JP7157256B2 - 通信システム、及び、情報端末機 - Google Patents
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Description
本発明は、通信システム、及び、情報端末機に関する。
従来より、バックスキャタリング原理により通信し、無線周波数識別(RFID)機能を提供するためのアンテナ、整流器及び変調器と、前記変調器に変調周波数を提供する発振器と、前記発振器に接続されるセンシング要素であって、前記発振器の発振周波数は前記センシング要素によりセンシングされる所定変数の値に依存する、センシング要素と、を有し、前記発振周波数は前記変調周波数のN倍高調波である、パッシブ・ワイヤレス・トランスポンダがある(例えば、特許文献1参照)。
ところで、従来のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダは、リーダから送信された無線周波数搬送波信号を利用して作動して制御を行うことにより、複数の選択可能なバックスキャタリング変調周波数でセンサ・データをリーダに転送している。
センサを有する子機であるパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダに、上述のような機能を実装すると、子機の構成が複雑になる。親機であるリーダと、子機であるパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダとを含むシステムでは、特に子機の数が多い場合には、子機の構成はより簡易であることが好ましい。
そこで、子機の構成をより簡易にした通信システム、及び、構成をより簡易にした情報端末機を提供することを目的とする。
本発明の実施の形態の通信システムは、子機に信号を送信可能な親機と、アンテナと、センサ部と、RFID部と、前記アンテナを前記センサ部及び前記RFID部のいずれか一方に接続する切替スイッチとを有する子機とを含み、前記子機のアンテナによって前記親機から切替信号が受信されると、前記子機の切替スイッチは、前記アンテナと前記センサ部とを接続した状態から、前記アンテナと前記RFID部とを接続した状態に切り替えられる。
子機の構成をより簡易にした通信システム、及び、構成をより簡易にした情報端末機を提供することができる。
以下、本発明の通信システム、及び、情報端末機を適用した実施の形態について説明する。
<実施の形態>
図1は、実施の形態の通信システム300の適用例を示す図である。通信システム300は、ドローン50に搭載された親機である制御装置100と、子機であるボルト200とを含む。ボルト200は、情報端末機の一例であり、一例として、トンネル10の内壁11に照明20を固定するために用いられる。
図1は、実施の形態の通信システム300の適用例を示す図である。通信システム300は、ドローン50に搭載された親機である制御装置100と、子機であるボルト200とを含む。ボルト200は、情報端末機の一例であり、一例として、トンネル10の内壁11に照明20を固定するために用いられる。
ボルト200は、内壁11への固定状態を検出するセンサと、RFID(Radio Frequency Identifier)チップとを含み、センサの検出値を含む信号とRFIDチップのIDを含む応答信号とを出力する。出力された検出値を含む信号と応答信号は、ドローン50に搭載された制御装置100によって受信される。
このように通信システム300をトンネル10に適用した場合には、通信システム300の利用者がコントローラを操作してドローン50を操縦し、照明20にドローン50を接近させて、ボルト200から出力される検出値を含む信号と応答信号を制御装置100に取得させる。
検出値を含む信号のレベルを読み取ることにより、各ボルト200に緩みが生じていないかどうかを検査することができる。トンネル10の内壁11には、多数の照明20が取り付けられており、1つの照明20に対して、複数のボルト200が取り付けられるため、1つのトンネル10に対して多数のボルト200が利用されることになる。
なお、ドローン50は、コントローラと無線通信を行い、コントローラから送信されるコマンドに応じて複数のモータの回転速度等を制御する制御部を含む。これにより、ドローン50は、コントローラの操作に従って自在に飛行することができる。また、ドローン50の制御部は、ドローン50に搭載される制御装置100とデータ通信が可能なようにケーブル等で接続されている。
図2は、通信システム300の構成を示す図である。図2には、制御装置100とボルト200を示す。
