JP6591017B1 - 無線センサ装置および無線センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】センサ制御部が無線通信部とオシレータを共有しない構成である無線センサ装置において、他の無線センサ装置との間でセンサ制御用のクロックを同期させる。【解決手段】本発明の一態様によれば、無線センサ装置は、第１、第２のオシレータと、第１、第２のクロック制御部と、割り込み発生部と、センサ制御部とを含む。第１のクロック制御部は、ハブ装置から第１の間隔で受信された無線信号に含まれる基準クロック値に基づいて、第１のオシレータのクロック信号に基づく第１のカウンタ値を補正する。割り込み発生部は、割り込み信号を第２の間隔で発生させる。第２のクロック制御部は、割り込み信号を受信する毎に第２の間隔に基づいて、第２のオシレータのクロック信号に基づく第２のカウンタ値を補正する。センサ制御部は、センサ値に関連付けられる時間データを第２のカウンタ値に基づいて生成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、無線センサ装置間の時間同期に関する。

物理的に離れた位置に設置された複数のセンサの時間を同期させることで、例えば同一時点に関連付けられる複数のセンサ値を識別することが可能となる。これにより、例えば、同一人物の同一時点における心電位データおよび脈波データなどの異なる生体データを対照することが可能となる。

従来、かかる時間同期は、例えば以下の２種類の技法により実現されてきた。第１の技法は、複数のセンサを単一のＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ）により実現されるセンサ制御部にケーブルを用いて接続し、当該センサ制御部によって集中的に処理を行うことである。この技法によれば、このＳｏＣに接続された単一のオシレータをベースクロックとして処理が行われるので、当該センサ制御部によって扱われるセンサデータ間に時間のずれは殆ど生じない。

特許文献１には、吸気圧センサ３などの各種センサ類に相当する物理量測定手段Ｍ１によって出力されるアナログデータを、回転各信号に相当するトリガ信号の検出タイミング毎に、ＡＤ変換器１７に相当するＡＤ変換手段Ｍ３へ転送することが開示されている。

第２の技法は、複数のセンサをそれぞれ無線通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）に接続し、例えば、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、などの汎用的な無線プロトコルを用いて同期用の無線信号をやり取りすることである。この技法によれば、物理的なケーブルを必要とせずに時間同期が可能となる。

特開昭６３−１９００８号公報 特表２０１４−５０４４８５号公報

前述の第１の技法によれば、複数のセンサをセンサ制御部に接続するためのケーブルが問題となり得る。例えば、複数の生体センサをユーザの身体の様々な部位に設置する場合に、ユーザはこれらのケーブルを煩わしく感じたり身体の動きを物理的に制限されたりすることがある。すなわち、複数の生体センサをユーザの身体の様々な部位に特に定常的に設置する場合に、ケーブルがユーザのＱｏＬ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｌｉｆｅ）を損なう一要因となり得る。また、ケーブルには、人体への影響が小さい素材であること、断線への耐性が高いこと、抵抗値が低いこと、などが要求され、これらに応えるためのコスト増も問題となる。

さらに、ＳｏＣに接続されるセンサの総数が、当該ＳｏＣに搭載されているインタフェースの数、例えば、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）のチャネル数などを超える場合には、複数のＳｏＣを併用する必要がある。この場合には、オシレータを共有化するなど、回路構成の複雑化を招く。

他方、第２の技法によれば、汎用的な無線プロトコルを用いて同期用の無線信号をやり取りすることになるが、かかる無線プロトコルの典型例である無線ＬＡＮおよびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）では、いずれもコンテンション方式の無線通信が行われるので、通信のレイテンシが不安定であるという問題がある。例えば、通信チャネルが混雑する環境下では、衝突が生じやすくなるのでレイテンシが大きくなりやすい。レイテンシが大きくなるほど、同期用の無線信号の到達タイミングは遅れるので、時間同期の精度は劣化することになる。

他方、かかるコンテンション方式の無線通信に代えて、通信の帯域が保証されるＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式の無線通信により同期用の無線信号をやり取りすれば、レイテンシを安定化させることは可能である。

特許文献２は、ＴＤＭＡベースの通信システムにおいて、基地局に同期信号をクライアントに送信させること、およびこの同期信号がクライアントに基地局クロックに従ってクロックを調節（例えば、リセット）させること、が開示されている。しかしながら、特許文献２は、あくまで無線通信用のクロックの同期手法を開示しているに過ぎない。故に、かかる同期手法を適用したとしても、センサ制御部と無線通信部とがオシレータを共有しない構成においてセンサ制御用のクロックを同期させることはできない。

本発明は、センサ制御部が無線通信部とオシレータを共有しない構成である無線センサ装置において、センサ制御用のクロックを他の無線センサ装置におけるセンサ制御用のクロックと同期させることを目的とする。

