JP6004095B2 - 無線式センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、被計測部の物理量に応じた共振信号を発生し無線送信する共振タグと、該共振信号を受信して該共振信号の周波数から被測定部の物理量を計測するリーダモジュールとを備える無線式センサシステムに関する。

従来、無線を利用して被計測部の物理量を検出する無線式センサシステムが各種考案されている。例えば、特許文献１に記載の無線式センサシステムでは、ＲＦＩＤタグと遠隔検知装置とを備える。

ＲＦＩＤタグは、共振子を備えており、遠隔検知装置からの送信信号で共振子が励振して残響信号を発生する。残響信号の周波数は、ＲＦＩＤタグが配置されている被計測部の温度に応じた周波数である。遠隔検知装置は、残響信号を受信して周波数解析することで、被計測部の温度を検知している。

このような無線式センサシステムでは、ＲＦＩＤタグを複数用いる場合がある。この場合、複数のＲＦＩＤタグへ同時に励振用の送信信号が送信されると、各ＲＦＩＤタグは、それぞれに残響信号を送信する。各ＲＦＩＤタグの残響信号が同じ周波数であると、遠隔検知装置は、いずれのＲＦＩＤタグから送信された残響信号であるか識別できない。

したがって、特許文献１に記載の無線式センサシステムでは、残響信号の周波数を、ＲＦＩＤタグ毎に異ならせている。

特開２０１１−１８０７９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の無線式センサシステムでは、ＲＦＩＤタグ毎に周波数を異ならせなければならないため、ＲＦＩＤタグの個数が多くなるほど、通信する周波数帯域が広くなる。このような周波数帯域に対応するには、広い周波数帯域で利得の高いアンテナや、広い周波数帯域をカバーするための複数のアンテナを用意しなければならない。これにより、遠隔検知装置が大型化したり、高コスト化してしまい、現実的な利用は容易ではない。

したがって、本発明の目的は、ＲＦＩＤタグ（共振タグ）の個数に影響されず、個別にＲＦＩＤタグ（共振タグ）からの残響信号を受信することができる無線式センサシステムを提供することにある。

この発明の無線式センサシステムは、共振タグとリーダモジュールを備える。共振タグは、周囲の物理量に応じて共振周波数が変化する共振子およびＲＦＩＤを備える。リーダモジュールは、計測用信号受信部、計測部、およびＲＦＩＤ通信制御部を備える。計測用信号送受信部は、共振子を励振する励振信号を送信し、該励振信号に基づく残響信号を受信する。計測部は、計測用信号送受信部で得た残響信号に基づいて物理量の計測を行う。ＲＦＩＤ通信制御部は、ＲＦＩＤと通信を行う。ＲＦＩＤ通信制御部は、共振子を有効にする有効化コマンドを、ＲＦＩＤに送信する。ＲＦＩＤは、有効化コマンドを取得すると、共振子の励振信号による共振を有効化する。

この構成では、定常的には全ての共振タグの共振子を無効化しておき、計測のタイミングで、残響信号の取得対象となる共振タグの共振子を有効化することができる。これにより、残響信号の取得対象となる共振タグの共振子からの残響信号のみを、リーダモジュールで受信することができる。

また、この発明の無線式センサシステムでは、次の構成であることが好ましい。ＲＦＩＤ通信制御部は、共振子が有効化されている時に、共振子を無効にする無効化コマンドを、ＲＦＩＤに送信する。ＲＦＩＤは、無効化コマンドを取得すると、共振子の励振信号による共振を無効化する。

この構成では、計測対象であった共振タグの共振子を指定したタイミングで無効化できる。これにより、不必要に長く共振子が有効化されない。

また、この発明の無線式センサシステムでは、次の構成であることが好ましい。ＲＦＩＤは、共振子に並列接続されたスイッチ回路を備える。スイッチ回路は、有効化されている時に開放状態であり、無効化されている時に導通状態である。

