JP2018190053A - Sensor module and sensor network using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書中に開示されている発明は、センサモジュール及びこれを用いたセンサネットワークに関する。 The invention disclosed in this specification relates to a sensor module and a sensor network using the same.
近年、環境発電(いわゆるエナジーハーベスティング)による自己発電電力を用いて動作するセンサモジュールが実用化されている。このようなセンサモジュールは、電源配線の敷設や電池の交換が困難なアプリケーションにも好適に適用することができるので、様々な用途での普及が見込まれている。 In recent years, sensor modules that operate using self-generated power by energy harvesting (so-called energy harvesting) have been put into practical use. Since such a sensor module can be suitably applied to an application where it is difficult to install power supply wiring or replace a battery, it is expected to be widely used in various applications.
ところで、環境発電では、常に安定した発電電力が得られる訳ではないので、センサモジュールの間欠動作が必須となる。しかしながら、上記従来のセンサモジュールでは、電力不足によってデータの取得や送信が中断されるおそれがあり、その動作安定性について更なる改善の余地があった。また、上記従来のセンサモジュールでは、その間欠動作の周期が環境発電装置の発電電力とセンサモジュールの消費電力に依存していたので、周期性を持つデータの取得が難しかった。 By the way, in the environmental power generation, since stable generated power is not always obtained, intermittent operation of the sensor module is essential. However, in the conventional sensor module, there is a possibility that data acquisition and transmission may be interrupted due to power shortage, and there is room for further improvement in operation stability. Further, in the conventional sensor module, since the cycle of the intermittent operation depends on the generated power of the environmental power generation device and the power consumption of the sensor module, it is difficult to acquire data having periodicity.
なお、特許文献1には、環境発電装置の発電量及び蓄電量を検出してシステムマネージャに伝送し、当該システムマネージャからの指示に応じて計測周期の設定変更を行うセンサネットワーク端末が開示されている。しかしながら、このセンサネットワーク端末は、自ら計測周期の設定変更を行うものではなく、システムマネージャが別途必要であった。 Patent Document 1 discloses a sensor network terminal that detects the amount of power generated and the amount of electricity stored in an environmental power generation device, transmits the detected amount to a system manager, and changes the setting of a measurement cycle in accordance with an instruction from the system manager. Yes. However, this sensor network terminal does not change the setting of the measurement cycle by itself and requires a system manager separately.
また、特許文献2には、所定の周期毎にデータを収集するとともに、振動発電によって所望の蓄電電力が確保されているか否かを判定し、その判定結果に応じてデータの無線送信を行うか否かを決定する振動発電無線センサが開示されている。しかしながら、この振動発電無線センサは、電力不足のためにデータの無線送信が行われない場合であっても、データの収集は常に行われるので、その省電力化について更なる改善の余地があった。 Patent Document 2 collects data every predetermined period, determines whether desired stored power is ensured by vibration power generation, and performs wireless transmission of data according to the determination result. A vibration power generation wireless sensor for determining whether or not is disclosed. However, since this vibration power generation wireless sensor always collects data even when wireless transmission of data is not performed due to power shortage, there is room for further improvement in power saving. .
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、周期性を持つデータを安定して取得できるセンサモジュール、及び、これを用いたセンサネットワークを提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems found by the inventors of the present application, the invention disclosed in this specification is a sensor module that can stably acquire periodic data, and a sensor network using the same The purpose is to provide.
本明細書中に開示されているセンサモジュールは、環境発電部及び蓄電部を含む電源回路と、前記電源回路から電力供給を受けて間欠的に動作するセンサ回路と、前記蓄電部に蓄えられた入力電圧を常時監視する電圧監視回路と、を有し、前記センサ回路は、計測対象の計測及び計測結果の無線通信を行うアクティブ状態と、その動作を休止するスリープ状態と、を交互に繰り返すものであり、前記スリープ状態では、所定の周期で前記電圧監視回路の出力確認を行い、前記入力電圧が所定の基準電圧よりも高ければ前記アクティブ状態に復帰し、前記入力電圧が前記基準電圧よりも低ければ前記スリープ状態を維持する構成(第1の構成)とされている。 A sensor module disclosed in the present specification is stored in a power supply circuit including an environmental power generation unit and a power storage unit, a sensor circuit that operates intermittently by receiving power supply from the power supply circuit, and the power storage unit A voltage monitoring circuit that constantly monitors an input voltage, and the sensor circuit alternately repeats an active state in which measurement of a measurement target and wireless communication of a measurement result are performed and a sleep state in which the operation is suspended In the sleep state, the output of the voltage monitoring circuit is confirmed at a predetermined cycle. When the input voltage is higher than a predetermined reference voltage, the active state is restored, and the input voltage is higher than the reference voltage. If it is low, the sleep state is maintained (first configuration).
なお、上記第1の構成から成るセンサモジュールにおいて、前記電源回路は、前記入力電圧から電源電圧を生成して前記センサ回路に供給するパワーマネジメント部をさらに含む構成(第2の構成)にするとよい。 In the sensor module having the first configuration, the power supply circuit may further include a power management unit (second configuration) that generates a power supply voltage from the input voltage and supplies the power supply voltage to the sensor circuit. .
また、上記第1または第2の構成から成るセンサモジュールにおいて、前記電圧監視回路は、前記入力電圧と前記基準電圧との比較結果に応じたリセット信号を生成するリセットICを含み、前記センサ回路は、前記リセット信号の論理レベルを確認して前記入力電圧が前記基準電圧よりも高いか否かを判定する構成(第3の構成)にするとよい。 In the sensor module having the first or second configuration, the voltage monitoring circuit includes a reset IC that generates a reset signal corresponding to a comparison result between the input voltage and the reference voltage, and the sensor circuit includes: A configuration (third configuration) may be employed in which the logic level of the reset signal is checked to determine whether or not the input voltage is higher than the reference voltage.
また、上記第1または第2の構成から成るセンサモジュールにおいて、前記電圧監視回路は、前記入力電圧の分圧電圧を生成する抵抗ラダーを含み、前記センサ回路は、前記分圧電圧の電圧値を確認して前記入力電圧が前記基準電圧よりも高いか否かを判定する構成(第4の構成)にしてもよい。 In the sensor module having the first or second configuration, the voltage monitoring circuit includes a resistor ladder that generates a divided voltage of the input voltage, and the sensor circuit calculates a voltage value of the divided voltage. You may make it the structure (4th structure) which confirms and determines whether the said input voltage is higher than the said reference voltage.
また、第1〜第4いずれかの構成から成るセンサモジュールは、前記環境発電部のエネルギー源と前記センサ回路の計測対象が共通である構成(第5の構成)にするとよい。 The sensor module having any one of the first to fourth configurations may have a configuration (fifth configuration) in which the energy source of the environmental power generation unit and the measurement target of the sensor circuit are common.
また、本明細書中に開示されているセンサネットワークは、上記第1〜第5いずれかの構成から成るセンサモジュールと、前記センサモジュールの計測結果を無線で受信する受信機と、を有する構成(第6の構成)とされている。 A sensor network disclosed in the present specification includes a sensor module having any one of the first to fifth configurations, and a receiver that wirelessly receives a measurement result of the sensor module ( Sixth configuration).
また、上記第6の構成から成るセンサネットワークは、前記受信機から前記センサモジュールの計測結果を受け取り、その記録や解析を行うサーバをさらに有する構成(第7の構成)にするとよい。 The sensor network having the sixth configuration may be configured to further include a server (seventh configuration) that receives a measurement result of the sensor module from the receiver and records and analyzes the result.
なお、第6または第7の構成から成るセンサネットワークにおいて、前記受信機は、複数のセンサモジュールに共有されている構成(第8の構成)にするとよい。 In the sensor network having the sixth or seventh configuration, the receiver may be configured to be shared by a plurality of sensor modules (eighth configuration).
また、上記第8の構成から成るセンサネットワークにおいて、前記複数のセンサモジュールは、それぞれ、内蔵時計の時刻を基準としてタイミングをずらしながら無線通信を行う構成(第9の構成)にするとよい。 In the sensor network having the eighth configuration, each of the plurality of sensor modules may be configured to perform wireless communication while shifting the timing with reference to the time of the built-in clock (9th configuration).
