JP5224705B2 - 電波センサ及び電波強度分布測定システム - Google Patents

Description

本発明は、近距離無線、特にＲＦＩＤシステムにおける電波強度分布を測定する電波センサ及び電波強度分布測定システムに関する。

近年、無線ＬＡＮを始めとする近距離無線システムが、オフィス、倉庫、工場などに設置される場面が多くなっている。導入、維持が低コストであり、設置、移設が容易なことが普及の大きな理由となっている。

無線LANシステムの設置は、小規模で電波の環境の安定した場所においてはユーザ自身の手で行うことが可能である。しかし、業務利用のためにオフィス、倉庫、工場等に設置される場合は電波環境の測定、置局設計を行うなどの導入支援サービスも利用される。

このようなサービスに用いる電波環境測定ツールとしては、携帯型のＰＣにカードタイプの受信装置を挿入し、専用のソフトウエアで電波強度分布を測定するシステムが市販されている。この測定システムは配置レイアウトと対照して電波強度を記録でき、大型の測定器と比較して専門的な知識も必要がない。 また、電波環境を測定するシステムとしては測定対象の通信システムそのものを利用するものがある。例えば、基地局が複数の端末局に対して、電波環境モニタ指令信号を送出し、端末局はモニタした電波環境データを基地局に送信し、基地局が受信したすべての電波環境モニタデータを解析して、電波環境を診断するという方式が下記特許文献１に記載されている。
特開平８−１０１８６６号公報 一方、物品管理、物流の効率化等を目的として、RFＩＤシステムの普及が始まっている。特にパッシブタグを使うシステムにおいては通信可能な範囲が限られるため、読取り機の配置は大きな課題となっている。

パッシブタグを使うシステムの読取りの状況は、読取り範囲近くの人、物品などの動きに左右される。また、不要に読取り機の出力を大きくすると、他の読取り機に干渉したり、他の読取り機で読ませるべきタグを読取ったりする。このように、パッシブタグを使ったＲＦＩＤシステムの導入に際しては、比較的小さな範囲で時間的、場所的な電波環境の変動の把握が重要である。

現状、タグを実際に物品に添付して読取りの確認をしながら、試行錯誤して読取り機のアンテナ配置を決めるのが一般的である。

パッシブタグを使ったＲＦＩＤシステムの設置に際しては、読取りをしたい範囲において時間的、場所的な電波強度の変動の把握をしたいという要求がある。

また、読取り装置に到来する他の読取り装置等からの干渉電波の強度を把握したいという要求がある。

また、これらの電波強度の測定は測定する電波へ測定器や測定者の影響を極力避ける必要がある。

一方、電波環境の測定方法として、前述のように測定対象の無線通信システムを利用する方法がある。これをパッシブタグを使ったＲＦＩＤシステムに適用しようとすると、タグそのものが読取り機からの環境モニタ命令を受信し、電波環境を測定し、読取り機に返信しなければならない。

この場合、パッシブタグが通信できない範囲の電波の強度は測定できないという課題がある。また、電波を送出するのと同時に電波強度の測定をすることができないため、物品や人が移動する状況で時々刻々変化する電波強度分布のリアルタイムな把握ができないという課題がある。

また、前述のように携帯PCに受信機とソフトウエアを実装した方式がある。この場合、測定者が常にPCのそばにいてソフトウエアを操作する必要があるため、必ず測定結果に測定者の存在が影響するという課題がある。また、ベルトコンベアや台車等で搬送された物品上における電波強度の測定が困難であるという課題がある。また、複数地点で同時に電波強度を測定するにはコストと手間がかかるという課題がある。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、測定者の影響を排除した測定が可能であり、対象通信システムの端末局（またはタグ）が通信不能な地点での測定が可能であり、対象通信システムが稼動している状況でのリアルタイムな測定が可能であり、複数の地点で同時に測定が可能であり、移動物品上での測定が可能である、電波センサ及び電波強度測定システムを提案することを目的としている。

また、本電波強度分布測定システムを用いることにより、読取り効率の最適化、リーダーライタ間の干渉の抑止、人体・医療機器等への影響の最小化を行うことが可能である。

本発明の電波センサは、送出された第１の無線通信システムでの電波を受信し、その電波の電波強度を検出し、その検出された電波強度を示す情報を第１の無線通信システムと異なる周波数帯を使用した第２の無線通信システムで送信、及び制御信号を受信する通信部を有することを特徴とする。

本発明の電波センサは、送出された第１の無線通信システムでの電波を受信し、その電波の電波強度を検出し、その検出された電波強度を示す情報を第１の無線通信システムと異なる周波数帯を使用した第２の無線通信システムで識別情報を付加して送信、及び制御信号を受信する通信部を有することを特徴とする。

