JP2007122550A - センサー端末、センサーネットシステム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型でメンテナンスが容易なセンサー端末を提供することと、簡易な構成で自然災害事前感知用などの種々の条件に対し設置容易なセンサーネットシステム及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】 観測地点での物理量を検出する観測機器１と、この観測機器１からのセンサー信号にアナログ信号処理を施しＡ／Ｄ変換を行いディジタルデータ信号を生成するＣＰＵ部２と、このＣＰＵ部２からのディジタルデータ信号を無線で他に送信すると共に別の観測地点で得られたディジタルデータ信号を中継する無線部３と、観測機器１とＣＰＵ部２と無線部３を駆動するための電力を供給する電源部４とを備えて一体に形成されたセンサー端末であり、その電源部４は太陽電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池及びＤＣ−ＤＣコンバーターからなる。このセンサー端末を用いて自然災害事前感知用などのセンサーネットシステムを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサー端末、センサーネットシステム及びその制御方法に関し、特に、無線ネットワークシステムあるいは装置、無人監視システムあるいは装置等に用いて好適なセンサー端末、及びそれを用いた自然災害事前感知用のセンサーネットシステム並びにその制御方法に関する。

従来技術での、地震や台風による自然災害を事前に検知して報知可能にする自然災害事前感知装置としては、例えば特許文献１に開示された土砂災害事前感知警報システム及び土石流検知装置がある。この土砂災害事前感知装置はチューブスイッチを用いた土石流検知装置を使用し、地盤異常により発生した土石流がチューブスイッチを通過する時に、この土石流の押圧力でチューブスイッチが押しつぶされることにより出力される土石流検出信号に基づいて地盤異常の発生状況を検知することができる。

他方、従来、無線ネットワークシステムあるいは装置や無人監視システムあるいは装置等に用いるセンサー端末として、物理データを検出、データ補正処理を行うセンサー部と、Ａ／Ｄ変換、演算処理を行うＣＰＵ部、計測データを送信する無線部と、これら各部に電源を供給する電源部とからなるものが知られている（例えば特許文献２）。それに使用する従来のセンサー端末は、電源部としてコイン型電池又は太陽電池を用いて、センサー部、ＣＰＵ部、無線部に電源を供給している。

特開２００３−６７７５号公報 特開２００４−３５５１６５号公報

しかし、特許文献１の自然災害事前感知装置は観測地の変化を検知する端末装置が大掛かりである。また、自然災害が起こりやすい地点は装置設置作業者がその作業を行うのが困難であることがあり、場合によっては災害の危険にさらされることがある。そのため、自然災害が起こりやすい観測地に緊急に前記端末装置を設置するのは容易ではない。

また、検知データを無線通信により子局と観測局と監視局の間で送受信させるが、観測地に設置される端末装置は太陽電池、無線通信部等の構成からなる大掛かりな装置であることから設置コストが高額である。

この状況にあって、本発明の第１の課題は、簡易な構成で自然災害事前感知用などの種々の条件に対し設置容易なセンサーネットシステム及びその制御方法を提供することにある。

他方、従来のセンサー端末はＺｉｇＢｅｅ（登録商標）や特定小電力といわれる小電力無線通信方式を用い、低消費電力ＣＰＵを用いているものの、コイン型電池を使用したセンサーネット端末では小型化を図ることは可能であるが、電源による動作時間の制限があった。また、太陽電池を使用したセンサー端末では、太陽電池の電気変換効率が悪いので太陽電池パネルを大きくする必要があり、電源による動作時間の制限は無いものの小型化を計ることが出来なかった。

また、従来のセンサー端末は、端末がセンサーによってセンシングした物理データのみネットワークを介して集中管理しているが、端末自身の電源電圧をモニターし端末の動作状況を管理することは行っておらず、定期的に電源のメンテナンスを行う必要があった。