本発明の一態様によれば、無線センサ装置は、ハブ装置と無線接続する。無線センサ装置は、第１のオシレータと、第１のカウンタと、無線通信部と、第１のクロック制御部と、割り込み発生部と、第２のオシレータと、第２のカウンタと、第２のクロック制御部と、センサ制御部とを含む。第１のオシレータは、第１のクロック信号を発生する。第１のカウンタは、第１のクロック信号に基づいて第１のカウンタ値をカウントする。無線通信部は、第１のカウンタ値に同期して無線通信を行い、ハブ装置から基準クロック値を含む無線信号を第１の間隔で受信する。第１のクロック制御部は、基準クロック値に基づいて第１のカウンタ値を補正する。割り込み発生部は、第１の割り込み信号を第２の間隔で発生させる。第２のオシレータは、第２のクロック信号を発生する。第２のカウンタは、第２のクロック信号に基づいて第２のカウンタ値をカウントする。第２のクロック制御部は、第１の割り込み信号を受信する毎に第２の間隔に基づいて第２のカウンタ値を補正する。センサ制御部は、センサによる物理量の測定結果を表すセンサ値に関連付けられる時間データを第２のカウンタ値に基づいて生成し、センサ値および時間データを含むセンサデータを得る。

本発明の別の態様によれば、無線センサシステムは、ハブ装置と、ハブ装置に無線接続された複数の無線センサ装置とを含む。複数の無線センサ装置の各々は、第１のオシレータと、第１のカウンタと、無線通信部と、第１のクロック制御部と、割り込み発生部と、第２のオシレータと、第２のカウンタと、第２のクロック制御部と、センサ制御部とを含む。第１のオシレータは、第１のクロック信号を発生する。第１のカウンタは、第１のクロック信号に基づいて第１のカウンタ値をカウントする。無線通信部は、第１のカウンタ値に同期して無線通信を行い、ハブ装置から基準クロック値を含む無線信号を第１の間隔で受信する。第１のクロック制御部は、基準クロック値に基づいて第１のカウンタ値を補正する。割り込み発生部は、第１の割り込み信号を第２の間隔で発生させる。第２のオシレータは、第２のクロック信号を発生する。第２のカウンタは、第２のクロック信号に基づいて第２のカウンタ値をカウントする。第２のクロック制御部は、第１の割り込み信号を受信する毎に第２の間隔に基づいて第２のカウンタ値を補正する。センサ制御部は、センサによる物理量の測定結果を表すセンサ値に関連付けられる時間データを第２のカウンタ値に基づいて生成し、センサ値および時間データを含むセンサデータを生成する。

本発明によれば、センサ制御部が無線通信部とオシレータを共有しない構成である無線センサ装置において、センサ制御用のクロックを他の無線センサ装置におけるセンサ制御用のクロックと同期させることができる。

実施形態に係る無線センサ装置を例示するブロック図。 図１の無線センサ装置を含む無線センサシステムを例示する図。 図１の無線センサ装置におけるクロック補正の説明図。 図１の無線センサ装置におけるクロック補正の説明図。 図２中のハブ装置の動作を例示するフローチャート。 図１の無線センサ装置における第１のオシレータに関するクロック補正動作の一部を例示するフローチャート。 図１の無線センサ装置における第１のオシレータに関するクロック補正動作の残部を例示するフローチャート。 図１の無線センサ装置における第２のオシレータに関するクロック補正動作を例示するフローチャート。 複数の無線センサ装置に亘るＡ／Ｄ変換のタイミング同期の説明図。

以下、図面を参照しながら実施形態の説明を述べる。なお、以降、説明済みの要素と同一または類似の要素には同一または類似の符号を付し、重複する説明については基本的に省略する。例えば、複数の同一または類似の要素が存在する場合に、各要素を区別せずに説明するために共通の符号を用いることがあるし、各要素を区別して説明するために当該共通の符号に加えて枝番号を用いることもある。

（実施形態）
実施形態に係る無線センサ装置は、例えば図２に示す無線センサシステムに組み込むことができる。この無線センサシステムでは、スター型のネットワークトポロジーが採用されている。すなわち、この無線センサシステムにおいて、ハブ装置２００を中心に複数の無線センサ装置１００（ノード）が無線接続されている。無線センサ装置１００の詳細は後述する。

ハブ装置２００は、例えば、モバイル端末（例えば、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、スマートウォッチまたはその他のウェアラブルデバイス、など）、据え置き型のＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、などであり得るが、これらに限られない。また、ハブ装置２００は、その役割を除いて、無線センサ装置１００と同一または類似であってもよい。例えば、複数の無線センサ装置１００のいずれか１つがハブ装置２００として機能し得る。

ハブ装置２００は、少なくとも無線通信部およびオシレータを含む。オシレータは、クロック信号を発生する。無線通信部は、ＴＤＭＡ方式の無線通信を行い、このクロック信号に基づくクロック値を含む無線信号を所定の間隔で複数の無線センサ装置１００へブロードキャストする。さらに、無線通信部は、複数の無線センサ装置１００からセンサデータを受信してもよい。

ハブ装置２００に含まれるオシレータ、このオシレータによって生成されるクロック信号、およびこのクロック信号に基づくクロック値は、それぞれ基準オシレータ、基準クロック信号、および基準クロック値と呼ぶことができる。また、基準クロック値を含む無線信号、および当該無線信号の送信間隔は、それぞれビーコン信号、およびビーコン間隔と呼ぶことができる。

以下、図５を用いて、ハブ装置２００の動作を説明する。図５の動作は、例えば複数の無線センサ装置１００のクロック同期を伴う所定のアプリケーションの起動時、などに開始し得る。まず、ハブ装置２００の無線通信部は、ビーコン（送信）間隔を設定し（ステップＳ３０１）、処理はステップＳ３０２へ進む。

