JP5464417B2 - 無線活動量センサ端末およびセンサネットワークシステム - Google Patents

Description

本発明は家畜などの動物に取り付けて、動物集団の健康をモニタするために好適に使用しうる技術に関し、特に、無線センサ端末及びこれを利用したセンサネットワークシステムに関する。

数年前の牛ＢＳＥの出現や鳥インフルエンザの流行などを契機に、家畜や野生動物の健康状態をモニタすることへの必要性が提起されるようになってきたが、最近は、豚インフルエンザが人間に感染し、世界的大流行に至ったこともあって、その関心はますます高まってきているようである。

豚舎や鶏舎など、飼育場で飼われている家畜の頭数は、一般に非常に多い。もちろん、例えば管理区域内などに生息する動物の頭数も非常に多い。したがって、動物を一頭一頭（一羽一羽）手作業で検査することは、事実上困難である。そこで、例えば特開２００７−３０６８０４号公報に記載のように、家畜にセンサ端末を取り付け、無線でデータを収集して分析しようとする提案がなされてきた。

かかる目的に使用されるセンサ端末は、動物の健康状態に関する情報を継続的にセンシングし、得られた情報を無線で送信できなければならない。しかし、多数の動物へ多数の端末を取り付けることになるので、バッテリ交換の頻度が高くなると、保守・交換作業の負担が過大となり、結果的に管理を継続することをあきらめざるを得ない事態を招きかねない。従って、動物の健康管理に使用するセンサは、バッテリの交換を必要とせずとも長期間動作しうるものではなくてはならない。

一方、センサ端末を取り付けても動物がなるべくストレスを感じないようにするためには、センサ端末は、できるだけ小型・軽量であることが望ましい。さらに、モニタしようとする動物の数が増えるほど、多数のセンサが必要となるので、センサの価格もできるだけ低く抑えたい。

特開２００７−３０６８０４号公報

上記のように、動物集団の健康管理用センサ端末には、小型・軽量・安価に製作されることができ、且つ、バッテリ交換なしで、長期間、情報のセンシングと無線送信を行うことができることが望ましいという、非常に難易度の高い要求が掲げられる。

本発明は、これらの要求のうち少なくとも１つ以上に対する解決手段となりうる技術を開発しようとしてなされたものである。

本明細書に開示される新規な構成の１つは、圧電素子と、交直流変換回路を介して前記圧電素子に接続されるコンデンサと、入力部が前記コンデンサに接続されるＣＭＯＳ論理反転回路とを備えることを特徴とする。

よく知られているように、圧電素子の圧電体は、変形を受けると電圧を生じるという性質を有する。そこで、交直流変換回路を介して圧電素子にコンデンサを接続することにより、圧電素子の起電力によってコンデンサに電荷を蓄積することができる。電荷の蓄積によってコンデンサの極間電圧がＣＭＯＳ論理反転回路のしきい値電圧を超えると、ＣＭＯＳ論理反転回路の出力端子における電圧が変化する。従って、この電圧変化を利用することにより、上記の構成をセンサとして利用することができる。しかも、コンデンサへの蓄電は、外部からの電力の供給を全く必要とせずに行われ、ＣＭＯＳ論理反転回路の動作もほとんど電力を消費しないので、この構成は省電力性に極めて優れている。

本明細書に開示される無線センサ端末は、前記ＣＭＯＳ論理反転回路の出力電圧の変化をトリガとして信号送信を行うように構成される無線送信回路とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、前記コンデンサに所定の電荷が蓄積してその極間電圧がＣＭＯＳ論理反転回路のしきい値電圧を超えるまでは、無線送信回路を動作させる必要がない。そのため、無線送信回路に関する消費電力も、非常に少なくてすむ。通常よく見られる構成では、無線端末のクロックは、少なくとも動作させておかねばならないが、上記の構成によれば、ＣＭＯＳ論理反転回路の出力電圧の変化があったときだけ回路を動作させるという、イベントドリブン型の構成であるため、消費電力を著しく削減することができる。

すなわち、上記の構成によれば、無電力で動作しうるセンサ回路と、イベントドリブン型の送信回路により、極めて省電力性に優れた無線センサ端末が実現できる。

生体の運動で生じた加速度は、センサ内部の質量体に慣性力を与える。
この慣性力を圧電体に加えると、慣性力に比例した起電力が誘起される。
この起電力は、圧電体が持つ静電容量に充電され、電圧を生じる。
この電圧が加速度に比例する。
これが圧電型加速度センサの原理である。

一方、活性量センサ（＝消費カロリーセンサ、運動エネルギーセンサ、振動発電と呼んでも良い。）は、下記となる。
生体の運動で生じた加速度は、センサ内部の質量体に慣性力を与える。
この慣性力を圧電体に加えると、慣性力に比例した起電力が誘起される。
この起電力を直流化し別に設けた静電容量に蓄積（＝積分）する。
この行為は発電電力の蓄積である。
この蓄積された静電容量の両端電位差の２乗は、蓄積された電力と比例する。
従って、両端電位差の２乗は、生体の活性量と比例する。

このセンサは、起電力を測定するセンサの為、測定対象体の加速度と振幅の積、即ち、測定対象体のエネルギー消費量に比例する。従って、従来の加速度センサではなく、運動量もしくは活性量センサと出来る。例えば、測定対象体が人間や動物である場合、これらの消費カロリー量を同定することが可能である。

無線センサ端末には、用途に応じて様々なセンサを搭載することができるが、例えば温度センサを搭載することができる。温度は、生体の健康状態の判断に有益な情報である。

しかしながら、この温度情報は、別の用途にも用いられうる。一般に、ＣＭＯＳ論理反転回路の消費電力は、ほぼゼロである優れた特徴を持つ。しかし、ＣＭＯＳ論理反転回路の閾値は、温度特性を持ち、温度変化により測定誤差をもたらす。この誤差は、温度が分かれば補正可能である。そこで、無線センサ端末の送信データに温度の情報が含められていれば、受信機側で、ＣＭＯＳ論理反転回路の閾値の変化を計算にて求めることが可能となり、誤差を補正することができる。従って、温度センサは、上記の無線センサ端末が搭載すべきセンサとして好ましいものの１つである。また、受信機も、温度情報により上記の誤差補正が可能なように構成されていることが好ましい。

