出力されるセンサ信号は有効にならず、制御部１２のスイッチはＯＦＦ状態となっている。このため、発振回路１５には電力が供給されず、電気信号が生成されないので、親局に音波が送信されない。親局は、当該子局から音波を受信していないため、子局が光を検出していないと判断することができる。

一方、子局１０において、センサ１１が光を検出した状態では、センサ信号が有効となり、制御部１２のスイッチがＯＮ状態となる。これにより、発振回路１５に電力が供給され、ＲＣ発振回路１５が発振して、ＲとＣの値により決定される所定の周波数の電気信号が生成される。この電気信号が圧電スピーカーにより音波信号へと変換され音波信号として親局に送信される。親局では、当該子局から音波を受信したことにより、子局が光を検出したことを検知することができる。

本実施の形態における親局の構成例を図５に示す。親局２０は、音波信号を受信し、音波信号を電気信号（第２の電気信号）に変換する音波受信部２１と、電気信号に基づいて子局のセンサ１１がセンサ信号を検出したことを検知する制御部２２と、各部に電力を供給する電力供給部２４とで構成される。音波受信部２１は、いわゆるマイクで構成され、子局１０から受信した音波信号を電気信号へと変換して制御部へと送信する。制御部２２は、音波受信部２１から受信した電気信号に基づいて、子局１０のセンサ１１がセンサ信号を検出したことを検知し、制御部のアプリケーションに応じた動作を実行する。

親局２０は、図６に示すように、さらに上位の通信機器との通信を行う通信部２３を有してもよい。親局２０の音波受信部２１は、圧電素子によるマイクで構成し、制御部２２は、コンピュータで構成し、通信部は有線通信用の電子回路で構成すればよい。親局２０は、一般的なコンピュータや電子回路、電子部品等で実現可能である。

図７は、第１の実施の形態に係る通信方法のシーケンス例である。本実施の形態に係る通信方法では、図７に示すようなステップが実行される。子局は、センサが光を検出するとセンサ信号が有効となり、発振回路に電力が供給され、所定の周波数の電気信号（第１の電気信号）が生成される。この電気信号が圧電スピーカーにより音波信号へと変換され音波信号として親局に送信される。一方、親局は、子局から送信された音波信号を受信すると、受信した音波信号を電気信号（第２の電気信号）に変換し、音波信号が変換された電気信号に基づいて子局のセンサがセンサ信号を検出したことを検知する。

以上のように、本実施の形態によれば、空気の振動による音波を用いた低い周波数での通信を可能となり、動作周波数の低い電子回路で動作する通信システムを提供することができる。

本実施の形態は、子局を低い動作周波数のトランジスタで構成できる。しかしながら、本実施の形態によって得られる効果はこれに限られるわけではない。例えば、動作周波数が低いことによる設計の容易さの向上、雑音耐性（通信品質）の向上、消費電力の削減等の効果が得られる。さらに、有機半導体などの低い動作周波数のトランジスタを用いることができるため、印刷プロセスでの製造や低コスト化の効果も期待できる。

本実施の形態では、電力供給部を電池により構成する例を説明した。しかしながら、電力供給部は、電池に限られるわけではなく、電力を供給できるデバイスであればよい。例えば、光、電磁誘導や振動によるエナジーハーベストデバイスを用いてもよい。

本実施の形態では、子局におけるセンサをフォトダイオード等の光センサで構成する例を説明した。しかしながら、センサは光センサに限られるわけではなく、他のセンサを用いてもよい。例えば、温度、湿気、水、土壌成分、煙、振動、位置、ゆがみ、機械的動作（ＯＮ／ＯＦＦ）などをセンシングするデバイスで構成してもよい。

本実施の形態では、音波放出部を圧電スピーカーで構成される例を説明した。しかしながら、音波放出部は、圧電スピーカーに限られるわけではなく、音波を発生させることができる構成であれば他のスピーカーを用いることもできる。例えば、コンデンサを用いた静電型やマグネットを用いたマグネチック型のスピーカーで構成してもよい。

本実施の形態では、圧電スピーカーを１つのトランジスタで駆動する例を示した。しかしながら、圧電スピーカーの構成は、この構成に限られるわけではない。例えば、図８のように、２つのトランジスタを用いて圧電スピーカーを駆動する構成としてもよい。

本実施の形態では、制御部の発振回路として、ＲＣ発振回路を用いる構成例を説明した。しかしながら、発振回路は、ＲＣ発振回路に限定されるわけではなく、ＬＣ発振回路や水晶のような固体振動子で構成してもよい。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態は、本構成例では、親局と子局から親局に１対１で音波信号を伝送する場合であったが、第２の実施の形態では、複数の子局から親局に多対１で音波信号を伝送する場合を説明する。第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、子局１０が光を検出すると１０ｋＨｚ程度の音波を放出して親局２０に光を検出したことを通知するように構成されている。

