JP7217000B2 - センシングシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数の対象を監視するセンシングシステムに関する。

人間、動物や植物、ロボット、電子機器、産業機械をはじめとする対象物の集合を監視し、その振る舞いを解析したい場合がある。このような場合、各対象物に小型のバッテリ駆動のセンサ端末を取り付け、対象物を監視することがしばしば行われる。センサ端末の動作時間は、バッテリ容量の制約を受け、バッテリの残量が空になると、センサ端末のバッテリを交換し、あるいは充電するなどのメンテナンスが必要となる。

従来のセンシングシステムでは、複数のセンサ端末が平等に扱われ、すべてのセンサ端末が、対象物の状態にかかわらず、高速に動作していた。したがって、複数のセンサ端末の消費電力は一律に大きくなっており、バッテリの消費も大きく、頻繁な電池交換が必要であった。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、消費電力を低減可能なセンシングシステムの提供にある。

本発明のある態様は、センシングシステムに関する。センシングシステムは、複数のセンサ端末を備える。複数のセンサ端末のひとつがマスター端末となり、マスター端末の状態にもとづいて、マスター端末以外のセンサ端末であるスレーブ端末群の動作モードが切り替え可能である。

本発明の別の態様は、センシングステムを構成するセンサ端末に関する。センサ端末は、センサと、センサの出力を処理する演算処理装置と、無線トランシーバと、バッテリと、メモリと、を備える。センサ端末は、相対的に消費電力が大きく、速度が速い第１モードと、相対的に消費電力が小さく、速度が遅い第２モードと、が切り替え可能であり、マスター端末として設定されているとき、常に第１モードで動作し、スレーブ端末として設定されているとき、他のマスター端末の状態に応じて、第１モードと第２モードが選択される。

本発明のある態様によれば、消費電力を低減できる。

実施の形態に係るセンシングシステムのブロック図である。 センサ端末の構成例を示すブロック図である。 センシングシステムの動作を示すフローチャートである。 センシングシステムの動作の一例を示すタイムチャートである。 家畜の監視システムを示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るセンシングシステムのブロック図である。センシングシステム１００は、複数の対象物ＯＢＪ１～ＯＢＪＮ（Ｎ≧２）の状態を監視し、解析する。複数の対象物は同種である。

センシングシステム１００は、複数のセンサ端末２００＿１～２００＿Ｎと、中央処理装置３００と、を備える。各センサ端末２００＿＃（＃＝１，２，…Ｎ）は、対応する対象物ＯＢＪ＃に接続される。

中央処理装置３００は、複数のセンサ端末２００＿１～２００＿Ｎを管理する。中央処理装置３００とセンサ端末２００は、無線で接続されており、データを双方向に伝送可能である。中央処理装置３００は、スマートフォンやタブレットなどの小型端末であってもよいし、ワークステーションやコンピュータなどであってもよい。あるいは中央処理装置３００の一部あるいは全部を、クラウド上に実装してもよい。

複数のセンサ端末２００＿１～２００＿Ｎは、複数の動作モードが切り替え可能である。具体的には各センサ端末２００は、相対的に消費電力が大きく、速度が速い第１モード（高速モードともいう）と、相対的に消費電力が小さく、速度が遅い第２モード（低速モードともいう）と、が切り替え可能である。

複数のセンサ端末２００＿１～２００＿Ｎは、いずれかひとつをリーダとして動作する。リーダとなるセンサ端末をマスター端末２００Ａ、リーダ以外のセンサ端末それぞれをスレーブ端末、複数のスレーブ端末をスレーブ端末群２００Ｂと総称する。図１では、センサ端末２００＿１がマスター端末２００Ａであり、その他２００＿２～２００＿Ｎがスレーブ端末群２００Ｂである。

マスター端末２００Ａは、常に高速モードで動作する。一方、スレーブ端末群２００Ｂの動作モードは、マスター端末２００Ａの状態にもとづいて選択される。

図２は、センサ端末の構成例を示すブロック図である。センサ端末２００は、ひとつまたは複数のセンサ（以下、センサ群と総称する）２０２、演算処理装置２０４、無線トランシーバ２０６、バッテリ２０８、メモリ２１０、電源回路２１２を備える。

センサ２０２の種類は特に限定されず、対象物ＯＢＪの種類などに応じて選択される。たとえばセンサ２０２は、温度センサ、加速度センサ、角速度センサ（ジャイロセンサ）、イメージセンサなどが例示されるがその限りでない。

