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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-211892(P2019-211892A)
(43)【公開日】2019年12月12日
(54)【発明の名称】無線センサシステム
(51)【国際特許分類】
   G08C 15/06 20060101AFI20191115BHJP
   G08C 17/00 20060101ALI20191115BHJP
【FI】
   G08C15/06 H
   G08C17/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2018-105915(P2018-105915)
(22)【出願日】2018年6月1日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成29年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「IoT推進のための横断技術開発プロジェクト/超高効率データ抽出機能を有する学習型スマートセンシングシステム研究開発」委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】出川 宗里
(72)【発明者】
【氏名】藤森 司
【テーマコード(参考)】
2F073
【Fターム(参考)】
2F073AA02
2F073AA19
2F073AA40
2F073AB01
2F073AB04
2F073BB01
2F073BC02
2F073CC03
2F073CC07
2F073CC09
2F073CC12
2F073CD11
2F073DD07
2F073DE08
2F073DE13
2F073DE16
2F073EE01
2F073EE13
2F073FF01
2F073FG01
2F073FG02
2F073FH09
2F073GG01
2F073GG07
(57)【要約】      (修正有)
【課題】自立電源型のセンサ端末の同期精度が向上するセンサシステムを提供する。
【解決手段】無線センサシステムは、第1の動作モードおよび第2の動作モードで動作するセンサ端末3と、センサ端末3のデータを収集するゲートウェイと、を備える。センサ端末3は、センサ30と、センサ30の動作状態を制御する制御部37と、を備え、第1の動作モードではセンシングとセンシングデータの送信を所定の周期で行い、第2の動作モードでは制御部37の制御値の変更ならびにゲートウェイに対して時刻同期を行う。第2のクロック53は、第1のクロック52より周波数変動または位相雑音が小さい。
【選択図】図2A
【特許請求の範囲】
【請求項1】
装置の動作状態をセンシングする無線センサシステムにおいて、
第1の動作モードおよび第2の動作モードで動作するセンサ端末と、
前記センサ端末のデータを収集するゲートウェイと、
を備え、
前記センサ端末は、
センサと、
前記センサの動作状態を制御する制御部と、
前記センサからのセンサ信号を処理する信号処理部と、
前記信号処理部で処理されたデータを無線通信するための無線通信部と、
前記センサ、前記制御部、前記信号処理部および前記無線通信部に電力を供給する自立電源部と、
前記第1の動作モードで使用する第1のクロックと、前記第2の動作モードで使用する第2のクロックと、を切り替えるクロック切り替え部と、を有するクロック源と、
を備え、
前記センサ端末は、前記第1の動作モードではセンシングとセンシングデータの送信を所定の周期で行い、前記第2の動作モードでは前記制御部の制御値の変更ならびに前記ゲートウェイに対して時刻同期を行い、
前記第2のクロックは、前記第1のクロックより周波数変動または位相雑音が小さい、
無線センサシステム。
【請求項2】
請求項1に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサ端末は、前記自立電源部の蓄電量を計測する電力検出部を更に有し、計測した蓄電量が前記第2の動作モードで動作することに対して十分である場合に、前記第2の動作モードへの切り替えが可能になる、
無線センサシステム。
【請求項3】
請求項1に記載の無線センサシステムにおいて、
前記ゲートウェイは、前記センサ端末との時刻同期の状態を監視する機能を有し、時刻同期のズレ量が一定範囲外である場合に、前記センサ端末に対して、前記第2の動作モードに切り替わるよう指示する信号を出す、
無線センサシステム。
【請求項4】
請求項1に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサ端末は、前記ゲートウェイと時刻同期した後、所定時間以上経過後、または、所定回数動作後に、前記第2の動作モードに切り替わる、
無線センサシステム。
【請求項5】
請求項1に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサ端末は、再起動した場合に、前記第2の動作モードに切り替わる、
無線センサシステム。
【請求項6】
請求項3に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサ端末が無線通信するデジタルデータには、時刻同期状態を示す値が含まれる、
無線センサシステム。
【請求項7】
請求項1に記載の無線センサシステムにおいて、
前記ゲートウェイは、前記センサ端末が複数ある場合、複数の前記センサ端末に対して其々異なる遅延量を与えて時刻同期する、
無線センサシステム。
【請求項8】
請求項1に記載の無線センサシステムにおいて、