制御装置100は、主制御部111、検出値取得部112、ID取得部113、メモリ114、及びアンテナ120を有する。制御装置100は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、入出力インターフェース、及び内部バス等を含むコンピュータによって実現される。
主制御部111、検出値取得部112、ID取得部113は、制御装置100が実行するプログラムの機能(ファンクション)を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ114は、制御装置100のメモリを機能的に表したものである。
主制御部111は、制御装置100の処理を統括する処理部であり、検出値取得部112、ID取得部113が実行する処理以外の処理を実行する。
検出値取得部112は、ボルト200によって検出される検出値を取得するために、リクエスト信号の送信、送信電力の調整等の制御を行う。
ID取得部113は、ボルト200からIDを取得するために、切替信号の送信、切替信号の送信電力の調整等の制御を行う。
メモリ114は、検出値取得部112によって取得される検出値、ID取得部113によって取得されるID等を格納する。
アンテナ120は、ボルト200との通信に用いられる。
ボルト200は、回路チップ210、センサ220、RFIDチップ230、及びアンテナ240を有する。
回路チップ210は、切替スイッチ211、BS(バックスキャッタリング)回路212、整流回路213、定電圧回路214を有する。回路チップ210は、一例として切替スイッチ211、BS回路212、整流回路213、定電圧回路214を内蔵するチップ型の回路であるが、チップ型ではなくてもよい。
切替スイッチ211は、3端子型のスイッチであり、端子211A、211B、211Cを有する。また、切替スイッチ211は、制御装置100から送信される切替信号が入力される入力端子211Dを有する。端子211A、211B、211Cは、それぞれ、アンテナ240、BS回路212、RFIDチップ230に接続される。
切替スイッチ211は、切替信号に従って、アンテナ240をBS回路212及びRFIDチップ230のいずれか一方に接続する。切替スイッチ211は、切替信号がL(Low)レベルの状態では、端子211Aと端子211Bとを接続する、すなわち、アンテナ240とBS回路212を接続する。
切替スイッチ211は、切替信号がH(High)レベルに切り替えられた状態では、端子211Aと端子211Cとを接続する、すなわち、アンテナ240とRFIDチップ230を接続する。
切替信号は、ある特定の状態以外ではLレベルに保持される。このため、切替スイッチ211は、ある特定の状態以外では、アンテナ240とBS回路212を接続する。切替信号がHレベルになることは、切替スイッチ211によるアンテナ240の接続先をBS回路212からRFIDチップ230に切り替える切替信号を回路チップ210が受信したことと同義である。
BS回路212には、切替スイッチ211、整流回路213、センサ220が接続されている。BS回路212は、アンテナ240で受信され、切替スイッチ211を介してリクエスト信号が入力されると、リクエスト信号を整流回路213に出力する。この結果、センサ220が動作して検出値を表すセンサ信号をBS回路212に出力する。
BS回路212は、センサ220からセンサ信号が入力されると、センサ信号が表す検出値を含む信号を切替スイッチ211に出力する。検出値を含む信号は、アンテナ240から放射され、制御装置100が受信可能な範囲にある場合には、制御装置100によって受信される。なお、BS回路212の詳細については後述する。
整流回路213は、BS回路212と定電圧回路214との間に設けられた全波整流回路であり、BS回路212から入力されるリクエスト信号を全波整流して定電圧回路214に出力する。リクエスト信号は、所定の周波数の交流信号であるため、整流回路213で全波整流されて定電圧回路214に出力される。
定電圧回路214は、整流回路213で全波整流された電力を平滑化する平滑化回路である。定電圧回路214によって平滑化された直流電力は、BS回路212及びセンサ220に動作用の電力として供給される。定電圧回路214としては、例えば、平滑化コンデンサを用いることができる。定電圧回路214は、平滑化コンデンサとして機能するとともに、蓄積した電力をセンサ220及びBS回路212に供給する電力源としても機能する。
