JP7211871B2 - センサ端末および無線センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、センサ端末および無線センサシステムに係り、特に、工場などの生産設備における機器の異常を音により、検知するシステムに用いて好適なセンサ端末および無線センサシステムに関する。

従来より、製造業においては、工場などの生産設備の異常をセンサにより検知し、無線によって、データを収集して解析するシステムが知られている例えば、特許文献１には、センサを有する無線センサ端末の消費電力を抑えるために、外部からのコマンドに基づいて、無線センサ端末抽出する周波数を制御する無線センサシステムが開示されている。

センサが計測する対象は、温度、湿度、振動、電磁波など様々なものが考えられるが、機器が発する音や環境音により、異常を発生する技術が知られている。例えば、特許文献２には、周囲環境センサとして、音響、超音波センサを用いる例が示されている（段落番号００１６）。

特開２０１８－５２８９号公報 特表２０１７－５３１８６２号公報

上記従来技術の特許文献２では、周囲環境に音を検知して、異常を検出する技術が開示されている。一般に工場などに設置される無線センサシステムにおいては、小型で設置場所を自由に選択できることから、センサを有する端末（以下、「センサ端末」という）は、バッテリで駆動できることが要請される。そのため、低電力において、長時間駆動でき、しかも、データ通信量を抑止することが望ましい。

しかしながら、音を検出するセンサ端末では、音データのデータ量が大きいものになり、それを格納するメモリ量と解析の演算量が大きくなるため、低消費電力にするのは難しい。また、一般に音データは、外乱（ノイズ）に左右されやすく、外乱も環境に異なるという問題がある。

無線センサシステムでは、録音したデータをクラウド上で処理する構成が考えられるが、通信量が大きくなり、センサ端末の長期間動作は困難である。一方、センサ端末で、異常状態を検出する信号解析を行わせるようにすると必然的に、消費電力の大きなプロセッサが必要になる。また、外乱の問題に関しては、フィルタにより外乱を除去する技法が考えられるが、外乱と目的の音が同じ周波数帯域に存在することが多く、単純にフィルタによる外乱を除去するだけでは、対応が難しかった。

本発明の目的は、音により異常を検知するセンサ端末を低電力で動作させ、通信量を低減でき、しかも、外乱に耐性があり、装置に起因する音の変化を効率よく監視することのできる無線センサシステムを提供することにある。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。

本発明のセンサ端末の構成は、所定の周波数領域の音データを選択して取得するデータ取得部と、取得部で取得した音データを処理するデータ処理部とを有し、データ処理部は、データ取得部で取得した音データに基づいて、所定の周波数領域のうち、一部の周波数領域の音量を算出する第一の処理モードにおける動作と、データ取得部で取得した音データに基づいて、一部の周波数領域を含み、かつ一部の周波数領域より広い周波数領域の音データを処理する第二の処理モードにおける動作とを行い、第一の処理モードの動作と第二の処理モードにおける動作を切替えて行うようにしたものである。

また、本発明の無線センサシステムの構成は、好ましくは、センサ端末と情報処理装置がネットワークにより接続された無線センサシステムであって、情報処理装置は、センサ端末より出力された測定データを収集して保持し、センサ端末は、所定の周波数領域の音データを選択して取得するデータ取得部と、取得部で取得した音データを処理するデータ処理部と、データを無線により送受信する無線送受信部とを有し、データ処理部は、データ取得部で取得した音データに基づいて、所定の周波数領域のうち、一部の周波数領域の音量を算出する第一の処理モードにおける動作と、データ取得部で取得した音データに基づいて、一部の周波数領域を含み、かつ一部の周波数領域より広い周波数領域の音データを処理する第二の処理モードにおける動作とを行い、第一の処理モードの動作と第二の処理モードにおける動作を切替えて行うようにしたものである。

本発明によれば、音により異常を検知するセンサ端末を低電力で動作させ、通信量を低減でき、しかも、外乱に耐性があり、装置に起因する音の変化を効率よく監視することのできる無線センサシステムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る無線センサシステムの構成図である。 センサ端末のブロック図である。 低電力監視モードと詳細収集モードのモード遷移図である。 監視サーバのハードウェア・ソフトウェア構成図である。 センサ端末における測定時の消費電力を表すグラフである。 測定データテーブルの一例を示す図である。 無線センサシステムの処理を示すシーケンス図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

以下の説明では、「テーブル」、「リスト」、「キュー」等の表現にて各種情報を説明することがあるが、各種情報は、これら以外のデータ構造で表現されていてもよい。データ構造に依存しないことを示すために「ＸＸテーブル」、「ＸＸリスト」等を「ＸＸ情報」と呼ぶことがある。識別情報について説明する際に、「識別情報」、「識別子」、「名」、「ＩＤ」、「番号」等の表現を用いるが、これらについてはお互いに置換が可能である。

