無線フィールド機器
【課題】無線ネットワークへのジョイン前における消費電流を減らすことで電池の長寿命化が図れる無線フィールド機器を提供すること。
【解決手段】電池および無線モジュールを内蔵し、ゲートウェイを介して無線ネットワークに接続される無線フィールド機器において、前記無線ネットワークに接続するのにあたり、前記無線モジュールはあらかじめ設定された時間内は前記ゲートウェイに対して連続アクセスを行い、この連続アクセス時間内に前記ゲートウェイからの応答を受信できない場合には前記無線モジュールから前記ゲートウェイへのアクセスを間欠的に行うことを特徴とするもの。
【解決手段】電池および無線モジュールを内蔵し、ゲートウェイを介して無線ネットワークに接続される無線フィールド機器において、前記無線ネットワークに接続するのにあたり、前記無線モジュールはあらかじめ設定された時間内は前記ゲートウェイに対して連続アクセスを行い、この連続アクセス時間内に前記ゲートウェイからの応答を受信できない場合には前記無線モジュールから前記ゲートウェイへのアクセスを間欠的に行うことを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィールド機器に無線通信手段が組み込まれた無線フィールド機器に関し、詳しくは、その電源制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえば上下水道施設におけるケーブル配線を敷設できないような場所、たとえばマンホール設備には、水が流れるパイプに無線機能を備えた流量計が無線フィールド機器として取り付けられている。
【０００３】
そして作業者は、データ収集や設備点検などにあたり、ハンドヘルド端末を無線通信機として操作し、マンホール内の流量計との間で無線通信によるデータの授受を行う。
【０００４】
ここで、フィールド機器とは、圧力計，差圧計，温度計，レベル計，流量計などの各種伝送器や、バルブポジショナなどプロセスに直結して測定や制御(バルブポジショナ)を行うものをいう。なお、バルブポジショナ以外は、(工業用)発信器とも呼ばれる。
【０００５】
また、これらフィールド機器からの信号を受けて指示，記録，制御などを行う指示計，記録計，調節計，分散形制御システム，警報器などをシステム機器といい、これらシステム機器は、上記の発信器という概念に対して受信器とも呼ばれる。
【０００６】
なお、無線フィールド機器は、前述のように通常の配線が困難な場所に配置することを前提にして、電池で動作する方式が考えられており、長時間動作を可能にするため、電池としてはリチウム系電池が使用されている。
【０００７】
図８は、このような無線フィールド機器を用いた無線ネットワークの一例を示すシステム構成図である。図８において、無線ネットワークトポロジー１は、Ｉ／Ｏデバイス２〜６、ルーティングデバイス７,８、ゲートウェイ９により、スター・メッシュ型に構成されている。
【０００８】
Ｉ／Ｏデバイス２〜６は、前述のような差圧／圧力伝送器や温度伝送器などのセンサであったり、バルブ・ポジショナなどの操作端であって、IEEE802.15.4で規定された無線通信機能を有するものである。
【０００９】
ルーティングデバイス７,８は、advertisement(広告)を定期的に近隣デバイスに発行する広告機能や、ルート情報やメッセージの伝達を行うルーティング機能を有する。なお、ルーティング機能は、差圧／圧力伝送器や温度伝送器などのセンサやバルブ・ポジショナなどの操作端であるＩ／Ｏデバイス２〜６に搭載されてもよい。
【００１０】
ゲートウェイ９は、無線ネットワークトポロジー１とプラントネットワーク１０を接続する機能を有し、コントロールシステム１１とＩ／Ｏデバイス２〜６との結合を実現するものである。
【００１１】
図８の例では、Ｉ／Ｏデバイス２，３はルーティングデバイス８を介してゲートウェイ９と無線通信を行うことができ、Ｉ／Ｏデバイス２〜６はルーティングデバイス７を介してゲートウェイ９とそれぞれ無線通信を行うことができる。
【００１２】
ここで、Ｉ／Ｏデバイス１２は、ルーティングデバイス７,８からのadvertisementを受けておらず、無線ネットワークトポロジー１に参加できていない状態にある。このような状態としては、たとえばＩ／Ｏデバイス１２の電源を他のＩ／Ｏデバイス２〜６よりも後からＯＮした直後などが相当する。
【００１３】
図９は、Ｉ／Ｏデバイス１２が無線ネットワークトポロジー１に参加するためのシーケンス図であり、Ｉ／Ｏデバイス１２がルーティングデバイス７,８のadverstimentを受けてたとえばIEEE802.15.4を利用した無線規格であるISA100.11aの無線ネットワークトポロジー１に参加する場合を示している。
【００１４】