前記ゲートウェイは、前記センサ端末が複数ある場合、複数の前記センサ端末に対して、センシングするタイミングは全て同一とし、無線送信は其々異なる遅延量を与えて、時刻同期する、
無線センサシステム。
【請求項9】
請求項1に記載の無線センサシステムにおいて、
前記自立電源部は、前記第2の動作モードでは前記第1の動作モードより、前記制御部、前記信号処理部、前記無線通信部および前記クロック源への電力供給を高くする、
無線センサシステム。
【請求項10】
請求項1に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサ端末の前記無線通信部は、第1の無線通信部と、第2の無線通信部と、前記第1の無線通信部と第2の無線通信部とを切り替える無線切り替え部と、を有し、
前記第1の無線通信部は前記第1の動作モードで動作し、前記第2の無線通信部は前記第2の動作モードで動作し、
前記第2の無線通信部のデータ伝送速度は、前記第1の無線通信部のデータ伝送速度より高速である、
無線センサシステム。
【請求項11】
請求項1乃至10の何れか一項に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサ端末の前記第1のクロックはマイコン内蔵の発振子で構成されている、
無線センサシステム。
【請求項12】
請求項1乃至10の何れか一項に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサ端末の前記第2のクロックは水晶発振子で構成されている、
無線センサシステム。
【請求項13】
請求項1乃至10の何れか一項に記載の無線センサシステムにおいて、
前記ゲートウェイのクロックは、前記センサ端末の前記第2のクロックより周波数変動または位相雑音が小さい、
無線センサシステム。
【請求項14】
請求項1乃至10の何れか一項に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサは、加速度センサまたは電流センサまたは超音波マイクロホンまたは温度センサのいずれかの組み合わせである、
無線センサシステム。
【請求項15】
請求項1乃至10の何れか一項に記載の無線センサシステムにおいて、
前記センサ端末の前記自立電源部は、環境発電素子と、蓄電部と、前記環境発電素子の発電状態と前記蓄電部の蓄電状態を制御する電源制御部と、を有し、
前記環境発電素子は、太陽電池または熱電変換素子または振動発電素子であり、
前記蓄電部は、電気二重層キャパシタまたは2次電池である、
無線センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は無線センサシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
プラントにおいては、多種多様な装置が設置され、多種類の流体の配管が敷設されている。これらの設備の維持・管理コスト低減と、監視の高精度化のため、各設備に対して、自立電源で駆動し、センサデータを無線伝送する、センサ端末を多数設置して、これらのセンサデータを所定の周期で収集し、遠隔で監視を行うセンサシステムが考えられている。
【0003】
特に、設置先の運用者や設備により、測定対象の物理量が多様であり、且つ稼働状態の判断基準も異なることから、其々のセンサ端末において、センサの選択やセンシング条件を最適化する必要がある。更に、設備が大型である場合や、複数の機器で構成される場合、センサ端末は複数設置することになる。複数のセンサ端末で稼働状態を詳細に把握するには其々のセンサデータを同期する必要があり、加速度センサや超音波マイクロホンなどで、数Hz以上の応答周波数を計測する場合は、ミリ秒以下で同期をとりたい要求がある。
【0004】
センサ端末として、例えば、特開2016−157356号公報(特許文献1)には、道路インフラに取り付けられる、自立電源部と複数個のセンサと通信制御回路が一つのパッケージ内に構成された無線センサ端末が記載されている。
【0005】
また、特開2011−204631号公報(特許文献2)には、通常の使用モードの他に、人体検知センサおよび明るさセンサのセンサ部の稼働状態を学習するための学習モードを備え、センサ部と、電池と、無線信号送信部と、動作モード切り替え部と、で構成された無線送信装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2016−157356号公報
【特許文献2】特開2011−204631号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
自立電源型のセンサ端末において、電力が不足した場合に、センサ端末の稼働は不可能になる。そのため、自立電源型のセンサ端末において、センサ端末の動作に用いられるクロックは、低電力動作を優先とするために、消費電力が数マイクロアンペア程度と小さい、マイクロコントローラ(以下、マイコンという。)に内蔵されるクロックを使用することが一般的である。しかしながら、数十秒以上の長期間における周波数変化(以下、周波数変動という。)と、数秒以内の短期間における周波数変化(以下、位相雑音という。)において、マイコン内蔵のクロックの場合、周波数変動は10000ppm程度、位相雑音(中心周波数10MHz、オフセット10Hz時)は−70dBc/Hz程度であり、低精度である。そのため、センサ端末とゲートウェイ間の同期精度が不足するといった問題がある。一方、高精度なクロックの一例としては、マイコンに外付して使用する水晶振動子が上げられる。水晶振動子は、周波数変動が20ppm程度、位相雑音が−100dBc/Hz以下と小さいものの、消費電力は数ミリアンペア以上と大きく、マイコン内蔵のクロックを置き換えるには難しいといった問題がある。