上記の無線センサ端末は、コンデンサに所定の電荷が蓄積される度に送信を行うので、その送信頻度は、センサ部に加えられた振動の積分、すなわち、無線センサ端末が装着された測定対象物の活動量（運動量）を反映している。従って、例えば活動量を反映して送信頻度が変化する、新しいタイプの無線センサ端末が提供される。

あるいは、センサ端末からの信号の受信頻度によって生体の活動量を測定する、新しいタイプの測定法が実現されたとも言える。この観点から、本明細書には、活動物体の活動量に関する情報を作成する装置の動作方法も開示される。この方法は、無線センサ端末から送信された信号を受信する段階、ただし前記無線センサ端末は、振動により発生したエネルギーの蓄積量が所定値に達する度に無線信号を放出する端末である、前記受信する段階と；前記無線センサ端末から放出される信号の単位時間当たりの受信回数に基づいて、前記無線センサ端末が装着された活動物体の活動量に関する情報を構成する段階と；を含む。

前述のように、本発明は、動物集団の健康管理に適する技術を開発しようとしてなされた発明であるが、開発された発明は、動物集団の健康管理という目的に限らず、様々な分野へ適用が可能である。

更なる技術的課題や新規な構成、新規な効果を、添付図面とモデル実施例を用いて以下に説明する。

本明細書で例示するセンサネットワークシステム１００の概要を説明するための図である。 センサネットワークシステム１００の構成要素である無線センサ端末１０２の概要を説明するための図である。 無線センサ端末１０２の構成要素である振動センサ２０２の回路構成の例を説明するための図である。 無線センサ端末１０２の構成要素である振動センサ２０２の回路構成の例を説明するための図である。 無線センサ端末１０２の構成要素である送信機２０４の回路構成の例を説明するための図である。 送信機２０４の動作をまとめたフローチャートである。 センサネットワークシステム１００の構成要素である受信装置１０４の概要を説明するための図である。 受信装置１０４の受信動作の一つの側面を説明するための図である。 無線センサ端末１０２が送信する信号のデータ形式の一例を説明するための図である。 受信装置１０４の受信動作の別の側面を説明するための図である。

図１は、以下に詳細に説明するセンサネットワークシステム１００の概要を説明するための図である。センサネットワークシステム１００は、複数の無線センサ端末１０２と、少なくとも一つの受信装置１０４を有する。無線センサ端末１０２には各種のセンサが組み込まれ、測定したデータを無線媒体１０６を用いて受信装置１０４へ送信するように構成される。このようなセンサネットワークシステムは、様々な設備の遠隔監視に幅広く利用されているが、また、生物の遠隔監視にも利用することができる。センサネットワークシステムを利用した動物健康管理システムの一例が、特開２００７−３０６８０４号公報に記載されている。以下に説明されるように、本明細書で紹介されるセンサネットワークシステム１００も、家畜などの監視に特に好適に設計されている。むろん、センサネットワークシステム１００の利用分野が動物の監視に限られるわけではない。

無線センサ端末１０２は、人間や動物が長時間違和感なく装着し続けられるように、小型且つ軽量に構成されることが望ましい。より好適には、ニワトリなどの小型鳥獣に対しても装着可能なほどに小型化・軽量化されることが好ましい。また、無線センサ端末１０２を装着する個体が多数に登る場合、バッテリ交換の頻度は少なければ少ないほど管理者の作業量が減少して便利であるので、消費電力もできるだけ少ないことが望ましい。以下に説明するように、無線センサ端末１０２には、消費電力をできるだけ抑えるための様々な工夫が施されている。

受信装置１０４は、センサネットワークシステム１００に少なくとも１つ備えられ、複数の無線センサ端末１０２からのデータを受信する。受信装置１０４は、受信したデータを単体で解析しうるコンピュータ装置であることができ、実施形態によっては、解析結果を内蔵または外付けのディスプレイに表示したり、プリンタに印刷したり、ＵＳＢメモリやＣＤ−Ｒなどのリムーバブルメディアに出力したり、各種のインタフェースを通じて外部のコンピュータへ送信したりするように構成されることができる。別の実施形態においては、受信装置１０４は、受信したデータを解析せずに（またはある程度の解析を施して）、他のコンピュータへ送信する装置であってもよい。そこで、受信装置１０４は、有線又は無線によって、コンピュータ・ネットワークシステムへ接続されていてもよい。

図２は、無線センサ端末１０２の構成の概要を説明するための図である。無線センサ端末１０２は、振動センサ２０２，送信機２０４，送信機２０４により形成された送信信号を放射するためのアンテナ２０６，無線センサ端末１０２の各要素に電力を供給するためのバッテリ２０８などを備えている。振動センサ２０２は、本明細書で初めて開示される新規な構成を有しており、後に説明されるように、振動が一定量積み上がると、電圧検出端子の電圧が変化するように構成される。この電圧変化を送信機２０４が検出しうるようにするために、振動センサ２０２と送信機２０４とは、電圧検出ライン２１２を介して接続されている。また、後に説明されるように、振動センサ２０２は、ほぼ無電力で動作し、且つ発電機能をも有している。そこで、その発電された電力を送信機２０４が利用しうるようにするために、振動センサ２０２と送信機２０４とは、電力供給ライン２１４を介しても接続される。

実施形態によっては、無線センサ端末１０２には、振動センサ２０２の他にも、要求に応じて様々なセンサを搭載することができる。もちろん、実施形態によっては、振動センサ２０２以外のセンサは搭載されない場合もある。ここで紹介する実施例においては、図示される通り、無線センサ端末１０２には温度センサ２２０が搭載されている。