本発明の電波センサは、送出された無線タグ用電波を受信し、無線タグの指向性、偏波特性を模擬し、前述の無線タグ用電波の電波強度を検出するタグアンテナ機能部と、その検出された電波強度を無線タグ用電波と異なる周波数帯の近距離無線で識別情報を付加して送信、及び制御信号を受信する無線部を有することを特徴とする。

また、本発明の電波強度分布測定システムは、第１の無線通信システムで検出された電波強度を示す情報を、該第１の無線通信システムと周波数帯が異なる第２の無線通信システムで送信、及び制御信号を受信する電波センサと、該第２の無線通信システムで該電波強度を示す情報を受信する第２の無線通信部と、その情報に基づく電界強度分布を推定する処理装置と、を有することを特徴とする。

また、本発明の電波強度分布測定システムは、第１の無線通信システムで検出された電波強度を示す情報を、該第１の無線通信システムと電波環境が異なる第２の無線通信システムで送信、及び制御信号を受信する電波センサと、
電波センサの位置を計測する位置計測システムと、
該第２の無線通信システムで該電波強度を示す情報を受信する第２の無線通信部と、電波センサで収集した電波強度情報と位置計測システムで収集した電波センサの位置情報に基づいて電界強度分布を推定する処理装置と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、パッシブタグを使ったＲＦＩＤシステムの設置に際し、読取りをしたい範囲において、時間的、場所的な電波強度の変動の把握が可能になる。

本発明によれば、読取り装置に到来する他の読取り装置等からの干渉電波の強度を把握することができる。

本発明によれば、測定する電波へ測定器や測定者の影響を最小限にして測定ができる。

本発明によれば、パッシブタグが通信できない範囲の電波の強度の測定ができる。

本発明によれば、電波を送出するのと同時に電波強度の測定をすることができ、物品や人が移動する状況で時々刻々変化する電波強度分布のリアルタイムな把握ができる。

本発明によれば、ベルトコンベアや台車等で搬送された物品上における電波強度の測定ができる。

本発明によれば、複数地点で同時に低コストで容易に電波強度を測定することができる。

図１は本発明の電波強度分布測定システムをパッシブタグ方ＲＦＩＤシステムに適用した様子を示す概念図である。同図に示すように、本発明の電波強度分布測定システムは、電波強度データ処理装置１１、電波強度収集装置１２、リーダーライタ（読取り書込み装置）１３と電波センサ（２１〜２３）から構成される。

電波センサ（２１〜２３）は、２種類のアンテナ、たとえば近距離無線アンテナ（２１ｂ〜２３ｂ）と検波アンテナ（２１ａ〜２３a）を備える。近距離無線アンテナは近距離無線通信に用いる。近距離無線としては、特定小電力、無線ＬＡＮ，Bluetooth、Ｚigbee、赤外線通信等、パッシブ型ＲＦＩＤシステムよりも通信範囲の広い無線Ｉ／Ｆを利用する。検波アンテナはリーダライタから送信される電波を受信し電波の強度を測定することに用いる。この検波アンテナはタグアンテナと同等の指向性、偏波特性やインピーダンス特性等の性能をもつ。また、検波アンテナはたとえば、干渉調査、設置事前調査等の場合には無指向性アンテナを用いてもよい。

電波強度データ処理装置１１とそれぞれの電波センサに、あらかじめ、個々の電波センサで使用する近距離無線通信の周波数チャンネルと識別情報（ＩＤ）を設定しておく。事前に、電波強度データ処理装置１１において、画像認識装置など利用して電波センサの位置を測定し、複数の電波センサの位置とＩＤを対応させたマップ情報を作成しておく。電波強度データ処理装置１１はパソコンとパソコン上のソフトウエアから構成され、リーダーライタ１３と連動して、リーダーライタ１３から所望の変調信号又は無変調信号を送信している時に、複数の電波センサ（２１〜２３）からＩＤと電波強度データとを電波強度収集装置１２を制御して近距離無線を利用して取得し、あらかじめ設定された電波センサ（２１〜２３）の置かれた位置と関連付けて記録または表示する。リーダーライタ（又は親局）１３は例えばＵＨＦ帯の電波を送出するが、この電波の強度を検波アンテナを持つ複数の電波センサ（２１〜２３）測定する。電波強度データ処理装置１１は、電波強度収集装置１２及びリーダーライタ１３とケーブル等で接続され、ＵＨＦ帯の電波を送出するようリーダーライタ１３に収集制御コマンドを送出し、電波強度収集装置１２を介して複数の電波センサからＩＤを付加した電波強度データを取得する。
各電波センサ(２１〜２３)は検波アンテナ（２１a〜２３a）で受信したリーダライタ１３が送出した電波の強度を検出し、その電波強度データを近距離無線アンテナ２１bからＩＤを付加して、無線で送出する。