本実施の形態の通信システム１の構成例を図９に示す。本実施の形態では、複数の子局（１０－１～１０－３）が送信した音波を親局２０が受信するように構成されている。本実施の形態では、親局２０が各子局（１０－１～１０－３）を識別し、かつ、複数の子局（１０－１～１０－３）が同時に音波を送信した場合でも衝突が起こらないように構成する必要がある。本実施の形態では、各子局（１０－１～１０－３）それぞれに互いに異なる周波数を割り当てることで子局を識別し、複数の子局からの音波の衝突が起こらないように構成している。

図９の構成例では、１台の親局２０が、３台の子局（１０－１～１０－３）が送信する音波を受信する。本構成例では、例えば、子局１（１０－１）には周波数１（ｆ１）、子局２（１０－２）には周波数２（ｆ２）、子局３（１０－３）には周波数３（ｆ３）を割り当てる。本実施の形態における子局（１０－１～１０－３）の構成は、第１の実施の形態と同様である。各子局（１０－１～１０－３）の発振周波数は、制御部１２のＲＣ発振回路１５のＲとＣの値により事前に設定することができる。

各子局（１０－１～１０－３）に固有の周波数を割り当てることで、例えば、親局２０が周波数１（ｆ１）の音波を受信したら、子局１（１０－１）が光を検出したことを親局２０は検知することができる。また、親局２０が、複数の周波数、例えば、周波数１（ｆ１）と周波数２（ｆ２）を同時に受信した場合には、親局２０は、子局１（１０－１）と子局２（１０－２）が光を検出したことを検知することができる。

本実施の形態における親局の構成例を、図１０に示す。第１の実施の形態との違いは、親局２０が周波数と子局番号の周波数対応表２５を備えている点である。親局２０は、受信した音波の周波数を制御部２２で確認し、制御部２２が周波数対応表２５を参照することにより、どの子局から音波を受信したのかを判断することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、親局と子局が１対多で音波を用いて通信する通信システムを構成することができる。各子局にに対して、互いに異なる周波数を割り当てることで、親局は各子局を識別し、かつ、複数の子局が同時に音波を送信した場合でも衝突が起こらないようにすることが可能となる。

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態は、第２の実施の形態と同様に、複数の子局から親局に多対１で音波信号を伝送する場合である。第２の実施の形態とは、親局が子局を識別する方法が異なっている。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、子局１０が光を検出すると１０ｋＨｚ程度の音波を放出して親局２０に光を検出したことを通知するように構成されている。

本実施の形態の通信システム１の構成例を図１１に示す。第２の実施の形態では、親局２０が子局（１０－１～１０－３）を識別するため、各子局（１０－１～１０－３）に互いに異なる固有の周波数を割り当てていたが、本実施の形態では、各子局に固有の識別番号を割り当てて、その識別番号により子局を識別するように構成されている。本実施の形態では、例えば、子局１（１０－１）には識別番号＃００１、子局２（１０－２）には識別番号＃０１０、子局３（１０－３）には番号＃０１１が割り当てられており、各子局（１０－１～１０－３）は、親局２０に識別番号で変調された音波信号を送信する。親局２０は受信した音波信号から変換された電気信号を復調することにより得られる識別番号により、どの子局から電波を受信したのかを識別することができる。

本実施の形態における子局（１０－１～１０－３）は、自局に割当てられた識別番号にで電気信号を変調することが必要になる。本実施の形態における制御部１２の構成例を図１２に示す。本構成例は、識別番号に基づいて電気信号に対して振幅変調（ＡＳＫ）を行う構成例である。本構成例における制御部は、第１および第２の実施の形態の制御部の構成に、記憶回路１６、第２の発振回路（１５－２）、及び第２のスイッチが追加されている。

記憶回路１６には、当該子局に固有の識別番号が記憶されている。図１２の構成例では、「０１０」という識別番号が記憶されている。第２の発振回路（１５－２）は、第１の発振回路（１５－１）よりも低い周波数で発振するように構成されている。

子局１０が光を検出すると第１のスイッチがＯＮとなり、第１の発振回路（１５－１）と第２の発振回路（１５－２）が発振して、電気信号を生成する。記憶回路１６からは０、１、０という識別番号に対応する信号が、第２の発振回路（１５－２）の電気信号（第３の電気信号）に応じて順番に出力される。この０、１、０という識別番号に対応する信号が第２のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号となり、第２のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作により、第１の発振回路（１５－１）から出力される電気信号が変調されることとなる。このような構成により、子局１０は自身に割当てられた識別番号に対応する信号で変調された音波信号を親局２０に送信することができる。親局２０は受信した音波信号から変換された電気信号を復調することにより得られる識別番号により、どの子局から電波を受信したのかを識別することができる。

