(57)【要約】【課題】  低電力に優れた１対ｎ無線トポロジを持ち、通信プロトコルと分離独立した近距離無線ネットワークが要求される。この距離無線ネットワークがクラウド、携帯端末からもアクセスできることも要求される。【解決手段】  装置１とゲートウエイ内の通信コントローラ３が無線部を挟んでUART/SPIシリアルで通信プロトコルを持って通信する環境で、無線部が通信プロトコルと独立した１対ｎ無線トポロジを持つUART/SPI無線ブリッジ５を構成することを特徴とする。発呼は常にスリープ中のエンドデバイス側から行い、そのウェイクアップ時間の短縮により低消費電力化を図る。UART/SPI無線ブリッジ５はゲートウエイ４を通してクラウド１０、モバイル端末１１からもアクセスできる。 【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドデバイスの無線モジュール２は装置1からｎにそれぞれUARTあるいはSPIシリアルバスで接続され、ゲートウエイ４に内臓されるコーディネータの無線モジュールは通信コントローラ３にUARTあるいはSPIシリアルバスで接続され、装置１からｎとゲートウエイ４は、それぞれの無線モジュールを介在して、１：ｎトポロジ通信を行うことが出来、エンドデバイスおよびコーディネータは、それぞれUARTあるいはSPIシリアルバスという通信パイプを介して接続され、UART/SPI無線ブリッジ５を構成し、ゲートウエイ４はLANポートを通して各種ルータ９と接続し、クラウド１０およびモバイル端末１１などの外部ネットワークと通信ができ、このようなUART/SPI無線ブリッジ５を中核とする無線通信ネットワーク６を構成することを特徴とする無線通信ネットワーク。
【請求項２】
装置１から装置ｎと通信コントローラ３間は、無線を経由して実質的に１対ｎのUARTあるいはSPIシリアルバスという通信パイプで接続され、その間の通信プロトコルとしては、ユーザ定義のコマンド、ステイタスレベルの情報フレームを定義し、通信パイプを通して通信を行い、独立したUART/SPI無線ブリッジ５を階層化させる無線通信システムを構築し、通信プロトコルの内容、変更に影響されずに無線化を実現できることを特徴とする請求項１に記載する無線通信ネットワーク。
【請求項３】
ゲートウエイ４は常時電源を供給でき、エンドデバイス側は電池駆動を含む低電力を要求する環境で動作し、エンドデバイス側の低電力化を実現するために、エンドデバイス側は常時スリープで、定められたある一定周期でウエイクアップし、発信は常にエンドデバイス側からコーディネータ側に行い、通信プロトコルにより相互のデータ交信を行い、スリープとウエイクアップの時間デューティ比によって低電力化の度合いが定まることを特徴とする請求項１または２に記載する無線通信ネットワーク。
【請求項４】
無線モジュール２は、無線通信トランシーバ７と通信制御マイコン８の組合せ機能を２チップあるいはこれらを統合した１チップで構成され、ウエイクアップ時間の短縮化による通信プロトコルの高速化を図るために、通信制御マイコン８は無線通信トランシーバ７の通信物理層から直接、無線技適条件を満足する通信制御を行い、ソフトウエアの処理時間を最小にし、低電力化をより向上させることを特徴とする請求項３に記載する無線通信ネットワーク。
【請求項５】
ゲートウェイ４内の通信コントローラ３は、LANポートから各種ルータ９を経由してクラウド１０に接続され、装置１から装置ｎの情報を、UART/SPI無線ブリッジ５を経由してクラウド１０で収集、あるいは状態を制御することができる請求項１、２、３、または４に記載する無線通信ネットワーク。
【請求項６】
ゲートウェイ４の通信コントローラ３の中にWebサーバを内装させ、その通信コントローラ３に接続するLANポートから各種ルータ９を経由して、スマホなどのモバイル端末１１から、ブラウザーでそのWebサーバのURLをアクセスし、UART/SPI無線ブリッジ５を経由して装置１から装置ｎの情報を収集、あるいは状態を制御できることを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載する無線通信ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１対ｎ無線トポロジ・ネットワークにおける低電力化をめざした無線ネットワークに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー、低電力の社会的要求から、電力監視システムの構築が行われている。電力監視システムは電力計測部や情報伝送を行う通信部に関する技術で構成される。
また、M2M（Machine to Machine）は、センサー端末を近距離無線でゲートウエイに伝送し、そこからモバイル端末および広域通信でクラウドに接続する方式が多い。
これらの用途では、センサー端末を１対ｎ無線トポロジで無線伝送する方式もかなり採用されている。
近距離無線としては、無線LAN、Bluetooth（登録商標） 、ZigBee、920MHz帯802.15.4ｇなどが代表的な無線通信インフラである。
この中で、無線LAN、Bluetooth （登録商標） 、ZigBeeはいずれも2.4GHz帯で他の機器との接続性を重視して、物理層の上に標準化された階層通信ソフトウエアを配置している。