ステップＳ３０２において、ハブ装置２００の無線通信部は、基準クロック値を読み出す。続いて、この無線通信部は、ビーコン送信タイミングが到来したか否かをステップＳ３０２において読み出した基準クロック値に基づいて判定する（ステップＳ３０３）。ビーコン送信タイミングは、例えば前回のビーコン送信タイミングに、ステップＳ３０１において設定したビーコン間隔を加えることで導出可能である。ビーコン送信タイミングが到来したと判定されれば処理はステップＳ３０４へ進み、そうでなければ処理はステップＳ３０５へと進む。

ステップＳ３０４において、ハブ装置２００の無線通信部は、基準クロック値を含むビーコン信号を生成し、これを無線センサ装置１００に向けてブロードキャストする。ステップＳ３０４の後に、処理はステップＳ３０５へ進む。

ステップＳ３０５において、図５の動作を終了するか否かが判定される。図５の動作は、例えば上記アプリケーションの終了に連動して終了し得る。図５の動作を終了しない場合には、処理はステップＳ３０２へ戻る。

無線センサ装置１００は、図１に例示されるように、第１のオシレータ１０１と、第１のカウンタ１０２と、アンテナ１０３と、無線通信部１０４と、第１のクロック制御部１０５と、割り込み発生部１０６と、センサ１０７と、Ａ／Ｄ変換器１０８と、第２のオシレータ１０９と、第２のカウンタ１１０と、第２のクロック制御部１１１と、センサ制御部１１２とを含む。

無線センサ装置１００は、ハードウェア要素として、第１のＳｏＣ、第２のＳｏＣ、第１のオシレータ１０１、第１のカウンタ１０２、アンテナ１０３、センサ１０７、Ａ／Ｄ変換器１０８、第２のオシレータ１０９、および第２のカウンタ１１０を含む。

無線センサ装置１００は、例えば、血圧計、心電計、歩数計、体重計などのヘルスケア機器、生体センサを備えたモバイル機器などであってもよいし、生体センサ以外のセンサを備えた電子機器であってもよい。

第１のオシレータ１０１は、任意の発振回路、例えば水晶振動子などの固体振動子を接続した発振回路であり得る。第１のオシレータ１０１は、第１のクロック信号を発生し、これを第１のカウンタ１０２へ供給する。第１のクロック信号は、例えば定周期の方形波であり得る。第１のオシレータ１０１は、第１のＳｏＣに内蔵（搭載）されてもよいし、第１のＳｏＣに外付けされてもよい。

第１のカウンタ１０２は、第１のオシレータ１０１からの第１のクロック信号に基づいて第１のカウンタ値をカウントする。第１のカウンタ１０２は、第１のカウンタ値を無線通信部１０４および割り込み発生部１０６へ通知する。具体的には、第１のカウンタ１０２は、第１のクロック信号の立ち上りエッジまたは立下りエッジに応じて（同期して）、第１のカウンタ値をカウントアップするように構成された論理回路により実現され得る。第１のカウンタ１０２は、第１のＳｏＣに内蔵されてもよいし、第１のＳｏＣに外付けされてもよい。なお、第１のカウンタ１０２は、カウントアップの代わりにカウントダウンを行ってもよいが、以降の説明ではカウントアップを行うこととする。

また、第１のカウンタ１０２の起動／停止制御は、第１のクロック制御部１０５によって行われる。さらに、第１のカウンタ１０２によって保持される第１のカウンタ値は、第１のクロック制御部１０５によって書き換える（補正する）ことができる。

アンテナ１０３は、無線通信部１０４に接続される。アンテナ１０３は、ハブ装置２００などの外部装置によって送信された無線信号を受信して無線通信部１０４へ送ったり、逆に無線通信部１０４から供給された無線信号を外部装置へ送信したりする。アンテナ１０３は、第１のＳｏＣに内蔵されてもよいし、第１のＳｏＣに外付けされてもよい。

無線通信部１０４は、第１のカウンタ１０２によって通知される第１のカウンタ値に同期して無線通信を行う。無線通信部１０４は、アンテナ１０３を介して、例えば、ハブ装置２００から前述のビーコン信号を受信し、当該ビーコン信号に含まれる基準クロック値を再生し得る。この基準クロック値は、後述されるように、複数の無線センサ装置１００のそれぞれにおいて第１のカウンタ値の同期目標として使用される。無線通信部１０４は、基準クロック値を第１のクロック制御部１０５に通知する。なお、ビーコン信号はビーコン間隔毎に送信されるので、無線通信部１０４は周期的にビーコン信号を受信することができる。

他方、無線通信部１０４は、例えば、センサ制御部１１２からセンサデータを受け取り、アンテナ１０３を介して、当該センサデータをハブ装置２００へ送信し得る。これにより、ハブ装置２００は、複数の無線センサ装置１００からセンサデータを収集することができる。

無線通信部１０４は、かかる処理を実現するために、アナログ回路、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、およびデジタル信号処理部などを含む。アナログ回路、Ａ／Ｄ変換器、およびＤ／Ａ変換器は、それぞれ第１のＳｏＣに内蔵されてもよいし、第１のＳｏＣに外付けされてもよい。他方、デジタル信号処理部は、第１のＳｏＣに搭載されたプロセッサおよびメモリにより実現され得る。

プロセッサは、プログラムを実行することで後述される種々の処理を実現する。プロセッサは、典型的にはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）および／またはＧＰＵ(Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ)であるが、マイコン、ＦＰＧＡ(Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ)、またはＤＳＰ(Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ)、などであってもよい。