図９において、ルーティングデバイス８は、周辺のデバイスに対して、周期的に無線ネットワークトポロジー１への参加を促すためのadvertisementＳＱ１を送信する。無線ネットワークトポロジー１にいまだ参加していないＩ／Ｏデバイス１２は、ルーティングデバイス８からのAdvertisementＳＱ１を受信する。
【００１５】
Ｉ／Ｏデバイス１２は、AdvertisementＳＱ１を受信した後のＳＱ２において、ルーティングデバイス８に対し、ゲートウェイ９内にあるシステムマネージャ９１およびセキュリティマネージャ９２へのジョイン要求を送信する。
【００１６】
ルーティングデバイス８は、ＳＱ２を受けると、まずＳＱ３において、ゲートウェイ９内にあるシステムマネージャ９１に対してセキュリティマネージャ９２へのジョイン要求を転送する。
【００１７】
さらにシステムマネージャ９１は、ＳＱ３を受けると、ＳＱ４において、ゲートウェイ９内にあるセキュリティマネージャ９２に対してジョイン要求を転送する。なお、システムマネージャ９１およびセキュリティマネージャ９２は、ゲートウェイ９とは別置きでもよい。
【００１８】
また、ルーティングデバイス８は、ＳＱ５において、システムマネージャ９１に対してシステムマネージャ９１へのジョイン要求を転送する。
【００１９】
セキュリティマネージャ９２がＩ／Ｏデバイス１２のジョイン要求を受け付けると、ＳＱ６〜ＳＱ８によって、最終的にＩ／Ｏデバイス１２に対してセキュリティジョイン許可が通知される。
【００２０】
さらに、システムマネージャ９１がＩ／Ｏデバイス１２のジョイン要求を受け付けた場合には、ＳＱ９〜ＳＱ１０によって、最終的にＩ／Ｏデバイス１２に対してシステムマネージャジョイン許可が通知される。
【００２１】
ＳＱ１１において、Ｉ／Ｏデバイス１２はシステムマネージャ９１に対して、セキュリティコンファーム要求を送信する。
【００２２】
システムマネージャ９１は、セキュリティコンファーム要求をＳＱ１２を通してセキュリティマネージャ９２へ通知する。
【００２３】
その後、システムマネージャ９１は、ＳＱ１３により、Ｉ／Ｏデバイス１２へセキュリティコンファーム許可を送信する。
【００２４】
Ｉ／Ｏデバイス１２は、図９に示した一連のジョイン手続きが完了した後は、差圧、圧力、温度などのプロセスデータを一定周期ごとにゲートウェイ９に送信できる。送信周期は、たとえば１秒〜１時間程度のユーザが任意に設定できる時間間隔である。
【００２５】
このようにしてゲートウェイ９に送信されたプロセスデータは、コントロールシステム１１で処理され、ユーザによるモニタリングや、たとえばコントロールバルブなどの操作端であるＩ／Ｏデバイスに対してゲートウェイ９を介した無線信号により操作量を送信してプロセスの制御を行う。
【００２６】
これらＩ／Ｏデバイス２〜６，１２は、ジョイン後はそれぞれに内蔵されている電池の消耗を抑えるために通常は内部の回路を休止し、前述の一定周期ごとのプロセスデータ送信時にのみ起動されてプロセスデータの算出と送信を行い、送信後は次の算出/送信まで休止する。
【００２７】
図１０は、Ｉ／Ｏデバイス１２におけるジョイン前後の消費電流特性例図であり、横軸は時間を示し、縦軸は消費電流を示している。Ｉ／Ｏデバイス１２の電源がＯＮされてから点線で示されるジョインが完了するまでの時間Ｔａは、図９のシーケンス処理実行期間である。この期間はジョインが完了するまで連続して受信するため、Ｉ／Ｏデバイス１２は常に稼動状態であり、消費電流は常に大きい値Ｉａとなる。
【００２８】
ジョイン完了後の時間Ｔｂでは、一定周期Ｔごとのプロセスデータ送信のときのみ起動されてプロセスデータの算出と送信を行い、送信後は次の算出／送信まで休止する動作を繰り返す。各周期ＴにおけるＴ１は次のデータ算出/送信までの休止状態を示し、消費電流は小さい値Ｉｂ（＞Ｉａ）となる。Ｔ２はプロセスデータ送信のために起動している状態を示す。ｔｃはＩ／Ｏデバイス２〜６，１２がプロセスデータを無線通信でゲートウェイ９に送信していることを示す。
【００２９】
図１０から明らかなように、ジョイン完了後は、消費電流がＩｂの休止状態Ｔ１と消費電流がＩａの起動状態Ｔ２を一定周期Ｔごとに繰り返しているが、大半の時間は消費電流が小さいＩｂの休止状態Ｔ１になっている。したがって、一定周期Ｔを大きくとることにより、電池の消耗を比較的少なくすることができる。
【００３０】
特許文献１にはフィールド機器に無線機能を追加する技術が記載され、特許文献２には無線機能を有するフィールド機器を用いた通信システムの技術が記載されている。
【００３１】
【特許文献１】特開２００３−１３４０３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１３４２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
ところで、図８に示すような無線ネットワークの構築にあたっては、ゲートウェイ９の設置と起動が一番最初に行われるべきであるが、機材の手配や、プラントネットワーク１０やコントロールシステム１１のコンフィグレーションなどの事情により、Ｉ／Ｏデバイス２〜６，１２や、ルーティングデバイス７，８の設置の後になることがある。