これに対して、920MHz帯802.15.4ｇは物理層を定義するもので、トランシーバとして半導体メーカから提供されている。920MHz帯ということで、伝送距離も長く、電波の回り込みも優れている。また、上記の2.4G帯の様々な無線規格品との電波干渉も少ない。このためワールドワイドで電力メータへ適用が進んでいる。日本ではこの920MHz帯は2012年７月25日より開放された新しい周波数帯である。
このような特性からこの920MHz帯802.15.4ｇトランシーバを通信制御マイコンと組み合わせて無線モジュールを構成すると、本特許の対象に最もよく適合する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「トランジスタ技術」CQ出版社2012年12月号p98〜101
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決しようとする課題は、低電力に優れた１対ｎ無線トポロジを持つ通信プロトコルと分離独立したUART/SPI無線ブリッジの通信構成および方式の確立と、これに接続してスマホなどのモバイル端末およびクラウドと情報交換ができることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
装置１と無線モジュール２、およびゲートウエイ４内の通信コントローラ３と無線モジュール２とは、それぞれUARTあるいはSPIシリアルバスで接続されている。
装置１と通信コントローラ３間は、１対ｎの情報パイプで接続されると考え、無線が介在しないとすると、この間の通信プロトコルについては、システム設計は無線の存在を考慮せずに自由に定義でき、変更も自在である。
図１にUART/SPI無線ブリッジの階層化のイメージを示す。
１対ｎの情報パイプ間に無線が介在しても、この関係を変えずに通信システムを構築できることが望ましい。この目的のために図１に示すように、UARTあるいはSPIシリアルバス間に独立した無線部：UART/SPI無線ブリッジ５を挿入し、階層化させた無線通信システムを構築する。
【０００６】
無線部：UART/SPI無線ブリッジ５において、エンドデバイス側の低電力化を実現するために、エンドデバイス側は常時スリープで、定められたある一定周期でウエイクアップし、発信は常にエンドデバイス側からコーディネータ側に行い、通信プロトコルにより相互のデータ交信を行う。スリープとウエイクアップの時間デューティ比によって低電力化の度合いが定まる。
また、ゲートウエイ４から各種ルータ９を経由してモバイル端末１１およびクラウド１０にアクセスできる手段を具備する。
【発明の効果】
【０００７】
UARTあるいはSPIシリアルバス間に独立した無線部：UART/SPI無線ブリッジ５を挿入し、階層化させた無線通信システムを構築する構成によって、無線の介在を意識せずに通信プロトコルを設定することができるという利点がある。
また、無線部：UART/SPI無線ブリッジ５において、エンドデバイス側は常時スリープで、定められたある一定周期でウエイクアップし、発信は常にエンドデバイス側からコーディネータ側に行い、通信プロトコルにより相互のデータ交信を行うことによって、エンドデバイス側の低電力化を実現することができる。
【０００８】
無線通信ネットワーク６は、ゲートウェイ４内の通信コントローラ３に接続するLANポートから各種ルータ９を経由してクラウド１０に接続される。
装置１から装置ｎの情報を、UART/SPI無線ブリッジを経由してクラウドで収集、あるいは状態を制御することができる。
【０００９】
ゲートウェイ４の通信コントローラ３の中にWebサーバを内臓させるようにすると、その通信コントローラ３に接続するLANポートから各種ルータ９を経由して、スマホなどのモバイル端末１１から、ブラウザーでそのWebサーバのURLをアクセスすることが出来る。
この通信ルートで、モバイル端末１１からUART/SPI無線ブリッジ５を経由して装置１から装置ｎの情報を収集、あるいは状態を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】UART/SPI無線ブリッジの階層化のイメージを示した図である。
【図２】無線通信ネットワークの実施例を示した図である。
【図３】無線モジュールの構成例を示した図である。
【図４】通信トランシーバのパケット・フォーマットの例を示した図である。
【図５】無線通信ネットワークをクラウドに接続することを示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の無線通信方法および通信システムは、センサーネットワークを組込んだ
M2Mシステムに適用する形態が最も適している。
【実施例】
【００１２】
図２には、無線通信方法および通信システムの一実施例を示す。
装置１から装置ｎとゲートウエイ４の通信コントローラ３は１対ｎ通信トポロジを構成し、無線部すなわちUART/SPI無線ブリッジ５とはそれぞれUART/SPIシリアルバスで接続されている。
装置１から装置ｎとゲートウエイ４の通信コントローラ３の１対ｎ通信トポロジは、無線部とは無関係にコマンド、ステイタスなどの通信プロトコルを決定することができる。
一方、UART/SPI無線ブリッジ５は、通信プロトコルの仕様とは無関係に無線部の仕様を定めることができる。このように通信プロトコルと無線部はUART/SPI無線ブリッジ５で分離され、それぞれ独立に定義することができる。
この構成によって、通信プロトコルは無線による遅延などの影響は受けるが、無線部の内部構成にほぼ無関係に決定することができる。
【００１３】