【0008】
本発明は、自立電源型のセンサ端末の同期精度が向上するセンサシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、装置の動作状態をセンシングする無線センサシステムは、(a)第1の動作モードおよび第2の動作モードで動作するセンサ端末と、(b)前記センサ端末のデータを収集するゲートウェイと、を備える。前記センサ端末は、(a1)センサと、(a2)前記センサの動作状態を制御する制御部と、(a3)前記センサからのセンサ信号を処理する信号処理部と、(a4)前記信号処理部で処理されたデータを無線通信するための無線通信部と、(a5)前記センサ、前記制御部、前記信号処理部および前記無線通信部に電力を供給する自立電源部と、(a6)前記第1の動作モードで使用する第1のクロックと、前記第2の動作モードで使用する第2のクロックと、を切り替えるクロック切り替え部と、を有するクロック源と、を備える。前記センサ端末は、前記第1の動作モードではセンシングとセンシングデータの送信を所定の周期で行い、前記第2の動作モードでは前記制御部の制御値の変更ならびに前記ゲートウェイに対して時刻同期を行う。前記第2のクロックは、前記第1のクロックより周波数変動または位相雑音が小さい。
【発明の効果】
【0010】
本発明のセンサシステムによれば、自立電源型のセンサ端末で高精度な同期を実現し、設置先の機器の動作状態の検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】第一実施例におけるセンサシステム1の全体構成図である。
図2A図1のセンサ端末3の構成図である。
図2B図1の装置2とセンサ端末3のセンサとの接続関係を示す図である。
図3図1のゲートウェイ4とサーバ5とネットワーク端末6とその周辺の構成図である。
図4A図2Aのセンサ端末3の状態遷移図である。
図4B図3のゲートウェイ4の状態遷移図である。
図4C図3のサーバ5の状態遷移図である。
図5図1のセンサ端末3、3−2およびゲートウェイ4のクロックの状態を示す図である。
図6図3のサーバ5とネットワーク端末6との状態遷移図である。
図7】第二実施例におけるセンサ端末3aとゲートウェイ4aの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
まず、実施形態のセンサシステムについて説明する。センサシステムは、例えば、プラントにおける各装置の動作状態および各種流体配管の状況をセンシングし、監視を行う。センサシステムの自立電源型のセンサ端末は、センシングとセンシングデータの送信を一定周期で行う通常の動作モード(第1の動作モード)と、センサ端末の動作状態を最適化するために、センサ端末のクロック切り替えと時刻同期と制御値の変更を行う別の動作モード(第2の動作モード)と、で動作する。通常の動作モードでは低電力クロック(低精度なクロック)、例えばマイコンに内蔵されるクロックを使用する。別の動作モードでは通常の動作モードのクロックよりも周波数変動の小さい、または位相雑音の小さい、高精度なクロック(高電力クロック)を使用し、ゲートウェイと時刻同期を行う。
【0013】
これにより、自立電源型のセンサ端末で高精度な同期を実現することが可能となる。また、自立電源型のセンサ端末において、電力が不足した場合に、センサ端末の稼働は不可能になり、再稼働可能な電力状態に至るまでの時間は、センサ端末の設置環境や、センサ端末を構成する部品のバラツキや使用状態などによる個体差により、不定である。しかし、実施形態のセンサシステムでは、複数のセンサ端末を用いる場合、これらの複数個のセンサにより、設備をセンシングする場合に、センサデータの同期をとることは容易となる。
【0014】
なお、センサ端末における無線通信時の消費電流は、数ミリアンペアから数十ミリアンペア程度あり、通常の動作モードのセンシングから無線送信までの1シーケンスで使用する電力の80パーセント程度を占め、これを数回繰り返すと自立電源の発電が追いつかずに蓄電量が不足し、センサ端末の稼動は不可能になる。そのため、上記シーケンスの間隔は、数十秒以上とすることが多い。つまり、センサ端末とゲートウェイ間で、高頻度な通信を行うことは不可能であり、ゲートウェイと時刻同期する間隔は、複数の通常の動作モード毎に行うので、通常の動作モードの間隔よりも長くなる。
【0015】
産業用モータやポンプにおいて、事後保全では、ダウンタイムが長くなり、多額のロスコストが発生する。各機器の稼働状態に適した保全が必要とされている。このような保全は特に、更新の難しい既存の機器に対して適用が求められている。実施形態によれば、これらの機器の状態監視をする、低コストなアドオン型のセンシングシステムを提供することが可能となる。
【0016】
次に、本実施形態の実施例について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例もその範囲に含むものである。
【実施例1】
【0017】
<センサシステム>
第一実施例のセンサシステムについて図1を用いて説明する。図1は第一実施例におけるセンサシステム1の全体構成図である。
【0018】
センサシステム1は、監視先の設備2に対してセンサ端末3、3−2を設置する。ここで、設備2は、例えば、モータやポンプ、液体や気体、蒸気等の流体を流す流体配管等である。ここで、センサ端末3−2はセンサ端末3と同様な構成であり、区別する必要がない場合、センサ端末3を代表にして説明する。センサ端末3のセンサ30は、センサ端末3に内蔵されており、センサ取り付け治具31を介して、設備2に接続されている。センサ30はセンサ端末3に外付けされてもよい。この場合、センサ30はセンサ取り付け治具31を介さずに設備2に接続してもよい。