同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

また、以下の説明では、プログラムを実行して行う処理を説明する場合があるが、プログラムは、プロセッサ（例えばＣＰＵ、ＧＰＵ）によって実行されることで、定められた処理を、適宜に記憶資源（例えばメモリ）および／またはインターフェースデバイス（例えば通信ポート）等を用いながら行うため、処理の主体がプロセッサとされてもよい。同様に、プログラムを実行して行う処理の主体が、プロセッサを有するコントローラ、装置、システム、計算機、ノードであってもよい。プログラムを実行して行う処理の主体は、演算部であれば良く、特定の処理を行う専用回路（例えばＦＰＧＡやＡＳＩＣ）を含んでいてもよい。

プログラムは、プログラムソースから計算機のような装置にインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布サーバまたは計算機が読み取り可能な記憶メディアであってもよい。プログラムソースがプログラム配布サーバの場合、プログラム配布サーバはプロセッサと配布対象のプログラムを記憶する記憶資源を含み、プログラム配布サーバのプロセッサが配布対象のプログラムを他の計算機に配布してもよい。また、以下の説明において、２以上のプログラムが１つのプログラムとして実現されてもよいし、１つのプログラムが２以上のプログラムとして実現されてもよい。

以下、本発明に係る実施形態を、図１ないし図７を用いて説明する。

先ず、図１ないし図５を用いて本発明の実施形態に係る無線センサシステムの構成と動作の概要について説明する。
無線センサシステムは、監視サーバ２００が、ネットワーク２０１とゲートウェイ（ＧＷ：Gateway）２０２を介して、無線端末と接続された構成であり、図１に示されるように、監視サーバ２００、ネットワーク２０１、ゲートウェイ２０２、端末（親機）２０４、端末（子機）２０５（図２では、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ…と表記）、センサ端末１００（図２では、１００ａ、１００ｂ、１００ｃと表記）からなる。

監視サーバ２００は、計測場所２０３からセンサが計測した情報を集約し、管理し分析するためのサーバ装置である。ネットワーク２０１は、計測場所２０３と監視サーバ２００を接続するネットワークである。ネットワーク２０１は、インターネットのようなグローバルなネットワークでもよいし、構内ネットワークであってもよい。ゲートウェイ２０２は、異なるネットワークのプロトコルを変換する装置である。端末（親機）２０４は、無線ネットワークでの子機に制御と指令を行い、計測場所２０３でセンサから得られた情報を、監視サーバにアップロードする無線端末である。端末（子機）２０５は、各無線端末間でのデータ中継を行う端末である。センサ端末１００は、音センサを有し、計測場所２０３での音を計測して、他の無線端末に送信する無線端末である。

計測場所２０３における端末（親機）２０４、端末（子機）２０５、センサ端末１００は、無線のメッシュネットワークにより相互に接続されている。無線のメッシュネットワークのため、通信ケーブルなどの施設が不要であり、設置の自由性を確保することができる。そして、計測場所２０３における無線端末が使用する全体の電力量を下げるために、メッシュネットワークにおけるデータ伝送量を少なくすることが要請される。

図１の構成では、ネットワークを介したサーバがデータ収集を行う例を示したが、パソコンのような汎用的な情報処理装置に、無線端末の親機の機能を持たせて、そこで、データ収集と設備の監視、センサ端末１００への指示を行うようにしてもよい。

次に、図２を用いてセンサ端末の構成について説明する。
センサ端末１００は、図２に示されるように、無線送受信部１０１、信号処理用マイコン１０２、信号処理部１１０、音センサ１２０、電源回路１３０からなる。

無線送受信部１０１は、他の無線装置とデータを送受信する機能部である。信号処理用マイコン１０２は、信号処理部の制御を行うマイクロプロセッサである。信号処理用マイコン１０２から、各機能部の電源のオン・オフや、フィルタ定数、アンプの増幅率などのパラメータが操作される。信号処理部１１０は、音センサ１２０から入力された信号を処理して出力する機能部である。音センサ１２０は、例えば、超音波領域に対応した集音能力を有するマイク機器である。電源回路１３０は、信号処理用マイコン１０２から操作され、乾電池などのバッテリを電源として、各部の電力を供給する回路である。