【００３３】
一方、Ｉ／Ｏデバイス２〜６，１２やルーティングデバイス７，８として用いられるフィールド機器は、一般的に筐体の外に電源ＯＦＦ/ＯＮのためのスイッチを持たないものが多い。これは、これらフィールド機器を危険雰囲気中で使用できるようにするために耐圧防爆構造などが要求されることから、スイッチの実装が困難なことによる。したがって、一般的には、電池の着脱で電源のＯＦＦ/ＯＮを行う構造が多い。
【００３４】
また、フィールド機器の筐体内部にスイッチを設けることも考えられるが、スイッチのＯＦＦ/ＯＮのために筐体の蓋を開けるのはユーザーの負担になる。また、耐圧防爆が要求される場所では、筐体を開けることは許されない。したがって、フィールド機器を現場に設置する直前に電源スイッチをＯＮにするか、電池を挿入することになる。
【００３５】
この結果、ゲートウェイ９が存在しない状態では、Ｉ／Ｏデバイス２〜６，１２やルーティングデバイス７，８として用いられるフィールド機器は、電源がＯＮの状態で図９のＳＱ１に示すAdvertisementを待ち続けることになり、ゲートウェイ９が設置されて起動されるまでの間、図１０に示すように消費電流がＩａの大きいＴａの状態を持続しなければならない。
【００３６】
実測例によれば、図１０におけるＴａの状態における消費電荷量はＴｂの状態の消費電流の数十倍であり、ゲートウェイ９の設置が一日遅れるだけで数ヶ月分の電池を消耗してしまうことになる。電池で動作する方式を用いる無線フィールド機器では、電池の寿命は重要な課題の一つであって、図１０のＴａの状態で電池を消耗してしまうのは大きな問題である。
【００３７】
また、ゲートウェイ９が故障した場合も同様であり、ゲートウェイ９の交換が完了するまでの間に、Ｉ／Ｏデバイス２〜６，１２やルーティングデバイス７，８として用いられるフィールド機器はそれぞれの電池から多量の電荷量を消費することになる。
【００３８】
ゲートウェイ９の設置あるいは交換が完了してから、フィールド機器の電源をＯＮすることは現実的ではない。なぜなら、まず、耐圧防爆が要求される場所では、前述のように筐体を開けることは許されない。
【００３９】
また、大きなプラントでは、数百から数千のフィールド機器を配置することもあり、これら全機器に対してこれを行うことは人件費の増加や、たとえば筐体の蓋のかじりによるトラブル、蓋の不完全な閉め方による耐圧領域での危険性の増加を生む可能性を増大させることになる。
【００４０】
さらに、 ユーザーのワークベンチなど安全な領域においてフィールド機器に電池を挿入して筐体の蓋を閉めたとしても、本格的に通信が開始されるまでは電池を浪費してしまうことになる。
【００４１】
本発明は、これらの課題を解決するもので、その目的は、無線ネットワークへのジョイン前における消費電流を減らすことで電池の長寿命化が図れる無線フィールド機器を提供することにある。
【００４２】
また、無線フィールド機器の設置後でも、ゲートウェイの設置／起動を可能にすることで、ユーザーの工事や交換手順に自由度を持たせることにある。
【００４３】
さらに、ゲートウェイの設置／起動後における無線フィールド機器のスイッチなどによるリスタート機能などが不要で自動でネットワークにジョインでき、ユーザーのプラントでの無線フィールド機器の再起動に伴うプラントへの移動やフィールド機器の取り外しなどの作業を排除することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
このような課題を達成するために、本発明の請求項１記載の発明は、
電池および無線モジュールを内蔵し、ゲートウェイを介して無線ネットワークに接続される無線フィールド機器において、
前記無線ネットワークに接続するのにあたり、前記無線モジュールはあらかじめ設定された時間内は前記ゲートウェイに対して連続アクセスを行い、この連続アクセス時間内に前記ゲートウェイからの応答を受信できない場合には前記無線モジュールから前記ゲートウェイへのアクセスを間欠的に行うことを特徴とする。
【００４５】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の無線フィールド機器において、
前記間欠アクセスの時間幅は、無線フィールド機器ごとに異なることを特徴とする。
【００４６】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の無線フィールド機器において、
前記間欠アクセスの時間幅は、各無線フィールド機器に割り当てられた固有のアドレスに基づいて設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４７】