電波強度データ処理装置１１は収集された複数の電波センサからのＩＤ及び電波強度データと、設定されたマップ情報とを関連付けて、図１に示されている電波分布（３１〜３３）を表示部に表示する。また、上記と違う例として、電波強度データ処理装置１１は、各電波センサから異なる時間に電波強度を収集する例について、説明する。

電波強度データ処理装置１１は電波強度収集装置１２を介して、個々のＩＤを付与した電波強度収集コマンドを異なる時間に順次送出する。各電波センサ（２１〜２３）では、自分のＩＤと同じ電波強度収集コマンドを受信したときに検出した電波強度と自身のＩＤとを付与して、近距離無線通信にて電波強度収集装置１２へ送信する。それ以外の処理については、上記同じである。

また、電波強度収集装置１２から送出される収集制御コマンドの送出タイミングは、リーダーライタ１３から送出される所望の変調波または無変調波の送出タイミングに合わせて電波強度の測定収集が開始されるように制御してもよい。

図２は、本発明の電波強度分布測定システムを示す詳細構成図である。

電波強度データ処理装置１１は、表示部１１a、入力部１１ｂ、通信部１１ｃ、制御部１１ｄ、データ処理部１１ｆ及びデータ記録部１１eからなる。また、電波強度収集装置１２はアンテナと近距離無線送受信部からなる。電波センサ２１はＵＨＦ帯ＲＦＩＤアンテナ１２、近距離無線用アンテナ２１ｂ、近距離無線送受信部２１ｃ及び検波処理部２１ｄからなる。電波センサの位置データが入力部から入力され、データ記録部１１eに記録される。制御部１１ｄは電波センサからのＩＤと電波強度データとを電波強度収集装置１２のアンテナと近距離無線送受信部を介して受信し、複数のＩＤと電波強度データをデータ記録部１１eへ記憶する。データ処理部１１ｆはデータ記録部１１ｅに記録された電波センサの位置情報、ＩＤ、電波強度情報から電波強度分布を推定し、その結果は表示部１１ａに表示されるか、または、データ記録部１１ｅに記録される。また、電波強度データ処理装置１１は、データ記録部１１eに記録されたデータを基に、通信部１１ｃとケーブル６０を介して、リーダーライタ１３のアンテナ選択、アンテナビーム方向、送信電力制御、送信タイミング制御などを制御してもいい。
リーダーライタ１３はタグ４へ電波を送出し、通信を開始する。電波センサ２１はリーダーライタ１３から送出された電波をアンテナ２１aで受信して、検波処理部２１ｄで電波強度を検出する。近距離無線送受信部２１ｃは、検波処理部２１ｄで検出された電波強度に、ＩＤを付加し、アンテナ２１ｂを介して、電波強度収集装置１２へ無線で送信する。また、電波センサ２１は、電波強度収集装置１２からのコマンドを受信してから、検出された電波強度とＩＤを電波強度収集装置１２へ送信してもよい。

図３は、電波センサの詳細構成図を示す。

電波センサは、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤアンテナ２１ａ、検波処理部２１ｄ、近距離無線送受信部２１ｃ、近距離無線アンテナ２１ｂ及び電池２１ｅから構成される。また、検波処理部２１ｄは、ＢＰＦ２１１ｄ及び検波ＩＣ２１２ｄからなる。検波ＩＣ２１２ｄは検波用ダイオードとログアンプ等からなる。近距離無線送受信部２１ｃはマイコン２１１ｃと送受信部２１２ｃからなる。マイコン２１１ｃはＡＤ変換器、プログラムメモリ、ＲＡＭ等を内蔵し、検波した電波強度データの収集、送受信部の制御、送受信部へのデータの送信等を行う。電波センサは、リーダーライタからの電波を、アンテナ２１ａを介して受信し、検波処理部２１ｄのＢＰＦ２１１ｄで所定帯域の信号を通過させ、検波IC２１２ｄで電波強度を検出する。マイコン２１１ｃは検波IC２１２ｄからの電波強度信号をデジタル値に変換し、自身のＩＤを付加して、送受信部２１２ｃへ送る。送受信部２１２ｃは近距離無線用アンテナ２１bを介して、ＩＤを付加した電波強度データを無線で電波強度収集装置（図示なし）へ送る。また、マイコン２１１ｃは近距離無線送受信部２１cで受信した電波強度収集装置からのＩＤ付き電波強度収集コマンドを受信して、自身宛のコマンドであれば、電波強度情報に自身のＩＤを付加して送信する。また、電池２１ｅは、検波ＩＣ２１２ｄ、マイコン２１１ｃ及び送受信部２１２ｃに電力を供給する。電波センサは電池駆動にすることにより、観測点の自由度が高くなり、台車やベルトコンベア等の移動体上の電波強度の測定も可能になる。