信号処理部１１０は、プリアンプ１１１、可変アナログフィルタ１１２、アンプ１１３、ピークホールド回路１１４、アナログデジタル変換回路１１５からなる。

プリアンプ１１１は、音センサ１２０から出力される信号の第一段階の電圧増幅を行う回路である。可変アナログフィルタ１１２は、信号処理用マイコン１０２の指示にしたがい、特定の周波数領域の信号を通過させるようにしたバンドパスフィルタ回路である。可変アナログフィルタ１１２は、ダイオード、コンデンサなどで構成された低電力で動作が可能な、いわゆる受動素子（Passive Element）で構成することができる。アンプ１１３は、可変アナログフィルタ１１２を通過した信号の第二段階の電圧増幅を行い、ピークホールド回路１１４かアナログデジタル変換回路１１５に出力する回路である。ピークホールド回路１１４は、振動する信号のピーク値を取り出す回路である。ピークホールド回路１１４は、ダイオード、コンデンサなどで構成された低電力で動作が可能な、いわゆる受動素子で構成することができる。アナログデジタル変換回路１１５は、アナログの電圧信号をデジタル値に変換して、信号処理用マイコン１０２に出力する回路である。

なお、プリアンプ１１１の出力は、詳細収集モード（後述）のときは、可変アナログフィルタ１１２に出力されず、アナログデジタル変換回路１１５に直接、出力することもできる。また、信号処理用マイコン１０２からの制御に従い、アンプ１１３からの出力は、ピークホールド回路１１４に出力されず、アナログデジタル変換回路１１５に直接、出力することもできる。

本実施形態の無線センサシステムによる設備の音による監視においては、特に、超音波領域の音量変化に着目する。音とは、空気の振動であるが、一般には、人間の耳に聞こえる、いわゆる可聴域の振動数は、１０Ｈｚ～２０ＫＨｚであり、それ以上の周波数の振動は、超音波と言われている。超音波に着目するのは、第一に、超音波は空気中では減衰大きく、遠くまで伝播しないという特性による。これは、音波の空気中減衰量（１．６４[ｄＢ／（ＭＨｚ・ｃｍ）]）は、周波数に対して線形に依存するため、振動数の高い超音波の減衰量が大きくなるためである。そのため、機器の監視において、センサ端末１００の設置場所の近くにある装置のみを対象にできるという利点がある。また、第二に、機器の磨耗等の故障の発生時の異常音には、一般には高い周波数の音が発生することが多いため、設備の監視としては、好適な着目点であるためである。

本実施形態の無線センサシステムにおいては、超音波領域、あるいは監視対象毎に指定した帯域（例えば、可聴域に隣接する２０ＫＨｚ～１００ＫＨｚの周波数領域）を取り出すフィルタをかけた信号の大きさ(音量）のみを収集する低電力監視モードと、可聴域を含めた広い周波数領域の音データを収集する詳細収集モードの二種類のモードを有するようにする。

この二つのモードは、外部の装置から切替え可能にする。また、センサ端末１００の内部で、信号処理用マイコン１０２が切替えの判断を行うようにしてもよい。また、常時には、低電力監視モードで動作するが、音量変化が無い場合でも、一定時間毎に詳細収集モードでデータを蓄積するようにし、詳細な解析をできるようにしておく。

上述のように、本実施形態のセンサ端末１００は、バッテリで駆動するようになっている。そのため、低電力で動作し、センサ端末１００を長寿命で動作させることがシステムの安定性、保守性を高めるために重要なファクタになる。本実施形態のセンサ端末１００は、常時、低電力監視モードで監視の動作しているため、電池の減りが少なくなり、長寿命の動作が可能となる。

ここで、図３を用いてシステムのモード遷移について説明する。
図３は、低電力監視モードと詳細収集モードのモード遷移図である。
図３に示されるように、低電力監視モードは、外部装置から指示のあったとき、または、検知した音量が閾値を超えたときに、詳細収集モードに遷移する。検知した音量が閾値を超えたときには、装置に異常があったと考えられるからである。また、一定時間経過後、定期的に、低電力監視モードから詳細収集モードに遷移する。
詳細収集モードは、一ショット測定後、結果を外部に送信後に、低電力監視モードに遷移する。

次に、図５を用いてセンサ端末における音の測定と消費電力の関係について説明する。
図５は、センサ端末における測定時の消費電力を表すグラフである。
本実施形態のセンサ端末１００では、図２に示したように、ピークホールド回路１１４を有し、ピークホールド値を測定する。

そのため、高周波領域でも低サンプルレートで測定でき、測定データが少なくなることより、低電力で測定動作することが可能になる。例えば、センサ端末１００における動作を約５０ｍｓｅｃの間欠測定とした場合には、消費エネルギーは、０．９９[ｍＪ／回]程度にすることができる。