これらにより、無線ネットワークへのジョイン前における無線フィールド機器に内蔵された電池の消費電流を減らすことができ、電池の長寿命化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図１のフィールド機器２０におけるジョイン前後の消費電流特性例図である。
【図３】フィールド機器２０の一連の状態遷移図である。
【図４】図３の状態説明図である。
【図５】図３の状態遷移説明図である。
【図６】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図７】図６のフィールド機器２０におけるジョイン前後の消費電流特性例図である。
【図８】無線フィールド機器を用いた無線ネットワークの一例を示すシステム構成図である。
【図９】Ｉ／Ｏデバイス１２が無線ネットワークトポロジー１に参加するためのシーケンス図である。
【図１０】Ｉ／Ｏデバイス１２におけるジョイン前後の消費電流特性例図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図である。図１において、無線フィールド機器２０は、アンテナ２１、無線モジュール２２、ＭＰＵ２３、センサ２４、電源管理部２５、電池２６、赤外通信部２７、表示部２８などで構成されている。
【００５０】
赤外送受器３０は、たとえばフィールド機器設定ツールに赤外線発信／受信器が内蔵されたものであり、赤外通信部２７との間で赤外線通信を行う。
【００５１】
無線モジュール２２は、アンテナ２１を介してたとえば図６のゲートウェイ９との間で無線信号の送受信を行う。無線モジュール２２の受信結果は、ＭＰＵ２３にも伝えることができる。また、ＭＰＵ２３の指令を受けて、故障情報やプロセス値ＰＶなどをゲートウェイ９に送信することもできる。
【００５２】
ＭＰＵ２３は中央処理装置であって、マイクロプロセッサなどの演算手段や、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの記録手段を有するものであり、センサ２４で検出された図示しない配管内のプロセス圧力、温度、流量などのプロセス量ＰＶを、変換したり、補正したり、ユーザー指定のたとえば％値などのスケーリング値に換算し、それらの演算結果を無線モジュール２２に伝達する。
【００５３】
また、無線モジュール２２を介してユーザーからの無線によるたとえば設定変更要求を受信して設定変更を行ったり、フィールド機器内部各部の制御や診断を行い、診断結果に問題があれば、無線モジュール２２を介してユーザーに故障情報などを伝える。さらに、診断結果やプロセス値ＰＶの演算結果を表示部２８に送信することにより、表示部２８に結果を表示する。
【００５４】
電源管理部２５は、電池２６から電源電圧を供給されて電圧レギュレーションを行い、ＭＰＵ２３に必要な電圧を供給する。
【００５５】
また、ユーザー指定された間欠動作周期時間に従ってＭＰＵ２３で決定されるＯＮ／ＯＦＦ制御により電源電圧のスイッチングを行い、所定周期毎にフィールド機器内部の各部に電源供給を行う。
【００５６】
さらに、赤外通信部２７からの受信信号に基づいて、フィールド機器内部各部への電源供給のＯＮ／ＯＦＦ制御も行う。
【００５７】
なお、電源管理部２５の管理機能は、ＭＰＵ２３の中央処理部分にあってもよい。この電源管理部２５の電源管理部分は省電力モードなどの待機状態の設定が可能であり、一定期間稼動した後、自身で待機状態に遷移することができる。待機状態の解除は、たとえば赤外通信部２７からの外部割込み信号などを受信することで行われる。
【００５８】
電池２６はたとえばリチウム電池であり、図示しない蓋を開けることによりフィールド機器の内部の所定部分に脱着できる。
【００５９】
赤外通信部２７は、フィールド機器の図示しないガラスカバーを通して赤外送受器３０からの信号を受信し、受信結果を電源管理部２５に送信する。
【００６０】
また赤外通信部２７は、赤外送受器３０に対しても送信可能であって、無線モジュール２２の代わりに、ＭＰＵ２３におけるプロセス値ＰＶの演算結果や故障診断結果を送信することができる。なお、赤外通信部２７は、表示部２８上にあってもよい。
【００６１】
表示部２８は、たとえばＬＣＤなどの表示器からなる。
【００６２】
このような構成において、ユーザーは、赤外送受器３０を使って、フィールド機器２０の電源をＯＮ／ＯＦＦするための設定信号を送信する。赤外通信部２７は、この電源の設定信号を受信して電源管理部２５に出力する。
【００６３】
電源管理部２５は、赤外通信部２７からの設定信号の受信や外部割込み信号などによって、待機状態にあれば起動する。起動中であれば設定信号を受信する。赤外通信部２７から受信した信号にしたがって、無線モジュール２２、ＭＰＵ２３、センサ２４および表示部２８への電源供給を中止する。赤外通信部２７に対しては、定期的たとえば１秒周期ごとに電源供給のＯＦＦ／ＯＮを行い、赤外線を検出できるようにする。
【００６４】