また、上記第8の構成から成るセンサネットワークにおいて、前記複数のセンサモジュールは、それぞれ、他のセンサモジュールが無線通信中でないことを確認して無線通信を行う構成(第10の構成)にしてもよい。 In the sensor network having the eighth configuration, each of the plurality of sensor modules is configured to perform wireless communication after confirming that other sensor modules are not performing wireless communication (tenth configuration). Good.
また、上記第8の構成から成るセンサネットワークにおいて、前記複数のセンサモジュールは、それぞれ、指定されたタイムスロットで無線通信を行う構成(第11の構成)にしてもよい。 In the sensor network having the eighth configuration, the plurality of sensor modules may be configured to perform wireless communication in designated time slots (eleventh configuration).
本明細書中に開示されている発明によれば、周期性を持つデータを安定に取得できるセンサモジュール、及び、これを用いたセンサネットワークを提供することが可能となる。 According to the invention disclosed in the present specification, it is possible to provide a sensor module that can stably acquire periodic data and a sensor network using the sensor module.
<センサネットワーク(第1実施形態)>
図1は、センサネットワークの第1実施形態を示す図である。本実施形態のセンサネットワークXは、センサモジュール1と、受信機2と、サーバ3を有する。
<Sensor network (first embodiment)>
FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment of a sensor network. The sensor network X of the present embodiment includes a sensor module 1, a receiver 2, and a server 3.
センサモジュール1は、環境発電による自己発電電力を用いて動作する端末であり、所定の計測対象(=機械の振動など)を計測する。また、センサモジュール1は、一方向または双方向の無線通信機能を備えており、受信機2に対して自身の計測結果を無線で送信する。 The sensor module 1 is a terminal that operates using self-generated power generated by energy harvesting, and measures a predetermined measurement target (= machine vibration or the like). The sensor module 1 has a one-way or two-way wireless communication function, and transmits its measurement result to the receiver 2 wirelessly.
受信機2は、センサモジュール1の計測結果を無線で受信し、これをサーバ3に有線または無線で転送する通信機器である。 The receiver 2 is a communication device that wirelessly receives the measurement result of the sensor module 1 and transfers it to the server 3 by wire or wirelessly.
サーバ3は受信機2から転送されたセンサモジュール1の計測結果について、その記録や解析などを行う。 The server 3 records and analyzes the measurement result of the sensor module 1 transferred from the receiver 2.
本実施形態のセンサネットワークXでは、センサモジュール1の消費電力が環境発電によって賄われているので、センサモジュール1については、電源配線の敷設や電池の交換が不要となる。また、センサモジュール1と受信機2との間では、無線通信が行われるので、相互間を結ぶ信号配線も不要となる。従って、センサモジュール1を任意の箇所に配置することが可能となる。 In the sensor network X of the present embodiment, since the power consumption of the sensor module 1 is covered by energy harvesting, the sensor module 1 does not require power supply wiring or battery replacement. In addition, since wireless communication is performed between the sensor module 1 and the receiver 2, no signal wiring is required between them. Therefore, it becomes possible to arrange the sensor module 1 at an arbitrary location.
例えば、センサネットワークXを用いて車両の振動や温度などをモニタリングする場合には、センサモジュール1への電源配線や信号配線を省略することにより、車両の軽量化を図ることが可能となる。また、センサネットワークXを用いて患者の生体情報などをモニタリングする場合には、センサモジュール1を患者の体内に埋め込み、その検出結果を体外の受信機2で読み出すことにより、患者の負担を軽減することが可能である。また、工場などにおいて、空調機やコンプレッサなどの振動または温度をモニタリングする場合には、搬送車による断線や、配線による事故を減らすことが可能となる。 For example, when monitoring vibration or temperature of the vehicle using the sensor network X, it is possible to reduce the weight of the vehicle by omitting power supply wiring and signal wiring to the sensor module 1. When monitoring patient biological information using the sensor network X, the sensor module 1 is embedded in the patient's body, and the detection result is read by the receiver 2 outside the body, thereby reducing the burden on the patient. It is possible. In addition, when monitoring vibrations or temperatures of air conditioners, compressors, etc. in factories or the like, it is possible to reduce disconnections caused by transport vehicles and accidents caused by wiring.
<センサモジュール>
図2は、センサモジュール1の一構成例を示す図である。本構成例のセンサモジュール1は、電源回路10と、センサ回路20と、電圧監視回路30と、を含む。
<Sensor module>
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the sensor module 1. The sensor module 1 of this configuration example includes a power supply circuit 10, a sensor circuit 20, and a voltage monitoring circuit 30.
電源回路10は、センサモジュール1の各部に電力を供給するための手段であり、環境発電部11と、蓄電部12と、パワーマネジメント部13と、を含む。 The power supply circuit 10 is a means for supplying power to each part of the sensor module 1, and includes an environmental power generation unit 11, a power storage unit 12, and a power management unit 13.
環境発電部11は、センサモジュール1の置かれた環境下に存在するエネルギー(=振動、光、熱など)を受けて発電する手段(いわゆるエナジーハーベスタ)である。なお、振動をエネルギー源とする場合には、発電素子として、ピエゾ素子などの圧電素子を用いるとよい。また、太陽光や照明光をエネルギー源とする場合には、発電素子として、シリコン系、化合物系、または、有機系などの光電素子を用いるとよい。また、熱をエネルギー源とする場合には、発電素子として、ペルチェ素子などの熱電素子を用いるとよい。また、環境発電(ないしは自己発電)をより広義に捉えると、CT方式電流センサを用いることもできる。その原理は、測定導体(1次側)に流れる交流電流による磁気コア内に発生した磁束を打ち消すように2次側の巻線に巻線比に応じた交流電流(2次電流)が流れるというものである。ただし、上記はあくまで例示であり、他の発電原理による発電デバイスを用いても構わない。例えば、振動発電には、圧電式(ピエゾ素子を用いるもの)だけでなく、電磁誘導式(コイルと磁石を用いた電磁誘導によるもの)や、静電式(エレクトレットを用いるもの)などがある。 The environmental power generation unit 11 is a means (so-called energy harvester) that generates power by receiving energy (= vibration, light, heat, etc.) existing in the environment where the sensor module 1 is placed. When vibration is used as an energy source, a piezoelectric element such as a piezoelectric element may be used as the power generation element. In addition, when sunlight or illumination light is used as an energy source, a silicon-based, compound-based, or organic photoelectric element may be used as the power generation element. When heat is used as an energy source, a thermoelectric element such as a Peltier element may be used as the power generation element. Further, if the energy harvesting (or self-power generation) is understood in a broader sense, a CT current sensor can also be used. The principle is that an alternating current (secondary current) corresponding to the winding ratio flows in the secondary winding so as to cancel the magnetic flux generated in the magnetic core due to the alternating current flowing in the measurement conductor (primary side). Is. However, the above is merely an example, and a power generation device based on another power generation principle may be used. For example, vibration power generation includes not only a piezoelectric type (using a piezo element) but also an electromagnetic induction type (using electromagnetic induction using a coil and a magnet), an electrostatic type (using an electret), and the like.
蓄電部12は、環境発電部11で得られた自己発電電力(ただしCT方式電流センサを用いる場合には非接触給電電力と読み替えてもよい)を蓄える手段であり、例えば、スーパーキャパシタ(=電気二重層キャパシタの総称)を好適に用いることができる。なお、蓄電部12に蓄えられた入力電圧Vin(=スーパーキャパシタの充電電圧)は、パワーマネジメント部13に供給される一方、電圧監視回路30の監視対象とされている。 The power storage unit 12 is a means for storing the self-generated power obtained by the environmental power generation unit 11 (however, when a CT current sensor is used, it may be read as non-contact power supply power). The generic name of the double layer capacitor) can be preferably used. The input voltage Vin (= charge voltage of the supercapacitor) stored in the power storage unit 12 is supplied to the power management unit 13 and is monitored by the voltage monitoring circuit 30.