次に、図４を用いて監視サーバのハードウェア・ソフトウェア構成について説明する。
監視サーバ２００は、一般的なサーバ装置で構成することができ、図４に示されるように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０２、主記憶装置４０４、ネットワークＩ／Ｆ４０６、表示Ｉ／Ｆ４０８、入出力Ｉ／Ｆ４１０、補助記憶Ｉ／Ｆ４１２が、バスにより結合された形態になっている。

ＣＰＵ４０２は、監視サーバ２００の各部を制御し、主記憶装置４０４に必要なプログラムをロードして実行する。

主記憶装置４０４は、通常、ＲＡＭなどの揮発メモリで構成され、ＣＰＵ４０２が実行するプログラム、参照するデータが記憶される。

ネットワークＩ／Ｆ４０６は、ネットワーク２０１を介して外部装置と接続するためのインタフェースである。

表示Ｉ／Ｆ４０８は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示装置４２０を接続するためのインタフェースである。

入出力Ｉ／Ｆ４１０は、入出力装置を接続するためのインタフェースである。図４の例では、キーボード４３０とポインティングデバイスのマウス４３２が接続されている。

補助記憶Ｉ／Ｆ４１２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）４５０やＳＳＤ（Solid State Drive）などの補助記憶装置を接続するためのインタフェースである。

ＨＤＤ４５０は、大容量の記憶容量を有しており、本実施形態を実行するためのプログラムが格納されている。監視サーバ２００には、音量トレンド解析プログラム６００、計測指示プログラム６０１、異常判定プログラム６０２、点検・調査指示プログラム６０３がインストールされている。

音量トレンド解析プログラム６００は、測定データから音量トレンドを解析するプログラムである。音量トレンドとは、一定時間の音量の平均値の推移である。計測指示プログラム６０１は、センサ端末１００に計測の指示、低電力監視モードと詳細収集モードのモード切替えを指示するプログラムである。異常判定プログラム６０２は、測定データより装置の異常を判定するプログラムである。点検・調査指示プログラムは、装置に異常があると判定されたときに、関連情報を表示し、点検・調査の指示を行うプログラムである。

また、ＨＤＤ４５０には、センサ管理情報５００と測定データテーブル５１０を格納する。センサ管理情報５００には、図示しないが、無線端末（端末（親機）２０４、端末（子機）２０５、センサ端末１００）のネットワーク経路情報や無線端末の設置情報を保持する。測定データテーブル５１０は、センサ端末１００による測定データを保持するテーブルである。

次に、図６を用いて測定データテーブルの詳細について説明する。
測定データテーブル５１０は、図６に示されるように、端末ＩＤ５１０ａ、時刻５１０ｂ、音量５１０ｃの各フィールドよりなる。
端末ＩＤ５１０ａは、センサ端末１００を一意的に識別する識別子が格納される。時刻５１０ｂは、測定時刻が、「yyyymmddmmss」の形式で格納される。音量５１０ｃは、センサ端末１００により測定した音量が格納される。

次に、図７を用いて無線センサシステムの処理の詳細について説明する。
なお、図７では、監視サーバ２００とセンサ端末１００のみ主体として示し、途中の端末（親機）２０４、端末（子機）２０５、ゲートウェイ２０２は、省略している。

センサ端末１００は、低電力監視モードにあるとき、超音波（または、特定周波数領域の音）を測定、記録し（Ｓ１０）、周期的に、音量データを監視サーバ２００に送信する（Ａ０１）。監視サーバ２００は、受信した音量を測定データテーブル５１０に記録し（Ｓ２０）、音量トレンドを算出し、その変化を判定する（Ｓ２２）ことを繰り返す（Ａ０２）。

そして、音量トレンドの変化があったとき、または、一定時間経過後に、監視サーバ２００は、センサ端末１００に対して、詳細計測を指示する（Ｓ２４、Ａ０３）。

センサ端末１００は、この指示を受けて、低電力監視モードから、詳細収集モードに移行する。また、センサ端末１００において、測定した音の音量が所定の閾値を超えたときにも、詳細収集モードに移行する。

詳細収集モードでは、センサ端末１００は、フィルタを通さずに、測定されたデータをサンプリングし、データ解析を行う（Ｓ１２）。例えば、１秒あたり、１００ｋのサンプルを１０２４ｐｏｉｎｔにわたり解析する。

そして、センサ端末１００は、監視サーバ２００に解析結果を送信し（Ａ０４）、低電力監視モードに移行する。監視サーバは、そのデータに基づいて、異常判定を行う（Ｓ２６）。