図４は、干渉測定システム構成例を示す。

図１と同じ機能のものは、同じ番号を付している。図示していないが電波強度データ処理装置１１と３台のリーダーライタ（１３、１４、１５）間をＬＡＮネットワークで接続、又は有線ケーブルで接続してもよい。また、個々のリーダライタをそれぞれ別の制御PCに接続し、電波強度データ収集装置と制御PCをLAN接続してもよい。 電波強度データ処理装置１１は、各リーダーライタ（１３、１４、１５、１６）を順次電波を送出するように制御する。各電波センサ（２１〜２４）は各リーダーライタから送出された電波の電波強度を測定し、自身のＩＤを付加して電波強度収集装置１２へ無線にて送信する。電波強度データ処理装置１１は、各電波センサ（２１〜２４）からの電波強度データから各リーダライタ（１３、１４、１５、１６）それぞれの送信時間率を計算し、リーダライタ間の干渉の度合いを予測する。

図５は、移動タグの電界強度の測定例を示す。

図１と同じ機能のものは、同じ番号を付している。４１はＲＦＩＤタグ５０がつけられた複数のコンテナを載せた台車を示す。また、４１は１台の台車が移動している状況を示し、Ａ地点、Ｂ地点、Ｃ地点の順に図面の手前側のＣ地点ほど時間的に最新状況を示す。３８はリーダーライタ１３の読取りエリアを示す。リーダーライタ１３からタグ５０への電波強度が最大になる時点を特定することで、リーダーライタ１３からのタグへのコマンド送出タイミングを最適化する。その電波強度が最大になる時点を特定するのに、台車４１に電波センサ２１を装着している。電波強度データ処理装置１１は、リーダーライタ１２からの断続的に電波を送出するよう指示する。台車４１が読取りエリアに入る前においては電波の送信時間率は小さくてよい。台車４１がA地点にいる時、電波センサ２１はリーダーライタ１３の読取りエリアから外れた位置にあるため受信する電波強度が小さい。台車４１がＢ地点にいる時は電波センサ２１はリーダーライタ１３の読取りエリア内に位置するため受信する電波強度は大きい。台車４１がＣ地点にいる時は電波センサ２１はリーダーライタ１３からの読取りエリア外に位置するための受信する電波強度は再び小さくなる。それらの電波強度を示す情報は電波センサから電波強度データ処理装置１１へ逐次送られるため、電波強度データ処理装置は台車４１の位置をリアルタイムに把握することができ、最適な位置でコマンドを送出することができる。このことにより、読取り性能が向上し、また、リーダライタが電波を送出する時間を最小化できるため、他のリーダライタへの干渉の低減、および、消費電力の低減を図ることができる。

上記の他、本発明の電波強度分布測定システムは、使用環境の事前調査、設置設計、利用状況のモニタ、環境に応じたリーダーライタ及びアンテナの制御等にも利用可能である。

上記説明した構成及び動作を複数組み合わされて適用されても良い。

また、本発明は上記構成に限定するものではない。

本発明の電波強度分布測定システムを示す概念図である。 本発明の電波強度分布測定システムを示す詳細構成図である。 本発明の電波センサの詳細構成図を示す図である。 本発明の干渉測定システムの構成例を示す図である。 本発明の移動タグでの電波強度の測定例を示す図である。

符号の説明

４ タグ（子局）
１１ 電波強度データ処理装置
１１ａ 表示部
１１ｂ 入力部
１１ｃ 通信部
１１ｄ 制御部
１１ｅ データ記録部
１１ｆ データ処理部
１２ 電波強度収集装置
１３、１４、１５、１６ リーダーライタ（親局）
２１、２２、２３、２４ 電波センサ
２１a、２２a、２３a 検波用アンテナ
２１b、２２b、２３b 近距離無線用アンテナ
２１ｃ 近距離無線送受信部
２１ｄ 検波処理部
２１e 電池
３１〜３７ 電波分布
３８ 読取りエリア
４１ 台車
５０ ＲＦＩＤタグ
６０ 有線ケーブル
２１１ｃ マイコン
２１１ｄ ＢＰＦ
２１２ｃ 送受信部
２１２ｄ 検波ＩＣ

Claims (1)

1. 第１の周波数帯での電波を受信する第１のアンテナと、前記第１の周波数帯と異なる第２の周波数帯で通信する第２のアンテナとを備え、通信装置から送信される前記第１の周波数帯の電波を前記第１のアンテナで受信し、受信した電波の電波強度を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された電波強度を示す情報を前記第２のアンテナを介して、前記第２の周波数帯の無線で前記通信装置へ送信し、前記通信装置から前記第２の周波数帯の無線で送信される信号を前記第２のアンテナで受信する通信部を有することを特徴とする電波センサ。

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