センサ220は、電力入力端子が定電圧回路214に接続され、出力端子がBS回路212に接続されており、定電圧回路214から電力が入力されると起動し、検出値を表す検出信号をBS回路212に出力する。センサ220は、例えば、ボルト200の内部に封入された圧力センサである。圧力センサとしては、例えば、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサを含む圧力センサを用いることができる。
ボルト200が照明20を内壁11に取り付けるための部材をナットとの間に挟んで締め付けられると、ボルト200が軸方向に引き延ばされてセンサ220が封入される内部空間の体積が増え、圧力が低下する。
また、ボルト200及びナットが照明20を内壁11に固定するための部材を挟んで締結している状態で、ボルト200とナットが相対的に緩むと、ボルト200を軸方向に引っ張る力が低下し、引き延ばされる量が低減する。この結果、センサ220が封入される内部空間の体積が減り、内部の圧力が上昇する。このような圧力の低下を検出すれば、経時に伴うボルト200とナットの緩みを検出できる。
RFIDチップ230は、RFIDタグ用のIC(Integrated Circuit)チップであり、内部メモリに固有のIDを格納している。RFIDチップ230は、電源を内蔵しないパッシブ型である。
RFIDチップ230は、切替スイッチ211がアンテナ240とRFIDチップ230とを接続しているときに、アンテナ240によって受信される信号の電力によって起動し、IDを含む応答信号を出力する。応答信号は、アンテナ240によって放射され、受信可能な位置に制御装置100がある場合には、制御装置100によって受信される。
RFIDチップ230の起動電力になる信号は、切替スイッチ211によるアンテナ240の接続先をBS回路212からRFIDチップ230に切り替えるHレベルの切替信号である。
図3は、BS回路212とセンサ220の構成を示す図である。
BS回路212は、スイッチ251、フィルタ252、ミキサ253、PLL(Phase Locked Loop)254、アンプ255、及び制御部256を有する。
スイッチ251は、2端子型のスイッチであり、フィルタ252の出力によってオン/オフの切り替えが行われる。スイッチ251としては、例えば、FET(Field Effect Transistor)を用いることができる。スイッチ251の一方の端子251Aは、切替スイッチ211の端子211Bに接続され、他方の端子251Bは接地される。
フィルタ252は、スイッチ251の制御端子とミキサ253との間に設けられているLPF(Low Pass Filter)である。フィルタ252には、ミキサ253から所定の周波数の信号が入力される。所定の周波数は、例えば、920MHzである。フィルタ252は、所定の周波数を含む周波数帯よりも高い周波数成分を遮断する。フィルタ252は、所定の周波数の信号の高調波を遮断するために設けられている。
ミキサ253は、PLL254の出力端子から入力される搬送波に、アンプ255の出力端子から入力される増幅されたセンサ信号を重畳して出力する。
PLL254は、増幅されたセンサ信号を搬送するための所定の周波数の搬送波を出力する。搬送波の周波数は、例えば、920MHzである。
アンプ255は、センサ220から入力されるセンサ信号を増幅してミキサ253に入力する。
制御部256は、切替スイッチ211(図2参照)を切り替える切替回路の一例である。制御部256は、例えば、マイクロコンピュータであり、出力端子は切替スイッチ211の入力端子211Dに接続されている。
制御部256は、切替スイッチ211を介してBS回路212にHレベルの切替信号が入力されると起動し、切替スイッチ211によるアンテナ240の接続先をRFIDチップ230に切り替える。切替信号がHレベルである期間は、RFIDチップ230がIDを含む応答信号を出力するための動作を行うのに十分な所定の期間であり、所定の期間が経過するとLレベルに遷移する。切替信号がLレベルに戻ると、制御部256は、切替スイッチ211によるアンテナ240の接続先をRFIDチップ230からBS回路212に切り替える。
センサ220は、一例として、3つのインバータ221と、可変抵抗器222と、キャパシタ223とを有する共振回路の構成を有する。3つのインバータ221は、直列に接続されている。ここでは、3つのインバータ221を右側から初段、中段、最終段と称す。初段のインバータ221の出力端子は、中段のインバータ221の入力端子に接続されるとともに、キャパシタ223を介して自己の入力端子に接続されている。
