JP2010015523A - 無線マルチセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で低コストを維持しつつ、汎用性・拡張性の高い無線マルチセンサを提供する。
【解決手段】アンテナと電源３を含む無線制御・センサ制御ユニットと、少なくとも二個以上のカード形状のセンサユニットからなる無線マルチセンサにおいて、センサユニットをセンサ素子５，６とセンサ信号をＡ−Ｄ変換するＡ−Ｄコンバータ、および直流安定化電源から構成される機能回路を形成した筐体とし、無線制御・センサ制御ユニットを前記センサユニットを挿抜できる少なくとも二個以上のカードスロット部２，４を有する筐体とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセンサにより検出される複数の情報を無線により伝送する無線マルチセンサ装置に関するものである。

近年、各種情報をセンサにより検出し、検出した情報を無線（電波）を用いて伝送するようにしたセンサシステムが用いられるようになってきている。例えば屋外や施設内などのエリアに数多く設置して環境情報を収集するには小型・低価格であり、電池動作が必要な場合があり、また出来る限り多くの用途に使用できる汎用性も欠くことが出来ない要件である。例えば環境保全を目的とする計測では温度、湿度、大気汚染ガスなどが考えられ、施設管理を目的とする計測では温度、湿度に加えて振動を検知したり、農業分野では土壌分析のケミカルセンサや照度センサが必要になることもある。また計測するエリアによっては近距離通信で済む場合と遠距離通信が必要になる場合があり、センサシステムの構成は変わってくる。今や複数のセンサ情報を活用することは必須であり、用途に応じて必要なセンサ情報が違っており、また計測するデータが同じでもエリアの違いでセンサシステムは異ならざるを得ない現状にある。

これまで無線マルチセンサとしては、一つの筐体に複数のセンサ及び無線装置を一体で構成したもの（非特許文献）とセンサユニットと無線ユニットが着脱自在に分離できるものがある（特許文献）。非特許文献に示される無線マルチセンサは一つのセンサボードに温度センサ、湿度センサ、照度センサ、加速度センサ、紫外線センサが組みつけられており、コンパクトにまとめられている。しかしながら用途によって別のセンサが必要な場合にはセンサボードの新たな設計が必要になってくる。あくまで特定用途向けを想定して最適化されたものであり汎用性に乏しい。

またセンサ素子は日々の開発の努力により小型化、高性能化、集積化、低消費電力化などの進歩が目覚しい。従ってセンサ素子を随時進歩したものに置き換えたり、新たに開発されたセンサ素子を直ぐに無線マルチセンサに組み込みたいなどのニーズも出てくる。この場合には無線マルチセンサの再設計をする外無く、需要と供給の整合性が悪くなる。つまり少量の需要に対応することが難しく、従来の無線マルチセンサは拡張性が低いためである。

これに対し特許文献に示される着脱自在の無線マルチセンサは拡張性を持たせている。図７（ａ）（ｂ）に示すように、無線センサはセンサユニット２８と無線通信ユニット２９から構成され、無線ユニットはセンサユニットのスロット部に挿抜できるようにしてある。無線ユニットは複数のセンサユニットに対して共通に使用できるように設計することから、各用途に応じてセンサユニットを設計するだけで無線センサを提供することが可能である。

しかしこのセンサユニットは単一計測のセンサを想定していることから、無線マルチセンサの機能を出すためにはセンサの種類毎に無線センサを製作し、従って多くの種類の無線センサを同一の場所に配置しなければならない。さらにこの一群の無線センサを広域のエリアに設置することになり不経済である。

なお上記センサユニットに複数のセンサを同時に搭載し無線マルチセンサとすることは想到できるところでもある。図７（ｂ）のブロック図によると、センサユニットは制御部、直流安定化電源、スイッチから成る機能回路が形成されており、複数のセンサを形成した場合、これらの機能回路がセンサユニットに複数並列配置することになり、センサユニットは大型化し小型化のニーズに合わない欠点が想定される。