本実施の形態における親局の構成を、図１３に示す。第１の実施の形態との違いは、親局２０が識別番号と子局番号の識別番号対応表２６を備えている点である。親局２０の制御部２２では、受信した音波信号から変換された電気信号を復調し、識別番号対応表２６を参照することにより、どの子局から電波を受信したのかを識別することができる。

本実施の形態では、識別番号に基づいて電気信号に対して振幅変調を行う構成例を説明した。しかしながら、音波を変調する方式としては、振幅変調に限られるわけではなく、識別番号で音波を変調して親局に送信できる構成であれば他の変調方式を用いてもよい。例えば、位相変調や周波数変調を用いてもよい。

図１２の子局の制御部の構成において、各子局における第１の発振回路の周波数が同じ場合には、複数の子局が同時に音波を親局に送信すると、音波信号の衝突が発生する。これを回避するために、各子局の制御部に衝突回避機能を搭載してもよい。例えば、図１４に示すように、カウンタ１７と第３スイッチを追加することにより、複数の子局の制御部１２が電気信号を出力する時間が互いに異なるように構成することができる。本構成例では、各子局の制御部１２のカウンタ１７の値を互いに異なるように予め設定することで、音波信号が親局に送信される時間を互いにずらして、音波信号の衝突を回避することが可能となる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、空気の振動による音波を用いた低い周波数での通信が可能となり、動作周波数の低い電子回路で動作する通信システムを提供することが可能となる。

1…通信システム、１０、１０－１～１０－３…子局、１１…センサ、１２…制御部、１３…音波放出部、１４…電力供給部、１５…発振回路、１６…記憶回路、１７…カウンタ、２０…親局、２１…音波受信部、２２…制御部、２３…通信部、２４…電力供給部、２５…周波数対応表、２６…識別番号対応表。

Claims (5)

1. 複数の子局から親局への信号の伝送に音波信号を用いる通信システムであって、
   前記複数の子局のそれぞれは、
   センサ信号を検出するセンサと、前記センサ信号を用いて所定の周波数の第１の電気信号を生成する制御部と、前記第１の電気信号を音波信号に変換して、前記音波信号を放出する音波放出部と備え、
   前記親局は、
   前記音波信号を受信し、前記音波信号を第２の電気信号に変換する音波受信部と、前記第２の電気信号に基づいて、前記子局の前記センサが前記センサ信号を検出したことを検知する制御部と
   を備え、
   前記複数の子局のそれぞれの制御部は、
   前記センサ信号に応じて動作する第１のスイッチと、前記第１のスイッチの動作に応じて、前記所定の周波数の第１の電気信号を生成する第１の発振回路と、
   前記第１のスイッチの動作に応じて、前記第１の電気信号よりも低い周波数の第３の電気信号を生成する第２の発振回路と
   を備え、
   前記第３の電気信号に応じて、前記複数の子局のそれぞれに割り当てられた固有の識別番号に対応する信号を生成し、前記第１の電気信号は、前記識別番号に対応する信号に基づいて変調されるように構成され、
   前記親局の制御部は、前記変換された電気信号を復調することにより得られる前記識別番号に基づいて、前記音波信号を送信した前記子局を識別する
   通信システム。
2. 前記音波放出部は、
   前記第１の電気信号に応じて動作する少なくとも１つのトランジスタと、前記少なくとも１つのトランジスタによって駆動されるスピーカーから構成される
   請求項１に記載の通信システム。
3. 前記複数の子局のそれぞれの制御部は、
   前記第１の電気信号を出力する時間が互いに異なるように構成される
   請求項１または２に記載の通信システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の通信システムにおける子局。
5. 複数の子局から親局への信号の伝送に音波信号を用いる通信システムにおける通信方法であって、
   前記複数の子局のそれぞれが、
   センサ信号を検出するステップと、前記センサ信号を用いて所定の周波数の第１の電気信号を生成するステップと、前記第１の電気信号を音波信号に変換して、前記音波信号を放出するステップと、
   前記親局が、
   前記音波信号を受信するステップと、前記音波信号を第２の電気信号に変換するステップと、前記第２の電気信号に基づいて、前記子局がセンサ信号を検出したことを検知するステップと
   を含み、
   前記複数の子局のそれぞれは、
   前記センサ信号を用いて、前記第１の電気信号よりも低い周波数の第３の電気信号を生成し、
   前記第３の電気信号に応じて、前記複数の子局のそれぞれに割り当てられた固有の識別番号に対応する信号を生成し、前記第１の電気信号を、前記識別番号に対応する信号に基づいて変調し、
   前記親局は、
   前記変換された電気信号を復調することにより得られる前記識別番号に基づいて、前記音波信号を送信した前記子局を識別する
   通信方法。

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