無線モジュール２２は、電源管理部２５からの電源供給の中止によって、電波の送受信を完全に停止する。
【００６５】
なお、前述のように、フィールド機器２０から電池２６を抜くことで、電源管理部２５への電源供給が遮断され、無線モジュール２２、ＭＰＵ２３、センサ２４および表示部２８への電源供給は中止される。そして、電池２６を挿入すると、電源管理部２５は、赤外通信部２７からのＯＮ／ＯＦＦ信号によらず、無線モジュール２２、ＭＰＵ２３、センサ２４および表示部２８への電源供給を再開するように構成してもよい。
【００６６】
図２は図１のフィールド機器２０におけるジョイン前後の消費電流特性例図であり、横軸は時間を示し、縦軸は消費電流を示している。フィールド機器２０の電源がＯＮされてから点線で示されるジョインが完了するまでの時間Ｔｃは、図９のシーケンス処理実行期間である。この期間はジョインが完了するまで連続して受信するため、Ｉ／Ｏデバイス１２は常に稼動状態であり、消費電流は常に大きい値Ｉｃとなる。
【００６７】
ジョイン完了後の時間Ｔｄでは、図１０のジョイン完了後の時間Ｔｂと同様に、一定周期Ｔごとのプロセスデータ送信のときのみ起動されてプロセスデータの算出と送信を行い、送信後は次の算出／送信まで休止する動作を繰り返す。各周期ＴにおけるＴ１は次のデータ算出/送信までの休止状態を示し、消費電流は小さい値Ｉｄ（＞Ｉｃ）となる。Ｔ２はプロセスデータ送信のために起動している状態を示す。ｔｐはフィールド機器２０がプロセスデータを無線通信でゲートウェイ９に送信していることを示す。
【００６８】
ジョインが完了するまでの時間Ｔｃにおいて、所定の時間Ｔ３が経過してもジョインできない場合には、ＭＰＵ２３は、無線モジュール２２を休止状態にする。ここで、所定の時間Ｔ３はユーザーがたとえば赤外送受器３０などで変更可能な値であり、ゲートウェイ９の設置計画に応じてたとえば１週間から１ヶ月という値に変更できるが、必要に応じて８〜２４時間程度に設定することもできる。
【００６９】
時間Ｔ４は無線モジュール２２を休止状態にしている時間であって受信作業を行わないため、消費電流をＩｃ’に低減することができるが、この間は図６のルーティングデバイス７，８やゲートウェイ９からのAdvertisementを受信することができないため、ネットワーク１にジョインできない。この時間Ｔ４はたとえば１時間程度であって、ユーザーによって変更可能な値である。
【００７０】
時間Ｔ５は、設定された時間Ｔ４の経過後にＭＰＵ２３により無線モジュール２２が再び稼動状態となる期間であり、この期間中無線モジュール２２はAdvertisementの受信を待機する。この間の消費電流は、時間Ｔ３と同様に比較的大きいＩｃとなる。時間Ｔ５はたとえば５分から１０分程度であり、ユーザーによって変更可能な値である。この時間Ｔ５の期間中に無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信できなければ、ＭＰＵ２３は無線モジュール２２を再び休止状態にする。
【００７１】
時間Ｔｃの経過中において、ゲートウェイ９が設置されて稼動が始まると、無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信できるようになるまで、フィールド機器２０は時間Ｔ４とＴ５の状態を繰り返す。そして、無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信した時点で時間Ｔｃは終了して従来例の図１０の時間Ｔｂと同様な時間Ｔｄの状態となる。
【００７２】
図３はフィールド機器２０の一連の状態遷移図、図４は図３の状態説明図、図５は図３の状態遷移説明図である。
【００７３】
これら各図において、「Deep Sleep」はフィールド機器２０全体が休止している状態である。ＭＰＵ２３は待機状態にあり、電源管理部２５からの外部割込み信号により起動できる。
【００７４】
「Start」はフィールド機器２０の起動処理している状態であり、「Long Wait」はネットワーク１へのジョインが完了するまでの時間ＴｃにおけるAdvertisement信号の受信時間Ｔ３に対応している。
【００７５】
「Sleep」は「Long Wait」期間にジョインできなかったので無線モジュール２２を休止させている状態であり、前述の時間Ｔｃにおける時間Ｔ４に対応している。
【００７６】
「Short Wait」は「Long Wait」期間にジョインできなかった無線モジュール２２を休止させている「Sleep」状態から短時間Ｔ５だけ覚醒させてAdvertisement信号を受信可能にしている状態である。
【００７７】
「Comm」はフィールド機器２０がネットワーク１にジョインした後、通信を行っている時間Ｔｄの状態である。
【００７８】
状態Ｓ１は、「Deep Sleep」から「Start」への遷移期間である。電池２６をＯＮにしたり、赤外通信部２７が赤外送受器３０からの赤外線信号を受信して電源管理部２５にすることにより、無線モジュール２２が起動される。