異常があると判定したとき、または、一定時間経過したときには、監視サーバ２００は、設備の点検と調査を指示する（Ｓ２８）。これにより保守者は、迅速に設備の機器の異常に対応することができる。

以上のように、本実施形態の無線センサシステムによれば、センサ端末を、低電力監視モードと詳細収集モードで切替えて動作させる。低電力監視モードでは、超音波領域のみ測定するために、測定データ量が少なく、センサ端末を低電力で動作せることが可能になる。また、異常があったとき、音量が一定の閾値を超えたときには、詳細収集モードに移行して、計測するため、設備の監視の質も保持することができる。

低電力監視モードでは、超音波を検知するようにしているため、センサ端末の近くにある装置に関連するのみ計測の対象にできるという利点があり、装置の異常音は、高い周波数が発生するので、低電力監視モードでも設備の装置について有効な計測を行うことができる。

したがって、設備の監視の有効性を担保しながら、バッテリで駆動するセンサ端末を長寿命で運用することができ、システムの安定性、保守性を高めることができる。

１００…センサ端末
２００…監視サーバ
２０１…ネットワーク
２０２…ゲートウェイ（ＧＷ：Gateway）
２０４…端末（親機）
２０５…端末（子機）
１０１…無線送受信部
１０２…信号処理用マイコン
１１０…信号処理部
１１１…プリアンプ
１１２…可変アナログフィルタ
１１３…アンプ
１１４…ピークホールド回路
１１５…アナログデジタル変換回路
１２０…音センサ
１３０…電源回路

Claims (10)

1. 設備の機器に対する異常を検知するセンサ端末であって、
   所定の周波数領域の音データを選択して取得するデータ取得部と、
   前記取得部で取得した音データを処理するデータ処理部とを有し、
   前記データ処理部は、
   前記データ取得部で取得した音データに基づいて、前記所定の周波数領域のうち、超音波領域の音量を算出する第一の処理モードにおける動作と、
   前記データ取得部で取得した音データに基づいて、前記超音波領域を含み、かつ前記超音波領域より広い周波数領域の音データを処理する第二の処理モードにおける動作とを行い、
   前記第一の処理モードの動作と前記第二の処理モードにおける動作を切替えて行い、
   前記第一の処理モードの動作時に、前記超音波領域の音量が所定の閾値を超えた場合、前記第一の処理モードから前記第二の処理モードに切り替えることを特徴とするセンサ端末。
2. 前記センサ端末は、外部からの指令によって、前記第一の処理モードの動作と前記第二の処理モードにおける動作を切替えて行うことを特徴とする請求項１記載のセンサ端末。
3. 前記データ処理部は、前記第一の処理モードで動作するピークホールド回路を備えることを特徴とする請求項１記載のセンサ端末。
4. 前記ピークホールド回路は、受動素子であることを特徴とする請求項３記載のセンサ端末。
5. 前記データ取得部は、前記第一の処理モードで動作する可変フィルタ回路を備えることを特徴とする請求項１記載のセンサ端末。
6. 前記可変フィルタ回路は、受動素子であることを特徴とする請求項５記載のセンサ端末。
7. 前記超音波領域は、２０ＫＨｚ～１００ＫＨｚの周波数領域であることを特徴とする請求項１記載のセンサ端末。
8. センサ端末と情報処理装置がネットワークにより接続された設備の機器に対する異常を検知する無線センサシステムであって、
   前記情報処理装置は、前記センサ端末より出力された測定データを収集して保持し、
   前記センサ端末は、
   所定の周波数領域の音データを選択して取得するデータ取得部と、
   前記データ取得部で取得した音データを処理するデータ処理部と、
   データを無線により送受信する無線送受信部とを有し、
   前記データ処理部は、
   前記データ取得部で取得した音データに基づいて、前記所定の周波数領域のうち、超音波領域の音量を算出する第一の処理モードにおける動作と、
   前記データ取得部で取得した音データに基づいて、前記超音波領域を含み、かつ前記超音波領域より広い周波数領域の音データを処理する第二の処理モードにおける動作とを行い、
   前記第一の処理モードの動作と前記第二の処理モードにおける動作を切替えて行い、
   前記情報処理装置は、前記センサ端末より収集した測定結果の判定後、または、一定時間経過後に、前記第一の処理モードから前記第二の処理モードの切り替えを指示することを特徴とする無線センサシステム。
9. 前記センサ端末と情報処理装置は、メッシュネットワークを介して接続されることを特徴とする請求項８記載の無線センサシステム。
10. 前記情報処理装置は、前記センサ端末より収集した測定結果から異常があると判定したときに、設備の点検・指示情報を出力することを特徴とする請求項８記載の無線センサシステム。

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