メモリは、プロセッサによって実行されるプログラムおよびプロセッサによって使用されるデータを一時的に格納し得る。メモリは、かかるプログラム／データが展開されるワークエリアを有するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を含み得る。

アナログ回路は、アンテナ１０３から無線信号を受け取り、低雑音増幅、フィルタリング、ダウンコンバージョンなどのアナログ信号処理を行って、処理済みのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器へ送る。Ａ／Ｄ変換器は、入力アナログ信号をデジタル信号へ変換し、デジタル信号処理部へ送る。デジタル信号処理部は、入力デジタル信号に復調、復号などのデジタル信号処理を行って、受信データを再生する。前述のビーコン信号の例では、受信データは基準クロック値を含み得る。

他方、デジタル信号処理部は、センサ制御部１１２または図示されないその他の要素から送信データ（例えば、センサデータを含む）を受け取り、符号化、変調などのデジタル信号処理を行って、処理済みのデジタル信号をＤ／Ａ変換器へ送る。Ｄ／Ａ変換器は、入力デジタル信号をアナログ信号へ変換し、アナログ回路へと送る。アナログ回路は、入力アナログ信号に、アップコンバージョン、フィルタリング、電力増幅などのアナログ処理を行って、処理済みのアナログ信号をアンテナ１０３へ送る。

第１のクロック制御部１０５は、第１のカウンタ１０２によって保持される第１のカウンタ値を制御する。第１のクロック制御部１０５は、第１のＳｏＣに搭載されたプロセッサ、メモリ、およびＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ／Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）などの入出力インタフェースにより実現され得る。

具体的には、第１のクロック制御部１０５は、無線通信部１０４から基準クロック値を受け取り、当該基準クロック値に基づいて第１のカウンタ１０２によって保持される第１のカウンタ値を補正する。例えば、第１のクロック制御部１０５は、基準クロック値によって第１のカウンタ値を書き換えてもよい。

また、第１のクロック制御部１０５は、第１のカウンタ１０２の起動／停止制御、および初期設定を行い得る。第１のクロック制御部１０５は、例えば、無線センサ装置１００がクロック同期モードに遷移した後の最初のビーコン信号の受信に応じて、第１のカウンタ１０２の初期設定を行い得る。ここでクロック同期モードとは、複数の無線センサ装置１００の間でクロック同期を行うための動作モードであり、例えばハブ装置２００において所定のアプリケーションが実行されたこと、無線センサ装置１００とハブ装置２００との無線接続が確立したこと、などをトリガに、無線センサ装置１００はクロック同期モードに遷移し得る。

具体的には、第１のクロック制御部１０５は、無線センサ装置１００がクロック同期モードに遷移した後の最初のビーコン信号に含まれる基準クロック値に基づいて第１のカウンタ値を補正する。さらに、第１のクロック制御部１０５は、第１のカウンタ値および後述される第２のカウンタ値の同期を開始する開始クロック値と、かかる同期を維持するために後述される割り込みを行う間隔を示す割り込み間隔とを割り込み発生部１０６に対して設定する。なお、この開始クロック値は、当該開始クロック値の設定時点における第１のカウンタ値よりも未来の時間を表すように定められる。そして、第１のクロック制御部１０５は、設定した開始クロック値および割り込み間隔を第２のクロック制御部１１１へ通知する。開始クロック値および割り込み間隔の通知は、第１のＳｏＣに搭載されたＵＡＲＴなどの入出力インタフェースを用いて行われる。

なお、図１の例では、第１のクロック制御部１０５は、第１のカウンタ１０２によって保持される第１のカウンタ値を直接的に補正しているが、第１のオシレータ１０１を制御することで第１のカウンタ値を間接的に補正してもよい。例えば、第１のオシレータ１０１が、その発振周波数を制御可能なオシレータである場合には、第１のクロック制御部１０５は当該発振周波数を制御してもよい。具体的には、第１のカウンタ値が基準クロック値に対して遅れている、すなわち図３に例示されるように第１のクロック信号の周期が基準クロック信号の周期に比べて大きい場合には、第１のクロック制御部１０５は、第１のオシレータ１０１の発振周波数を引き上げてもよい。逆に、第１のカウンタ値が基準クロック値に対して進んでいる場合には、第１のクロック制御部１０５は第１のオシレータ１０１の発振周波数を引き下げてもよい。

割り込み発生部１０６は、第１のクロック制御部１０５によって設定された開始クロック値および割り込み間隔に従って動作する。割り込み発生部１０６は、第１のＳｏＣに搭載されたプロセッサ、メモリ、およびＧＰＩＯ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）などの入出力インタフェースにより実現され得る。

具体的には、割り込み発生部１０６は、第１のカウンタ値が開始クロック値に到達したことを検知すると、（起動）割り込み信号を発生し、第２のクロック制御部１１１へ送信する。なお、割り込み信号の送信は、第１のＳｏＣに搭載されたＧＰＩＯなどの入出力インタフェースを用いて行われる。

その後、割り込み発生部１０６は、割り込み間隔毎に（同期）割り込み信号を発生し、第２のクロック制御部１１１へ送信する。すなわち、割り込み発生部１０６は、第１のカウンタ値が、開始クロック値と割り込み間隔の自然数倍との和に到達したタイミングで、割り込み信号を発生および送信することになる。