］武蔵工業大学環境情報学部紀要２００５年２月２８日発行、第六号、研究論文８ 特開２０００−３３９５７５

以上説明したように、汎用性とは小型・低コストを維持しつつ近距離通信や遠距離通信に対応可能な構成であり、また利用分野の異なる用途にも対応できるような無線マルチセンサの構成を提供することである。拡張性とは小型・低コストを維持しつつセンサの交換のみならず新たなセンサを付加するなどして無線センサの機能を拡張できる構成を提供することである。無線マルチセンサの汎用性、及び拡張性が強く望まれているが未だ実現されていない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、小型で低コストを維持しつつ、汎用性・拡張性の高い無線マルチセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、アンテナと電源を含む無線制御・センサ制御ユニットと、少なくとも二個以上のカード形状のセンサユニットからなる無線マルチセンサにおいて、前記センサユニットはセンサ素子とセンサ信号をＡ−Ｄ変換するＡ−Ｄコンバータおよび直流安定化電源とからなる機能回路を形成した筐体であり、前記無線制御・センサ制御ユニットは前記センサユニットを挿抜できる少なくとも二個以上のカードスロット部を有する筐体であることを特徴とする。

また請求項２に係る発明は、センサユニットが抵抗などの受動部品により環境パラメータの変化によるセンサ信号の補正機能を具備することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、センサユニットが増幅器などの能動部品により信号レベルの調整機能を具備することを特徴とする。

また請求項４に係る発明は、無線制御・センサ制御ユニットは無線の送受信を行う無線ＬＳＩと、ＥＥＰＲＯＭなどのメモリ素子と、通信制御とセンサ制御を行うＬＳＩと、直流安定化電源と、送受信信号の切り替えスイッチと、フィルター回路及び二個以上のセンサユニットのアドレス制御を行うためのＩ^２Ｃバス対応のバススイッチとが形成されたことを特徴とする。

また請求項５に係る発明は、電源はカード形状の筐体であり、無線制御・センサ制御ユニットの筐体に専用に設けられたカードスロット部に挿抜できるようにしたことを特徴とする。

また請求項６に係る発明は、無線制御・センサ制御ユニットのプログラム組み込みやデータ確認を行うためのコネクタ接続として、外部からの接続はＩ／Ｏのコネクタ端子を形成したカード形状の筐体を無線制御・センサ制御ユニットの筐体に専用に設けられたカードスロット部に挿抜して行うことを特徴とする。

本発明によれば、カード形状のセンサユニットは必要最小の機能で構成されるため、センサユニットを小型・低コストで実現することが出来ると共に、様々な種類のセンサ素子を搭載することが容易になる。そして多くの種類のセンサユニットは無線制御・センサ制御ユニットに容易に挿抜できる構成であり、センサユニットの組み合わせは自在となるため汎用性・拡張性が確保される。

また個々のセンサ素子の特性や仕様に応じて個別にセンサユニットを設計する必要があるが、無線制御・センサ制御ユニットも含めたシステム全体の設計変更が不要になるため特定の少量の需要にも容易に対応できる。

本発明の実施例に係る無線マルチセンサは、基本的には図１（ａ）の無線制御・センサ制御ユニットと図１（ｂ）に示すカード形状のセンサユニット（一例として４個のユニットを図示）より構成され、それぞれ筐体として実現される。図１（ｃ）にカード形状のセンサユニットの反対面を示し、複数の電極端子１が形成される。図１（ａ）の無線制御・センサ制御ユニットにはカード形状のセンサユニットに対応した複数のカードスロット部２が設けられ、内部にセンサユニットの電極端子１に接続する電極端子（不図示）が形成される。ここにセンサユニットが容易に挿抜される。またカード形状の電源３であれば無線制御・センサ制御ユニットの筐体に挿抜でき、これを収納した状態を示す。またカードスロット部４は後に詳述するが、プログラム書き込みのためのカード形状をしたコネクタを差し込むためのものである。図１（ｄ）にセンサユニットを差し込んだ無線マルチセンサを示す。なお内部を透視した外観図において搭載される各部品及び番号は図２の説明に対応する。