パワーマネジメント部13は、入力電圧Vinから所望の電源電圧Vddを生成してセンサ回路20に供給する。なお、パワーマネジメント部13としては、例えば、DC/DCコンバータを好適に用いることができる。 The power management unit 13 generates a desired power supply voltage Vdd from the input voltage Vin and supplies it to the sensor circuit 20. For example, a DC / DC converter can be suitably used as the power management unit 13.
センサ回路20は、センサ部21と、無線通信部22と、制御部23と、を含み、電源回路10から電力供給を受けて間欠的に動作する。 The sensor circuit 20 includes a sensor unit 21, a wireless communication unit 22, and a control unit 23, and operates intermittently upon receiving power supply from the power supply circuit 10.
センサ部21は、所定の計測対象(磁気、加速度、角速度、圧力、歪み、振動、温度、湿度、光、赤外線、紫外線、電磁波、放射線、電界、電流、電圧、電力、位置、距離、変位、流速、流量、成分、組成、濃度、音、ガス、匂い、電気伝導度、pH、水位、カウントなど)を計測する手段である。なお、センサ部21は、アナログ出力であってもデジタル出力であっても構わない。 The sensor unit 21 is a predetermined measurement target (magnetism, acceleration, angular velocity, pressure, strain, vibration, temperature, humidity, light, infrared, ultraviolet, electromagnetic wave, radiation, electric field, current, voltage, power, position, distance, displacement, It is a means for measuring flow rate, flow rate, component, composition, concentration, sound, gas, odor, electrical conductivity, pH, water level, count, etc.). The sensor unit 21 may be an analog output or a digital output.
なお、センサモジュール1では、環境発電部11のエネルギー源とセンサ部21の計測対象が共通であるとよい。一つの例として、環境発電部11で振動をエネルギー源とし、センサ部21で上記の振動を計測対象としている場合が挙げられる。この場合、センサ部21が振動を計測しようとするときには、その振動を受けて環境発電部11で発電が行われるので、振動以外をエネルギー源とする場合と比べて、より確実にセンサ部21への電力供給を行うことが可能となる。 In the sensor module 1, the energy source of the energy harvesting unit 11 and the measurement target of the sensor unit 21 are preferably common. As one example, the case where the energy generation unit 11 uses vibration as an energy source and the sensor unit 21 uses the above vibration as a measurement target. In this case, when the sensor unit 21 attempts to measure the vibration, the environmental power generation unit 11 receives the vibration and generates electric power. Therefore, the sensor unit 21 is more reliably transferred to the sensor unit 21 as compared with the case where the energy source other than the vibration is used. It is possible to supply power.
無線通信部22は、センサ部21で得られた計測結果を受信機2に無線で送信する。 The wireless communication unit 22 wirelessly transmits the measurement result obtained by the sensor unit 21 to the receiver 2.
制御部23は、センサ部21と無線通信部22の制御主体であり、センサ部21の出力信号を受け付けるインタフェイス回路や、各種の信号処理を行うデジタル制御回路などを含む。制御部23としては、MCU[micro control unit]などが好適に用いられる。 The control unit 23 is a control subject of the sensor unit 21 and the wireless communication unit 22, and includes an interface circuit that receives an output signal of the sensor unit 21, a digital control circuit that performs various signal processing, and the like. As the control unit 23, MCU [micro control unit] or the like is preferably used.
電圧監視回路30は、蓄電部12に蓄えられた入力電圧Vinを常時監視し、その監視結果を出力信号Soとして制御部23に送出する。 The voltage monitoring circuit 30 constantly monitors the input voltage Vin stored in the power storage unit 12 and sends the monitoring result to the control unit 23 as an output signal So.
なお、環境発電部11のハーベスタ能力は、必ずしも大きいものではなく、センサ回路20を常時動作し続けることは難しい。そこで、センサ回路20は、所定の周期Tで電圧監視回路30の出力信号Soを確認しながら、計測対象の計測及び計測結果の無線通信を行うアクティブ状態と、その動作を一時的に休止するスリープ状態と、を交互に繰り返す間欠動作を行う。以下では、センサ回路20の間欠動作について詳述する。 Note that the harvester capability of the energy harvesting unit 11 is not necessarily large, and it is difficult to keep the sensor circuit 20 continuously operating. Therefore, the sensor circuit 20 confirms the output signal So of the voltage monitoring circuit 30 at a predetermined period T, and performs an active state in which measurement of a measurement target and wireless communication of a measurement result are performed, and sleep in which the operation is temporarily suspended. The intermittent operation which repeats a state alternately is performed. Hereinafter, the intermittent operation of the sensor circuit 20 will be described in detail.
<間欠動作>
まず、電圧監視回路30を用いた間欠動作の説明に先立ち、その比較例として、電圧監視回路30を用いない間欠動作について、図3を参照しながら簡単に説明しておく。
<Intermittent operation>
First, prior to the description of the intermittent operation using the voltage monitoring circuit 30, as a comparative example, the intermittent operation without using the voltage monitoring circuit 30 will be briefly described with reference to FIG.
図3は、間欠動作の比較例(電圧監視なし)を示すタイムチャートであり、上側から順に、入力電圧Vinとセンサ回路20の動作状態(A:アクティブ状態、S:スリープ状態)が示されている。なお、オン電圧Vonは、パワーマネジメント部13がオンする電圧であり、オフ電圧Voffは、パワーマネジメント部13がオフする電圧である。 FIG. 3 is a time chart showing a comparative example of intermittent operation (without voltage monitoring). The input voltage Vin and the operation state of the sensor circuit 20 (A: active state, S: sleep state) are shown in order from the top. Yes. The on-voltage Von is a voltage at which the power management unit 13 is turned on, and the off-voltage Voff is a voltage at which the power management unit 13 is turned off.
本図で示したように、センサ回路20は、アクティブ状態A(=計測及び無線通信)とスリープ状態S(=充電)を交互に繰り返す間欠動作を行う。なお、本図では、図示の便宜上、アクティブ状態Aを維持する時間(例えば時刻t11〜t12)が本来よりも長く描写されているが、実際には、スリープ状態Sを維持する時間(=間欠動作の周期T(例えば数分〜数時間))と比べて極めて短時間で完了する。 As shown in the figure, the sensor circuit 20 performs an intermittent operation in which the active state A (= measurement and wireless communication) and the sleep state S (= charge) are alternately repeated. In this figure, for the convenience of illustration, the time for maintaining the active state A (for example, times t11 to t12) is depicted longer than the original, but in practice, the time for maintaining the sleep state S (= intermittent operation) Compared to the period T (for example, several minutes to several hours), the process is completed in a very short time.
仮に、スリープ状態Sにおける蓄電電力がアクティブ状態Aにおける消費電力よりも大きい場合には、入力電圧Vinが一旦オン電圧Vonを上回って以降、これがオフ電圧Voffを下回ることはない。従って、センサ回路20は、一定の周期Tを維持して間欠動作を行うことが可能である。 If the stored power in the sleep state S is larger than the power consumption in the active state A, after the input voltage Vin once exceeds the on voltage Von, it does not fall below the off voltage Voff. Therefore, the sensor circuit 20 can perform an intermittent operation while maintaining a constant period T.
一方、本図で示したように、スリープ状態Sにおける蓄電電力がアクティブ状態Aにおける消費電力よりも小さい場合には、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへ復帰する度に、入力電圧Vinが徐々に低下していき、最終的にはオフ電圧Voffを下回る。その結果、パワーマネジメント部13がオフとなり、センサ回路20への電力供給が停止されるので、制御部23のタイマが切れて一定の周期Tで間欠動作を行うことができなくなる(時刻t12〜t13と時刻t14〜t15を比較参照、T≠T’)。このように、間欠動作の周期Tが変動してしまうと、周期性を持つデータを取得することができなくなる。 On the other hand, as shown in the figure, when the stored power in the sleep state S is smaller than the power consumption in the active state A, the input voltage Vin gradually decreases every time the sleep state S returns to the active state A. Eventually, the voltage drops below the off voltage Voff. As a result, the power management unit 13 is turned off and the power supply to the sensor circuit 20 is stopped, so that the timer of the control unit 23 expires and the intermittent operation cannot be performed at a constant period T (time t12 to t13). And time t14 to t15 for comparison, T ≠ T ′). As described above, if the cycle T of the intermittent operation fluctuates, it becomes impossible to acquire data having periodicity.