【0019】
センサ端末3から無線送信された端末データ101は、ゲートウェイ4にて収集し、ゲートウェイ4で収集した端末データ111は、サーバ5にて蓄積、解析される。解析結果の一部は、センサ端末3の制御用の学習結果112として、ゲートウェイ4に格納される。そして、ゲートウェイ4からセンサ端末3を制御するために、制御信号102が無線送信され、センサ端末3の動作モードは、第1の動作モードから、第2の動作モードに切り替わり、最適化制御や複数のセンサ端末3、3−2の連携が行われる。
【0020】
また、サーバ5は、インターネット網等の高速通信回線10を介して、ネットワーク端末6に接続され、所定の周期またはネットワーク端末6からの要求信号121等により、ネットワーク端末6に対して、設備2の稼働状況122や解析結果123を送信する。それによりネットワーク端末6にて、設備2の監視が可能になる。
【0021】
センサ端末3は、設備2に設置する。なお、センサ端末3は、センサ30が外付けの場合、設備2の近傍に設置してもよい。ゲートウェイ4は、複数のセンサ端末3と無線の送受信が可能な、設備2の設置エリアの周辺に設置する。センサ端末3とゲートウェイ4との間に無線中継器9を設け、端末データ101および制御信号102を其々中継する。なお、センサ端末3とゲートウェイ4との間の無線の伝搬状態が良好な場合は、無線中継器9は設けなくてもよい。サーバ5は、高速通信回線10を介してゲートウェイ4と離れた遠隔地に設置される。なお、サーバ5はクラウドサーバであってもよい。
【0022】
<センサ端末>
センサ端末3の構成について図2A、2Bを用いて説明する。図2Aは、図1のセンサ端末3の構成図である。図2Bは、図2Aのセンサ30と設備2との接続関係を示す図である。
【0023】
センサ端末3は、設備2の動作状態をセンシングするセンサ30と、センサ30の出力した信号を処理し、デジタルデータとして出力する信号処理部32と、各構成部に対してデジタルデータの処理と制御を行うマイコン37と、各構成部に電力40の供給と制御を行う自立電源部41と、各構成部にクロック信号50を供給すると共にクロックの切り替えが可能なクロック源51と、センサ端末3とゲートウェイ4との間でデータの送受信を行う無線通信部60と、を備える。
【0024】
センサ30は、例えば、温度センサ30a、加速度センサ30b、電流センサ30c、超音波マイクロホン30d等の複数のセンサで構成される。これらセンサ30の設置先の設備2としては、例えば、モータおよびその周辺の機器を例に説明する。温度センサ30aは、モータ本体2aの軸受20にセンサ取り付け治具31aを介して設置され、軸受20の温度を測定し、発熱の変化を監視する。センサ取り付け治具31aは熱を伝達する部材で構成されている。なお、軸受20には、加速度センサ30bもセンサ取り付け治具31bを介して設置され、軸受20の振動状態を測定し、軸受20の振動変化を監視する。センサ取り付け治具31bは振動を伝達する部材で構成されている。電流センサ30cは、モータ本体2aに電力を供給する電力配線21に設置され、電力供給先の電流を測定し、電流の変化を監視する。超音波マイクロホン30dは、モータ本体2aの設置空間22にセンサ取り付け治具31dを介して設置され、設置空間22の中の空圧機器23や流体配管24等から発生する超音波を測定する。空圧機器23は、例えば、エアシリンダやエアバルブであり、これらから発生する超音波の変化により、エア漏れの有無を検出することで、動作不良を検知することができる。
【0025】
なお、センサ30は一つのセンサで構成され、複数のセンサ端末に異なるセンサを備えるようにしてもよい。
【0026】
信号処理部32は、フィルタ33と、増幅器34と、演算器35と、アナログ−デジタル変換器(以下、ADCという。)36と、で構成され、これら信号処理部32の稼働状態は、マイコン37からの制御値103にて制御される。例えば、電力が十分な場合に稼働可能にされる。温度センサ30a、加速度センサ30b、電流センサ30c、超音波マイクロホン30dの出力信号は、それぞれフィルタ33a、33b、33c、33dに入力され、これらのフィルタ33a、33b、33c、33dは、それぞれ特有の周波数特性となるよう制御された状態で、周波数成分を抽出し、増幅器34a、34b、34c、34dにおいて、それぞれ特有の増幅度に制御された状態で増幅される。そして、演算器35で各信号を加減乗除し、設備2で特有な稼働状態を示すアナログ信号を算出し、ADC36にてデジタル信号に変換を行う。センサの選択は、センサ30と信号処理部32の各構成部とに対する電力40の供給制御と、演算器35の制御と、によって行われる。なお、信号処理部32は、センサ30がアナログ出力の場合に適用されるが、これらセンサがデジタル出力である場合は、信号処理部32を介さずに、マイコン37に入力し、信号処理部32に相当するデジタル信号処理はマイコン37にて行われる。
【0027】
マイコン37は、センサ端末3を制御するソフトウェアプログラムが格納される不揮発性の記憶装置と、ソフトウェアプログラムを実行するCPUと、センシングデータ、制御値103、送信データ64、受信データ65等が一時的に格納される揮発性の記憶装置と、それらの入力または出力を行うI/Oポートと、を一つの半導体チップに備える。
【0028】