図１（ｂ）において、５はＴＯタイプのパッケージのセンサ素子を示し、６はＳＭＤタイプのセンサ素子を示している。ガスセンサや湿度センサは外気に触れる必要があるためにセンサユニットの筐体から露出するようにしてある。温度センサや加速度センサなどは、例えば樹脂モールドの筐体の中に実装されている。

図２に示す無線制御・センサ制御ユニットの回路は主に無線部７と制御部８と電源部９から成る。無線部７は無線ＩＣ（ＲＦＩＣ）１０、フィルタ回路１１、送受切り替えスイッチ１２及びアンテナ１３から構成される。制御部８はプログラムの組み込みにより各機能素子の制御を行うマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）１４及びＥＥＰＲＯＭ１５から構成され、電源部９は直流安定化電源（Ｒｅｇ．）１６とバッテリ３から構成される。本発明では複数のセンサユニットは筐体として分離されていることを特徴としており、センサユニットの信号はディジタル信号として取り出すようにしている。これら複数のセンサユニットをアドレス制御し、複数のディジタル信号を切り替えるためにバススイッチ１７を備えたＩ^２Ｃバス１８が形成される。直流安定化電源１６は、バッテリ３の例えば放電に伴う電圧変動に対し、無線ＩＣ（ＲＦＩＣ）１０、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）１４、ＥＥＰＲＯＭ１５あるいはバススイッチ１７に最適な電圧を供給し、各々の素子を安定に動作させる働きがある。図２は直流安定化電源１６使用の一例を示しており、各々の素子に個別に直流安定化電源１６を用いても良いし、同じ動作電圧の素子を共通の直流安定化電源１６より電圧を印加しても良い。昨今の素子は素子内部に直流安定化機能を有する集積素子もあり、そのような場合は省いても良いことは勿論である。

図２の３２に複数のセンサユニット、一例として４つのセンサユニットとそれらの接続状態を示してある。一つのセンサユニット３０はセンサ素子１９とＡ−Ｄコンバータ（ＡＤＣ）２０及びこれらの素子を駆動させるための直流安定化電源１６で構成される。センサ素子の出力はアナログ信号であるため電磁干渉を受け易い。センサ素子で出力されたアナログ信号を線路等で無線制御・センサ制御ユニットに伝送した場合、伝送線路に結合する外部雑音により出力レベルが変動し、無線制御・センサ制御ユニットでＡ−Ｄ変換した場合には測定誤差をもたらす。これを避けるためにはセンサ素子の出力をセンサ素子の直近でディジタル信号に変換する必要がある。また、直流安定化電源１６は、バッテリ３の例えば放電に伴う電圧変動に対し、センサ素子１９およびＡ−Ｄコンバータ２０に最適な電圧を供給し、センサ素子１９の電源電圧の変動に伴う測定誤差を最小にしたり、Ａ−Ｄコンバータ２０のＡ−Ｄ変換誤差を最小にする働きがある。センサ素子の動作電圧はセンサの種類によって異なっているのが一般的であり、各々のセンサユニット毎に直流安定化電源１６を組み込むのが基本であり、この構成がセンサユニットを筐体として分離する場合の必要かつ最小のものになる。なお図２には二個の直流安定化電源１６をバススイッチ１７でＯＮ／ＯＦＦする接続も示したが、これはセンサ素子の消費電力を下げる一例として示した。

上記においてセンサ素子内部に直流安定化機能などを有した多機能集積化素子（センサＩＣと称し本発明に言うセンサ素子と区分する）と言うものもあり、そのような場合は省いても良いことは勿論である。

センサユニットは前記の構成に加えて信号の補正回路や信号レベルの調整回路を付加することが好ましい場合がある。センサ素子の中には信号出力が微弱なものもあり、共通の信号線（バス）や共通のプロセッサのうえで検知され難いことがある。これを防ぐためにオペアンプを含む周知の増幅回路を付加する。また計測環境の変動要因がセンサ素子の信号を変動させる場合には抵抗などの受動回路で適正に補正する必要がある。但しこれらの機能回路は複数のセンサを一つの無線制御・センサ制御部で動作させるときの留意点であるものの、センサ素子の特性と仕様に応じて使い分けることになる。なおこれらの機能が集積されたセンサＩＣである場合には補正回路や調整回路が不要となるのは勿論である。