また、アクティブ状態Aの途中で、入力電圧Vinがオフ電圧Voffを下回った場合には、計測及び無線通信が中断されるので、十分なデータを取得することができなかったり、若しくは、全てのデータを送信することができなかったりする(時刻t13〜t14を参照)。 Also, when the input voltage Vin falls below the off voltage Voff during the active state A, measurement and wireless communication are interrupted, so that sufficient data cannot be acquired or all data Cannot be transmitted (see times t13 to t14).
上記の不具合は、パワーマネジメント部13のオン電圧Von及びオフ電圧Voffを調整することにより、多少改善することはできるが、根本的に解決することはできない。以下では、電圧監視回路30を用いることにより、上記の不具合を根本的に解決することのできる間欠動作について詳述する。 The above problem can be improved somewhat by adjusting the on-voltage Von and off-voltage Voff of the power management unit 13, but cannot be fundamentally solved. Hereinafter, an intermittent operation that can fundamentally solve the above-described problems by using the voltage monitoring circuit 30 will be described in detail.
図4は、電圧監視回路30を用いた間欠動作の一例を示すフローチャートである。センサモジュール1の起動により、環境発電部11の発電動作が始まると、蓄電部12に蓄えられた入力電圧Vinが上昇していく。そして、ステップS1において、入力電圧Vinがオン電圧Vonに達すると、続くステップS2において、パワーマネジメント部13がオンとなる。 FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of the intermittent operation using the voltage monitoring circuit 30. When the power generation operation of the environmental power generation unit 11 is started by the activation of the sensor module 1, the input voltage Vin stored in the power storage unit 12 increases. In step S1, when the input voltage Vin reaches the on voltage Von, the power management unit 13 is turned on in the subsequent step S2.
その結果、センサ回路20への電力供給が開始されるので、ステップS3において、センサ回路20がオンとなる。その後、ステップS4では、センサ部21による計測対象の計測が行われ、さらに、ステップS5では、無線通信部22による計測結果の無線通信が行われる。なお、これらのステップS3〜S5は、先述のアクティブ状態に相当する。 As a result, power supply to the sensor circuit 20 is started, so that the sensor circuit 20 is turned on in step S3. Thereafter, in step S4, the measurement target is measured by the sensor unit 21, and further, in step S5, wireless communication of the measurement result by the wireless communication unit 22 is performed. Note that these steps S3 to S5 correspond to the aforementioned active state.
ステップS5の無線通信が完了すると、続くステップS6において、センサ回路20がオフとなる。すなわち、センサ回路20がアクティブ状態からスリープ状態に移行する。ただし、スリープ状態への移行後も、アクティブ状態への復帰に必要な回路要素(制御部23のタイマなど)については、パワーマネジメント部13から最小限の電力供給を受けて動作を継続している。 When the wireless communication in step S5 is completed, the sensor circuit 20 is turned off in the subsequent step S6. That is, the sensor circuit 20 shifts from the active state to the sleep state. However, even after the transition to the sleep state, circuit elements (such as the timer of the control unit 23) necessary for the return to the active state continue to operate with the minimum power supply from the power management unit 13. .
その後、ステップS7では、制御部23により、周期Tが経過したか否かの判定が行われる。ここで、イエス判定が下されたときにはフローがステップS8に進められ、ノー判定が下されたときにはフローがステップS7に戻される。 Thereafter, in step S7, the control unit 23 determines whether or not the period T has elapsed. Here, when a yes determination is made, the flow proceeds to step S8, and when a no determination is made, the flow returns to step S7.
ステップS7でイエス判定が下された場合、ステップS8では、制御部23により、電圧監視回路30の出力信号Soが確認され、入力電圧Vinが所定の基準電圧Vrefよりも高いか否かの判定が行われる。なお、本フローでは明示されていないが、電圧監視回路30は、センサ回路20の動作状態に依ることなく、入力電圧Vinを常時監視しているものとする。ここで、イエス判定が下されたときには、フローがステップS3に戻されて、スリープ状態からアクティブ状態への復帰が行われる。一方、ノー判定が下されたときには、フローがステップS7に戻されて、周期Tの経過判定が繰り返される。 If a positive determination is made in step S7, in step S8, the control unit 23 checks the output signal So of the voltage monitoring circuit 30, and determines whether or not the input voltage Vin is higher than a predetermined reference voltage Vref. Done. Although not explicitly shown in this flow, it is assumed that the voltage monitoring circuit 30 constantly monitors the input voltage Vin without depending on the operation state of the sensor circuit 20. Here, when a positive determination is made, the flow is returned to step S3, and the return from the sleep state to the active state is performed. On the other hand, when a negative determination is made, the flow is returned to step S7, and the determination of the elapse of the cycle T is repeated.
すなわち、本フローでは、スリープ状態(ステップS6〜S8)において、所定の周期Tで電圧監視回路30の出力確認が行われており、入力電圧Vinが所定の基準電圧Vrefよりも高ければアクティブ状態に復帰し、入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも低ければスリープ状態を維持するように、言い換えれば、入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回るまで、周期Tのスリープ状態を繰り返すように、ループが回されている。 That is, in this flow, in the sleep state (steps S6 to S8), the output of the voltage monitoring circuit 30 is confirmed at a predetermined period T. If the input voltage Vin is higher than the predetermined reference voltage Vref, the active state is established. When the input voltage Vin is lower than the reference voltage Vref, the sleep state is maintained. In other words, the loop is rotated so that the sleep state of the period T is repeated until the input voltage Vin exceeds the reference voltage Vref. ing.
図5は、電圧監視回路30を用いた間欠動作の一例を示すタイムチャートであり、先の図3と同様、上側から順に、入力電圧Vinとセンサ回路20の動作状態(A:アクティブ状態、S:スリープ状態)が示されている。 FIG. 5 is a time chart showing an example of an intermittent operation using the voltage monitoring circuit 30. Similarly to FIG. 3, the input voltage Vin and the operation state of the sensor circuit 20 (A: active state, S : Sleep state).
なお、先述の基準電圧Vrefは、パワーマネジメント部13のオフ電圧Voffに対して、少なくとも、アクティブ状態A(時刻t21〜t22、時刻t23〜t24、または、時刻t26〜t27を参照)における入力電圧Vinの想定低下値Δだけ高い電圧値(Vref≧Voff+Δ)に設定されているものとする。 Note that the above-described reference voltage Vref is at least the input voltage Vin in the active state A (see times t21 to t22, times t23 to t24, or times t26 to t27) with respect to the off voltage Voff of the power management unit 13. Is assumed to be set to a voltage value (Vref ≧ Voff + Δ) that is higher by the assumed drop value Δ.
時刻t21〜t22におけるアクティブ状態A(図4のステップS3〜S5に相当)の完了後、時刻t22では、センサ回路20がアクティブ状態Aからスリープ状態Sに移行する(図4のステップS6に相当)。従って、入力電圧Vinが低下から上昇に転じる。 After completion of the active state A at time t21 to t22 (corresponding to steps S3 to S5 in FIG. 4), at time t22, the sensor circuit 20 shifts from the active state A to the sleep state S (corresponding to step S6 in FIG. 4). . Therefore, the input voltage Vin starts to increase from the decrease.
その後、時刻t23では、周期Tの経過(図4のステップS7=Yに相当)に伴い、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰判定(図4のステップS8に相当)が行われる。なお、本図の例では、時刻t23の時点で入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っているので、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰が認められる(図4のステップS8=Yに相当)。従って、入力電圧Vinが上昇から低下に転じる。 After that, at time t23, with the passage of the cycle T (corresponding to step S7 = Y in FIG. 4), the return determination from the sleep state S to the active state A (corresponding to step S8 in FIG. 4) is performed. In the example of this figure, since the input voltage Vin exceeds the reference voltage Vref at time t23, the return from the sleep state S to the active state A is recognized (corresponding to step S8 = Y in FIG. 4). . Therefore, the input voltage Vin changes from rising to lowering.