図３Ａは、振動センサ２０２における、振動検出のための回路構成を説明するための図である。振動センサ２０２は圧電素子３０２を有する。よく知られているように、圧電体は、力が加えられると電圧を生じる性質を有しており、圧電素子は、この性質を利用して、力を電気的な信号として捉えうるように構成した素子である。圧電素子の最も簡単な構造の一つは、圧電体の板を２枚の電極で挟んだ構造である。圧電素子は振動により変形しやすい形状を有することが好ましいが、このような目的によく知られた構造には、例えば、両面に導電膜を形成した細長の圧電体板の一端を固定して、片持ち梁状に形成したものがある。このような形状の圧電素子は、既知のＭＥＭＳ製造プロセスを利用して、非常に小さく形成することができる。圧電素子にはさまざまな構造が知られているので、必要に応じて適当な構造を選択することができる。圧電素子は、外部から電力を加えることなく電圧を生じうるので、すなわち消費電力ゼロで電圧を生じるので、圧電素子の採用は、振動センサ２０２の省電力性に大きく貢献する。

圧電素子３０２は、ダイオード３０４及び３０６からなる交直流変換回路を介して、コンデンサ３０８に並列に接続される。また、コンデンサ３０８の一方の電極の側には、ＣＭＯＳ論理反転回路３１０の入力部を接続する。

振動に応じて圧電素子３０２に生じる電圧は、圧電素子３０２が変形する方向に応じて極性が反転するので、交流的にならざるを得ない。すなわち圧電素子３０２によって生じる電流は交流であるが、ダイオード３０４及び３０６によって、電流が一定方向にしか流れないようにされるため、圧電素子３０２が振動を受けるにつれ、コンデンサ３０８には徐々に電荷が蓄積される。そこで、ＣＭＯＳ論理反転回路３１０に予め電圧をかけておくと、コンデンサ３０８に蓄積される電荷がある量を超えた時点で、ＣＭＯＳ論理反転回路３１０への入力電圧が閾値を超え、ＣＭＯＳ論理反転回路３１０の出力部３１２の電圧が変化（反転）する。つまり、この電圧の変化により、圧電素子３０２にある量の振動が生じたことを知ることができる。

なお、ダイオード３０４及び３０６からなる図示した整流回路以外にも、４つのダイオードを用いたダイオード・ブリッジなど、様々な整流回路が知られているので、図示した構成に変えてそれらを用いてもよいことは言うまでもない。

コンデンサ３０８に所定の量の電荷が蓄積されるまで、ＣＭＯＳ論理反転回路３１０の出力部３１２の電圧が変化しないことから、振動センサ２０２は、積分型のセンサと言えるだろう。また、ＣＭＯＳ論理反転回路３１０に予め電圧をかけておかなければならないとはいえ、電圧をかけておくだけでは電力の消費は発生せず、また、出力電圧の反転自体も原理的には電力を必要としないので、振動センサ２０２は殆ど電力を消費しない。実際には、出力電圧の反転時に流れる電流などの影響により、回路にジュール熱が発生するので、そこで電力が消費されるが、その影響は微々たるものである。数百メガヘルツの頻度で電圧スイッチングが行われる、コンピュータ用のプロセッサなどでは、ジュール熱の影響が甚大になるが、振動センサ２０２ではせいぜい１０Ｈｚのオーダーであろうから、その影響は非常に小さくなる。したがって、図３Ａのセンサ回路は、非常に消費電力が小さい、省電力性に極めて優れたセンサ回路となっている。

加えて、コンデンサ３０８には電荷が蓄積されるため、これを有効利用することにより、振動センサ２０２は、発電機としての機能も提供することになる。コンデンサ３０８に蓄積された電荷を利用するための回路の一例を、図３Ｂに示す。図３Ｂにおいて、図３Ａに示した回路と同じ要素には、同じ符号を付して説明を省略する。図３Ａに示した回路との大きな相違点は、スイッチ３２６を介して、コンデンサ３０８に並列にコンデンサ３２８が接続されていることである。スイッチ３２６をオンにすることにより、コンデンサ３０８に蓄積された電荷をコンデンサ３２８に転送することができる。したがって、コンデンサ３２８の容量は、コンデンサ３０８の容量よりもかなり大きいものであることが好ましい。

スイッチ３２６の開閉を制御するため、スイッチ３２６としてｐチャネルＭＯＳＦＥＴを使用すると共に、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴに単安定マルチバイブレータ３２４を接続し、さらにＣＭＯＳ論理反転回路３１０にもう１つＣＭＯＳ論理反転回路３２２を直列に接続し、その出力を単安定マルチバイブレータ３２４に接続する。この構成によれば、コンデンサ３０８の極間の電圧がＣＭＯＳ論理反転回路３１０のしきい値電圧を超えると、ＣＭＯＳ論理反転回路３１０の出力電圧がＨｉｇｈからＬｏｗに変化し、それに応じてＣＭＯＳ論理反転回路３２２の出力端子３２３の電圧がＬｏｗからＨｉｇｈに変化する。単安定マルチバイブレータ３２４は、この電圧変化に応じてパルスを１つ出力するように構成される。このパルスがｐチャネルＭＯＳＦＥＴによるスイッチ３２６を所定時間オンにし、コンデンサ３０８からコンデンサ３２８への電荷の転送が行われる。

また、コンデンサ３０８からコンデンサ３２８への電荷の転送が行われることにより、コンデンサ３０８の電荷がクリアされ、ＣＭＯＳ論理反転回路３１０並びに３２２の出力電圧も元に戻る。これによって、振動センサ２０２は、新たに加えられた振動を、コンデンサ３０８への電荷の蓄積という形で、再び記憶し始めることが可能となる。