この状況にあって、本発明の第２の課題は、小型で、メンテナンスが容易なセンサー端末を提供することにある。

本発明は、電源部を構成する電池の交換・再充電の人的作業を必要としないセンサー端末であって、物理データを検出するセンサー部、センサー信号にアナログ信号処理を施しＡ／Ｄ変換を行うＣＰＵ部、ディジタルデータ信号を無線で各端末に送信する無線部、端末の各ブロックを駆動させるための電源を供給する電源部を備え、前記電源部が自家発電ブロック、電力変換ブロック、蓄電ブロック、安定化電源ブロックを有し、電源部を構成する電池の交換・再充電の人的作業を必要としないセンサー端末である。また、本発明は、前記センサー端末を用い、自然災害事前感知を行うためのセンサーネットシステム及びその制御方法である。

すなわち、本発明のセンサー端末は、観測地点での物理量を検出するセンサー部と、該センサー部からのセンサー信号にアナログ信号処理を施しＡ／Ｄ変換を行いディジタルデータ信号を生成するＣＰＵ部と、該ＣＰＵ部からのディジタルデータ信号を無線で他に送信すると共に別の観測地点で得られたディジタルデータ信号を中継する無線部と、前記センサー部と前記ＣＰＵ部と前記無線部を駆動するための電力を供給する電源部とを備えるセンサー端末であって、前記電源部は自家発電ブロックと電力変換ブロックと蓄電ブロックと安定化電源ブロックとを有し、前記自家発電ブロックとしては太陽電池、前記電力変換ブロックとしては電気二重層キャパシタ、前記蓄電ブロックとしてはリチウムイオン電池、前記安定化電源ブロックとしてはＤＣ−ＤＣコンバーターが用いられたことを特徴とする。

前記ＣＰＵ部は、前記電源部の電源電圧をモニターし、そのディジタルデータを生成する機能を有し、前記電源電圧のディジタルデータは前記無線部を介して送信されるとよい。

前記センサー端末は一体に形成されるとよい。

また、本発明のセンサーネットシステムは、前記センサー端末が用いられ、前記物理量を集中管理すると共に前記電源電圧を集中管理する手段を備えることを特徴とする。

前記観測地点は自然災害の危険性がある地点であり、前記センサー部は加速度センサーからなり、前記観測地点の異常予測に使用される観測情報を収集して自然災害事前感知を行うための前記センサーネットシステムであるとよい。

そして、本発明のセンサーネットシステムの制御方法は、前記センサーネットシステムの制御方法であって、前記センサー端末間でのリレー式の送受信で前記観測情報を伝送することを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、小型軽量のセンサー端末を用い設置コストが安価なセンサーネットワークシステムが可能となる。さらに、小型軽量なセンサー端末を用いることから自然災害の危険性がある観測地への設置が容易な自然災害事前感知用のセンサーネットワークシステム及びその制御方法の提供が可能となる。

また、本発明によれば、小型かつ電源部による動作時間の制限が無いセンサー端末が構成可能となる。さらに、端末の電源電圧を集中管理し動作状況を確認することによるメンテナンス容易な小型センサー端末が構成可能となる。

また、従来では、観測機器と制御部が分離されており、それぞれ観測地に設置する必要があり、かつ設置する際に支持台や支持部材が多数必要であった。しかし、本発明によれば、観測機器と無線部、ＣＰＵ部、電源部が一体であるため設置作業工数が大幅に削減されるとともに支持台や支持部材が少数ですむため設置コストが安価となる。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明のセンサー端末の概略を示すブロック図である。図２は、本発明のセンサー端末に係る電源部の概略を示すブロック図である。