また、中段のインバータ221の出力端子は、最終段のインバータ221の入力端子に接続されている。また、中段のインバータ221の出力端子は、可変抵抗器222及びキャパシタ223を介して自己の入力端子に接続されるとともに、可変抵抗器222を介して初段のインバータ221の入力端子に接続されている。
可変抵抗器222は、上述したようにピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサであり、ボルト200の内部空間の圧力の変化によって抵抗値が変化する。なお、キャパシタ223の静電容量は固定値である。
このようなセンサ220は、ボルト200の内部空間の圧力の変化によって可変抵抗器222が変化するため、リクエスト信号の電力が供給されて起動すると、可変抵抗器222の抵抗値と、キャパシタ223の静電容量とによって決まる時定数に応じた共振周波数のセンサ信号を出力する。
センサ信号は、アンプ255で増幅され、ミキサ253においてPLL254から入力される搬送波に重畳され、フィルタ252で高調波成分が除去されてスイッチ251の制御端子に入力される。この結果、スイッチ251は、フィルタ252から出力される信号の周波数でオン/オフが切り替えられる。スイッチ251の出力は、検出値を含む信号であり、BS回路212の出力信号として切替スイッチ211を経てアンテナ240から放射される。
図4は、搬送波、センサ信号、及び、搬送波にセンサ信号が重畳された信号の波形を示す図である。一例として搬送波が920MHzの場合に、センサ信号の周波数は、約100kHzから1MHz程度(搬送波の約1/1000から1/10000程度)になるように、センサ220の共振回路の時定数が設定されている。
一例として、(A)に示す920MHzの搬送波に、(B)に示す100kHzのセンサ信号を重畳すると、(C)に示す重畳された信号が得られる。重畳された信号は、搬送波の位相をセンサ信号で変調した信号である。重畳された信号は、フィルタ252からスイッチ251の制御端子に入力される。
図5は、制御装置100によって受信されるBS回路212の出力信号の一例を示す図である。図5には、制御装置100が2つのボルト200からBS回路212の出力信号を受信した場合の波形の一例を示す。
センサ220の可変抵抗器222の抵抗値は、ボルト200の内部空間の圧力によって変化するため、センサ信号の共振周波数は、ボルト200の内部空間の圧力によって変化する。
図5には、1つのボルト200から受信したBS回路212の出力信号が、920MHzの搬送波の前後の約100kHzにピークを有し、もう1つのボルト200から受信したBS回路212の出力信号が、920MHzの搬送波の前後の約200kHzにピークを有するようになっている。
図6は、制御装置100が実行する処理を表すフローチャートを示す図である。
利用者がコントローラでドローン50を操縦し、ドローン50がトンネル10の内壁11にある程度近くなった時点で、制御装置100は処理を開始する(スタート)。
検出値取得部112は、所定の送信電力でリクエスト信号を送信する(ステップS1)。リクエスト信号は、不特定のボルト200に対して送信される。この結果、リクエスト信号を受信したボルト200は、検出値を含む信号を出力する。
検出値取得部112は、ボルト200から検出値を含む信号を受信したかどうかを判定する(ステップS2)。
検出値取得部112は、検出値を含む信号を受信した(S2:YES)と判定すると、リクエスト信号の送信電力を所定電力だけ低下させる(ステップS3)。
一方、検出値取得部112は、ステップS2において、検出値を含む信号を受信していない(S2:NO)と判定すると、リクエスト信号の送信電力を直前のステップS3の処理で低下させる前の所定電力まで増大させる(ステップS4)。
検出値取得部112は、ボルト200から検出値を含む信号を受信したかどうかを判定する(ステップS5)。ステップS2で最後に受信したと判定した送信電力において、再度受信できるか確認するためである。
検出値取得部112によって検出値を含む信号を受信していない(S5:NO)と判定されると、主制御部111は、フローをステップS6に進行させ、ドローン50の制御部にドローン50をさらにボルト200に近づけるようにリクエストする(ステップS6)。この結果、ドローン50の制御部がコントローラに、ドローン50をさらにボルト200に近づけるように要求する表示等を行う。