図２に描かれている電力供給ライン２１４は、スイッチ３２６とコンデンサ３２８との間に設けられる端子３２７に接続されている。この端子３２７を通じて、図２の送信機２０４は、コンデンサ３２８に蓄積された電荷を利用することができる。なお、図２に描かれている電圧検出ライン２１２は、ＣＭＯＳ論理反転回路３２２の出力電圧を反映する位置に設けられる端子３２３に接続される。したがって、送信機２０４は、端子３２３の電圧の電圧変化を、信号送信のトリガとして利用することができる。

以上の説明で明らかなように、振動センサ２０２は、電力を殆ど消費せずに振動があったことの情報を提供できるだけでなく、外部に電力を供給しうる発電機としての機能も有する。したがって、極めて省電力性に優れたセンサであると言える。また、これまで説明してきた回路や素子は、既知のＭＥＭＳ製造プロセスや半導体製造プロセスを用いて、容易に、また非常に小さく作ることができる。これらの利点のため、振動センサ２０２は、小型・軽量・低消費電力に対する要求が極めて厳しい、無線センサ端末へ組み込む用途に非常に適している。

次に、図４を用いて、図２に描かれている送信機２０４の回路構成を説明する。送信機２０４は、送信機２０４の動作を制御するＣＰＵ４０２や、ＣＰＵ４０２の動作させるためのプログラムを格納するメモリ４０４、送信信号を形成する送信回路４０６、振動センサ２０２の電圧変化を検出するための端子４０８、アンテナ出力端子４１０などを備えている。図２に描かれるように、無線センサ端末１０２が温度センサ２２０を備える場合には、送信機２０４は、温度センサ２２０との接続端子４２０も備える。

メモリ４０４に格納されるプログラムは、端子４０８の電圧を定期的にチェックするように、ＣＰＵ４０２を動作させるように構成される。端子４０８は、電圧検出ライン２１２（図２参照）を介して、ＣＭＯＳ論理反転回路３２２（図３Ｂ参照）の出力部の端子３２３に接続される。メモリ４０４に格納されるプログラムは、端子４０８における電圧が、ＬｏｗからＨｉｇｈへと変化したことを検出すると、ＣＰＵ４０２を制御して、送信用のデータを形成し、送信回路４０６を用いてデータの送信を行うように構成される。すなわち、本実施例における送信機２０４は、振動センサ２０２のコンデンサ３０８に蓄積される電荷がＣＭＯＳ論理反転回路３１０のしきい値電圧を超えるたびに、信号を送信するように構成される。

なお、ＣＰＵによるチェックを利用せずに、端子４０８における電圧変化によって割り込みが発生するような、ＣＭＯＳ入力による割り込み回路を利用して、送信回路４０６の送信をトリガするように構成してもよい。このような、ＣＭＯＳ入力の割り込み回路を利用する構成によれば、電圧の監視に電力が不要となるので、端末の消費電力をより低く抑えることができる。

コンデンサ３０８の電荷がクリアされてから、再びＣＭＯＳ論理反転回路３１０のしきい値電圧を超えるまでに電荷が蓄積されるには、一定量の振動が圧電素子３０２に加えられる必要がある。このため、加えられる振動の加速度が低い場合には、コンデンサ３０８にしきい値以上の電荷が蓄積されるまでに比較的長い時間を要し、振動の加速度が高い場合には、コンデンサ３０８に電荷が蓄積されるまでの時間が比較的短くなる。すると、振動の加速度が低い場合には、送信機２０４による信号送信の間隔が短くなり、振動の加速度が高い場合には、その間隔が長くなる。

したがって、送信機２０４による信号送信の間隔は、圧電素子３０２に加えられた振動の積分に関する情報を含んでいるものと考えられる。すなわち、例えば、無線センサ端末１０２が装着された動物の活動量（運動量）に関する情報を含んでいるものと考えられる。動物の活動量を反映して送信頻度を変化させるという技術は、これまでには存在しなかった新しいタイプの測定技術である。

受信装置１０４（図１参照）は、特定の無線センサ端末１０２から受信する信号の、単位時間当たりの受信回数を判断する手段を備える。また、単位時間当たりの受信回数に関する情報を、画像やデータなど必要に応じた形態で出力しうるように構成される。かかる機能を有する手段は、例えば、プログラムとＣＰＵとからなるソフトウェア手段によって実現することができる。

メモリ４０４のプログラムは、端子４０８における電圧が、ＬｏｗからＨｉｇｈへと変化したことを検出すると、温度センサ２２０を用いて温度情報を得るように、ＣＰＵ４０２を制御してもよい。例えば、温度センサ２２０が単なる抵抗である場合、メモリ４０４のプログラムは、端子４０８における電圧変化の検出に応じて、温度センサ２２０に電流を流して抵抗値を測定するように、ＣＰＵ４０２を制御してもよい。メモリ４０４のプログラムは、得られた温度情報を送信信号に含めるように、ＣＰＵ４０２を制御してもよい。

送信回路４０６は、ＣＰＵ４０２によって形成された送信データを、送信用の信号に変調するように構成される。

図５のフローチャートを用いて、これまで説明してきた送信機２０４の動作をまとめておく。ステップ５００は送信機２０４の起動を示す。送信機２０４が起動すると、送信機２０４が起動すると、メモリ４０４のプログラムは、ＣＰＵ４０２を制御して、端子４０８における電圧を定期的にチェックさせる（ステップ５０２，５０４）。電圧が所定の方向に変化したことを検出すると、メモリ４０４のプログラムは、温度センサ２２０を利用して温度に関する情報を得るようにＣＰＵ４０２を制御する（ステップ５０６）。続くステップ５０８において、メモリ４０４のプログラムは、送信用のデータを形成するようにＣＰＵ４０２を制御するが、ステップ５０６で測定された温度のデータも、この送信用データにふくめられる。送信用のフォーマットに形成されたデータは、送信回路４０６によって送信用の信号に変調され、アンテナ２０６を介して送信される（ステップ５１０）。その後、ステップ５０２に戻り、メモリ４０４のプログラムは、再び、端子４０８における電圧を定期的にチェックするように、ＣＰＵ４０２を制御する。