【００７９】
状態Ｓ２は、「Start」から「Long Wait」への遷移期間である。起動処理が終了することにより、時間Ｔ３を管理するタイマーを起動させる。
【００８０】
状態Ｓ３は、「Long Wait」から「Comm」への遷移期間である。無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信することにより、無線モジュール２２はネットワーク１へのジョイン処理を実行する。
【００８１】
状態Ｓ４は、「Long Wait」から「Sleep」への遷移期間である。時間Ｔ３を管理するタイマーの設定時間内に無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信できなかった場合には、無線モジュール２２を休止させるとともに、時間Ｔ４を管理するタイマーを起動させる。
【００８２】
状態Ｓ５は、「Sleep」から「Short Wait」への遷移期間である。時間Ｔ４を管理するタイマーの設定時間が満了すると、時間Ｔ５を管理するタイマーを起動させるとともに、無線モジュール２２を起動させる。
【００８３】
状態Ｓ６は、「Short Wait」から「Comm」への遷移期間である。無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信することにより、無線モジュール２２はネットワーク１へのジョイン処理を実行する。
【００８４】
状態Ｓ７は、「Short Wait」から「Sleep」への遷移期間である。時間Ｔ５を管理するタイマーの設定時間内に無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信できなかった場合には、無線モジュール２２を休止させるとともに、時間Ｔ４を管理するタイマーを起動させる。
【００８５】
状態Ｓ８は、「Comm」から「Long Wait」への遷移期間である。無線モジュール２２がネットワーク１から外れたと判断すると、時間Ｔ５を管理するタイマーを起動させる。
【００８６】
状態Ｓ１０は、「Deep Sleep」の継続状態を示している。電池２６はＯＦＦのままであり、赤外通信部２７が赤外送受器３０からの赤外線信号を受信することもない。
【００８７】
状態Ｓ１１は、「Long Wait」の継続状態を示している。無線モジュール２２はAdvertisement信号を受信しておらず、時間Ｔ３を管理するタイマーは設定時間が満了するまでカウント動作中である。
【００８８】
状態Ｓ１２は、「Sleep」の継続状態を示している。時間Ｔ４を管理するタイマーは設定時間が満了するまでカウント動作中である。
【００８９】
状態Ｓ１３は、「Short Wait」の継続状態を示している。無線モジュール２２はAdvertisement信号を受信しておらず、時間Ｔ５を管理するタイマーは設定時間が満了するまでカウント動作中である。
【００９０】
状態Ｓ１４は、フィールド機器２０がネットワーク１にジョインされた「Comm」の継続状態を示している。送信タイミングにしたがってＭＰＵ２３は所定の演算処理を行い、無線モジュール２２はプロセスデータをゲートウェイ９に送信する。
【００９１】
状態Ｓ２０は、不特定のいずれかの状態から「Deep Sleep」に遷移する状態を示している。不特定のいずれかの状態において電池２６がＯＮからＯＦＦになると、フィールド機器２０全体が休止して「Deep Sleep」に遷移する。
【００９２】
状態Ｓ２１は、「Sleep」または「Short Wait」の状態から「Long Wait」に遷移する状態を示している。「Sleep」または「Short Wait」の状態において赤外通信部２７が赤外送受器３０からの赤外線信号を受信すると、時間Ｔ３を管理するタイマーを起動させる。
【００９３】
このように、無線モジュール２２が時間Ｔｃの経過中における所定の時間Ｔ３の間にAdvertisementを受信できない場合には、無線モジュール２２を所定の時間Ｔ４休止状態にした後所定の時間Ｔ５稼動状態にすることを繰り返すことで、電池の消耗を抑制でき、現場に設定されたフィールド機器２０の蓋を開けて電源スイッチをＯＮ操作することなく、ゲートウェイ９の設置後に自動的に無線ネットワーク１にフィールド機器２０を追加することができる。
【００９４】
ところで、実際のプラントでは、多数のフィールド機器を設置して無線ネットワークを構築することが多い。たとえば点検や交換などで一旦ゲートウェイ９をネットワーク１から切り離して再度接続するのにあたり、各フィールド機器に設けられている無線モジュールの起動時間がほぼ一定していると、複数のフィールド機器からのゲートウェイ９へのアクセスが集中することになる。この結果、ゲートウェイ９の処理能力によっては処理しきれず、相当数のフィールド機器が再びスリープ状態に入ってしまい、無線ネットワークが完全に復旧するまでにかなりの時間を要することがある。