演算処理装置２０４は、センサ群２０２の出力を処理する。無線トランシーバ２０６は、センサの出力である１次データおよび／または演算処理装置２０４が１次データを処理して得られる２次データを中央処理装置３００に送信する。無線トランシーバ２０６の通信方式は特に限定されないが、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）や無線ＬＡＮ（Local Area Network）、Bluetooth（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）などを用いることができる。

複数のセンサが設けられる場合、２次データは、マルチモーダルデータでありうる。メモリ２１０は演算処理装置２０４に付随して設けられる。バッテリ２０８は、センサ端末２００に搭載される電子部品の電源である。電源回路２１２は、バッテリ２０８の電圧（バッテリ電圧）を受け、それを降圧（あるいは昇圧）して、演算処理装置２０４やメモリ２１０、センサ２０２に供給すべき電源電圧を生成する。電源回路２１２は、多チャンネルの電源を含むことができ、チャンネルごとに電源電圧レベルを個別に設定可能に構成される。

上述の第１モード（高速モード）は、演算処理装置２０４の動作周波数が相対的に高いモードに対応付けることができ、第２モード（低速モード）は、演算処理装置２０４の動作周波数が相対的に低いモードに対応付けることができる。

演算処理装置２０４などの電子回路を簡単なキャパシタとしてモデル化すると、その消費電力は、
Ｐ＝ｆ・Ｃ・Ｖ^２
となる。ｆは動作周波数、Ｃはキャパシタの容量、Ｖは電源電圧である。動作周波数ｆを低下させると、処理能力は低下するが、それと引き換えに、消費電力Ｐを下げることができる。動作周波数ｆを低下させる際には、それと複合的に、電源電圧Ｖを低下させることができ、これによりさらに消費電力Ｐを下げることができる。また電源回路２１２が発生する電源電圧Ｖｄｄを下げて消費電力を削減する方法もあり、それに応じて演算処理装置２０４の動作周波数は下がる。

マスター端末の選択について説明する。本実施の形態において、マスター端末の選択は、中央処理装置３００が行う。上述のように中央処理装置３００には、複数のセンサ端末２００のデータ（１次データあるいは２次データ）が集約される。中央処理装置３００は、これらのデータを統計的に解析することにより、マスター端末を決定することができる。

たとえば、複数の対象物のうち、最も先に活動を開始したひとつに取り付けられたセンサ端末を、マスター端末に選ぶことができる。この場合、中央処理装置３００は、複数のセンサ端末から得られる１次データあるいは２次データにもとづいて、複数の対象物それぞれについて、活性度や活動度と相関を有する複数の第１指標データを生成し、複数の第１指標データの値が最先にアクティブとなったセンサ端末を、マスター端末に選んでもよい。

中央処理装置３００は、予め決めれた更新タイミングにおいて、マスター端末を再決定する処理を繰り返してもよい。マスター端末の再決定は、所定の周期毎に行ってもよい。たとえば数時間毎であってもよいし、１日ごとであってもよいし、数日ごとであってもよく、周期は、対象物の種類に応じて決めればよい。

続いてマスター端末の状態にもとづく、スレーブ端末群の動作モードの制御を説明する。本実施の形態において、スレーブ端末群の動作モードの制御も、中央処理装置３００が行う。中央処理装置３００は、複数の端末のいずれかマスター端末であるかを知っている。そこで中央処理装置３００は、マスター端末の状態が所定条件を満たすときに、スレーブ端末群を第１モードとし、満たさないとき、スレーブ端末群を第２モードとしてもよい。

複数の対象物ＯＢＪに関して、詳細にデータを取得すべき状態（関心が高い状態）と、それほど詳細なデータが必要のない状態（関心が低い）が存在する。マスター端末が所定の条件を満たすことは、関心が高い状態であることに対応付けることができる。たとえば、対象物が特定の動作・活動を行っている（あるいは行っていない）ときに、対象物について詳細な解析を行いたい場合、その特定の動作に関連づけて、所定条件を規定すればよい。

マスター端末の状態を示す指標として、いずれかひとつのセンサ２０２の出力である１次データあるいはそれを処理して得られる２次データのいずれか（監視データという）を用いることができる。中央処理装置３００は、監視データが所定条件を満たしたときに、スレーブ端末群を第２モードとしてもよい。

たとえば中央処理装置３００は、監視データをしきい値と比較し、監視データがしきい値より低いとき、スレーブ端末群を第２モードに維持あるいは変更し、監視データがしきい値を超えると、スレーブ端末群を第１モードにセットしてもよい。