この構成では、共振子の有効化と無効化の切り替えを、簡素な回路構成で実現することができる。

また、この発明の無線式センサシステムでは、次の構成であることが好ましい。ＲＦＩＤは、リーダモジュールの動作プログラムを記憶する記憶部を備える。ＲＦＩＤ通信制御部は、動作プログラムを取得して、ＲＦＩＤ通信制御部、計測用信号送受信部および計測部の動作を設定する。

この構成では、リーダモジュールは、共振タグのＲＦＩＤに記憶された動作プログラムによって、リーダモジュールが動作する。したがって、各種の共振タグに対して汎用なリーダモジュールを実現することができる。

この発明によれば、共振タグからの残響信号を個別に受信することができ、被計測部の温度等の物理量を確実に計測することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無線式センサシステムの構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る共振タグの構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線式センサシステムのフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る無線式センサシステムを用いて人の体温を測定する場合を示す図である 本発明の第２の実施形態に係る無線式センサシステムの構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線式センサシステムのフローチャートである。

本発明の第１の実施形態に係る無線式センサシステムについて、図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る無線式センサシステムの構成図である。図２は本発明の第１の実施形態に係る共振タグの構成図である。

無線式センサシステム１０は、共振タグ２０とリーダモジュール３０を備える。共振タグ２０は、被計測部に装着されている。リーダモジュール３０は、例えば、計測者が持ち運び可能な形状からなる。

共振タグ２０は、図１、図２に示すように、ＲＦＩＤ２１、ＲＦＩＤ通信用アンテナ２２、共振子２３、および、共振子用アンテナ２４を備える。リーダモジュール３０は、ＲＦＩＤ通信制御部３１、ＲＦＩＤ通信用アンテナ３２、計測用信号送受信部３３、計測信号用アンテナ３４、計測部３５、および表示部３６を備える。

（共振タグ２０の構成）
ＲＦＩＤ２１は、制御部２１１、および共振動作制御部２１２を備える。

制御部２１１は、ＲＦＩＤ通信用アンテナ２２を用いた外部との無線通信を制御する。制御部２１１は、ＲＦＩＤ通信用アンテナ２２、リーダモジュール３１のＲＦＩＤ通信用アンテナ３２を介して、リーダモジュール３１のＲＦＩＤ通信制御部３１と通信を行う。具体的には、制御部２１１は、ＲＦＩＤ通信制御部３１からの動作制御信号Ｓｃを受信する。動作制御信号は有効化コマンドＳｃｅもしくは無効化コマンドＳｃｉである。制御部２１１は、ＲＦＩＤ２１のＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆを、ＲＦＩＤ通信制御部３１に送信する。制御部２１１は、動作制御信号Ｓｃを解析して、共振動作制御部２１２の動作制御を行う。

共振動作制御部２１２は、制御部２１１からの動作制御を受けて、共振子２３を有効化もしくは無効化させる。共振動作制御部２１２は、具体的には、図２に示すように、スイッチ回路であり、共振子２３に並列接続されている。このようなスイッチ回路からなる共振動作制御部２１２は、動作制御によって開放または導通する。

共振子２３は、感知温度に応じて共振周波数が変化する素子である。例えば、共振子２３は水晶振動子からなる。共振子２３は、共振子用アンテナ２４を介して励振信号ＳｐＬを受けると、感知温度に応じた共振周波数で共振し、残響信号Ｓｆｐを発生する。したがって、共振タグ２０が被計測部に装着されているので、共振子２３は、被計測部の温度に応じた共振周波数で共振し、残響信号Ｓｆｐを発生する。すなわち、残響信号Ｓｆｐの周波数は、被測定部の温度に依存する。なお、共振子２３は、感知温度ではなく、磁気や歪み等といった周囲の物理量に応じて共振周波数が変化する素子であってもよい。