自立電源部41は、環境発電素子42と、環境発電素子42が発電した電力を蓄積する蓄電部43と、電力40の供給と蓄電部43の充電を制御する電源制御部45と、電力40の供給状態を測定し(蓄電量を計測し)、電源制御部45やマイコン37に対して、検出結果47を出力する電力検出部46と、で構成される。なお、環境発電素子42は、例えば、太陽電池や熱電変換素子、振動発電素子等で構成され、蓄電部43は、例えば、電気二重層キャパシタや2次電池等で構成される。自立電源部41は、第2の動作モードでは第1の動作モードより、電力検出部46への供給を除いてセンサ端末3の各構成部への電力供給を高くする。
【0029】
クロック源51は、通常クロック52と、高精度クロック53と、クロック切り替え部54と、で構成され、マイコン37に対してクロック信号50を供給する。クロック切り替え部54では、マイコン37からの制御値103により、通常クロック52と高精度クロック53との切り替えを行うために、其々のクロック信号50a、50bを切り替える。高精度クロック53は、消費電力が通常クロック52よりも高く、自立電源部41の電力負荷を高くし、センサ端末3の動作可能時間を短くする問題があるため、供給電力40が十分且つ、センサ端末3の動作モードが、第2の動作モードである時にのみ動作する。高精度クロック53に供給される電力40bは通常クロック52に供給される電力40aよりも大きい。マイコン37は検出結果47に基づいて供給電力40が十分であるかどうかを判断する。なお、通常クロック52は、例えばセラミック発振子を用いたクロックであり、マイコン37の内蔵のRC発振器を用いたクロックでも良い。この場合、クロック切り替え部54はマイコン37に内蔵される。一方、高精度クロック53は、例えば外付けの水晶振動子を用いたクロックやMEMS(Microelectromechanical Systems)型振動子を用いたクロックであるが、GPS(Global Positioning System)信号を用いたGPSクロックを用いることで、複数のセンサ端末3の間でより高精度な同期をとることが可能になる。
【0030】
無線通信部60は、無線送受信部61と、アンテナ62と、で構成される。アンテナ62は、センサ端末3の設置環境に合わせて、無線送受信部61と一体化してもよく、また、センサ端末3の外側に設置してもよい。無線送受信部61は、マイコン37からの送信データ64をゲートウェイ4に対して、端末データ101として送信し、一方で、ゲートウェイ4からの制御信号102を受信する。マイコン37は、無線送受信部61が受信した制御信号102を受信データ65として内蔵の記憶装置に格納し、一部を制御値103に変換し、センサ端末3の各構成部を制御する。
【0031】
<ゲートウェイ、サーバ>
ゲートウェイ4とサーバ5の構成について図3を用いて説明する。図3は、図1のゲートウェイ4とサーバ5とネットワーク端末6とその周辺の構成図である。
【0032】
ゲートウェイ4は、センサ端末3と無線通信を行う無線通信部70と、データ収集部80と、高速通信回線10を介してサーバ5と通信を行う通信部84と、学習結果格納部81と、端末制御部82と、時刻同期部83と、で構成される。
【0033】
無線通信部70は無線送受信部71とアンテナ72とで構成され、複数のセンサ端末3、3−2からの端末データ101の受信と、センサ端末3、3−2に対して制御信号102の送信を行う。無線通信部70にて受信した受信データ74は、データ収集部80にて収集され、端末データ111として、通信部84からサーバ5へ送信される。一方、サーバ5から送信された学習結果112は、学習結果格納部81へ格納される。
【0034】
端末制御部82は、学習結果格納部81に格納した端末制御値86または時刻同期部83のクロック85からのクロック信号87に基づいて、センサ端末3に対しての制御値103の設定値と時刻同期ための送信データ75を作成し、無線送受信部71に出力する。
【0035】
時刻同期部83は、センサ端末3が第2の動作モードで動作している時に受信した、センサ端末3のタイマカウンタの値等の時刻同期用の受信データ76を用いて、複数のセンサ端末3、3−2の間での時刻同期と、無線通信の混信防止のための送信タイミングの調整と、を行い、端末制御部82にフィードバックする。これにより、異なる対象を複数のセンサ端末3、3−2でセンシングする場合、センシングするタイミングは同じになり、無線送信は其々異なる遅延量を与えられることにより無線通信の混信が防止される。なお、ゲートウェイ4に備わるクロック85は、センサ端末3の高精度クロック53と同等またはそれ以上の精度と確度を有する。
【0036】
なお、同じ対象を複数のセンサ端末3、3−2の同じセンサ(例えば、温度センサ30a)でセンシングする場合、複数のセンサ端末3、3−2に対して、其々異なる遅延量を与えて時刻同期を行う。センシングタイミングをずらすことにより、同じ対象のセンシング時間を長くすることができる。
【0037】
サーバ5は、ゲートウェイ4およびネットワーク端末6に対して高速通信回線10を介して通信するための通信部90と、ゲートウェイ4にて収集したセンサ端末3の端末データ111の蓄積を行う端末データ蓄積部91と、蓄積したデータを解析・学習を行う解析・学習部92と、解析・学習結果を格納する解析・学習結果蓄積部93と、で構成される。通信部90はゲートウェイ4向けの通信部90aとネットワーク端末6向けの通信部90bとを有する。解析・学習部92で得られた学習結果112はゲートウェイ4に送信され、設備2の稼働状況122と解析結果123は、所定の周期または設備2の異常時に、ネットワーク端末6に対して送信される。なお、稼働状況122や解析結果123は、ネットワーク端末6からの要求信号121に対する返信として、送信することも可能である。