以上の構成は、本発明の実施形態の一例に過ぎないことに留意されたい。例えば、上述のステップ５０２，５０４は、端子４０８の電圧変化によって、ＣＰＵ４０２に割り込みを発生させるような構成に置き換えることができる。例えば、いわゆるＣＭＯＳ入力の割り込み回路による構成に置き換えることができる。そして、ステップ５０６以降は、その割り込みの発生に応じて実行されるように構成されることができる。かかる実施形態によれば、ＣＰＵ４０２による定期的な電圧チェックが不要になり、消費電力ゼロで電圧が監視されることと同じになるため、図５に例示した実施形態よりも消費電力を削減することができる。

また、これまでの説明してきた実施形態では、送信機２０４の動作制御にＣＰＵ４０２を利用してきたが、実施形態によっては、ＣＰＵを用いずに、ハードウェア回路のみで、電圧チェックと信号送信を行うように構成することもできる。この場合、送信回路４０６は、端子４０８の電圧が所定の方向に変化したことをトリガとして、所定の信号を送信するように構成される。消費電力の点からは、ＣＰＵを用いない実施形態の方が、ＣＰＵを用いる図４，図５の実施形態よりも好ましいと言えるだろう。

ところで、図１に描かれるように、本明細書で例示されるセンサネットワークシステム１００は、１台の受信装置１０４に対して複数の無線センサ端末１０２が存在する。したがって、受信装置１０４は、受信したデータがどの送信機１０２から送信されたものであるかを区別しなければならない。本実施例では、無線センサ端末１０２の個体識別のために、ボーレートを利用している。具体的には、各無線センサ端末１０２は、それぞれ、互いに同一の電文長のフレームを送信するように構成されると共に、互いに異なるボーレートでデータの送信を行うように構成される。

例えば、８ビットの電文を、ＦＳＫ（周波数変調）を用いて送信する例を考える。これを、無線センサ端末１０２うちの１台が１００００ｂｐｓで、別の１台が１０００ｂｐｓで送信するとする。ボーレートとは１ｂｉｔの電文を送る時間であるので、１００００ｂｐｓのボーレートは、１ｂｉｔのデータを送信するのに１００マイクロ秒かかることを意味する。すると、８ビットの電文を１００００ｂｐｓのボーレートで送信すると、変調に用いられる周波数において、８００マイクロ秒の間、電界強度が高くなることが観測できる。

一方、１０００ｂｐｓのボーレートは、１ｂｉｔのデータを送信するのに１０００マイクロ秒かかることを意味する。従って、同じデータをボーレート１０００ｂｐｓで送信すると、変調周波数において、８０００マイクロ秒の間、電界強度が高くなることが観測される。受信装置１０４は、このような信号持続時間（例えば８００マイクロ秒や８０００マイクロ秒）を認識できるように構成され、その持続時間に基づいて、信号のボーレートを判断し、判断したボーレートに基づいて、送信端末の個体識別を行いうるように構成される。

図６を用いて、受信装置１０４の構成の概要を説明する。受信装置１０４は、送信電波を受信するための受信アンテナ６０２及び受信回路６０４，受信信号をＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄ変換回路６０６，Ａ／Ｄ変換された受信信号を周波数変換するＦＦＴ回路６０８，ＣＰＵ６１０などを備える。また受信装置１０４は、少なくとも３つの記憶領域６１２〜６１６を備える。第１の記憶領域６１２は、ＣＰＵ６１０に所望の機能を発揮させるためのプログラムを格納するために使用されうる。第２の記憶領域６１４は、複数の無線センサ端末１０２の特定の個体を特定のボーレートに対応付ける対応情報を記憶するデータベースを格納するために使用される。第３の記憶領域６１６は、受信したデータを格納するために使用される。第１〜第３の記憶領域６１２〜６１６は、実施形態によっては、物理的に同一の記憶媒体上に実現されることができ、また実施形態によっては、物理的に異なる記憶媒体によって構成されることもできる。第１〜第３の記憶領域６１２〜６１６として使用しうる記憶媒体は、容量や速度などの要求を満たせば、いかなる媒体を用いてもよく、例えば、ＤＲＡＭやＳＤＲＡＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクなどであることができる。

図７を用いて、受信装置１０４の受信動作の一つの側面を説明する。

ステップ７００は、受信装置１０４の起動を示す。信号の受信が可能になると、受信装置１０４は、受信アンテナ６０２及び受信回路６０４によって信号を受信し、Ａ／Ｄ変換回路６０６によって次々にＡ／Ｄ変換し、所定の数のサンプルが蓄積されると、それをＦＦＴ回路６０８によって次々に周波数のデータへと変換するように構成される（ステップ７０２）。後述のように、受信回路６０４は、ダイレクトコンバージョン方式を利用して信号を復調するように構成されることが好ましい。記憶手段６１２に格納されるプログラムは、ＦＦＴ回路６０８が周波数変換したデータを、次々に記憶手段６１６に格納するように、ＣＰＵ６１０を制御する（ステップ７０４）。したがって、記憶領域６１６は、複数回のＦＦＴ処理に相当する量の周波数データを格納しうるだけの容量を備えていなければならない。

記憶領域６１２のプログラムの制御により、ＣＰＵ６１０は、記憶領域６１６に、所定の時間分の周波数データが蓄積されたか否かをチェックする（ステップ７０６）。蓄積されていたなら、ＣＰＵ６１０は、上記プログラムの制御に従い、記憶領域６１６から所定の時間分の周波数データを読み出す（ステップ７０８）。