図２に示すように、各センサ端末２００が複数のセンサ２０２を備える場合、センサ２０２ごとに、監視データを生成するようにし、監視データごとに所定の条件を定めてもよい。

一実施例において、ひとつのセンサ２０２が加速度センサであり、別のセンサ２０２は角速度センサでありうる。この場合、加速度センサの出力にもとづく監視データが、それに対応するしきい値と比較され、角速度センサの出力にもとづく監視データが、それに対応するしきい値と比較される。そして、いずれかの監視データがしきい値を超えると、スレーブ端末群を第１モードに設定してもよい。

以上がセンシングシステム１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、センシングシステム１００の動作を示すフローチャートである。はじめに、マスター端末が決定される（Ｓ１００）。そしてマスター端末が第１モードにセットされ（Ｓ１０２）、その他のスレーブ端末群が第２モードにセットされる（Ｓ１０４）。

そして、マスター端末の状態が監視される（Ｓ１０６）。そしてマスター端末の状態が所定条件を満たすとき（Ｓ１０６のＹ）、スレーブ端末群が第１モードにセットされる（Ｓ１０８）。マスター端末の状態が所定条件を満たさない場合（Ｓ１０６のＮ）、スレーブ端末群は第２モードに維持され、あるいは一旦第１モードに変更されている場合、第２モードに戻される。

また、マスター端末の更新タイミングである場合（Ｓ１１０のＹ）、処理Ｓ１００に戻り、マスター端末が再決定される（Ｓ１００）。更新タイミングでない場合（Ｓ１１０のＮ）、処理Ｓ１０６にもどり、マスター端末の状態監視が継続される。

図４は、センシングシステム１００の動作の一例を示すタイムチャートである。マスター端末は常に第１モードで動作する。スレーブ端末群は、マスター端末の状態にもとづいて、第１モードと第２モードが時分割で動作する。システム全体の消費電力は、スレーブ端末群が第２モードで動作する期間、大幅に削減することができる。

以上がセンシングシステム１００の動作である。このセンシングシステム１００によれば、複数のセンサ端末のうち、ひとつをマスター端末に定め、スレーブ端末群と不平等に扱うことにより、システム全体の消費電力を低減することができる。

続いてセンシングシステム１００の具体的なアプリケーションの一例を説明する。ある用途において、対象物ＯＢＪは、牛などの家畜であり、センシングシステム１００は家畜の健康状態を管理するために利用される。図５は、家畜の監視システムを示す図である。この例において、センサ端末２００は、センサ端末２００として、温度センサ、角速度センサ、加速度センサを含む。センサ端末２００はさらにイメージセンサを備えてもよい。

たとえば中央処理装置３００は、複数の牛（対象物ＯＢＪ）のうち、最も早く起きた牛に取り付けられたセンサ端末２００をマスター端末２００Ａとし、残りの牛に取り付けられたセンサ端末２００をスレーブ端末群２００Ｂとする。牛が起きているか寝ているかは、温度センサの出力、加速度センサの出力、角速度センサの出力のいずれか、あるいは、それらの任意の組み合わせにもとづいて判定することができ、この判定には、機械学習によって得られた予測モデルを実装した判別器を用いてもよい。

中央処理装置３００は、マスター端末２００Ａの状態を監視する。たとえば中央処理装置３００は、マスター端末２００Ａが取り付けられた牛が、１０歩動いたことを条件として、スレーブ端末群２００Ｂを第１モードにセットしてもよい。この場合、監視データは、牛の歩数であり、加速度センサの出力にもとづいて生成することができる。また監視データと比較すべきしきい値は１０となる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
上述の実施の形態において、中央処理装置３００が、マスター端末２００Ａを選択する条件によっては、特定のセンサ端末２００が頻繁にマスター端末２００Ａに選択される状況も生じうる。たとえば家畜の健康管理システムにおいて、特定の牛が常に一番早く起きるようなケースである。この場合、特定の対象物に取り付けられたセンサ端末のバッテリが早く消耗することとなり、それ以外のセンサ端末のバッテリの消耗が抑制される。したがって、バッテリの交換の頻度は高まるが、特定のセンサ端末のバッテリのみを交換すればよいため、それをメリットして享受できるケースもあり得る。

そこで変形例１において、マスター端末２００Ａを中央処理装置３００が動的に選択するのではなく、常に同じセンサ端末２００を固定的にマスター端末２００Ａとして動作させてもよい。この場合、マスター端末２００Ａのバッテリのみを交換すればよくなる。