センサ１０７は、所定の物理量を測定し、測定結果を表す（アナログ）センシング信号を生成する。センサ１０７は、センシング信号をＡ／Ｄ変換器１０８へ送る。センサ１０７は、センサ制御部１１２によって、例えば測定条件などを制御され得る。センサ１０７は、血圧計、心電計などの生体センサであってもよいし、加速度センサ、ジャイロセンサ、歩数計などの動きセンサであってもよいし、温度センサ、湿度センサ、照度センサなどの環境センサであってもよい。センサ１０７は、第２のＳｏＣに内蔵されてもよいし、第２のＳｏＣに外付けされてもよい。

Ａ／Ｄ変換器１０８は、センサ１０７からセンシング信号を受け取り、これをアナログ／デジタル変換してセンサ値を生成する。Ａ／Ｄ変換器１０８は、センサ値をセンサ制御部１１２へ送る。Ａ／Ｄ変換器１０８は、第２のＳｏＣに内蔵されてもよいし、第２のＳｏＣに外付けされてもよい。

Ａ／Ｄ変換器１０８は、サンプリング周期に従って、センシング信号を周期的に取り込んでデジタル化する。このサンプリング周期は、センサ制御部１１２によって、第２のカウンタ値に基づいて制御される。すなわち、複数の無線センサ装置１００の間で、第２のカウンタ値が同期していたならば、例えば図９に示されるように、無線センサ装置１００−１に含まれるＡ／Ｄ変換器１０８−１と無線センサ装置１００−２に含まれるＡ／Ｄ変換器１０８−２との間でサンプリング周期（Δｆ）、すなわちセンシングデータのＡ／Ｄ変換タイミングを同期させることが可能となる。

なお、センサ１０７が、アナログのセンシング信号ではなくデジタルのセンシング信号（これは、上記センサ値に相当する）を出力する場合には、Ａ／Ｄ変換器１０８は省略され得る。

第２のオシレータ１０９は、第１のオシレータ１０１とは独立した、任意の発振回路、例えば水晶振動子などの固体振動子を接続した発振回路であり得る。第２のオシレータ１０９は、第２のクロック信号を発生し、これを第２のカウンタ１１０へ供給する。第２のクロック信号は、例えば定周期の方形波であり得る。第２のオシレータ１０９は、第２のＳｏＣに内蔵されてもよいし、第２のＳｏＣに外付けされてもよい。

第２のカウンタ１１０は、第２のオシレータ１０９からの第２のクロック信号に基づいて第２のカウンタ値をカウントする。第２のカウンタ１１０は、第２のカウンタ値をセンサ制御部１１２へ通知する。具体的には、第２のカウンタ１１０は、第２のクロック信号の立ち上りエッジまたは立下りエッジに応じて、第２のカウンタ値をカウントアップするように構成された論理回路により実現され得る。第２のカウンタ１１０は、第２のＳｏＣに内蔵されてもよいし、第２のＳｏＣに外付けされてもよい。なお、第２のカウンタ１１０は、カウントアップの代わりにカウントダウンを行ってもよいが、以降の説明ではカウントアップを行うこととする。

また、第２のカウンタ１１０の起動／停止制御は、第２のクロック制御部１１１によって行われる。なお、第２のカウンタ１１０は、無線センサ装置１００がクロック同期モードに遷移してから第２のクロック制御部１１１によって起動されるまでの間は停止状態とされ得る。さらに、第２のカウンタ１１０によって保持される第２のカウンタ値は、第２のクロック制御部１１１によって書き換える（補正する）ことができる。

第２のクロック制御部１１１は、第２のカウンタ１１０によって保持される第２のカウンタ値を制御する。第２のクロック制御部１１１は、第２のＳｏＣに搭載されたプロセッサ、メモリ、および入出力インタフェース（例えば、ＵＡＲＴ、ＧＰＩＯ、など）により実現され得る。

例えば、第２のクロック制御部１１１は、第１のクロック制御部１０５から例えばＵＡＲＴ経由で通知される開始クロック値に基づいて、第２のカウンタ１１０の初期設定を行い得る。具体的には、第２のクロック制御部１１１は、かかる通知に応じて、停止状態にある第２のカウンタ１１０によって保持される第２のカウンタ値（の初期値）を開始クロック値に書き換える。そして、第２のクロック制御部１１１は、割り込み発生部１０６から例えばＧＰＩＯ経由で（起動）割り込み信号を受信すると、第２のカウンタ１１０を起動する。これにより、第２のカウンタ値は、開始クロック値を起点としてカウントされることになる。

また、第２のクロック制御部１１１は、割り込み発生部１０６から例えばＧＰＩＯ経由で（同期）割り込み信号を受信する毎に、割り込み間隔に基づいて第２のカウンタ値を補正する。例えば、第２のクロック制御部１１１は、第２のカウンタ値の前回の補正値と割り込み間隔との和によって、第２のカウンタ値を書き換えてもよい。すなわち、第２のクロック制御部１１１は、第２のカウンタ値を、開始クロック値と割り込み間隔の自然数（これは、補正実施回数に等しい）倍との和に書き換え得る。

なお、図１の例では、第２のクロック制御部１１１は、第２のカウンタ１１０によって保持される第２のカウンタ値を直接的に補正しているが、第２のオシレータ１０９を制御することで第２のカウンタ値を間接的に補正してもよい。例えば、第２のオシレータ１０９が、その発振周波数を制御可能なオシレータである場合には、第２のクロック制御部１１１は当該発振周波数を制御してもよい。具体的には、第２のカウンタ値が基準クロック値に対して遅れている場合には、第２のクロック制御部１１１は、第２のオシレータ１０９の発振周波数を引き上げてもよい。逆に、第２のカウンタ値が基準クロック値に対して進んでいる場合には、第２のクロック制御部１１１は第２のオシレータ１０９の発振周波数を引き下げてもよい。