【００９５】
このような対策としては、各フィールド機器に設けられている無線モジュールの起動時間を微小時間ずらして分散させ、ゲートウェイ９へのアクセスが集中しないようにすればよい。
【００９６】
図６はこのような対策を施した本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図６において、電源管理部２５には、時間幅制御部２９が接続されている。時間幅制御部２９は、ＭＰＵ２３から受信した信号にしたがって電源管理部２５が無線モジュール２２への電源供給を停止するのにあたり、フィールド機器２０それぞれに固有の所定の時間遅れを付与するものである。なお、図６では時間幅制御部２９を独立した機能ブロックとしているが、ＭＰＵ２３や電源管理部２５の内部に組み込むようにしてもよい。
【００９７】
図７は図６のフィールド機器２０におけるジョイン前後の消費電流特性例図であり、図２と共通する部分には同一の符号を付けている。図２との相違点は、無線モジュール２２を休止状態にしている時間Ｔ４と無線モジュール２２が再び稼動状態となる時間Ｔ５の間に、時間幅制御部２９で設定されるフィールド機器２０それぞれに固有の所定の時間遅れとなる時間幅Ｔ４’が付加されていることである。
【００９８】
この時間幅Ｔ４’は時間幅Ｔ４の１０％程度の値であり、時間幅制御部２９によってたとえば次式（１）に基づいて演算される。
【００９９】
【０１００】
ここで、MODは剰余を表す。AEUI64はフィールド機器２０のEUI64アドレスによって決まる値であって、EUI64アドレスそのものでもよいし、処理速度の軽減のために以下の式（２）で与えられるEUI64の下位4バイトのワード列の総和であってもよい。
【０１０１】
すなわち、図８に示すＩ／Ｏデバイス２〜６，１２には、それぞれIEEEで定義されたEUI-64ビットアドレスが付与されている。EUI-64ビットアドレスは、IEEEで標準化されたデバイスを一意に識別するための６４ビットのアドレスであって、上位24bitはIEEEが製造業者に対して一意に割り当てた番号であり、残りの下位40bitは製造業者によってデバイスごとに異なる番号として付与されるものである。
【０１０２】
【０１０３】
式（２）において、Ｂ0,Ｂ1,Ｂ2,Ｂ3はそれぞれフィールド機器２０のEUI64アドレスの最下位バイトの値，最下位から２バイト目の値，最下位から３バイト目の値，最下位から４バイト目の値である。
【０１０４】
このように、時間幅制御部２９によりフィールド機器２０ごとに異なる時間幅Ｔ４’を時間幅Ｔ４に加算することで、フィールド機器２０ごとに異なる休止時間が設定されることから、図８に示すＩ／Ｏデバイス４〜６，１２の起床のタイミングがデバイスごとに異なることになる。
【０１０５】
これにより、これらデバイス４〜６，１２からゲートウェイ９へアクセスが集中することを防止でき、ゲートウェイ９の負荷を分散軽減できる。
【０１０６】
また、時間幅Ｔ４’のかわりに式(３)で表されるＴ３’を用いて、時間Ｔ３に時間幅Ｔ３’を付加しても時間幅Ｔ４’を付加するのと同様の効果が得られる。
【０１０７】
【０１０８】
以上説明したように、本発明によれば、無線ネットワークへのジョイン前における消費電流を減らすことで電池の長寿命化が図れる無線フィールド機器が実現できる。
【符号の説明】
【０１０９】
２０ 無線フィールド機器
２１ アンテナ
２２ 無線モジュール
２３ ＭＰＵ
２４ センサ
２５ 電源管理部
２６ 電池
２７ 赤外通信部
２８ 表示部
２９ 時間幅制御部
３０ 赤外送受器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィールド機器に無線通信手段が組み込まれた無線フィールド機器に関し、詳しくは、その電源制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえば上下水道施設におけるケーブル配線を敷設できないような場所、たとえばマンホール設備には、水が流れるパイプに無線機能を備えた流量計が無線フィールド機器として取り付けられている。
【０００３】
そして作業者は、データ収集や設備点検などにあたり、ハンドヘルド端末を無線通信機として操作し、マンホール内の流量計との間で無線通信によるデータの授受を行う。
【０００４】
ここで、フィールド機器とは、圧力計，差圧計，温度計，レベル計，流量計などの各種伝送器や、バルブポジショナなどプロセスに直結して測定や制御(バルブポジショナ)を行うものをいう。なお、バルブポジショナ以外は、(工業用)発信器とも呼ばれる。
【０００５】
また、これらフィールド機器からの信号を受けて指示，記録，制御などを行う指示計，記録計，調節計，分散形制御システム，警報器などをシステム機器といい、これらシステム機器は、上記の発信器という概念に対して受信器とも呼ばれる。