このような構成により、共振タグ２０は、動作制御信号によって共振子２３が有効化されており、励振信号ＳｐＬを受けた時に、残響信号Ｓｆｐを発生して、共振子用アンテナ２４から外部へ送信する。一方、共振タグ２０は、共振子２３が無効化されていると、励振信号ＳｐＬを受けても、残響信号Ｓｆｐを発生できない。したがって、共振タグ２０は、共振子用アンテナ２４から外部に、全く信号を送信しない。

（リーダモジュール３０の構成）
ＲＦＩＤ通信制御部３１は、ＲＦＩＤ通信用アンテナ３２、共振タグ２０のＲＦＩＤ通信用アンテナ２２を介して、共振タグ２０のＲＦＩＤ２１の制御部２１１と通信を行う。具体的には、ＲＦＩＤ通信制御部３１は、ＲＦＩＤ２１の制御部２１１に動作制御信号Ｓｃを送信する。ＲＦＩＤ通信制御部３１は、ＲＦＩＤ２１の制御部２１１からのＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆを受信して復調する。この処理により、通信中のＲＦＩＤ２１すなわち共振タグ２０を識別する。

ＲＦＩＤ通信制御部３１は、動作制御信号Ｓｃの送信情報を、計測用信号送受信部３３に出力する。ＲＦＩＤ通信制御部３１は、取得したＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆを、計測用信号送受信部３３に出力する。

計測用信号送受信部３３は、励振信号ＳｐＬを、予め設定した時間間隔で生成して、計測用アンテナ３４から送信する。なお、計測用信号送受信部３３は、有効化コマンドＳｃｅの動作制御信号Ｓｃを受信したことを検知してから、励振信号ＳｐＬを生成してもよい。このように、有効化コマンドＳｃｅの検出を受けてから励振信号ＳｐＬを生成、送信すれば、励振信号ＳｐＬの不要な送信を抑制することができる。

計測用信号送受信部３３は、計測用アンテナ３４を介して残響信号Ｓｆｐを受信すると、残響信号Ｓｆｐの周波数解析を実行し、残響信号Ｓｆｐの周波数ｆｐを取得する。計測用信号送受信部３３は、残響信号Ｓｆｐの周波数ｆｐを計測部３５に出力する。計測用信号送受信部３３は、ＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆを周波数ｆｐに関連付けして、計測部３５に出力する。

計測部３５は、周波数ｆｐと温度Ｔとの関係テーブルを予め記憶している。計測部３５は、周波数ｆｐを取得すると、関係テーブルを参照して、温度Ｔを算出する。この際、計測部２５は、ＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆに基づいて関係テーブルを決定し、当該決定した関係テーブルから、温度Ｔを算出することもできる。

表示部３６は、計測部３５で算出された温度Ｔを取得して表示する。この際、表示部３６は、ＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆを温度Ｔと一緒に表示してもよい。なお、表示部３６は、必要に応じて省略することもできる。この場合、温度ＴやＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆを外部出力する出力端子を備えればよい。

このような構成からなる無線式センサシステム１０は、次に示すフローによって、被計測部の温度Ｔを計測する。図３は、本発明の第１の実施形態に係る無線式センサシステムのフローチャートである。

共振タグ２０を被計測部に装着しておく。この状態では、共振動作制御部２１２であるスイッチ回路は導通状態であり、共振子２３は無効状態である（Ｓ１０１）。

リーダモジュール３０を起動する（Ｓ２０１）。リーダモジュール３０を共振タグ２０に近接させた状態で、リーダモジュール３０に対して計測開始操作入力を行う。この計測開始操作入力により、リーダモジュール３０は、有効化コマンドＳｃｅ（動作制御信号Ｓｃ）を送信する（Ｓ２０２）。この際のリーダモジュール３０と共振タグ２０との通信は、例えば、所謂、近距離非接触通信で行われる。