図１のように、本発明のセンサー端末は、センサー部である観測機器１、ＣＰＵ部２、無線部３、電源部４、及びアンテナ５で構成されている。観測機器１は、物理データを検出するものである。ＣＰＵ部２は、この観測機器１からの観測信号にアナログ信号処理を施しＡ／Ｄ変換を行うものである。無線部３は、このＣＰＵ部２からのディジタルデータ信号を無線で他のセンサー端末又は基地局に送信すると共に、他のセンサー端末から送信されたディジタルデータ信号をさらに他の端末又は基地局に中継する機能を有する。さらに、電源部４は、センサー部とＣＰＵ部と無線部を駆動させるための電源を供給する機能を有する。

図２に示すように、本発明のセンサー端末の電源部は、自家発電ブロック、電力変換ブロック、蓄電ブロック、安定化電源ブロックを有し、自家発電ブロックとしては太陽電池パネル６、電力変換ブロックとしては電気二重層キャパシタ７、蓄電ブロックとして高エネルギー密度な二次電池であるリチウムイオン電池９、安定化電源ブロックとしてＤＣ−ＤＣコンバーター１０で構成されている。また、リチウムイオン電池９の直前には充電制御回路８を置いている。

ここで、センサーネットシステムのセンサー端末に太陽電池を用いる場合、太陽電池はインピーダンスが高いため、効率よく二次電池の充電は行えず、充電にはより広い面積の太陽電池パネルを必要とし端末の小型化は困難である。

そこで、本発明の実施の形態では太陽電池パネルとリチウムイオン電池の間に低インピーダンスである電気二重層キャパシタを挿入する。このとき電気二重層キャパシタは低インピーダンスのため太陽電池パネルで生成された電気を効率よく貯蓄することができる。充電の流れは、太陽電池パネルで生成された電気を一度、電気二重層キャパシタに貯蓄し、リチウムイオン電池を充電するが、効率よく充電できるので太陽電池パネルの面積を狭くすることができ、小型化が可能な自然災害事前感知装置が実現できる。

図面に基づいて詳しく説明する。図５は本発明のセンサー端末におけるリチウムイオン電池充電時の電気二重層キャパシタの電圧とリチウムイオン電池充電電流との関係を示し、図５（ａ）はリチウムイオン電池の充電電流の時間変化の図、図５（ｂ）は電気二重層キャパシタ電圧の時間変化の図である。図５（ｂ）のように太陽電池で生成された電気を電気二重層キャパシタに一度蓄電し、その後パルス的に充電電流をリチウムイオン電池に送る過程を繰り返している。こうすることで、太陽電池で生成された電気を効率よく蓄電できる。それゆえ、太陽電池パネルの面積を狭くすることができ、小型化が可能なセンサー端末が実現できる。

さらに、本発明の自然災害事前感知用のセンサー端末の観測機器（センサー部）は、半導体ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical Systems)プロセスを用いて作製した小型の加速度センサーを使用することにより観測機器自体の小型化を実現するとともに、観測機器、ＣＰＵ部、無線部、電源部を一体化した小型の自然災害事前感知センサー端末を実現できる。

また、この電源電圧をＣＰＵ部に入れモニターし、無線通信ネットワークを介して各端末の電源を管理すると、たとえ端末の破損が起きたとしても集中管理をしているのでメンテナンスが容易である。また、観測データ及び電源電圧データを基地局のコンピュータで集中管理する際に、図３に示すように無線通信ネットワークは各装置間のリレー伝送で実現することにより電波の送信出力を抑え省電力にすることが可能となる。この省電力化は各センサー端末の太陽電池パネル及び全体外形寸法の小型化にも寄与する。