本発明に係るセンサユニットの製作について以下に記載する。図１（ａ）に示すセンサユニットの内部が分かる略透視図を図３に示す。テフロン樹脂あるいはガラスエポキシ樹脂などの基板２１に配線等の導電体パターン２２が形成されることで配線基板が構成される。この基板の一面にＡ−Ｄコンバータ２０を実装し、反対面に直流安定化電源１６（不図示）を実装する。導電体パターンに接続する外部露出の電極端子２３を別の樹脂フレームに形成し、前記基板と樹脂フレームを樹脂モールドにて成型する。このときに大気接触の必要なセンサ素子の場合には樹脂モールドの開口部２４を設けて、ここにセンサ素子１９を実装する。なお大気接触の必要のないセンサ素子１９については、Ａ−Ｄコンバータ２０に並行してセンサ素子１９を実装して樹脂モールドで成型する。

ここでは、直流安定化電源１６を基板の反対面に実装する例を示したが、素子を全て基板同一面に実装しても良いし、Ａ−Ｄコンバータ２０を基板の反対面に実装しても良いし、センサユニットの設計の都合により、適宜素子の基板実装面を変えても良いことは勿論である。

前述の補正回路や調整回路を付加する場合には、Ａ−Ｄコンバータに並行して回路素子を実装した後樹脂モールドで成型する。

センサユニットに搭載されるセンサ素子としては、温度センサ、湿度センサ、様々なガスセンサ（ＣＯ、ＮＯｘなど）、紫外線センサ、照度センサ、加速度センサ、振動センサ、圧力センサなど、凡そカード形状のセンサユニットに搭載可能なセンサ素子は全て対象としており、限定されない。またセンサ素子はパッケージタイプ（例えばＳＭＤタイプ）であってもチップタイプであっても構わない。なお大気接触センサ素子にキャンタイプ（例えばＴＯ−３９）のものもある。この場合には図４に示すようにコネクタボード２５を使用することにより実装することができる。

電源としては図１（ａ）に示すカード形状の筐体であるが、バッテリ（リチウムイオン電池などの二次電池）３を使用しても良いし、コイン型あるいはボタン電池を収納したカード形状の筐体であっても良い。また電気二重層コンデンサをカード形状の筐体に収納し、外部から充電して使うようにしても良い。

無線制御・センサ制御ユニットの製作例を図２に従い以下に記述する。図２に示す回路図において、無線部７のうちアンテナ１３とＲＦＩＣ１０、制御部８でマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）１４、ＥＥＰＲＯＭ１５とバススイッチ１７を備えたバスライン１８（不図示）及び直流安定化電源１６はガラスエポキシ樹脂による多層基板の一面側に形成し、送受信スイッチ１２（不図示）とフィルタ回路１１（不図示）は反対面に形成した（図５の２６）。アンテナ１３は誘電体基板（前期多層基板）にアンテナパターンとして形成する逆Ｆアンテナを採用し、給電部との接続はスルホールで行った。これをバッテリ用スロット部を有する筐体と複数のセンサユニット用スロット部を有する筐体に組み合わせて一つの筐体としている。

無線マルチセンサを動作させるにはマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）にプログムラムを書き込む必要があり、またメモリにあるデータの読み出しなどが必要になる。このため外部と接続可能な端子が無線センサ制御・センサ制御ユニットの筐体に必要になる。本発明では図６に示すＩ／Ｏ端子を有するカード形状のコネクタボード２７を専用のカードスロット部４に差し込むことで外部との接続を容易にした。無線マルチセンサを稼動させる場合にはコネクタボードは不要になるので、ゴムのキャップあるいはシールテープなどでカードスロット部を封止しておく。