検出値取得部112は、ステップS5において、検出値を含む信号を受信した(S5:YES)と判定すると、検出値を含む信号が1つであるかどうかを判定する(ステップS7)。例えば、検出値を含む信号が2つある場合は、図5に示すように、搬送波のピークの両側に、搬送波のピークからセンサ220の共振周波数だけずれたピークが2つずつ得られる。このため、ステップS7では、搬送波のピークの両側にピークが1つずつあるかどうかを判定すればよい。
検出値取得部112は、検出値を含む信号が1つではない(S7:NO)と判定すると、リクエスト信号の送信電力を所定電力だけ低下させる(ステップS8)。検出値を含む信号が1つになる状況に持ち込むためである。
ステップS7において、検出値取得部112によって検出値を含む信号が1つである(S7:YES)と判定されると、ID取得部113は、送信電力をステップS4でリクエスト信号について設定した送信電力に保持した状態で、切替信号を送信する(ステップS9)。
ID取得部113は、ボルト200からIDを含む応答信号を受信したかどうかを判定する(ステップS10)。
ID取得部113は、ボルト200からIDを含む応答信号を受信した(S10:YES)と判定すると、IDを含む応答信号が1つであるかどうかを判定する(ステップS11)。
ID取得部113によってIDを含む応答信号が1つである(S11:YES)と判定されると、主制御部111は、受信した応答信号に含まれるIDと、ステップS7で1つであると判定された信号に含まれる検出値とを関連付けてメモリ114に格納する(ステップS12)。
以上で、制御装置100は、一連の処理を終了する(エンド)。
なお、ステップS10においてID取得部113によってボルト200からIDを含む応答信号を受信していない(S10:NO)と判定されると、主制御部111は、フローをステップS6にリターンする。ドローン50をさらにボルト200に近づけるように要求するためである。
また、ID取得部113は、ステップS11において、IDを含む応答信号が1つではない(S11:NO)と判定すると、切替信号の送信電力を所定電力だけ低下させる(ステップS13)。1つのボルト200からIDを含む応答信号を受信する状況に持ち込むためである。
以上のように、ボルト200が制御装置100からリクエスト信号を受信すると、リクエスト信号の電力で回路チップ210が動作してセンサ220の検出値を表すセンサ信号を取得し、BS回路212が検出値を含む信号を出力し、アンテナ240から放射する。
制御装置100は、リクエスト信号に対して検出値を含む信号を送信するボルト200が1つになるまで送信電力を低下させる。検出値を含む信号は、図5に示すように搬送波のピークの両側にセンサ220の共振周波数だけずれたピークとして現れる。搬送波のピークの両側にセンサ220の共振周波数だけずれたピークである。制御装置100は、1つのボルト200から検出値を含む信号を取得し、検出値を含む信号からセンサ220の検出値を抽出する。
そして、制御装置100は、通信相手を1つのボルト200に絞った状況で切替信号を送信する。ボルト200が切替信号を受信すると、切替スイッチ211がアンテナ240とRFIDチップ230とを接続する状態に切り替わり、RFIDチップ230が切替信号の電力で動作してIDを含む応答信号を出力し、IDを含む応答信号はアンテナ240から放射される。
制御装置100は、検出値を含む信号を受信したボルト200からIDを含む応答信号を取得すると、検出値とIDを関連付けてメモリ114に格納する。これにより、制御装置100は、ある1つのボルト200のセンサ220で検出された検出値とIDを関連付けて取得することができる。
このような一連の処理において、ボルト200は、制御装置100から送信されるリクエスト信号と切替信号に応じて動作するだけであり、通信相手になるボルト200を1つに絞るための制御や、1つに絞ったボルト200からIDを含む応答信号を取得するための制御は制御装置100が行う。
したがって、ボルト200(子機)の構成をより簡易にした通信システム300、及び、構成をより簡易にしたボルト200を提供することができる。
また、ボルト200は、リクエスト信号の電力で動作して検出値を含む信号を放射し、切替信号の電力で動作してIDを含む応答信号を放射するため、バッテリ等の電源を含む必要がない。この点においてもボルト200(子機)の構成を簡易にすることができる。
また、ボルト200の回路チップ210がBS回路212を含むので、センサ220の検出値に対してデジタル変換等の処理を行うことなく、アナログ的に処理して検出値を制御装置100に渡すことができる。この点においてもボルト200(子機)の構成を簡易にすることができる。