ステップ７１０において、ＣＰＵ６１０は、上記プログラムに従い、無線センサ端末１０２が使用する変調周波数における周波数パワーの時間変動を調べる。したがって、無線センサ端末１０２はＦＳＫを利用してデータを送信することが仮定されている。また、無線センサ端末１０２が使用する変調周波数は、受信装置１０４において既知であることが好ましい。当該変調周波数における周波数パワーの増大が、一定期間以上持続していれば、それは複数の無線センサ端末１０２のいずれかからの信号であると判定し、次のステップ７１２へと進む。当該変調周波数において周波数パワーの増大がみられなければ、その期間には無線センサ端末１０２からの信号の受信は無かったものとして、ステップ７０２に戻る。

ステップ７１２において、ＣＰＵ６１０は、上記プログラムに従い、周波数パワーが増大している期間と、送信データの電文長とから、受信した信号のボーレートを判定する。ここで、送信データの電文長も、受信装置１０４で予め知られている必要がある。また、受信装置１０４へ信号を送信する全ての無線センサ端末１０２が、同じ電文長でデータ送信を行うように構成される必要がある。つまり、前述のように、受信装置１０４へ信号を送信する全ての無線センサ端末１０２は、それぞれ互いに同一の電文長のフレームを送信するように構成されると共に、互いに異なるボーレートでデータの送信を行うように構成されている。

ステップ７１４では、ＣＰＵ６１０が、記憶領域６１２のプログラムの指示に従い、第２の記憶領域６１４に格納される上記データベースを利用して、前のステップで判定した特定のボーレートに対応する、特定の無線センサ端末１０２を同定する。ステップ７１６において、上記プログラムは、ステップ７１０で同定したデータを、ステップ７１４で同定した無線センサ端末１０２に関連づけて、例えば記憶領域６１６へ格納するように、ＣＰＵ６１０を動作させてもよい。

符号７１８は、処理が再びステップ７０２に戻ることを表している。しかし、ＣＰＵ６１０の処理がステップ７０２に戻るのは、図示された位置に限らず、例えばステップ７１０と７１２の間でもよいし、ステップ７１２と７１４の間でもよい。これらはＣＰＵ６１０の処理能力と記憶領域６１２のプログラムの構成によって、適宜定められる。

実施形態によっては、受信装置１０４は、画像信号を形成するための回路６２２を備え、ＣＰＵ６１０及び上記のプログラムは、特定の無線センサ端末１０２に関連付けられた受信データを所定の記憶領域６１６から読み出し、それを表示するための信号を画像信号形成回路６２２で形成し、画像信号出力端子６２４から出力するように構成されてもよい。

また、実施形態によっては、受信装置１０４は、有線または無線の手段によって、外部の機器と通信するためのインタフェース６２６を備え、ＣＰＵ６１０及び上記のプログラムは、受信したデータを、特定の無線センサ端末１０２に関連づけて、外部の機器へ出力するように構成されてもよい。このような外部機器は、例えば、ＵＳＢメモリや他のコンピュータなどであってもよい。

以上の流れや構成は、本発明の実施形態の一例に過ぎないことに留意されたい。例えば、Ａ／Ｄ変換回路６０６のサンプリング周波数や、ＦＦＴ回路６０８が周波数変換を行うサンプル数は既知であるので、上述のステップ７０６のチェック処理は省略し、単に、所定時間毎に、記憶領域６１６から所定の時間分の周波数データを読み出すという構成に、ステップ７０６および７０８をまとめることが可能である。

上述のように、受信装置１０４へ信号を送信する全ての無線センサ端末１０２は、それぞれ互いに同一の電文長のフレームを送信するように構成されると共に、互いに異なるボーレートでデータの送信を行うように構成されている。また、受信装置１０４は、その電文長を、ＣＰＵ６１０が利用可能な形態で予め記憶しうるように構成されており、また、特定のボーレートを特定の無線センサ端末１０２に関連づける情報を、ＣＰＵ６１０が利用可能な形態で予め記憶しうるように構成されている。かかる構成によれば、受信装置１０４は、受信したデータのボーレートに基づいて、そのデータを送信してきた無線センサ端末１０２の個体識別を行うことが可能となる。

受信装置１０４は、ボーレートにより個体識別が可能であるので、各無線センサ端末１０２は、全て、同じ変調周波数を用いることも可能である。しかし、その場合は、複数の無線センサ端末１０２が同時にデータを送信すると、それらを分離することはできなくなる。

つまり、複数のセンサ端末が同じ周波数で通信するように構成される場合、複数のセンサ端末が同時にデータを送信すると、送信信号が衝突して受信装置側ではこれらを区別することができなくなる。しかし、生物群に対する測定という目的においては、生体活動のランダム性により、センサ端末の送信タイミングもランダムになり、送信信号の衝突が生じにくいので、あまり問題にならない。それよりも、上記の構成のように、通信フレームから個体識別情報や同期情報を省いて短電文化し、送信に必要な電力を節約して、センサ端末の長寿命化を図った方が、多数の生物個体を管理・測定する上では遙かに利益が大きい。

しかし、実施形態によっては、無線センサ端末１０２の送信周波数も、端末によって異なるようにしてもよい。その場合、受信装置１０４は、ボーレートと共に、送信周波数についても各端末との対応付けが可能であるような情報を格納しておくことが好ましい。かかる情報は、例えば、｛端末ＩＤ，ボーレート，周波数｝のような、非常に単純な形式のデータであることができるだろう。記憶領域６１２のプログラムは、かかる情報を用いて、特定した周波数とボーレートとからデータを送信してきた端末を特定するように構成される。

また、ステップ７１０に関連して説明したように、上記の構成では、無線センサ端末１０２から送信されたデータフレームや送信周波数の特定は、記憶領域６１６から読み出したデータを解析することによって行われる。従って、通信フレームや通信周波数の特定のためのハードウェア回路は必要ではなく、受信機は、受信信号の帯域を絞り込むことなく、一括して周波数スペクトルに変換し、記憶領域６１６へ溜めていけばよい。従って、受信装置１０４は、ダイレクトコンバージョン方式にて信号受信を行うように構成されることが好ましい。