（変形例２）
中央処理装置３００は、複数のセンサ端末２００の累積消費電力が均一化されるように、マスター端末２００Ａを決定してもよい。たとえば中央処理装置３００は、複数のセンサ端末２００を所定の順序でマスター端末２００Ａとして選らんでもよい。あるいは中央処理装置３００は、複数のセンサ端末２００の消費電力を監視し、監視結果にもとづいて、マスター端末２００Ａを選択してもよい。

これにより、複数のセンサ端末２００のバッテリが均等に消費されていくため、バッテリ交換の頻度を下げることができるという利点を享受できる。

（変形例３）
第２モードにおいて、スレーブ端末群２００Ｂの演算処理装置２０４に加えて、あるいはそれに代えて、メモリ２１０の動作速度を低下させてもよい。これにより、スレーブ端末群２００Ｂの消費電力を低減できる。

（変形例４）
メモリ２１０は、（i）書き込み速度が速く、データ保持時間が短い高速モードと、（ii）書き込み速度が遅く、データ保持時間が長い低速モードと、が切り替え可能であってもよい。データ保持時間が短いことは、リフレッシュの頻度が高いことを意味し、したがって消費電力が増加する。反対にデータ保持時間が長いことは、リフレッシュの頻度を下げることができることを意味し、したがって消費電力が抑制される。たとえば高速モードは、セルへの書き込み電圧が相対的に高いモードであり、低速モードは、セルへの書き込み電圧が相対的に低いモードであってもよい。

マスター端末２００Ａのメモリについては、高速モードで動作させ、スレーブ端末群２００Ｂのメモリについては、高速モードと低速モードを切り替えて動作させてもよい。

（変形例５）
中央処理装置３００は、監視データと比較すべきしきい値を、動的に設定してもよい。たとえばしきい値を、マスター端末２００Ａにより取得されるデータにもとづいて動的に設定してもよい。

（変形例６）
実施の形態では中央処理装置３００が、マスター端末２００Ａの状態を監視したがその限りでなく、マスター端末２００Ａが、それ自身の状態を監視し、所定の条件を満たしているか否かを判定するようにしてもよい。この場合、マスター端末２００Ａの演算処理装置２０４が、センサ２０２の出力にもとづく監視データをしきい値と比較するように実装すればよい。この場合において、スレーブ端末群２００Ｂの動作モードは、中央処理装置３００を経由して設定してもよい。あるいは、センサ端末２００同士が中央処理装置３００を経由せずに通信可能なプロトコルを採用しておき、マスター端末２００Ａが直接、スレーブ端末群２００Ｂに対して動作モードを通知してもよい。

（変形例７）
実施の形態では、複数のセンサ端末２００のうちのひとつをマスター端末としたがその限りでなく、マスター端末は複数存在してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００ センシングシステム
２００ センサ端末
２０２ センサ
２０４ 演算処理装置
２０６ 無線通信手段
２０８ バッテリ
２１０ メモリ
２１２ 電源回路
３００ 中央処理装置
３０２ 演算処理装置
２００Ａ マスター端末
２００Ｂ スレーブ端末群

Claims (14)