なお、以上では、センサ220をボルト200(子機)に設け、ドローン50に搭載した制御装置100(親機)で検出値とIDを取得する形態について説明したが、センサ220とRFIDチップ230が設けられる子機はボルト200に限られず、親機である制御装置100がドローン50に搭載される形態に限られるものではない。種々の子機にセンサ220とRFIDチップ230を設けることができ、様々な形態の制御装置100で検出値とIDを取得するようにすることができる。
また、以上では、ボルト200において、回路チップ210とRFIDチップ230とが別体である形態について説明した。このように回路チップ210とRFIDチップ230とを別体にすることにより、調達コストを削減できる場合がある。なお、回路チップ210とRFIDチップ230は1つのチップとして構成されてもよい。
以上、本発明の例示的な実施の形態の通信システム、及び、情報端末機について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
なお、本国際出願は、2019年8月2日に出願した日本国特許出願2019-143048に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。
50 ドローン
100 制御装置
111 主制御部
112 検出値取得部
113 ID取得部
114 メモリ
200 ボルト
210 回路チップ
211 切替スイッチ
212 BS回路
220 センサ
230 RFIDチップ
240 アンテナ
300 通信システム
100 制御装置
111 主制御部
112 検出値取得部
113 ID取得部
114 メモリ
200 ボルト
210 回路チップ
211 切替スイッチ
212 BS回路
220 センサ
230 RFIDチップ
240 アンテナ
300 通信システム
Claims (7)
- 子機に信号を送信可能な親機と、
アンテナと、センサ部と、RFID部と、前記アンテナを前記センサ部及び前記RFID部のいずれか一方に接続する切替スイッチと、前記親機から送信される切替信号に基づいて前記切替スイッチを切り替える切替回路とを有する子機と
を含み、
前記子機のアンテナによって前記親機から切替信号が受信されると、前記切替回路は、前記切替信号に従って、前記子機の切替スイッチを、前記アンテナと前記センサ部とを接続した状態から、前記アンテナと前記RFID部とを接続した状態に切り替える、通信システム。 - 前記子機は、前記切替スイッチと前記センサ部との間に設けられるバックスキャッタリング回路をさらに含み、
前記切替スイッチは、前記アンテナを前記バックスキャッタリング回路を介して前記センサ部に接続する状態と、前記アンテナを前記RFID部に接続する状態とを切り替える切替スイッチである、請求項1記載の通信システム。 - 前記子機の切替スイッチが前記アンテナを前記バックスキャッタリング回路を介して前記センサ部に接続した状態において、前記子機のアンテナによって前記親機からリクエスト信号が受信されると、前記センサ部が出力する検出値を含む信号は、前記バックスキャッタリング回路を介して前記アンテナから前記親機に送信される、請求項2記載の通信システム。
- 前記親機は、複数の前記子機から前記検出値を含む信号を受信する場合には、1台の前記子機から前記検出値を含む信号を受信する状態になるまで、前記リクエスト信号の送信出力を低下させる、請求項3記載の通信システム。
- 前記センサ部及び前記バックスキャッタリング回路は、前記アンテナによって受信されるリクエスト信号の電力を用いて動作する、請求項3又は4記載の通信システム。
- 前記切替スイッチが前記アンテナと前記RFID部とを接続した状態に切り替えられると、前記RFID部は、前記アンテナを介して識別情報を含む信号を出力する、請求項1乃至5のいずれか一項記載の通信システム。
- アンテナが接続されるアンテナ端子と、センサ部が接続されるセンサ端子と、所定の情報を出力する情報出力部が接続される情報端子とを有し、前記アンテナ端子を前記センサ端子及び前記情報端子のいずれか一方に接続する切替スイッチと、
親機から送信される切替信号に基づいて前記切替スイッチを切り替える切替回路と
を含み、
前記アンテナ端子に前記親機から切替信号が受信されると、前記切替回路は、前記切替信号に従って、前記切替スイッチを、前記アンテナ端子と前記センサ端子とを接続した状態から、前記アンテナ端子と前記情報端子とを接続した状態に切り替える、情報端末機。
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