JP2018190053A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】周期性を持つデータを安定して取得する。【解決手段】センサモジュール１は、環境発電部１１及び蓄電部１２を含む電源回路１０と、電源回路１０から電力供給を受けて間欠的に動作するセンサ回路２０と、蓄電部１２に蓄えられた入力電圧Ｖｉｎを常時監視する電圧監視回路３０と、を有する。センサ回路２０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、スリープ状態では、所定の周期で電圧監視回路３０の出力確認を行い、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。【選択図】図２

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。

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。

特開２０１１−１３７６５号公報 特開２０１６−１１９０９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

センサネットワークの第１実施形態を示す図 センサモジュールの一構成例を示す図 間欠動作の比較例（電圧監視なし）を示すタイムチャート 間欠動作の一例（電圧監視あり）を示すフローチャート 間欠動作の一例（電圧監視あり）を示すタイムチャート データ取得タイミングの周期性を示すタイムチャート 電圧監視回路の第１実施例を示す図 電圧監視回路の第２実施例を示す図 センサネットワークの第２実施形態を示す図 コリジョン回避手法の一例を示すタイムチャート ＴＳＡ［time slot assign］手法の一例を示す図

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

＜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。

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。

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

Claims (11)

1. 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ことを特徴とするセンサモジュール。
2. 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ことを特徴とする請求項１に記載のセンサモジュール。
3. 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ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサモジュール。
4. 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ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサモジュール。
5. 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ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の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、
   を有することを特徴とするセンサネットワーク。
7. 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ことを特徴とする請求項６に記載のセンサネットワーク。
8. 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ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のセンサネットワーク。
9. 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ことを特徴とする請求項８に記載のセンサネットワーク。
10. 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ことを特徴とする請求項８に記載のセンサネットワーク。
11. 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ことを特徴とする請求項８に記載のセンサネットワーク。