1. 複数の対象それぞれの状態を示すデータを継続的に収集するセンシングシステムであって、
   それぞれが、前記複数の対象のうち対応するひとつを監視する複数のセンサ端末を備え、
   前記複数のセンサ端末のひとつがマスター端末となり、前記マスター端末の状態にもとづいて、前記マスター端末以外のセンサ端末であるスレーブ端末群の動作モードが切り替え可能であり、
   前記複数のセンサ端末はそれぞれ、
   センサと、
   前記センサの出力を処理する演算処理装置と、
   無線トランシーバと、
   バッテリと、
   を含み、
   前記センサは、前記第１モードと前記第２モードの両方において前記対象の状態を示す信号を出力しており、
   前記複数のセンサ端末はそれぞれ、前記演算処理装置が相対的に高い動作周波数で前記センサの出力を処理する第１モードと、前記演算処理装置が相対的に低い動作周波数で前記センサの出力を処理する第２モードと、が切り替え可能であることを特徴とするセンシングシステム。
2. 前記マスター端末は常に前記第１モードで動作し、
   前記スレーブ端末群の動作モードは、前記マスター端末の前記状態にもとづいて選択されることを特徴とする請求項１に記載のセンシングシステム。
3. 前記複数のセンサ端末を管理する中央処理装置をさらに備え、
   前記無線トランシーバは、前記センサの出力である１次データおよび／または前記演算処理装置が前記１次データを処理して得られる２次データを前記中央処理装置に送信することを特徴とする請求項２に記載のセンシングシステム。
4. 前記中央処理装置は、前記複数のセンサ端末から受信したデータにもとづいて、前記マスター端末を決定することを特徴とする請求項３に記載のセンシングシステム。
5. 複数のセンサ端末と、
   前記複数のセンサ端末を管理する中央処理装置と、
   を備え、
   前記複数のセンサ端末のひとつがマスター端末となり、前記マスター端末の状態にもとづいて、前記マスター端末以外のセンサ端末であるスレーブ端末群の動作モードが切り替え可能であり、
   前記複数のセンサ端末はそれぞれ、相対的に消費電力が大きく、かつ相対的に速度が速い第１モードと、相対的に消費電力が小さく、かつ相対的に速度が遅い第２モードと、が切り替え可能であり、
   前記マスター端末は常に前記第１モードで動作し、
   前記スレーブ端末群の動作モードは、前記マスター端末の前記状態にもとづいて選択され、
   前記複数のセンサ端末はそれぞれ、
   センサと、
   前記センサの出力を処理する演算処理装置と、
   無線トランシーバと、
   バッテリと、
   を含み、
   前記無線トランシーバは、前記センサの出力である１次データおよび／または前記演算処理装置が前記１次データを処理して得られる２次データを前記中央処理装置に送信し、
   前記中央処理装置は、前記複数のセンサ端末から受信したデータにもとづいて、前記マスター端末を決定することを特徴とするセンシングシステム。
6. 前記中央処理装置は、前記マスター端末を決定する処理を繰り返すことを特徴とする請求項４または５に記載のセンシングシステム。
7. 前記中央処理装置は、前記複数のセンサ端末の累積消費電力が均一化されるように、前記マスター端末を決定することを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載のセンシングシステム。
8. 前記中央処理装置は、前記マスター端末から受信したデータにもとづいて、前記スレーブ端末群の動作モードを制御することを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載のセンシングシステム。
9. 複数のセンサ端末と、
   前記複数のセンサ端末を管理する中央処理装置と、
   を備え、
   前記複数のセンサ端末のひとつがマスター端末となり、前記マスター端末の状態にもとづいて、前記マスター端末以外のセンサ端末であるスレーブ端末群の動作モードが切り替え可能であり、
   前記複数のセンサ端末はそれぞれ、相対的に消費電力が大きく、かつ相対的に速度が速い第１モードと、相対的に消費電力が小さく、かつ相対的に速度が遅い第２モードと、が切り替え可能であり、
   前記マスター端末は常に前記第１モードで動作し、
   前記スレーブ端末群の動作モードは、前記マスター端末の前記状態にもとづいて選択され、
   前記複数のセンサ端末はそれぞれ、
   センサと、
   前記センサの出力を処理する演算処理装置と、
   無線トランシーバと、
   バッテリと、
   を含み、
   前記無線トランシーバは、前記センサの出力である１次データおよび／または前記演算処理装置が前記１次データを処理して得られる２次データを前記中央処理装置に送信し、
   前記中央処理装置は、前記マスター端末から受信したデータにもとづいて、前記スレーブ端末群の動作モードを制御することを特徴とするセンシングシステム。
10. 前記マスター端末において前記演算処理装置は、前記１次データまたは前記２次データにもとづいて、前記スレーブ端末群の動作モードを制御することを特徴とする請求項３から７のいずれかに記載のセンシングシステム。
11. 前記センサ端末は、前記動作モードごとに、前記演算処理装置の電源電圧が異なることを特徴とする請求項２から１０のいずれかに記載のセンシングシステム。
12. 前記複数のセンサ端末はそれぞれ、メモリをさらに含み、
    前記メモリは、（i）相対的に書き込み速度が速く、かつ相対的にデータ保持時間が短い高速モードと、（ii）相対的に書き込み速度が遅く、かつ相対的にデータ保持時間が長い低速モードと、が切り替え可能であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のセンシングシステム。
13. 前記マスター端末の前記メモリは前記高速モードで動作し、
    前記スレーブ端末群の前記メモリは前記高速モードまたは前記低速モードで動作することを特徴とする請求項１２に記載のセンシングシステム。
14. 前記高速モードにおいて、前記メモリへの書き込み電圧が相対的に高く、前記低速モードにおいて前記メモリへの書き込み電圧が相対的に低いことを特徴とする請求項１２または１３に記載のセンシングシステム。

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