このように、受信機側でダイレクトコンバージョン方式およびソフトウェア無線技術を使用することにより、無線センサ端末の送信データに個体識別情報やタイミング同期情報・フレーム同期情報を含める必要がなくなり、送信データが短電文化され、送信に必要な電力を節約することができるようになる。

図８Ａは、無線通信でよく用いられる送信データ形式を図示したものである。送信データの１個のフレーム８００は、大きく分けて、クロック同期用のプリアンブル８０２，フレーム同期用のユニークワード８０４，個体識別情報８０６，データ部８０８，エラー検出・訂正用情報部８１０の５つの部分から構成される。このうち、プリアンブル８０２，ユニークワード８０４，個体識別情報８０６には、それぞれ、１６ビット，１６ビット，８ビットの計４０ビットが使用されることが多い。しかし、上に無線センサ端末１０２及び受信装置１０４に関連して開示した構成によれば、クロック同期情報やフレーム同期情報を含めることは不要であり、また、個体識別情報を含めることも不要である。開示した構成によれば、受信装置１０４がフレームの開始を判定できさえすればよいので、部分８０２〜８０６の４０ビットを、例えば、僅か２ビットのフレーム開始情報に置き換えることができる。

送信に必要な電力はビット数にほぼ比例する。したがって、４０ビットを２ビットに縮めることを可能にしたということは、送信電力をほぼ２０分の１に減少させることに成功したということである。もちろん、送信信号には、フレーム開始情報などの他に、伝えるべき情報（例えば温度など）や、エラー検出用の情報なども含まれるため、フレーム全体のビット数を２０分の１に縮めることができたわけではない。しかし、データ部に先立って送信されるヘッダ部に関しては、ビット数を２０分の１に削減し、その部分に関しては、送信電力をほぼ２０分の１に削減することが可能となった。

図８Ｂは、無線センサ端末１０２から受信装置１０４へ送信される信号のフレーム構成の例を図示したものである。この例では、１つのフレーム８２０は、フレームの開始を教えるための２ビットのプリアンブル８２２と、８ビットのデータ部８２４、それにエラー検出用の１ビットのパリティビット８２６からなる。ビット数をできるだけ削減するため、エラー検出用の情報には、１ビットで済むパリティビットを採用した。これによって、データ部に８ビットを使用しても、フレームあたりのビット数を１１ビットに抑えることができた。図８Ａの例ではフレームあたりのビット数が６０ビットであるので、およそ８２％のビット数を削減し、それに相当する送信電力を節約することができた。なお、このクレーム構成が単なる例示に過ぎないことは言うまでもない。

ある実施形態において、無線センサ端末１０２は、前述のように温度センサ２２０を備える。そこで、データ部８２４には、温度の情報を含めることができる。バッテリ残量などの情報を含めてもよい。

別の実施形態では、無線センサ端末１０２には、振動センサ２０２以外は何のセンサも搭載されず、無線センサ端末１０２は、コンデンサ３０８に所定の電荷が蓄積されるたびに信号を送信するだけである。このような実施形態においては、データ部８２４に含めるべき情報は特に存在しない。その場合は、フレーム８２０のビット数が、受信装置１０４においてボーレートによる個体識別を可能とする長さとなるように、プリアンブル８２２およびデータ部のビット数を決定すればよいであろう。また、かかる実施形態においては、送信すべきビットは、単に０か１の羅列で構わないであろう。

前述のように、ある無線センサ端末１０２から受信する信号の頻度は、その無線センサ端末１０２が装着された対象物の活動量に関する情報を含んでいるものと解釈できる。そこで、受信装置１０４は、かかる情報を出力しうるように構成されている。そのような構成に係る動作を、図９のフローチャートを用いて説明する。

ステップ９００は処理の開始を示す。ステップ９０２において、ＣＰＵ６１０は、記憶領域６１２に格納されるプログラムの制御に基づいて、記憶領域６１６から、特定の無線センサ端末１０２に関連づけられて記憶されている受信データを読み出す。これらの受信データは、図７のステップ７１６において格納されたものである。図７のステップ７１６では、これらの受信データを、それを送信した無線センサ端末１０２に関する情報だけでなく、受信した時間に関する情報と共に、格納している。この時間情報に基づいて、ＣＰＵ６１０は、上記のプログラムに従って、単位時間あたりの受信回数を計算する（ステップ９０４）。ステップ９０６では、計算した結果を所定の形式に整形し、ステップ９０８において、整形したデータを出力する。ステップ９０６において、ＣＰＵ６１０は、上記のプログラムに従って、上記の計算結果を特定の送信機１０２に関連づけて画像を出力するためのデータを作成してもよい。また、外付けメモリや外部のコンピュータへ出力するための形式に整形してもよい。ステップ９０８における出力先は、ディスプレイ装置やプリンタ装置、ＵＳＢメモリ等のリムーバブルメディア、有線または無線のネットワークシステムなどであることができる。

本明細書によって、消費電力が極めて少なく、発電機能まで有する、符号２０２で例示された新しい振動センサ構成が開示された。この振動センサを用いることによって、省電力性に極めて優れた無線センサ端末が実現される。この振動センサは、既存のＭＥＭＳ製造プロセスや半導体製造プロセスを用いて、極めて小さく製造することができ、装置の小型軽量化・低価格化にも有利である。また、ボーレートを端末識別に利用し、受信電波からのデータの抽出もオフラインで行うという新規な構成を採用することにより、送信データのビット数を著しく縮めることが可能となり、送信に必要な電力を大幅に節約することができる。この特徴によっても、無線センサ端末の省電力性能をさらに向上させることができる。さらに、無線センサ端末が、振動エネルギーを電気エネルギーに変換してコンデンサ３０８に蓄積し、一定量のエネルギーが蓄積されるたびに信号を送信するという新しい構成を有しているため、活動量や運動量を、無線センサ端末からの送信頻度という形で検出することが可能となった。