さらに、時刻t23〜t24におけるアクティブ状態A(図4のステップS3〜S5に相当)の完了後、時刻t24では、センサ回路20が再びアクティブ状態Aからスリープ状態Sに移行する(図4のステップS6に相当)。従って、入力電圧Vinが再び低下から上昇に転じる。 Further, after completion of the active state A at time t23 to t24 (corresponding to steps S3 to S5 in FIG. 4), at time t24, the sensor circuit 20 shifts again from the active state A to the sleep state S (step S6 in FIG. 4). Equivalent). Accordingly, the input voltage Vin starts to rise again from the fall.
その後、時刻t25では、周期Tの経過(図4のステップS7=Yに相当)に伴い、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰判定(図4のステップS8に相当)が行われる。ただし、本図の例では、時刻t25の時点で入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っていないので、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰が認められず、スリープ状態Sが維持される(図4のステップS8=Nに相当)。従って、入力電圧Vinは、低下に転じることなく上昇し続ける。 After that, at time t25, with the passage of the cycle T (corresponding to step S7 = Y in FIG. 4), a return determination from the sleep state S to the active state A (corresponding to step S8 in FIG. 4) is performed. However, in the example of this figure, since the input voltage Vin does not exceed the reference voltage Vref at time t25, the return from the sleep state S to the active state A is not recognized, and the sleep state S is maintained (FIG. 4 corresponds to step S8 = N). Therefore, the input voltage Vin continues to rise without turning down.
時刻t25において、アクティブ状態Aへの復帰が見送られた後、時刻t26では、2回目の周期Tの経過(図4のステップS7=Yに相当)に伴い、再びスリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰判定(図4のステップS8に相当)が行われる。なお、本図の例では、時刻t26の時点で入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っているので、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰が認められず、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰が認められる(図4のステップS8=Yに相当)。従って、入力電圧Vinが上昇から低下に転じる。 After the return to the active state A is postponed at time t25, at time t26, the sleep state S changes to the active state A again with the passage of the second cycle T (corresponding to step S7 = Y in FIG. 4). Is determined (corresponding to step S8 in FIG. 4). In the example of this figure, since the input voltage Vin exceeds the reference voltage Vref at the time t26, the return from the sleep state S to the active state A is not recognized, and the sleep state S changes to the active state A. A return is recognized (corresponding to step S8 = Y in FIG. 4). Therefore, the input voltage Vin changes from rising to lowering.
時刻t26以降についても、上記と同様の動作が繰り返されることにより、電圧監視回路30を用いた間欠動作が継続される。このような動作アルゴリズムによれば、センサモジュール1は、常に安全な電圧領域(Vin>Voff)で動作し続けることができる。 Also after time t26, the intermittent operation using the voltage monitoring circuit 30 is continued by repeating the same operation as described above. According to such an operation algorithm, the sensor module 1 can always continue to operate in a safe voltage range (Vin> Voff).
従って、アクティブ状態Aの途中で動作が中断してしまうことがなくなるので、十分なデータを取得することができなかったり、若しくは、全てのデータを送信することができなかったりする不具合を未然に防止することが可能となる。 Therefore, since the operation is not interrupted in the middle of the active state A, it is possible to prevent a problem that sufficient data cannot be acquired or all data cannot be transmitted. It becomes possible to do.
また、上記の動作アルゴリズムによれば、図6で示したように、データの取得間隔が周期Tのn倍(ただしnは自然数であり、環境発電部11のハーベスタ能力に依存して変動する可変値)となる。従って、周期性のあるデータ取得を行うことが可能となり、受信機2でデータを読み取るべきタイミングを事前に予測することができるようになる。 Further, according to the above operation algorithm, as shown in FIG. 6, the data acquisition interval is n times the period T (where n is a natural number and varies depending on the harvester capability of the energy harvesting unit 11). Value). Therefore, it is possible to acquire data with periodicity, and it becomes possible to predict in advance the timing at which the receiver 2 should read data.
なお、図6の○印(=時刻t31、t32、t34、t37)は、データ取得が行われたタイミングを示しており、図6の×印(=時刻t33、t35、t36)は、データ取得がスキップされたタイミングを示している。従って、本図におけるデータ取得間隔は、T(=時刻t31〜t32)、2T(=時刻t32〜t34)、及び、3T(=時刻t34〜t37)となる。 6 (= time t31, t32, t34, t37) indicates the timing at which data acquisition is performed, and x mark (= time t33, t35, t36) in FIG. 6 indicates data acquisition. Indicates the skipped timing. Accordingly, the data acquisition intervals in this figure are T (= time t31 to t32), 2T (= time t32 to t34), and 3T (= time t34 to t37).
例えば、モータの振動を一定時間毎に計測しようとする場合、既存のセンサネットワークでは、環境発電部11のハーベスタ能力が低いときに、間欠動作の周期自体がばらつくので、データを読み取るべきタイミングを全く予測することができない。 For example, when the vibration of the motor is to be measured at regular intervals, in the existing sensor network, when the harvester capability of the energy harvesting unit 11 is low, the cycle of the intermittent operation itself varies. It cannot be predicted.
これに対して、本構成例のセンサネットワークXであれば、環境発電部11のハーベスタ能力が低くても、常に一定の周期Tでデータ取得の可否判定(図4のステップS7及びS8を参照)が行われる。すなわち、データの取得間隔は、所定の周期Tを基準としてn倍の長さ(=n×T)に規格化されている。従って、周期T毎にデータを読み取りに行っておけば、少なくともデータを取り逃すおそれがなくなる。 On the other hand, with the sensor network X of this configuration example, even if the harvester capability of the energy harvesting unit 11 is low, it is always determined whether or not data can be acquired at a constant cycle T (see steps S7 and S8 in FIG. 4). Is done. That is, the data acquisition interval is standardized to a length n times (= n × T) with a predetermined period T as a reference. Therefore, if data is read for every period T, there is no possibility of missing at least data.
また、本構成例のセンサモジュール1であれば、自身の電圧監視回路30を用いて上記の間欠動作を実現することができる。従って、特許文献1の従来技術と異なり、別途のシステムマネージャを何ら要することなく、自ら間欠動作の周期Tを決めることができるので、より簡易にセンサネットワークXを構築することが可能となる。 Moreover, if it is the sensor module 1 of this structural example, said intermittent operation | movement can be implement | achieved using its own voltage monitoring circuit 30. FIG. Therefore, unlike the prior art disclosed in Patent Document 1, the intermittent operation cycle T can be determined by itself without requiring a separate system manager, so that the sensor network X can be constructed more easily.
また、本構成例のセンサモジュール1では、計測対象の計測(図4のステップS4)と計測結果の無線通信(図4のステップS5)がセットとされており、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰判定時に入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っていない限り、双方の動作がいずれもスキップされる。 Further, in the sensor module 1 of this configuration example, the measurement target measurement (step S4 in FIG. 4) and wireless communication of the measurement result (step S5 in FIG. 4) are set, and the sleep state S is changed to the active state A. As long as the input voltage Vin does not exceed the reference voltage Vref at the time of return determination, both operations are skipped.
このような構成とすることにより、環境発電部11のハーベスタ能力が不足しているときには、計測結果の無線通信だけでなく、計測対象の計測さえもスキップして、蓄電部12の充電に専念することができる。従って、特許文献2の従来技術と比べて、さらなる低消費電力化(延いてはデータ取得間隔n×Tの短縮)を図ることが可能となる。なお、特許文献2では、データを送信する前に蓄電量が確認されているが、データの取得や保存などを行う前に蓄電力の確認は行われていない。そのため、データの取得や保存を行っている最中にエネルギーが足りなくなり、動作不能に陥るおそれがある。すなわち、特許文献2では、十分なデータを取得してその全てを保存することができるという保証はない。従って、本構成例のセンサモジュール1は、低消費電力化だけでなく、システムの安定性に関しても優位性を持つと言える。 By adopting such a configuration, when the harvester capability of the energy harvesting unit 11 is insufficient, not only the measurement result wireless communication but also the measurement target measurement is skipped, and the power storage unit 12 is devoted to charging. be able to. Therefore, it is possible to further reduce power consumption (and thus shorten the data acquisition interval n × T) as compared with the prior art disclosed in Patent Document 2. In Patent Document 2, the amount of power storage is confirmed before data is transmitted, but the power storage is not confirmed before data is acquired or stored. For this reason, there is a possibility that energy may be insufficient during data acquisition or storage, resulting in inoperability. That is, in Patent Document 2, there is no guarantee that sufficient data can be acquired and stored. Therefore, it can be said that the sensor module 1 of this configuration example has an advantage in terms of not only low power consumption but also system stability.