【0038】
<動作>
センサ端末3とゲートウェイ4とサーバ5との間の動作について図4A〜4Cを用いて説明する。図4Aは、図2Aのセンサ端末3の状態遷移図である。図4Bは、図3のゲートウェイ4の状態遷移図である。図4Cは、図3のサーバ5の状態遷移図である。
【0039】
図4Aに示すように、センサ端末3は、第1の動作モード131と第2の動作モード132で動作する。開始状態は、センサ端末3が第1の動作モード131にて待機状態S11にあるとする。なお、センサ端末3の状態は、マイコン37により制御される。
【0040】
まず、第1の動作モード131の待機状態S11において、電力40が十分である場合に、センサ端末3はセンシング状態S12に移り、センシングを行う。なお、電力40が十分でない場合は、自立電源部41の充電を待って待機状態S11に留まる。センサ端末3は、センシングが完了すると送信状態S13に移り、センシング結果として端末データ101をゲートウェイ4に送信する。端末データ101は、センシング結果の他にタイマカウンタの値等の時刻同期状態を示す値を含む。そして、センサ端末3は、送信が完了すると受信状態S14に移り、ゲートウェイ4からの制御信号102の受信が無い場合は待機状態S11に戻る。なお、制御信号102は、第2の動作モードへの切り替わりを示す信号を含む。センサ端末3は、制御信号102の受信が有る場合は電力確認状態S15に移り、マイコン37は電力検出部46の検出結果47に基づいて電力40が第2の動作モード132に切り替わって動作可能の電力であるかどうかの確認を行う。センサ端末3は、第2の動作モード132に切り替わって動作不可能と推測された場合は待機状態S11に戻り、一方、動作可能と推測された場合は第2の動作モード132に切り替わる。
【0041】
センサ端末3が第2の動作モード132に切り替わると、高精度クロック状態S21になり、クロック信号50のクロック源は高精度クロック53に切り替わる。そして、センサ端末3は制御値要求状態S22に移り、ゲートウェイ4に対して、制御値を要求するための要求信号101aを送信する。そして、センサ端末3は制御値受信状態S23に移り、制御値103を含む制御信号102aを受信する。そして、センサ端末3は制御値変更状態S24に移り、制御値103の変更によりセンサ端末3の各構成部の動作状態を最適化する。
【0042】
次に、センサ端末3は、制御値変更が完了すると、時刻同期状態S25に移り、ゲートウェイ4から時刻同期用の制御信号102bを受信し、例えばタイマカウンタをリセットしたり所定値にセットしたりして時刻同期を行う。そして、センサ端末3は学習用センシング状態S26に移り、制御結果反映のための学習用センシングを行う。そして、センサ端末3は学習用データ送信状態S27に移り、ゲートウェイ4に対して学習用の端末データ101bを送信する。センサ端末3は、データの送信を終えると、通常クロック状態S28に移り、クロック信号50のクロック源は通常クロック52に切り替わり、第1の動作モード131に切り替わって、待機状態S11に戻る。一方、制御値変更状態S24において制御値103の変更がNGであった場合や、時刻同期状態S25において時刻同期がNGであった場合も、通常クロック状態S28に移り、クロック信号50のクロック源は通常クロック52に切り替わり、第1の動作モード131に切り替わって、待機状態S11に戻る。
【0043】
図4Bに示すように、ゲートウェイ4の受信状態S31において、センサ端末3からの端末データ101を受信した場合に、センサ端末3に対して返信する制御信号102が有るときは、送信状態S32に移り、第2の動作モードへの切り替わりを示す信号を含む制御信号102を送信する。例えば、ゲートウェイ4はセンサ端末との時刻同期ズレ量が所定範囲外である場合に第2の動作モードへの切り替わりを示す信号を制御信号102として送信する。そして、ゲートウェイ4は要求受信状態S33に移り、要求信号101aを受信すると、制御値送信状態S34に移り、制御値103を含む制御信号102aを送信する。そして、ゲートウェイ4は時刻同期状態S35に移り、時刻同期用の制御信号102bを送信する。その後、ゲートウェイ4は学習データ受信状態S36に移り、センサ端末3の学習用センシング結果として、端末データ101bを受信する。その後、ゲートウェイ4はデータ処理状態S37に移り、端末データ101、101bのデータ処理を行う。一方、受信状態S31において、返信する制御信号102が無い場合は、ゲートウェイ4はデータ処理状態S37に移り、端末データ101のデータ処理のみを行う。
【0044】
データ処理状態S37において、サーバ5に対して送信する端末データ111が有る場合は、ゲートウェイ4は送信状態S38に移り、送信を行う。そして、ゲートウェイ4は受信状態S39に移りサーバ5からの学習結果112を受信する。そして、ゲートウェイ4は格納状態S3Aに移り、学習結果112を学習結果格納部81へ格納し、格納完了後は受信状態S31に戻る。一方、データ処理状態S37において、サーバ5に対して送信する端末データ111が無い場合は、ゲートウェイ4は受信状態S39に移る。
【0045】
図4Cに示すように、サーバ5においては、ゲートウェイ4向けの通信部90aと、ネットワーク端末6向けの通信部90bと、端末データ蓄積部91と、解析・学習部92と、解析・学習結果蓄積部93との、其々が並列動作をしている。
【0046】