上記の実施形態の他にも、本発明は、様々な実施形態を取りうる。例えば、実施形態によっては、無線センサ端末及び受信装置を、変調周波数の違いに基づいて識別するように構成してもよい。すなわち、複数の無線センサ端末を、それぞれ互いに異なる周波数の電波を利用してデータの送信を行うように構成し、受信装置の側では、特定の周波数を特定の送信機に関連づける情報を（例えば記憶領域６１４に）格納しておき、特定の周波数のパワーの変化を一定期間に亘って調べることにより、当該測定の周波数を変調周波数に利用する無線センサ端末からの信号を同定するように構成してもよい。むろん、周波数による個体識別と、ボーレートによる個体識別の、両方を用いるように構成してもよい。

無線センサ端末１０２は、回路をできるだけ小さくするため、また消費電力をできるだけ少なくするため、送信機のみを搭載し、受信機は搭載しないように構成することが好ましい。

これまでの説明に登場したプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭやＵＳＢメモリ等の記憶媒体に格納されて販売されたり、ネットワークを通じたダウンロードなどの手法により販売されたりすることができる。

センサネットワークシステム１００を用いて本発明の実施形態の例を説明してきたが、これらの説明や添付図面は、本発明の範囲を限定する意図で提供されたものではなく、本発明の深い理解に資する目的で提供されたに過ぎない。本発明は、本発明の技術思想を逸脱することなく、様々な実施形態を取り得ることは言うまでもない。本発明の好適な実施形態の一例は、添付の特許請求の範囲に記載の各請求項に示されているが、本明細書には、請求項に特定された発明以外にも新規な発明が開示されていることに留意されたい。本発明の範囲は、明細書に明示的に説明された構成や方法に限定されるものではなく、本明細書に開示される本発明の様々な側面の組み合わせをも、その範囲に含むものである。本発明のうち、特許を受けようとする発明を、添付の特許請求の範囲に特定したが、発明者は、現在のところは特許請求の範囲に特定されていない発明であっても、本明細書に開示される発明を、将来的に特許請求する可能性があることを、念のために申し述べる。

１００ センサネットワークシステム
１０２ 無線センサ端末
１０４ 受信装置
１０６ 無線媒体
２０２ 振動センサ
２０４ 送信機
２０６ アンテナ
２０８ バッテリ
２１２ 電圧検出ライン
２１４ 電力供給ライン
２２０ 温度センサ
３０２ 圧電素子
３０４，３０６ ダイオード
３０８，３２８ コンデンサ
３１０，３２２ ＣＭＯＳ論理反転回路
３２４ 単安定マルチバイブレータ
３２６ スイッチ
４０４ メモリ
４０６ 送信回路
６０２ 受信アンテナ
６０４ 受信回路
６０６ Ａ／Ｄ変換回路
６０８ ＦＦＴ回路
６１０ ＣＰＵ
６１２，６１４，６１６ 記憶領域
６２２ 画像信号形成回路
６２６ インタフェース

Claims (10)

1. 圧電素子と、
   交直流変換回路を介して前記圧電素子に接続される第１のコンデンサと、
   入力部が前記第１のコンデンサに接続されるＣＭＯＳ論理反転回路であって、前記第１のコンデンサの極間電圧が所定のしきい値を超えることに応じて出力電圧を変化させるように構成される、ＣＭＯＳ論理反転回路と、
   無線送信回路と、
   を備え、前記ＣＭＯＳ論理反転回路の出力電圧の変化をトリガとして、前記無線送信回路による信号送信を行うように構成される、無線センサ端末。
2. 前記ＣＭＯＳ論理反転回路の出力電圧の変化に応じて一定期間オンになるスイッチ回路を介して前記第１のコンデンサに並列に接続される、第２のコンデンサを更に備える、請求項１に記載の無線センサ端末。
3. 前記第２のコンデンサに蓄積される電力を前記無線送信回路に供給するように構成される、請求項２に記載の無線センサ端末。
4. 前記無線送信回路は、送信する通信フレームに、温度またはバッテリ残量に関する情報を含めるように構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の無線センサ端末。
5. 前記無線送信回路は、送信する通信フレームに、個体識別情報及び／又は同期情報を含めないように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の無線センサ端末。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の無線センサ端末から送信される信号を受信しうる受信回路を備える受信装置であって、
   前記無線センサ端末が装着された生物個体の活動量に関する情報を得るために、前記無線センサ端末から受信する信号の単位時間当たりの受信回数を判断する手段をさらに備える、受信装置。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の無線センサ端末と、請求項６に記載の受信装置とを含む、センサネットワークシステム。
8. 生物個体の活動量に関する情報を作成する装置の動作方法であって、
   前記生物個体に装着された無線センサ端末から送信された信号を受信する段階、ただし前記無線センサ端末は、振動により発生したエネルギーの蓄積量が所定値に達する度に無線信号を放出する端末である、前記受信する段階と；
   前記無線センサ端末から放出される信号の単位時間当たりの受信回数に基づいて、前記無線センサ端末が装着された生物個体の活動量に関する情報を構成する段階と；
   を含む、方法。
9. 圧電素子と、
   交直流変換回路を介して前記圧電素子に接続される第１のコンデンサと、
   入力部が前記第１のコンデンサに接続されるＣＭＯＳ論理反転回路であって、前記第１のコンデンサの極間電圧が所定のしきい値を超えることに応じて出力電圧を変化させるように構成される、ＣＭＯＳ論理反転回路と、
   を備える、振動センサ。
10. 前記ＣＭＯＳ論理反転回路の出力電圧の変化に応じて一定期間オンになるスイッチ回路を介して前記第１のコンデンサに並列に接続される、第２のコンデンサを更に備える、請求項９に記載の振動センサ。

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