また、本構成例のセンサモジュール1であれば、環境発電部11のハーベスタ能力が比較的低い場合であっても、センサネットワークXを長時間に亘って安定的に動作し続けることができるようになる。従って、例えば、インフラ設備やFA[factory automation]機器のモニタリング手段として非常に好適であると言える。 Further, with the sensor module 1 of this configuration example, the sensor network X can continue to operate stably for a long time even when the harvester capability of the energy harvesting unit 11 is relatively low. Become. Therefore, for example, it can be said to be very suitable as a monitoring means for infrastructure equipment and FA [factory automation] equipment.
<電圧監視回路(第1実施例)>
図7は、電圧監視回路30の第1実施例を示す図である。本実施例の電圧監視回路30は、リセットIC31とプルアップ抵抗32を含む。
<Voltage monitoring circuit (first embodiment)>
FIG. 7 is a diagram illustrating a first embodiment of the voltage monitoring circuit 30. The voltage monitoring circuit 30 of this embodiment includes a reset IC 31 and a pull-up resistor 32.
リセットIC31は、入力電圧Vinと基準電圧Vrefとの比較結果に応じた出力信号So(=リセット信号)を生成して制御部23に送出する半導体集積回路装置であり、コンパレータCMPと、Nチャネル型MOS[metal oxide semiconductor]電界効果トランジスタN1と、を集積化して成る。 The reset IC 31 is a semiconductor integrated circuit device that generates an output signal So (= reset signal) according to a comparison result between the input voltage Vin and the reference voltage Vref and sends the output signal So to the control unit 23. A MOS (metal oxide semiconductor) field effect transistor N1 is integrated.
コンパレータCMPは、反転入力端(−)に入力される入力電圧Vinと非反転入力端(+)に入力される基準電圧Vrefを比較して、ゲート信号Vgを生成する。ゲート信号Vgは、入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも高いときにローレベルとなり、入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも低いときにハイレベルとなる。なお、コンパレータCMPは、ヒステリシスを持っているので、入力電圧Vinが基準電圧Vrefの近傍で変動したとしても、ゲート信号Vgの論理レベルが不安定になりにくい。 The comparator CMP compares the input voltage Vin input to the inverting input terminal (−) and the reference voltage Vref input to the non-inverting input terminal (+) to generate the gate signal Vg. The gate signal Vg becomes low level when the input voltage Vin is higher than the reference voltage Vref, and becomes high level when the input voltage Vin is lower than the reference voltage Vref. Since the comparator CMP has hysteresis, even if the input voltage Vin fluctuates in the vicinity of the reference voltage Vref, the logic level of the gate signal Vg is unlikely to become unstable.
トランジスタN1は、オープンドレイン型の出力段を形成するスイッチ素子であり、出力信号Soの出力端と接地端との間に接続されている。なお、トランジスタN1は、ゲート信号Vgがハイレベルであるときにオンし、ゲート信号Vgがローレベルであるときにオフする。なお、トランジスタN1としてnpn型バイポーラトランジスタを用いることにより、オープンコレクタ型の出力段を形成しても構わない。 The transistor N1 is a switch element that forms an open drain type output stage, and is connected between the output terminal of the output signal So and the ground terminal. The transistor N1 is turned on when the gate signal Vg is at a high level, and is turned off when the gate signal Vg is at a low level. Note that an open collector type output stage may be formed by using an npn type bipolar transistor as the transistor N1.
プルアップ抵抗32は、電源電圧Vddの入力端と出力信号Soの出力端との間に接続されている。従って、出力信号Soは、トランジスタN1のオン/オフに応じて、電源電圧Vddと接地電圧GNDとの間でパルス駆動される2値信号となる。 The pull-up resistor 32 is connected between the input terminal of the power supply voltage Vdd and the output terminal of the output signal So. Therefore, the output signal So is a binary signal that is pulse-driven between the power supply voltage Vdd and the ground voltage GND in accordance with on / off of the transistor N1.
制御部23は、出力信号Soの論理レベルを確認して入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも高いか否かを判定する。より具体的に述べると、出力信号Soがハイレベル(=Vdd)であるときには、入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも高いと判定し、出力信号Soがローレベル(=GND)であるときには、入力信号Vinが基準電圧Vrefよりも低いと判定する。 The control unit 23 checks the logic level of the output signal So to determine whether or not the input voltage Vin is higher than the reference voltage Vref. More specifically, when the output signal So is at a high level (= Vdd), it is determined that the input voltage Vin is higher than the reference voltage Vref, and when the output signal So is at a low level (= GND) It is determined that the signal Vin is lower than the reference voltage Vref.
このように、リセットIC31とプルアップ抵抗32を用いれば、少ない部品点数で小面積の電圧監視回路30を実現することができるので、電圧監視回路30を実装しても、センサモジュール1を不必要に大型化せずに済む。 As described above, if the reset IC 31 and the pull-up resistor 32 are used, the voltage monitoring circuit 30 with a small area can be realized with a small number of parts. Therefore, even if the voltage monitoring circuit 30 is mounted, the sensor module 1 is unnecessary. It is not necessary to increase the size.
特に、オープンドレイン型の出力段を持つリセットIC31を用いれば、電源電圧Vddの入力端と出力信号Soの出力端との間にプルアップ抵抗32を外付けするだけで、出力信号Soの波高値(=Vdd−GND)を制御部23の入力ダイナミックレンジ内に収めることが可能となる。 In particular, if the reset IC 31 having an open drain type output stage is used, the peak value of the output signal So can be obtained simply by externally attaching a pull-up resistor 32 between the input terminal of the power supply voltage Vdd and the output terminal of the output signal So. (= Vdd−GND) can be kept within the input dynamic range of the control unit 23.
また、市販品のリセットICには、その入力ダイナミックレンジや基準電圧について、多数のバリエーションが用意されている。従って、市販品の中からリセットIC31として適切な機種を選択するだけで、環境発電部11のハーベスタ能力に応じた電圧監視回路30を実現することが可能となる。このような仕様は、常に変化する環境発電に向いていると言える。 Moreover, many variations of the input dynamic range and the reference voltage are prepared for the commercially available reset IC. Therefore, the voltage monitoring circuit 30 according to the harvester capability of the energy harvesting unit 11 can be realized simply by selecting an appropriate model as the reset IC 31 from commercially available products. It can be said that such specifications are suitable for constantly changing energy harvesting.
<電圧監視回路(第2実施例)>
図8は、電圧監視回路30の第2実施例を示す図である。本実施例の電圧監視回路30は、抵抗ラダー33とスイッチ34を含む。
<Voltage monitoring circuit (second embodiment)>
FIG. 8 is a diagram illustrating a second embodiment of the voltage monitoring circuit 30. The voltage monitoring circuit 30 of this embodiment includes a resistance ladder 33 and a switch 34.
抵抗ラダー33は、入力電圧Vinの入力端と接地端との間に直列に接続された抵抗33a及び33b(抵抗値R33a及びR33b)を含み、抵抗33a及び33b相互間の接続ノードから入力電圧Vinの分圧電圧Vdiv(=Vin×{R33b/(R33a+R33b)})を出力する分圧回路である。なお、上記の分圧電圧Vdivは、電圧監視回路30の出力信号Soとして、制御部23に送出される。 The resistor ladder 33 includes resistors 33a and 33b (resistance values R33a and R33b) connected in series between the input terminal of the input voltage Vin and the ground terminal, and the input voltage Vin from the connection node between the resistors 33a and 33b. Is a voltage dividing circuit that outputs a divided voltage Vdiv (= Vin × {R33b / (R33a + R33b)}). The divided voltage Vdiv is sent to the control unit 23 as the output signal So of the voltage monitoring circuit 30.