以上の実施例おいてアンテナは無線制御・センサ制御ユニットの筐体に内臓させたが、アンテナを外部に取り出し、筐体にコネクタなどで取り付けることも可能であり、本発明の効果を阻害するものではない。

以上説明したように、本発明の構成を採れば複数のセンサを自在に搭載することができ、様々な用途に適用できる汎用性のある無線マルチセンサを提供することができる。

本発明の実施形態を示し、（ａ）は無線制御・センサ制御ユニットの筐体を説明する図、（ｂ）ユニットセンサの筐体を説明する図、（ｃ）はセニットセンサの反対面を説明する図、（ｄ）は全体を構成した無線マルチセンサを説明する図。 本発明の実施形態に係る無線マルチセンサの回路ブロックを説明する図。 本発明の実施形態に係るセンサユニットを説明する図。 本発明の実施形態に係るセンサ素子の実装を説明する図。 本発明の実施形態に係る無線制御・センサ制御ユニットの基板を説明する図。 本発明の実施形態に係る無線マルチセンサのコネクタボードを説明する図。 従来技術を説明する図であり、（ａ）は無線センサの構成を示し、（ｂ）は回路ブロックを示す図。

符号の説明

１ 電極端子
２、４ カードスロット部
３ 電源
５、６、１９ センサ素子
７ 無線部
８ 制御部
９ 電源部
１０ 無線ＩＣ
１１ フィルタ回路
１２ スイッチ
１３ アンテナ
１４ マイクロプロセッサ
１５ ＥＥＰＲＯＭ
１６ 直流安定化電源
１７ バススイッチ
１８ Ｉ^２Ｃバス
２０ Ａ−Ｄコンバータ
２１ 基板
２２ 導体パターン
２３ 電極
２４ 開口部
２５ 接続ボード
２７ コネクタボード
２８ センサユニット
２９ 無線送信ユニット
３０ センサユニット
３１ データ／ＣＬＫ
３２ 複数のセンサユニット

Claims (6)

1. アンテナと電源を含む無線制御・センサ制御ユニットと、少なくとも二個以上のカード形状のセンサユニットからなる無線マルチセンサにおいて、前記センサユニットはセンサ素子とセンサ信号をＡ−Ｄ変換するＡ−Ｄコンバータおよび直流安定化電源とからなる機能回路を形成した筐体であり、前記無線制御・センサ制御ユニットは前記センサユニットを挿抜できる少なくとも二個以上のカードスロット部を有する筐体であることを特徴とする無線マルチセンサ。
2. 前記センサユニットが、抵抗などの受動部品により環境パラメータの変化によるセンサ信号の補正機能を具備することを特徴とする請求項１に記載の無線マルチセンサ。
3. 前記センサユニットが、増幅器などの能動部品により信号レベルの調整機能を具備することを特徴とする請求項１と請求項２に記載の無線マルチセンサ。
4. 前期無線制御・センサ制御ユニットは無線の送受信を行う無線ＬＳＩと、ＥＥＰＲＯＭなどのメモリ素子と、通信制御とセンサ制御を行うＬＳＩと、直流安定化電源と、送受信信号の切り替えスイッチと、フィルター回路及び前記二個以上のセンサユニットのアドレス制御を行うためのＩ^２Ｃバス対応のバススイッチとが形成されたことを特徴とする請求項１〜３に記載の無線マルチセンサ。
5. 前記電源はカード形状の筐体であり、前記前期無線制御・センサ制御ユニットの筐体に専用に設けられたカードスロット部に挿抜できるようにしたことを特徴とする請求項１〜４に記載の無線マルチセンサ。
6. 前期無線制御・センサ制御ユニットのプログラム組み込みやデータ確認を行うためのコネクタ接続として、外部との接続はＩ／Ｏのコネクタ端子を形成したカード形状の筐体を前期無線制御・センサ制御ユニットの筐体に専用に設けられたカードスロット部に挿抜して行うことを特徴とした請求項１〜５に記載の無線マルチセンサ。

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