センサ制御部１１２は、Ａ／Ｄ変換器１０８からセンサ値を受け取り、当該センサ値に関連付けられる時間データ（タイムスタンプ）を生成し、これらセンサ値および時間データを含むセンサデータを得る。複数の異なる無線センサ装置１００の間で第２のカウンタ値が適切に同期されていれば、この時間データは、センサ値の測定日時をこれらの無線センサ装置１００の間で略同一の時間軸を基準に表現できる。この時間データは、例えば、センサ値の取得時点における第２のカウンタ値であってよい。センサ制御部１１２は、このセンサデータを無線通信部１０４へ送る。また、前述のように、センサ制御部１１２は、第２のカウンタ値に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１０８のサンプリング周期を制御し得る。センサ制御部１１２は、第２のＳｏＣに搭載されたプロセッサおよびメモリにより実現され得る。

以下、図６乃至図８を用いて、無線センサ装置１００の動作を説明する。図６および図７は、第１のオシレータ１０１に関するクロック補正動作例を示しており、図８は、第２のオシレータ１０９に関するクロック補正動作例を示している。まずは図６および図７の動作を説明する。図６および図７の動作は、無線センサ装置１００がクロック同期モードに遷移したことをトリガに開始し得る。

まず、無線通信部１０４は、ビーコン（受信）間隔を設定し（ステップＳ４０１）、ビーコン信号を待ち受ける（ステップＳ４０２）。ビーコン信号が受信されなかった場合には、処理は図７のステップＳ４０９へ進む。他方、ビーコン信号が受信された場合には、（図６の動作開始後の）初めての受信であるか否かが判定される（ステップＳ４０３）。初めての受信である場合には処理はステップＳ４０４へ進み、２回目以降の受信である場合には処理はステップＳ４０８へ進む。

ステップＳ４０４において、第１のクロック制御部１０５は、第１のカウンタ１０２の初期設定を行う。例えば、第１のクロック制御部１０５は、受信したビーコン信号に含まれる基準クロック値に基づいて第１のカウンタ値を補正し得る。

次に、第１のクロック制御部１０５は、開始クロック値および割り込み間隔を割り込み発生部１０６に対して設定するとともに、設定した開始クロック値および割り込み間隔を第２のクロック制御部１１１へ通知する（ステップＳ４０５）。ステップＳ４０５の後に処理はステップＳ４０６へ進む。

ここで、割り込み間隔は、ビーコン間隔とは独立に決定することができる。割り込み間隔が短いほど、第１のカウンタ値と第２のカウンタ値との同期のずれを抑制することができる。例えば、第２のオシレータ１０９の精度が第１のオシレータ１０１の精度（一般的には±１０〜２０ｐｐｍ以内程度）に比べて低い場合には、割り込み間隔を十分に小さな値に設定することで、センサデータに含められる時間データの誤差を許容範囲に収めることができる。また、割り込み間隔は、複数の無線センサ装置１００の間で異なっていてもよい。故に、複数の無線センサ装置１００間で、第２のオシレータ１０９の精度、時間データの許容誤差範囲、などにばらつきがある場合には、それぞれの無線センサ装置１００において個別に適切な割り込み間隔を設定することで、要求される同期の精度と同期処理の負荷とのバランスを取ることができる。

図４は、割り込み間隔をビーコン間隔の半分に設定した場合に、第１のカウンタ値および第２のカウンタ値の補正がどのように行われるかを例示する。図４の例では、第１のカウンタ値はビーコン間隔（Ｉ１）毎に補正され、第２のカウンタ値は割り込み間隔（Ｉ２＝Ｉ１／２）毎に補正される。このように、割り込み間隔を小さく設定することで、第２のカウンタ値は頻繁に第１のカウンタ値に一致するよう補正されるので、第２のオシレータ１０９の精度が低い場合であっても、第１のカウンタ値と第２のカウンタ値との乖離を抑制することができる。換言すれば、第２のオシレータ１０９に要求される精度を緩和することができるので、低コスト化が可能である。

ステップＳ４０６において、割り込み発生部１０６は、第１のカウンタ値がステップＳ４０５において設定された開始クロック値に到達するのを待ち受ける。第１のカウンタ値が開始クロック値に到達すると処理はステップＳ４０７へ進む。

ステップＳ４０７において、割り込み発生部１０６は、（起動）割り込み信号を発生し、第２のクロック制御部１１１へ送信する。ステップＳ４０７の後に、処理は図７のステップＳ４０９へ進む。

ステップＳ４０８において、第１のクロック制御部１０５は、受信したビーコン信号に含まれる基準クロック値に基づいて第１のカウンタ値を補正する。例えば、第１のクロック制御部１０５は、基準クロック値によって第１のカウンタ値を書き換え得る。ステップＳ４０８の後に、処理は図７のステップＳ４０９へ進む。

図７のステップＳ４０９において、割り込み発生部１０６は、割り込みタイミングが到来したか否かを判定する。割り込みタイミングは、例えば前回の割り込みタイミングに図６のステップＳ４０５において設定された割り込み間隔を加えることで導出可能である。割り込みタイミングが到来したならば処理はステップＳ４１０へ進み、そうでなければ処理はステップＳ４１１へ進む。