スイッチ34は、入力電圧Vinの入力端と抵抗ラダー33との間に接続されており、制御部23からの指示に応じてオン/オフされる。 The switch 34 is connected between the input terminal of the input voltage Vin and the resistance ladder 33 and is turned on / off according to an instruction from the control unit 23.
制御部23は、アナログの出力信号Soをデジタル信号に変換するA/D[analog-to-digital]コンバータ23aを含み、分圧電圧Vdivの電圧値を確認して入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも高いか否かを判定する。また、制御部23は、周期T毎に、分圧電圧Vdivの電圧値を読み取るタイミングでスイッチ34をオンし、分圧電圧Vdivの電圧値を読み取った後にスイッチ34をオフする。このような制御により、抵抗ラダー33に電流が流れ続けることはないので、無駄な消費電流をなくすことができる。 The control unit 23 includes an A / D [analog-to-digital] converter 23a that converts the analog output signal So into a digital signal, confirms the voltage value of the divided voltage Vdiv, and the input voltage Vin is higher than the reference voltage Vref. It is determined whether or not it is too high. Further, the control unit 23 turns on the switch 34 at the timing of reading the voltage value of the divided voltage Vdiv every cycle T, and turns off the switch 34 after reading the voltage value of the divided voltage Vdiv. By such control, current does not continue to flow through the resistance ladder 33, so that wasteful current consumption can be eliminated.
本実施例の電圧監視回路30であれば、先の第1実施例(図7)と異なり、リセットIC31さえ用いないので、更なる面積縮小を実現することができる。また、電圧監視回路30では、その消費電流を抑えつつ、分圧電圧Vdivが制御部23の入力ダイナミックレンジに収まるように、抵抗値R33a及びR33bを調整しておけば足りるので、その設定作業が簡単である。 In the voltage monitoring circuit 30 of this embodiment, unlike the first embodiment (FIG. 7), even the reset IC 31 is not used, so that further area reduction can be realized. Further, in the voltage monitoring circuit 30, it is sufficient to adjust the resistance values R33a and R33b so that the divided voltage Vdiv falls within the input dynamic range of the control unit 23 while suppressing the current consumption. Simple.
また、本実施例の電圧監視回路30を用いれば、制御部23において、入力電圧Vinと基準電圧Vrefとの比較結果が得られるだけでなく、入力電圧Vinの電圧値そのものを認識することができる。従って、例えば、アクティブ状態への復帰に向けて、あとどれだけ電力が足りていないのか、さらには、あとどれだけスリープ状態を継続すればよいのか、といった予測情報を取得することができる。このような予測情報をセンサネットワークXの管理者等に報知してやれば、何時間後にデータを読み取りに行けばいいかが分かる。さらに、周期T毎に分圧電圧Vdivを読み取れば、周期Tの間に分圧電圧Vdivがどれだけ変化しているかが分かる。従って、環境発電部11における現在のハーベスタ能力を把握することが可能となる。また、周期Tの間の分圧電圧Vdivの変化量が所定値よりも小さい場合、その度合いに応じて、次に制御部23のA/Dコンバータ23aで分圧電圧Vdivを読み取るタイミングをk×T(ただしkは2以上の整数)に設定するとよい。このような構成とすることにより、周期T毎に分圧電圧Vdivを読み取らなくてもよくなるので、更なる低消費電力化を実現することが可能となる。 If the voltage monitoring circuit 30 of the present embodiment is used, the control unit 23 can not only obtain the comparison result between the input voltage Vin and the reference voltage Vref but also recognize the voltage value itself of the input voltage Vin. . Therefore, for example, it is possible to acquire prediction information such as how much power is insufficient for returning to the active state, and how much the sleep state should be continued. If such prediction information is notified to the manager of the sensor network X, it can be understood how many hours later the data should be read. Further, if the divided voltage Vdiv is read every period T, it can be seen how much the divided voltage Vdiv changes during the period T. Therefore, it becomes possible to grasp the current harvester capability in the energy harvesting unit 11. Further, when the change amount of the divided voltage Vdiv during the period T is smaller than a predetermined value, the timing at which the A / D converter 23a of the control unit 23 reads the divided voltage Vdiv next is k × according to the degree. It may be set to T (where k is an integer of 2 or more). By adopting such a configuration, it is not necessary to read the divided voltage Vdiv every period T, so that further reduction in power consumption can be realized.
<センサネットワーク(第2実施形態)>
図9は、センサネットワークの第2実施形態を示す図である。本実施形態のセンサネットワークXは、一対多数の無線センサネットワークとして構築されており、受信機2は、複数のセンサモジュール1に共有されている。
<Sensor network (second embodiment)>
FIG. 9 is a diagram showing a second embodiment of the sensor network. The sensor network X of this embodiment is constructed as a one-to-many wireless sensor network, and the receiver 2 is shared by a plurality of sensor modules 1.
なお、このようなセンサネットワークXの適用例としては、医療・健康分野(健康管理や安否確認)、構造物監視(ワイヤ断線やボルト緩みの監視)、プラント監視(設備異常の監視)、並びに、物流管理(流通状態や品質の監視)などを挙げることができる。 Examples of application of such sensor network X include medical / health field (health management and safety confirmation), structure monitoring (wire breakage and bolt looseness monitoring), plant monitoring (equipment abnormality monitoring), and Distribution management (monitoring of distribution status and quality) can be mentioned.
ただし、本実施形態のセンサネットワークXを構築するに際しては、単一の受信機2に対して複数設けられているセンサモジュール1相互間のコリジョン(=無線信号の衝突とこれに伴うデータ損失など)を回避する必要がある。特に、センサモジュール1の数が多い場合には、コリジョン発生率が大きくなるので、コリジョンを回避するための対策が必須となる。そこで、以下では、センサネットワークXにおけるコリジョン回避手法について具体的に説明する。 However, when constructing the sensor network X of the present embodiment, a collision between sensor modules 1 provided for a single receiver 2 (= collision of radio signals and associated data loss, etc.) Need to avoid. In particular, when the number of sensor modules 1 is large, the collision occurrence rate is increased, and thus a countermeasure for avoiding the collision is essential. Therefore, the collision avoidance method in the sensor network X will be specifically described below.
図10は、コリジョン回避手法の一例を示すタイムチャートであり、紙面の上側から順に、複数(本図では3つ)のセンサモジュール1(1)〜1(3)それぞれの通信タイミングが○印で描写されている。 FIG. 10 is a time chart showing an example of a collision avoidance method. The communication timings of a plurality (three in this figure) of sensor modules 1 (1) to 1 (3) are indicated by a circle in order from the upper side of the drawing. It is depicted.
本図で示したように、センサモジュール1(1)〜1(3)それぞれの通信タイミングは、相互間のコリジョンを回避するために互いにずらされている。例えば、センサモジュール1(1)〜1(3)は、それぞれ、異なる時刻t41(1)〜t41(3)、時刻t42(1)〜t42(3)、及び、時刻t43(1)〜t43(3)で無線通信を行う。 As shown in the figure, the communication timings of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) are shifted from each other in order to avoid collision between each other. For example, the sensor modules 1 (1) to 1 (3) have different times t41 (1) to t41 (3), times t42 (1) to t42 (3), and times t43 (1) to t43 ( Wireless communication is performed in 3).
例えば、センサモジュール1(1)〜1(3)は、それぞれ、内蔵時計(RTC[real time clock]など)の時刻を基準として、タイミングをずらしながら無線通信を行うコリジョン回避手法を採用するとよい。より具体的に述べると、センサモジュール1(1)〜1(3)のそれぞれに送受信機能を持たせておき、相互コミュニケーションを取りながら、内蔵時計の時刻を基準にして、それぞれの通信タイミングをずらしておけばよい。 For example, each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) may employ a collision avoidance method that performs wireless communication while shifting the timing with reference to the time of a built-in clock (RTC [real time clock] or the like). More specifically, each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) is provided with a transmission / reception function, and the communication timing is shifted with respect to the time of the built-in clock while taking mutual communication. Just keep it.