通信部90aは、受信状態S41において端末データ111を受信すると、格納状態S42に移り、データを端末データ蓄積部91に格納する。そして、通信部90aは読出状態S43に移り、解析・学習結果蓄積部93からゲートウェイ4が収集しているセンサ端末3に対する学習結果112を読み出す。そして、通信部90aは送信状態S44に移り、ゲートウェイ4に対して学習結果112を送信する。そして、送信完了後は受信状態S41に戻る。
【0047】
以上により、センサ端末3とゲートウェイ4とサーバ5間の動作は完了する。
【0048】
センサ端末3とゲートウェイ4との間のクロックおよび同期の状態について図5を用いて説明する。図5はセンサ端末3、3−2およびゲートウェイ4のクロックの状態を示すタイミング図である。
【0049】
センサ端末3とゲートウェイ4が同期する前、すなわち非同期な時のクロックの状態を第1のクロック状態201とし、センサ端末3とゲートウェイ4が同期中のクロック状態を第2のクロック状態202とし、センサ端末3とゲートウェイ4が同期した後のクロック状態を第3のクロック状態203とする。このとき、同期の目安となる点を基準点210とする。また、上述したように、センサ端末3−2のクロック源51はセンサ端末3のクロック源51と同様な構成であるが、ここでは、センサ端末3−2のクロック源51は通常クロック52−2および高精度クロック53−2を備えるとする。
【0050】
第1のクロック状態201においては、センサ端末3、3−2は第1の動作モード131で動作しており、クロック信号50は、それぞれ通常クロック52、52−2のクロック信号となっている。そして、センサ端末3、3−2はゲートウェイ4に対して、同期ズレ211、211−2があり、非同期である。また、同期ズレ211と211−2のズレ量は異なるため、センサ端末3−2はセンサ端末3に対しても非同期である。この状態では、センサ端末3、3−2のセンシングデータであるそれぞれの端末データ101は、いずれも時刻同期されておらず、設備2の稼働状態の検出精度が十分でない。
【0051】
第2のクロック状態202において、センサ端末3、3−2は、第2の動作モード132に切り替わって動作しており、クロック信号50はそれぞれ高精度クロック53、53−2のクロック信号に切り替わっている。そして、センサ端末3、3−2は、ゲートウェイ4からのセンサ端末3、3−2のタイマカウンタをリセットする信号等の時刻同期用の制御信号102bにより、ゲートウェイ4と同期された状態になっている。
【0052】
第3のクロック状態203において、センサ端末3、3−2は第1の動作モード131に戻って動作しており、クロック信号50はそれぞれ通常クロック52、52−2のクロック信号に戻っている。この状態では、センサ端末3、3−2はゲートウェイ4と同期された状態にあるため、センサ端末3、3−2のセンシングデータであるそれぞれの端末データ101は、時刻同期されるため、設備2の稼働状態の検出精度は向上する。なお、第3のクロック状態203において、センサ端末3、3−2では、通常クロック52、52−2の精度の粗さにより、同期ズレ211、211−2が徐々に発生し、一定時間または一定回数動作後に、第1のクロック状態201になる。また、電力40が供給不足になりセンサ端末3が再起動した場合においても、第1のクロック状態201になる。よって、センサ端末3が再起動した場合にも第1の動作モード131から第2の動作モード132に切り替わり、時刻同期が行われる。
【0053】
センサ端末3、3−2の時刻同期の管理はゲートウェイ4にて行うが、センサ端末3、3−2が第1の動作モードで送信する端末データ101には、第1のクロック状態201または第2のクロック状態203の時刻同期状態を示す値が含まれる。
【0054】
サーバ5とネットワーク端末6との間の動作について図6を用いて説明する。図6は、サーバ5とネットワーク端末6の状態遷移図の一例である。
【0055】
開始状態は、ネットワーク端末6が待機状態S51にある時とする。ネットワーク端末6は、サーバ5に対して稼働状況122や解析結果123を要求する場合は、要求内容選択状態S52に移り、要求内容を選択する。そして、ネットワーク端末6は送信状態S53に移り、要求信号121を送信する。そして、サーバ5は、受信状態S61において、要求信号121を受信すると、読出条件設定状態S62に移り、受信した要求信号121を基に、解析・学習結果蓄積部93に対する稼働状況122や解析結果123の読み出し条件を設定する。そして、サーバ5は読出状態S63に移り、解析・学習結果蓄積部93から稼働状況122または解析結果123の読み出しを行う。そして、サーバ5は送信状態S64に移り、これらをネットワーク端末6に送信して、受信状態S61に戻る。その後、ネットワーク端末6は、受信状態S54において、稼働状況122や解析結果123を受信すると、表示状態S55に移り、受信した稼働状況122や解析結果123を画面に表示した上で、待機状態S51に戻る。なお、ネットワーク端末6からサーバ5に対して要求の無い時は、サーバ5よりネットワーク端末6に対して、所定の周期で、稼働状況122や解析結果123を送信する。以上により、サーバ5とネットワーク端末6間の動作は完了する。
【実施例2】
【0056】
次に、第二実施例のセンサ端末およびゲートウェイについて図7を用いて説明する。図7は第二実施例におけるセンサ端末3aおよびゲートウェイ4aの構成図である。
【0057】
本実施例では、第一実施例のセンサシステムに対して、センサ端末およびゲートウェイの構成が異なるが、他は同様な構成である。図7では、本実施例が第一実施例と異なる無線通信部及びその周辺のみが記載されている。本実施例のセンサ端末3aとゲートウェイ4a其々に第1の無線通信部60a、70aと第2の無線通信部60b、70bと、を有し、第2の無線通信部60b、70bは、第2の動作モード132でのみ動作し、データ伝送速度は第1の無線通信部よりも高速である、等の点が第一実施例とは異なる。以下、図7を説明するにあたり、図2Aと同一の構成要素については、その詳細な説明を省略し、異なる点を中心に説明することとする。