ステップＳ４１０において、割り込み発生部１０６は、（同期）割り込み信号を発生し、第２のクロック制御部１１１へ送信する。ステップＳ４１０の後に、処理はステップＳ４１１へ進む。

ステップＳ４１１において、図６および図７の動作を終了するか否かが判定される。この動作は、例えばハブ装置２００からの終了指示、必要なセンサデータの送出完了、などをトリガとして終了し得る。図６および図７の動作を終了しない場合には、処理は図６のステップＳ４０２へ戻る。

次に図８の動作を説明する。図８の動作は、無線センサ装置１００がクロック同期モードに遷移したことをトリガに開始し得る。図８の動作が開始すると、処理はステップS５０１へ進む。

ステップＳ５０１において、第２のクロック制御部１１１は、第１のクロック制御部１０５から開始クロック値・割り込み間隔が通知されるのを待ち受ける。なお、この通知は、図６のステップＳ４０５において行われる。開始クロック値・割り込み間隔が通知されると、処理はステップＳ５０２へ進む。

ステップＳ５０２において、第２のクロック制御部１１１は、第２のカウンタ１１０（停止状態）によって保持される第２のカウンタ値を、通知された開始クロック値に書き換える。ステップＳ５０２の後に、処理はステップＳ５０３へ進む。

ステップＳ５０３において、第２のクロック制御部１１１は、割り込み発生部１０６から（起動）割り込み信号を受信するのを待ち受ける。なお、この割り込み信号は、図６のステップＳ４０７において送信される。割り込み信号を受信すると、処理はステップＳ５０４へ進む。

ステップＳ５０４において、第２のクロック制御部１１１は、第２のカウンタ１１０を起動する。これにより、第１のカウンタ１０２および第２のカウンタ１１０はそれぞれ、第１のカウンタ値および第２のカウンタ値を略同タイミングで同一の値（これは、開始クロック値に等しい）からカウントすることができる。ステップＳ５０４の後に、処理はステップＳ５０５へ進む。

ステップＳ５０５において、第２のクロック制御部１１１が割り込み発生部１０６から（同期）割り込み信号を受信すれば処理はステップＳ５０６へ進み、受信しなければ処理はステップＳ５０７へ進む。なお、この割り込み信号は、図６のステップＳ４１０において送信される。

ステップＳ５０６において、第２のクロック制御部１１１は、ステップＳ５０１において通知された割り込み間隔に基づいて、第２のカウンタ値を補正する。例えば、第２のクロック制御部１１１は、第２のカウンタ値の前回の補正値と割り込み間隔との和によって、第２のカウンタ値を書き換え得る。ステップＳ５０６の後に、処理はステップＳ５０７へと進む。

ステップＳ５０７において、図８の動作を終了するか否かが判定される。この動作は、例えばハブ装置２００からの終了指示、必要なセンサデータの送出完了、などをトリガとして終了し得る。図８の動作を終了しない場合には、処理はステップＳ５０５へ戻る。

以上説明したように、実施形態に係る無線センサ装置は、センサ制御部が無線通信部とオシレータを共有しない構成を採用しており、ハブ装置から周期的に受信する無線信号に含まれる基準クロック値に基づいて、無線通信部用のオシレータに関するクロック補正を行う。また、この無線センサ装置は、この無線信号の送信間隔とは独立に設定可能な間隔で周期的に割り込み信号を発生し、当該割り込み信号をトリガとしてセンサ制御部用のオシレータに関するクロック補正を行う。従って、この無線センサ装置によれば、センサ制御用のクロックを他の無線センサ装置におけるセンサ制御用のクロックと同期させることが可能となる。

上述の実施形態は、本発明の概念の理解を助けるための具体例を示しているに過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図されていない。実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々な構成要素の付加、削除または転換をすることができる。

上述の実施形態では、いくつかの機能部を説明したが、これらは各機能部の実装の一例に過ぎない。例えば、１つの装置に実装されると説明された複数の機能部が複数の別々の装置に亘って実装されることもあり得るし、逆に複数の別々の装置に亘って実装されると説明された機能部が１つの装置に実装されることもあり得る。

上記各実施形態において説明された種々の機能部は、回路を用いることで実現されてもよい。回路は、特定の機能を実現する専用回路であってもよいし、プロセッサのような汎用回路であってもよい。

上記各実施形態の処理の少なくとも一部は、例えば汎用のコンピュータに搭載されたプロセッサを基本ハードウェアとして用いることでも実現可能である。上記処理を実現するプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納して提供されてもよい。プログラムは、インストール可能な形式のファイルまたは実行可能な形式のファイルとして記録媒体に記憶される。記録媒体としては、磁気ディスク、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等）、光磁気ディスク（ＭＯ等）、半導体メモリなどである。記録媒体は、プログラムを記憶でき、かつ、コンピュータが読み取り可能であれば、何れであってもよい。また、上記処理を実現するプログラムを、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ（サーバ）上に格納し、ネットワーク経由でコンピュータ（クライアント）にダウンロードさせてもよい。