なお、先にも述べたように、センサモジュール1(1)〜1(3)それぞれのデータ取得間隔(延いては無線通信間隔)は、いずれも周期Tとされている。従って、上記の相互コミュニケーションについては、必ずしも通信タイミングの到来毎に行う必要はなく、少なくとも初回の通信タイミングで行えば足りる。なぜなら、初回の通信タイミングを互いにずらしておけば、周期Tの経過毎に訪れる2回目以降の通信タイミングは、本図で示したように、必然的にずれるからである。 As described above, the data acquisition interval (and hence the wireless communication interval) of each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) is the period T. Therefore, the above mutual communication does not necessarily have to be performed every time the communication timing arrives, and may be performed at least at the first communication timing. This is because if the first communication timings are shifted from each other, the second and subsequent communication timings that come every time the period T elapses are inevitably shifted as shown in this figure.
また、例えば、センサモジュール1(1)〜1(3)では、それぞれ、他のセンサモジュールが無線通信中でないことを確認してから自身の無線通信を行うコリジョン回避手法(いわゆるLBT[listen before talk]手法、例えば、EnOceanの通信プロトコル(日本ではERP[enocean radio protocol]2、アメリカやヨーロッパではERP1)を採用してもよい。より具体的に述べると、センサモジュール1(1)〜1(3)は、それぞれ、無線信号の送信を始める前に、自身が受信機となって無線信号を拾うことにより、自身の周囲に無線信号を送信中の端末があるか否かを確認し、該当する端末があった場合には、その端末が無線信号の送信を完了するまで待機し、その後に自身の無線信号を送信し始める構成とすればよい。 Further, for example, in each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3), a collision avoidance method (so-called LBT [listen before talk] is performed in which each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) confirms that the other sensor modules are not performing wireless communication. ], For example, an EnOcean communication protocol (ERP [enocean radio protocol] 2 in Japan, ERP1 in the United States or Europe) may be employed. More specifically, sensor modules 1 (1) to 1 (3 ) Check whether there is a terminal transmitting a radio signal around itself by picking up the radio signal as a receiver before starting transmission of the radio signal. If there is a terminal, it may be configured to wait until the terminal completes transmission of the radio signal and then start transmitting its own radio signal.
また、例えば、センサモジュール1(1)〜1(3)は、それぞれ、別途のシステムマネージャから指定されたタイムスロットでのみ無線通信を行うコリジョン回避手法(いわゆるTSA[time slot assign]手法)を採用してもよい。より具体的に述べると、図11で示したように、(1)各センサモジュールが動作するのに必要なエネルギーを十分確保できたら、受信機に対して、送信要求を出し、(2)受信機がその送信要求を受け、スロット番号をセンサモジュールに通知し、(3)センサモジュールがスロット番号の通知を受けて、指定されたタイムスロットにてデータを送信する、という流れになる。 Further, for example, each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) employs a collision avoidance technique (so-called TSA [time slot assign] technique) in which wireless communication is performed only in a time slot designated by a separate system manager. May be. More specifically, as shown in FIG. 11, (1) when sufficient energy required for each sensor module to operate is secured, a transmission request is issued to the receiver, and (2) reception is performed. The machine receives the transmission request and notifies the sensor module of the slot number. (3) The sensor module receives the notification of the slot number and transmits data in the designated time slot.
<電池搭載>
なお、環境発電部11では対応できないアプリケーションが数多く存在するので、これをカバーするために、電池(モバイルバッテリなど)を環境発電部11と並列に設けてもよい。電池の位置付けは、環境発電部11と同じである。
<Battery installed>
Since there are many applications that cannot be handled by the energy harvesting unit 11, a battery (such as a mobile battery) may be provided in parallel with the energy harvesting unit 11 to cover this. The positioning of the battery is the same as that of the energy harvesting unit 11.
電池を使う場合、蓄電部12に充電しながら、負荷に電源供給する。これについては、環境発電部11も同様である。ただし、電池の出力電流がかなり小さいので、全体的に見ると、電源供給源は蓄電部12のみとなっている。環境発電部11は、出力インピーダンスがかなり高い電池だと考えてよい。 When a battery is used, power is supplied to the load while charging the power storage unit 12. The same applies to the energy harvesting unit 11. However, since the output current of the battery is quite small, the power supply source is only the power storage unit 12 as a whole. The environmental power generation unit 11 may be considered as a battery having a considerably high output impedance.
先述のスリープ動作は、環境発電部11と電池のいずれを使うかに依存しない。スリープ動作は、ソフトウェアでコントロールしている。周期Tのスリープ状態が経過した後、入力電圧Vinをチェックして、基準電圧Vrefを上回っていればアクティブ状態に復帰し、下回っていれば再び周期Tのスリープ状態を維持する、という一連の動作は、環境発電部11の使用時と同様に行われる。 The sleep operation described above does not depend on which of the energy harvesting unit 11 and the battery is used. The sleep operation is controlled by software. After the sleep state of the period T has elapsed, the input voltage Vin is checked, and if it exceeds the reference voltage Vref, it returns to the active state, and if it falls below, the sleep state of the period T is maintained again. Is performed in the same manner as when the energy harvesting unit 11 is used.
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
<Other variations>
The various technical features disclosed in the present specification can be variously modified within the scope of the technical creation in addition to the above-described embodiment. That is, the above-described embodiment should be considered as illustrative in all points and not restrictive, and the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and It should be understood that all modifications that fall within the meaning and range are included.
本明細書中に開示されているセンサモジュールないしセンサネットワークは、例えば、インフラ設備やFA機器のモニタリング手段として好適に利用することが可能である。 The sensor module or sensor network disclosed in the present specification can be suitably used, for example, as a monitoring means for infrastructure equipment or FA equipment.
1、1(1)〜1(3) センサモジュール
2 受信機
3 サーバ
10 電源回路
11 環境発電部
12 蓄電部
13 パワーマネジメント部
20 センサ回路
21 センサ部
22 無線通信部
23 制御部
23a A/Dコンバータ
30 電圧監視回路
31 リセットIC
32 プルアップ抵抗
33 抵抗ラダー
33a、33b 抵抗
34 スイッチ
CMP コンパレータ
N1 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
X センサネットワーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1 (1) -1 (3) Sensor module 2 Receiver 3 Server 10 Power supply circuit 11 Environmental power generation part 12 Power storage part 13 Power management part 20 Sensor circuit 21 Sensor part 22 Wireless communication part 23 Control part 23a A / D converter 30 Voltage monitoring circuit 31 Reset IC
32 Pull-up resistor 33 Resistor ladder 33a, 33b Resistor 34 Switch CMP comparator N1 N-channel MOS field effect transistor X Sensor network
Claims (11)
前記電源回路から電力供給を受けて間欠的に動作するセンサ回路と、
前記蓄電部に蓄えられた入力電圧を常時監視する電圧監視回路と、
を有し、
前記センサ回路は、計測対象の計測及び計測結果の無線通信を行うアクティブ状態と、その動作を休止するスリープ状態と、を交互に繰り返すものであり、前記スリープ状態では、所定の周期で前記電圧監視回路の出力確認を行い、前記入力電圧が所定の基準電圧よりも高ければ前記アクティブ状態に復帰し、前記入力電圧が前記基準電圧よりも低ければ前記スリープ状態を維持することを特徴とするセンサモジュール。 A power supply circuit including an energy harvesting unit and a power storage unit;
A sensor circuit that receives power from the power supply circuit and operates intermittently;
A voltage monitoring circuit for constantly monitoring the input voltage stored in the power storage unit;
Have
The sensor circuit alternately repeats an active state in which measurement of a measurement target and wireless communication of a measurement result and a sleep state in which the operation is suspended. In the sleep state, the voltage monitoring is performed at a predetermined cycle. A sensor module that performs output check of the circuit and returns to the active state if the input voltage is higher than a predetermined reference voltage, and maintains the sleep state if the input voltage is lower than the reference voltage. .
前記センサモジュールの計測結果を無線で受信する受信機と、
を有することを特徴とするセンサネットワーク。 The sensor module according to any one of claims 1 to 5,
A receiver for wirelessly receiving the measurement result of the sensor module;
A sensor network comprising:
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