共振タグ２０は、有効化コマンドＳｃｅを受信するまでは、無効状態を維持する（Ｓ１０２：ＮＯ）。共振タグ２０は、有効化コマンドＳｃｅを受信すると（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、共振子２３を有効状態に切り替える（Ｓ１０３）。具体的には、共振動作制御部２１２であるスイッチ回路を開放状態にする。

この際、共振タグ２０は、ＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆをリーダモジュール３０に送信する。リーダモジュール３０は、ＲＦＩＤ識別情報Ｓｉｎｆを受信して復調する（Ｓ２０３）。

リーダモジュール３０は、励振信号ＳｐＬを生成して送信する（Ｓ２０４）。共振タグ１０の共振子２３は、励振信号ＳｐＬを受けて共振し、残響信号Ｓｆｐを発生する（Ｓ１０３）。

リーダモジュール３０は、残響信号Ｓｆｐを受信する（Ｓ２０５）。リーダモジュール３０は、残響信号Ｓｆｐの周波数ｆｐを解析して、当該周波数ｆｐから温度Ｔを計測する（Ｓ２０６）。

リーダモジュール３０は、無効化コマンドＳｃｉ（動作制御信号Ｓｃ）を送信する（Ｓ２０７）。

共振タグ２０は、無効化コマンドＳｃｉを受信するまでは、有効状態を維持する（Ｓ１０４：ＮＯ）。共振タグ２０は、無効化コマンドＳｃｉを受信すると（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、共振子２３を無効状態に切り替える（Ｓ１０５）。具体的には、共振動作制御部２１２であるスイッチ回路を導通状態にする。

このような構成および処理を行うことで、計測対象である共振タグ１０のみで残響信号Ｓｆｐを発生させることができる。例えば、リーダモジュール３０の励振信号ＳｐＬが届く範囲に複数の共振タグが存在していても、ＲＦＩＤ通信により共振子が有効化された共振タグ１０のみが、励振信号ＳｐＬに応答する残響信号Ｓｆｐを発生することができる。これにより、共振タグ毎に周波数を異ならせなくても、複数の共振タグからの残響信号Ｓｆｐを個別に取得することができる。したがって、所望とする被計測部の温度等の物理量を確実に計測することができる。

また、本実施形態の構成および処理を用いれば、共振子の有効化、無効化を、スイッチ回路の開放、導通で制御することができる。これにより、上述の作用効果を奏する共振タグを、簡素な構成によって実現することができる。

本実施形態では、共振タグ２０を小型化できるため、無線式センサシステム１０を以下のように用いることができる。図４は、本発明の第１の実施形態に係る無線式センサシステムを用いて人の体温を測定する場合を示す図である。ただし、図４は、説明のために、共振タグ２０が２つのみ存在する例を示している。

図４に示すように、ＲＦＩＤ通信用アンテナ２２、及び共振用アンテナ２４は、可撓性を有する薄型のフレキシブル基板（例えば紙及びＰＥＴ等）上にコイル電極が形成されることにより、それぞれ実現されている。当該フレキシブル基板の長尺部２６の端部には共振子２３が配置されている。

人の体温を測定するときには、まず、共振タグ２０の共振子２３を、被検温体である人９００の腋の下、すなわち腋窩９０１に装着する。次に、長尺部２６を人９００の上腕９００Ａに巻き付けて共振タグ２０を上腕９００Ａに固定する。これにより、無線式センサシステム１０は、人９００の深部体温を測定する。

長尺部２６を上腕９００Ａに巻き付ける際、ＲＦＩＤ通信用アンテナ２２、及び共振用アンテナ２４を実現するコイル電極を形成した面が外側（上腕９００Ａに対しての外側）になるように巻き付け方向を調整する。これにより、リーダモジュール３０と共振タグ２０との間で、ＲＦＩＤ通信、並びに、励振信号ＳｐＬ及び残響信号Ｓｆｐの送受信が可能となる。