次に本発明を地震や台風による自然災害事前感知用のセンサーネットシステムとセンサー端末に実施した例を説明する。

この実施例では、自然災害事前感知用センサー端末として立方体形状のセンサー端末を作製した。図４は、本実施例のセンサー端末（アクティブワイヤレスセンサー端末）の構成を示す内部透視の斜視図である。図４に示すように、外形寸法は、幅寸法ａが３０ｍｍ、奥行き寸法ｂが３０ｍｍ、高さ寸法ｃが３０ｍｍ（３０×３０×３０ｍｍの立方体）である。また、構成としては、上部から太陽電池パネル２３、Ａ基板（第１の基板）２４、Ｂ基板（第２の基板）２５、Ｃ基板（第３の基板）２６、センサー搭載用基板（第４の基板）２７が支柱を介して順に組み立てられている。電源部３１は、Ａ基板２４、Ｂ基板２５、Ｃ基板２６から構成されている。Ａ基板２４は、電力変換基板であり、電気二重層キャパシタ２８が搭載されている。Ｂ基板２５は、充電を制御する基板である。Ｃ基板２６は、出力のための基板であり、リチウムイオン電池２９とＤＣ−ＤＣコンバーターが搭載されている。そして最下部にあるセンサー搭載用基板２７には、観測機器（センサー部）としての加速度センサー、ＣＰＵ部、及び無線部が搭載されている。このセンサー搭載用基板２７の観測機器等が搭載されている裏面には、アンテナ３０が設けられている。また、太陽電池パネル及び各基板の寸法は、幅寸法が３０ｍｍ、奥行き寸法が３０ｍｍ、高さ寸法が２ｍｍで、形状は平板状である。このように、小型軽量で一体化されたセンサー端末を実現できた。

なお、本発明のセンサー端末は、本発明の要旨を変更しない範囲内で各種の変形が可能である。例えば、上記実施例では、外形を立方体形状としたが、各基板を平面状に並べて平面形状とすることもできる。あるいは太陽電池パネル面を傾斜させて太陽光を受光しやすい形状とすることもできる。

このように作製したセンサー端末を用い、本発明の第１実施例の自然災害事前感知用センサーネットシステムを構成する。このセンサーネットシステムは、地滑り、崖崩れ、陥没などの地盤異常の危険性がある観測地に設置され、地盤異常の予測に使用される観測情報を検出する手段と、観測情報を収集し、無線通信を用いて予測情報や観測情報を送受信する機能を有している。具体的には、地滑り、崖崩れ、陥没で発生する地盤の傾斜変化や加速度を観測機器である加速度センサーで検知し、その観測情報を無線通信を用いて送受信する。

ここで、地滑り、崖崩れ、陥没などの地盤異常の危険性がある観測地は装置設置作業者等が入るのに危険性がある。さらに、その観測地に大掛かりな装置を設置することにより地滑り等の自然災害を誘発する可能性があり装置の設置が困難である。そこで、本発明の自然災害事前感知用のセンサー端末は、観測機器、ＣＰＵ部、無線部、電源部が一体化され小型であるため、地滑り等の地盤異常の危険性がある観測地において装置設置作業者が容易に装置を設置することができる。また、装置設置作業者が入ることが困難な観測地には、図６に示すようにラジコンヘリコプターや空気砲等による空中散布により観測地に設置する。すなわち、図６は本実施例の自然災害事前感知用センサーネットシステムでのセンサー端末の空中散布例を示す図であり、３２は観測地、３４はセンサー端末、３３はラジコンヘリコプター、３５は基地局である。その空中散布の様子を点線の矢印で示した。

次に本発明の第２実施例での自然災害事前感知用のセンサーネットシステムを図面に基づいて説明する。図７は本実施例での自然災害事前感知用センサーネットシステムの河川への設置例を示す図であり、３６は河川、３７はセンサー端末、２２は基地局を示す。また、太い矢印は無線通信を表す。

図７に示すように、本実施例のセンサー端末は洪水の危険性がある河川等の水面に設置され、水面変位の異常の予測に使用される観測情報を検出する手段と、観測情報を収集し、無線通信を用いて予測情報や観測情報を送受信する機能とを有している。具体的には、本発明の自然災害事前感知用センサー端末を水面に浮かべ水面変化時の加速度を観測機器である加速度センサーで検知し、その観測情報を無線通信ネットワークを用いて送受信する。なお、本実施例で用いるセンサー端末は上記のように小型軽量で一体化されていることから、簡易な装置を用いて水面に浮かべることが可能になった。