無線の制御は、電波を扱うために、技適条件、伝送品質、信頼性、暗号化、セキュリティなどの多義に渡る伝送技術条件を満足することが必要となる。
通常はAPIなどを用意して、通信プロトコルと不可分の関係にあるが、本発明のようにUART/SPI無線ブリッジ５を階層化分離することによって、事実上無線部を独立汎用化することができ、無線部のプラットフォームとしての使用が可能となる。このことは、異なったアプリでも無線部を共通に使用でき、また、同じアプリにおいても複雑な無線部に手を加えることなしに、通信プロトコルを自由に設計、変更できることを意味する。
このように、本発明によれば、その使用の簡便性および利便性に優れ、ひいては経済的にも図り知れない大きな効果が期待できる。
【００１４】
ゲートウエイ４は常時電源を供給でき、エンドデバイス側は電池駆動を含む低電力を要求する環境で動作する。
エンドデバイス側の低電力化を実現するために、エンドデバイス側は常時スリープで、定められたある一定周期でウエイクアップし、発信は常にエンドデバイス側からコーディネータ側に行い、通信プロトコルにより相互のデータ交信を行う。スリープとウエイクアップの時間デューティ比によって低電力化の度合いが定まる。
スリープ時間が長ければ、低消費電力化には寄与するが、システムの応答性を悪くする。
【００１５】
図３には、無線モジュールの構成例を示す。
無線モジュール２は、無線通信トランシーバ７と通信制御マイコン８を持つ機能を２チップあるいはこれらを統合した１チップで構成される。日本の技適条件を満足するためには、無線モジュール２には技適条件を試験する電波をソフトウエア制御で生成するための通信制御マイコン機能が必要となる。通信制御マイコン８は技適条件を満足するためばかりでなく、UART/SPIおよび汎用I/OポートGPIOを用いて外部装置やゲートウエイ４の通信コントローラ３ともインタフェースする。
【００１６】
通信制御マイコン８は、またUART/SPI無線ブリッジ５の通信ソフトウエアをプログラムする。
図４に無線通信トランシーバの物理層パケット・フォーマットの例を示す。このように物理層のパケットにアドレスフィールドを持つような無線通信トランシーバにおいては、物理層から直接、１対ｎトポロジの通信制御を行うことが可能となる。
この場合には、物理層から直接、無線技適条件を満足する通信制御を行うことができ、通信プロトコルの高速化を図ることができる。
これによって、通信部であるUART/SPI無線ブリッジ５の通信処理時間を短縮化することができる。
【００１７】
このことはまた、ソフトウエアの処理時間を最小にして、ウエイクアップしている時間の短縮化を図り、低電力化に大きく寄与することにもなる。
通常の無線モジュールは、物理層の上にMAC層やTCP/IP、ミドルウエアなどのソフトウエアを階層化しているので、ソフトウエアの処理時間が増大してウエイクアップしている時間が増え、低電力化に逆行している。
かかる観点からも本発明によれば、独立階層化されたUART/SPI無線ブリッジ５を持った通信ネットワークは高速化、低消費電力化をも効果的に推進することができる。
【００１８】
図５に無線通信ネットワーク６をモバイル端末１１およびクラウド１０に接続する構成を示す。
ゲートウェイ４内の通信コントローラ３はUART/SPI無線ブリッジ５からの情報を、アプリ、ミドルウエア、通信制御、Webサーバなどのソフトウエアを用いて双方向に変換し、LANポートから各種ルータ９を経由してクラウド１０に接続することが出来る。
これにより、装置１から装置ｎの情報を、UART/SPI無線ブリッジ５を経由してクラウド１０で収集、あるいは状態を制御することが可能となる。
すなわち、UART/SPI無線ブリッジ５の通信形式が、クラウドにまでスケーラブルに拡張でき、その利用範囲が産業的に極めて大きく有効であることが示される。
【００１９】
ゲートウェイ４の通信コントローラ３の中にWebサーバを内臓させることにより、その通信コントローラ３に接続するLANポートから各種ルータ９を経由して、スマホなどのモバイル端末１１から、ブラウザーでそのWebサーバのURLをアクセスすることが出来るようになる。
すなわち、UART/SPI無線ブリッジ５の形式を利用して、スマホやノートPCなどのモバイル端末１１から装置１から装置ｎの情報を収集、あるいは状態を制御することが可能となる。
このことは、UART/SPI無線ブリッジ５のモバイル端末への通信の拡張性を示すもので、上記のクラウドと並んで、その利用範囲が産業的に極めて大きいことを示している。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の無線通信ネットワークは、無線センサーネットワーク、遠隔制御、照明調光システム、M2Mシステム、電力計測制御、スマートエナジーシステムなどに組み込んで実用化でき、クラウド、モバイル端末からのアクセスが出来、産業的に適用範囲が広く、将来的に計知れない市場規模があると予測される。
【符号の説明】
【００２１】
１  装置１から装置ｎ
２  無線モジュール
３  通信コントローラ
４  ゲートウエイ
５  UART/SPI無線ブリッジ
６  無線通信ネットワーク
７  無線通信トランシーバ
８  通信制御マイコン
９  各種ネットワーク
１０  クラウド
１１  モバイル端末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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