図４に示す例では、リーダモジュール３０は、人９００に装着した共振タグ２０の共振子２３のみを有効化コマンドＳｃｅで有効化し、人９１０に装着した共振タグ２０の共振子２３を無効化している。従って、リーダモジュール３０は、励振信号ＳｐＬが届く範囲に２つの共振タグ２０が存在する場合でも、共振タグ２０毎に周波数を異ならせる必要がなく、人９００に装着した共振タグ２０のみから残響信号Ｓｆｐを取得することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る無線式センサシステムについて、図を参照して説明する。図５は本発明の第２の実施形態に係る無線式センサシステムの構成図である。

本実施形態に係る無線式センサシステム１０Ａは、共振タグ２０Ａとリーダモジュール３０Ａを備える。共振タグ２０Ａは、ＲＦＩＤ２１Ａ、ＲＦＩＤ通信用アンテナ２２、共振子２３、共振子用アンテナ２４を備える。ＲＦＩＤ２１Ａの構成が、第１の実施形態に係るＲＦＩＤ２１と異なり、共振タグ２０Ａの他の構成は第１の実施形態に係る共振タグ２０と同じである。リーダモジュール３０Ａは、ＲＦＩＤ通信制御部３１Ａ、ＲＦＩＤ通信用アンテナ３２、計測用信号送受信部３３、計測信号用アンテナ３４、計測部３５Ａ、および表示部３６を備える。ＲＦＩＤ通信制御部３１Ａ、計測部３５Ａの構成が、第１の実施形態に係るＲＦＩＤ通信制御部３１、計測部３５と異なり、リーダモジュール３０Ａの他の構成は第１の実施形態に係るリーダモジュール３０と同じである。したがって、異なる箇所のみを説明する。

ＲＦＩＤ２１Ａは、制御部２１１、共振動作制御部２１２、記憶部２１３を備える。制御部２１１と共振動作制御部２１２の基本構成は、第１の実施形態に係るＲＦＩＤ２１と同じである。

記憶部２１３には、リーダモジュールの動作プログラムが記憶されている。リーダモジュールの動作プログラムとは、例えば、当該ＲＦＩＤ２１Ａに特有の通信処理を行うためのプログラムである。また、当該プログラムには、当該共振タグ２０Ａの共振子の共振周波数、および、当該共振周波数の温度特性を表す関係テーブルも含まれている。

ＲＦＩＤ２１Ａは、リーダモジュール３０ＡのＲＦＩＤ通信制御部３１Ａから、プログラム読み出しコマンドＳｃｒを受信すると、記憶部２１３から動作プログラムを読み出し、無線信号化する。ＲＦＩＤ２１Ａは、無線信号化された動作プログラムＳｐｒｏを、ＲＦＩＤ通信部３１Ａに出力する。なお、読み出しコマンドＳｃｒおよび無線信号化された動作プログラムＳｐｒｏの通信プロトコルは、ＲＦＩＤの種類に依存しない汎用のプロトコルとしておけば、読み出しコマンドＳｃｒおよび無線信号化された動作プログラムＳｐｒｏの通信を、確実に実行することができる。

ＲＦＩＤ通信制御部３１Ａは、読み出しコマンドＳｃｒを送信して、無線信号化された動作プログラムＳｐｒｏを受信し、動作プログラムを復調する。ＲＦＩＤ通信制御部３１Ａは、復調した動作プログラムから、ＲＦＩＤ通信制御部３１Ａ自身の動作を設定するともに、計測部３５Ａの動作を設定する。ＲＦＩＤ通信制御部３１Ａ自身の動作設定とは、例えば、これ以降のＲＦＩＤ２１Ａに対する通信プロトコルの設定である。計測部３５Ａの動作設定とは、共振タグ２０Ａに装着されている共振子２３に対応した周波数ｆｐから温度Ｔを算出する関係テーブルの設定である。