【0058】
センサ端末3aにおいて、無線通信部60a、60bは其々で、無線送受信部61a、61bと、アンテナ62a、62bと、を有し、無線通信部60a、60bの切り替えは、無線切り替え部63にて、無線通信部60a、60bのそれぞれに対応した送信データ64a、64bと、受信データ65a、65bと、を切り替えるものと、で構成される。自立電源部41から供給する電力40caは電力40cbよりも小さい。センサ端末3aが第1の動作モード131で動作している時は、電力40caが供給されて無線通信部は60aのみ動作し、ゲートウェイ4aに対して、端末データ101の送信と、制御信号102の受信を行う。一方、センサ端末3aが第2の動作モード132で動作している時は、電力40cbが供給されて無線通信部60bが動作し、ゲートウェイ4aに対して、前述の要求信号101aと端末データ101bを送信し、制御信号102a、102bを受信する。無線通信部60b、70bのデータ伝送速度は、無線通信部60a、70aのデータ伝送速度より高速である。
【0059】
ゲートウェイ4aにおいて、無線通信部70a、70bは、其々で、無線送受信部71a、71bと、アンテナ72a、72bと、を有し、並列に動作可能な構成である。無線通信部70aにて受信した端末データ101は、受信データ74aに変換してデータ収集部80に格納される。一方、無線通信部70bにて受信した、要求信号101aの一部は時刻同期用の受信データ76として時刻同期部83へ出力され時刻同期に使用され、端末データ101bは受信データ74bに変換してデータ収集部80に格納される。
【0060】
端末制御部82では、無線通信部70aに対して端末制御信号102を送信するための送信データ75aを作成と出力を行い、また、無線通信部70bに対して制御信号102a、102bを送信するための送信データ75bを作成と出力を行う。
【0061】
無線通信部60bのデータ伝送速度は、無線通信部60aのデータ伝送速度より高速であるので、第2の動作モードにおける処理時間が短くなり、センサ端末3aの消費電力を小さくすることが可能となる。
【0062】
以上、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【0063】
例えば、実施例ではゲートウェイがセンサ端末との時刻同期の状態を監視し、センサ端末に対して第2の動作モードに切り替える信号を出力する例を説明したが、センサ端末がゲートウェイと時刻同期した後、所定時間経過後または所定回数動作後に、第2の動作モードに切り替わってもよい。
【符号の説明】
【0064】
1・・・センサシステム、2・・・設備、2a・・・モータ本体、3・・・センサ端末、3−2、3a・・・センサ端末、4、4a・・・ゲートウェイ、5・・・サーバ、6・・・ネットワーク端末、9・・・無線中継器、10・・・高速通信回線、20・・・軸受、21・・・電力配線、22・・・設置空間、23・・・空圧機器、24・・・流体配管、30・・・センサ、30a・・・温度センサ、30b・・・加速度センサ、30c・・・電流センサ、30d・・・超音波マイクロホン、31、31a、31b 、31c、31d・・・センサ取り付け治具、32・・・信号処理部、33、33a、33b、33c、33d・・・フィルタ、34、34a、34b、34c、34d・・・増幅器、35・・・演算器、36・・・ADC、37・・・マイコン、40・・・電力、40a・・・電力、40b・・・電力、40ca・・・電力、40cb・・・電力、41・・・自立電源、42・・・環境発電素子、43 ・・・蓄電部、45・・・電源制御部、46・・・電力検出部 、47・・・検出結果、 50、50a、50b・・・クロック信号、51・・・クロック源、52、52−2・・・通常クロック、53、53−2・・・高精度クロック、54・・・クロック切り替え部、60、60a、60b・・・無線通信部、61、61a、61b・・・無線送受信部、62、62a、62b・・・アンテナ、63 ・・・無線切り替え部、64、64a、64b・・・送信データ、65、65a、65b・・・受信データ 、70 、70a、70b ・・・無線通信部、71、71a、71b・・・無線送受信部、72、72a、72b・・・アンテナ、74、74a、74b・・・受信データ、75、75a、75b・・・送信データ、76・・・受信データ(時刻同期)、80・・・データ収集部、81・・・学習結果格納部、82・・・端末制御部、83・・・時刻同期部、84・・・通信部、85・・・クロック、90・・・通信部、90a・・・通信部(ゲートウェイ向け)、90b・・・通信部(ネットワーク端末向け)、91・・・ 端末データ蓄積部、92・・・解析・学習部、93・・・解析・学習結果蓄積部、101・・・端末データ、101a・・・要求信号、101b ・・・端末データ(学習用)、102・・・制御信号、102a・・・制御信号(端末制御値含)、102b・・・制御信号(時刻同期用)、103・・・制御値、111・・・端末データ(データ収集後)、112・・・学習結果、 121・・・要求信号、122・・・稼働状況、123・・・解析結果、131・・・第1の動作モード、132・・・第2の動作モード、201・・・第1のクロック状態、202・・・第2のクロック状態、203・・・第3のクロック状態、210・・・基準点、211、211−2・・・同期ズレ。
図1
図2A
図2B
図3
図4A
図4B
図4C
図5
図6
図7