１００・・・無線センサ装置
１０１・・・第１のオシレータ
１０２・・・第１のカウンタ
１０３・・・アンテナ
１０４・・・無線通信部
１０５・・・第１のクロック制御部
１０６・・・割り込み発生部
１０７・・・センサ
１０８・・・Ａ／Ｄ変換器
１０９・・・第２のオシレータ
１１０・・・第２のカウンタ
１１１・・・第２のクロック制御部
１１２・・・センサ制御部
２００・・・ハブ装置

Claims (5)

1. ハブ装置と無線接続する無線センサ装置であって、
   第１のクロック信号を発生する第１のオシレータと、
   前記第１のクロック信号に基づいて第１のカウンタ値をカウントする第１のカウンタと、
   前記第１のカウンタ値に同期して無線通信を行い、前記ハブ装置から基準クロック値を含む無線信号を第１の間隔で受信する無線通信部と、
   前記基準クロック値に基づいて前記第１のカウンタ値を補正する第１のクロック制御部と、
   第１の割り込み信号を第２の間隔で発生させる割り込み発生部と、
   第２のクロック信号を発生する第２のオシレータと、
   前記第２のクロック信号に基づいて第２のカウンタ値をカウントする第２のカウンタと、
   前記第１の割り込み信号を受信する毎に前記第２の間隔に基づいて前記第２のカウンタ値を補正する第２のクロック制御部と、
   センサによる物理量の測定結果を表すセンサ値に関連付けられる時間データを前記第２のカウンタ値に基づいて生成し、前記センサ値および前記時間データを含むセンサデータを得るセンサ制御部と
   を具備し、
   前記第２のカウンタは、前記無線センサ装置が前記第１のカウンタ値の同期処理および第２のカウンタ値の同期処理を行うクロック同期モードに遷移してから前記第２のクロック制御部によって起動されるまでの間は停止状態にあり、
   前記第１のクロック制御部は、前記無線センサ装置が前記クロック同期モードに遷移した後の最初の前記無線信号の受信に応じて、開始クロック値および前記第２の間隔を設定し、設定した開始クロック値および第２の間隔を前記第２のクロック制御部に通知し、
   前記第２のクロック制御部は、前記開始クロック値および第２の間隔の通知に応じて前記第２のカウンタ値を前記開始クロック値に書き換え、
   前記割り込み発生部は、前記第１のカウンタ値が前記開始クロック値に到達したことを検知すると、第２の割り込み信号を発生し、
   前記第２のクロック制御部は、前記第２の割り込み信号の受信に応じて、前記第２のカウンタを起動する、
   無線センサ装置。
2. アナログ／デジタル変換器をさらに具備し、
   前記センサは、前記物理量の測定結果を表すセンシング信号を生成し、
   前記アナログ／デジタル変換器は、前記センシング信号をアナログ／デジタル変換して前記センサ値を生成し、
   前記センサ制御部は、前記アナログ／デジタル変換器のサンプリング周期を前記第２のカウンタ値に基づいて制御する、
   請求項１に記載の無線センサ装置。
3. 前記第２のクロック制御部は、前記第１の割り込み信号を受信する毎に、前記第２のカウンタ値を、前記開始クロック値と前記第２の間隔の自然数倍との和に書き換える、請求項１に記載の無線センサ装置。
4. ハブ装置と、
   前記ハブ装置に無線接続された複数の無線センサ装置と
   を具備し、
   前記複数の無線センサ装置の各々は、
   第１のクロック信号を発生する第１のオシレータと、
   前記第１のクロック信号に基づいて第１のカウンタ値をカウントする第１のカウンタと、
   前記第１のカウンタ値に同期して無線通信を行い、前記ハブ装置から基準クロック値を含む無線信号を第１の間隔で受信する無線通信部と、
   前記基準クロック値に基づいて前記第１のカウンタ値を補正する第１のクロック制御部と、
   第１の割り込み信号を第２の間隔で発生させる割り込み発生部と、
   第２のクロック信号を発生する第２のオシレータと、
   前記第２のクロック信号に基づいて第２のカウンタ値をカウントする第２のカウンタと、
   前記第１の割り込み信号を受信する毎に前記第２の間隔に基づいて前記第２のカウンタ値を補正する第２のクロック制御部と、
   センサによる物理量の測定結果を表すセンサ値に関連付けられる時間データを前記第２のカウンタ値に基づいて生成し、前記センサ値および前記時間データを含むセンサデータを生成するセンサ制御部と
   を含み、
   前記複数の無線センサ装置の各々において、
   前記第２のカウンタは、前記無線センサ装置が前記第１のカウンタ値の同期処理および第２のカウンタ値の同期処理を行うクロック同期モードに遷移してから前記第２のクロック制御部によって起動されるまでの間は停止状態にあり、
   前記第１のクロック制御部は、前記無線センサ装置が前記クロック同期モードに遷移した後の最初の前記無線信号の受信に応じて、開始クロック値および前記第２の間隔を設定し、設定した開始クロック値および第２の間隔を前記第２のクロック制御部に通知し、
   前記第２のクロック制御部は、前記開始クロック値および第２の間隔の通知に応じて前記第２のカウンタ値を前記開始クロック値に書き換え、
   前記割り込み発生部は、前記第１のカウンタ値が前記開始クロック値に到達したことを検知すると、第２の割り込み信号を発生し、
   前記第２のクロック制御部は、前記第２の割り込み信号の受信に応じて、前記第２のカウンタを起動する、
   無線センサシステム。
5. 前記複数の無線センサ装置は、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式で前記ハブ装置と無線通信を行う、請求項４に記載の無線センサシステム。