計測部３５Ａは、動作プログラムによる設定に基づいて温度Ｔを計測する。具体的には、計測部３５Ａは、動作プログラムで設定された関係テーブルと計測用信号送受信部３３で解析した周波数ｆｐから温度Ｔを算出する。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る無線式センサシステムのフローチャートである。本実施形態の無線式センサシステム１０Ａのフローは、有効化コマンドＳｃｅの送信処理以降は、第１の実施形態に係る無線式センサシステムのフローチャートと同じである。また、第１の実施形態に係る無線式センサシステムのフローチャートと同じ処理の箇所には、同じステップ番号が記してあり、当該同じ処理の箇所は説明を省略する。

リーダモジュール３０Ａを起動する（Ｓ２０１）。リーダモジュール３０Ａを共振タグ２０Ａに近接させた状態で、読み出しコマンドＳｃｒを、共振タグ２０Ａに送信する（Ｓ２２１）。

共振タグ２０Ａは、読み出しコマンドＳｃｒを受信すると（Ｓ１２１）、動作プログラムＳｐｒｏをリーダモジュール３０Ａに送信する（Ｓ１２２）。リーダモジュール３０Ａは、動作プログラムＳｐｒｏを受信すると（Ｓ２２２）、動作プログラムＳｐｒｏを復調して展開する（Ｓ２２３）。以下は、第１の実施形態と同様に、計測処理を行う。

このような構成および処理を用いることで、共振タグ毎に通信仕様等が異なっていても、リーダモジュールは、共振タグ毎に確実に通信を行うことができる。すなわち、リーダモジュールを汎用化することができる。また、動作プログラムＳｐｒｏ内に関係テーブルを含んでおくことで、いずれの共振タグを用いても、物理量を正確に計測することができる。

１０，１０Ａ：無線式センサシステム
２０，２０Ａ：共振タグ
２１，２１Ａ：ＲＦＩＤ
２１１：制御部
２１２：共振動作制御部
２１３：記憶部
２２：ＲＦＩＤ通信用アンテナ
２３：共振子
２４：共振子用アンテナ
３０，３０Ａ：リーダモジュール
３１：ＲＦＩＤ通信制御部
３２：ＲＦＩＤ通信用アンテナ
３３：計測用信号送受信部
３４：計測用アンテナ
３５，３５Ａ：計測部
３６：表示部

Claims (4)

1. 周囲の物理量に応じて共振周波数が変化する共振子およびＲＦＩＤを備えた共振タグと、
   前記共振子を励振する励振信号を送信し、該励振信号に基づく残響信号を受信する計測用信号送受信部、該計測用信号送受信部で得た前記残響信号に基づいて物理量の計測を行う計測部、および、前記ＲＦＩＤと通信を行うＲＦＩＤ通信制御部を備えたリーダモジュールと、
   を備え、
   前記ＲＦＩＤ通信制御部は、前記共振子を有効にする有効化コマンドを、前記ＲＦＩＤに送信し、
   前記ＲＦＩＤは、前記有効化コマンドを取得すると、前記共振子の前記励振信号による共振を有効化する、無線式センサシステム。
2. 前記ＲＦＩＤ通信制御部は、前記共振子が有効化されている時に、前記共振子を無効にする無効化コマンドを、前記ＲＦＩＤに送信し、
   前記ＲＦＩＤは、前記無効化コマンドを取得すると、前記共振子の前記励振信号による共振を無効化する、請求項１に記載の無線式センサシステム。
3. 前記ＲＦＩＤは、
   前記共振子に並列接続されたスイッチ回路を備え、
   前記スイッチ回路は、有効化されている時に開放状態であり、無効化されている時に導通状態である、
   請求項１または請求項２に記載の無線式センサシステム。
4. 前記ＲＦＩＤは、
   前記リーダモジュールの動作プログラムを記憶する記憶部を備え、
   前記ＲＦＩＤ通信制御部は、前記動作プログラムを取得して、当該ＲＦＩＤ通信制御部、前記計測用信号送受信部および前記計測部の動作を設定する、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の無線式センサシステム。

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