以上説明したように本発明のセンサー端末は、小型軽量、省電力で、一体化され、メンテナンスが容易な端末である。このセンサー端末を用いることにより、種々の設置形態で、種々の物理データを集中管理するセンサーネットシステムが可能になる。

本発明のセンサー端末の概略を示すブロック図。 本発明のセンサー端末に係る電源部概略を示すブロック図。 本発明の自然災害事前感知用センサーネットシステムの無線通信ネットワーク構成を示す図。 本発明の一実施例のセンサー端末の内部を透視した斜視図。 本発明のセンサー端末でのリチウムイオン電池充電時の電気二重層キャパシタ電圧とリチウムイオン電池充電電流との関係を示し、図５（ａ）はリチウムイオン電池の充電電流の時間変化の図、図５（ｂ）は電気二重層キャパシタの電圧の時間変化の図。 本発明の一実施例の自然災害事前感知用センサーネットシステムでのセンサー端末の空中散布例を示す図。 本発明の他の実施例での自然災害事前感知用センサーネットシステムの河川への設置例を示す図。

符号の説明

１ 観測機器（センサー部）
２ ＣＰＵ部
３ 無線部
４，３１ 電源部
５，３０ アンテナ
６，２３ 太陽電池パネル
７，２８ 電気二重層キャパシタ
８ 充電制御回路
９，２９ リチウムイオン電池
１０ ＤＣ−ＤＣコンバーター
２１，３４，３７ センサー端末
２２，３５，３８ 基地局
２４ Ａ基板
２５ Ｂ基板
２６ Ｃ基板
２７ センサー搭載用基板
３２ 観測地
３３ ラジコンヘリコプター
３６ 河川
ａ 幅寸法
ｂ 奥行き寸法
ｃ 高さ寸法

Claims (6)

1. 観測地点での物理量を検出するセンサー部と、
   該センサー部からのセンサー信号にアナログ信号処理を施しＡ／Ｄ変換を行いディジタルデータ信号を生成するＣＰＵ部と、
   該ＣＰＵ部からのディジタルデータ信号を無線で他に送信すると共に別の観測地点で得られたディジタルデータ信号を中継する無線部と、
   前記センサー部と前記ＣＰＵ部と前記無線部を駆動するための電力を供給する電源部とを備えるセンサー端末であって、
   前記電源部は自家発電ブロックと電力変換ブロックと蓄電ブロックと安定化電源ブロックとを有し、前記自家発電ブロックとしては太陽電池、前記電力変換ブロックとしては電気二重層キャパシタ、前記蓄電ブロックとしてはリチウムイオン電池、前記安定化電源ブロックとしてはＤＣ−ＤＣコンバーターが用いられたことを特徴とするセンサー端末。
2. 前記ＣＰＵ部は、前記電源部の電源電圧をモニターし、そのディジタルデータを生成する機能を有し、前記電源電圧のディジタルデータは前記無線部を介して送信されることを特徴とする請求項１記載のセンサー端末。
3. 一体に形成されたことを特徴とする請求項２記載のセンサー端末。
4. 請求項２又は３記載のセンサー端末が用いられ、前記物理量を集中管理すると共に前記電源電圧を集中管理する手段を備えることを特徴とするセンサーネットシステム。
5. 前記観測地点は自然災害の危険性がある地点であり、前記センサー部は加速度センサーからなり、前記観測地点の異常予測に使用される観測情報を収集して自然災害事前感知を行うことを特徴とする請求項４記載のセンサーネットシステム。
6. 請求項５記載のセンサーネットシステムの制御方法であって、前記センサー端末間でのリレー式の送受信で前記観測情報を伝送することを特徴とするセンサーネットシステムの制御方法。

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