【０００６】
なお、無線フィールド機器は、前述のように通常の配線が困難な場所に配置することを前提にして、電池で動作する方式が考えられており、長時間動作を可能にするため、電池としてはリチウム系電池が使用されている。
【０００７】
図８は、このような無線フィールド機器を用いた無線ネットワークの一例を示すシステム構成図である。図８において、無線ネットワークトポロジー１は、Ｉ／Ｏデバイス２〜６、ルーティングデバイス７,８、ゲートウェイ９により、スター・メッシュ型に構成されている。
【０００８】
Ｉ／Ｏデバイス２〜６は、前述のような差圧／圧力伝送器や温度伝送器などのセンサであったり、バルブ・ポジショナなどの操作端であって、IEEE802.15.4で規定された無線通信機能を有するものである。
【０００９】
ルーティングデバイス７,８は、advertisement(広告)を定期的に近隣デバイスに発行する広告機能や、ルート情報やメッセージの伝達を行うルーティング機能を有する。なお、ルーティング機能は、差圧／圧力伝送器や温度伝送器などのセンサやバルブ・ポジショナなどの操作端であるＩ／Ｏデバイス２〜６に搭載されてもよい。
【００１０】
ゲートウェイ９は、無線ネットワークトポロジー１とプラントネットワーク１０を接続する機能を有し、コントロールシステム１１とＩ／Ｏデバイス２〜６との結合を実現するものである。
【００１１】
図８の例では、Ｉ／Ｏデバイス２，３はルーティングデバイス８を介してゲートウェイ９と無線通信を行うことができ、Ｉ／Ｏデバイス２〜６はルーティングデバイス７を介してゲートウェイ９とそれぞれ無線通信を行うことができる。
【００１２】
ここで、Ｉ／Ｏデバイス１２は、ルーティングデバイス７,８からのadvertisementを受けておらず、無線ネットワークトポロジー１に参加できていない状態にある。このような状態としては、たとえばＩ／Ｏデバイス１２の電源を他のＩ／Ｏデバイス２〜６よりも後からＯＮした直後などが相当する。
【００１３】
図９は、Ｉ／Ｏデバイス１２が無線ネットワークトポロジー１に参加するためのシーケンス図であり、Ｉ／Ｏデバイス１２がルーティングデバイス７,８のadverstimentを受けてたとえばIEEE802.15.4を利用した無線規格であるISA100.11aの無線ネットワークトポロジー１に参加する場合を示している。
【００１４】
図９において、ルーティングデバイス８は、周辺のデバイスに対して、周期的に無線ネットワークトポロジー１への参加を促すためのadvertisementＳＱ１を送信する。無線ネットワークトポロジー１にいまだ参加していないＩ／Ｏデバイス１２は、ルーティングデバイス８からのAdvertisementＳＱ１を受信する。
【００１５】
Ｉ／Ｏデバイス１２は、AdvertisementＳＱ１を受信した後のＳＱ２において、ルーティングデバイス８に対し、ゲートウェイ９内にあるシステムマネージャ９１およびセキュリティマネージャ９２へのジョイン要求を送信する。
【００１６】
ルーティングデバイス８は、ＳＱ２を受けると、まずＳＱ３において、ゲートウェイ９内にあるシステムマネージャ９１に対してセキュリティマネージャ９２へのジョイン要求を転送する。
【００１７】
さらにシステムマネージャ９１は、ＳＱ３を受けると、ＳＱ４において、ゲートウェイ９内にあるセキュリティマネージャ９２に対してジョイン要求を転送する。なお、システムマネージャ９１およびセキュリティマネージャ９２は、ゲートウェイ９とは別置きでもよい。
【００１８】
また、ルーティングデバイス８は、ＳＱ５において、システムマネージャ９１に対してシステムマネージャ９１へのジョイン要求を転送する。
【００１９】
セキュリティマネージャ９２がＩ／Ｏデバイス１２のジョイン要求を受け付けると、ＳＱ６〜ＳＱ８によって、最終的にＩ／Ｏデバイス１２に対してセキュリティジョイン許可が通知される。
【００２０】
さらに、システムマネージャ９１がＩ／Ｏデバイス１２のジョイン要求を受け付けた場合には、ＳＱ９〜ＳＱ１０によって、最終的にＩ／Ｏデバイス１２に対してシステムマネージャジョイン許可が通知される。
【００２１】
ＳＱ１１において、Ｉ／Ｏデバイス１２はシステムマネージャ９１に対して、セキュリティコンファーム要求を送信する。
【００２２】
システムマネージャ９１は、セキュリティコンファーム要求をＳＱ１２を通してセキュリティマネージャ９２へ通知する。
【００２３】
その後、システムマネージャ９１は、ＳＱ１３により、Ｉ／Ｏデバイス１２へセキュリティコンファーム許可を送信する。
【００２４】
Ｉ／Ｏデバイス１２は、図９に示した一連のジョイン手続きが完了した後は、差圧、圧力、温度などのプロセスデータを一定周期ごとにゲートウェイ９に送信できる。送信周期は、たとえば１秒〜１時間程度のユーザが任意に設定できる時間間隔である。
【００２５】
このようにしてゲートウェイ９に送信されたプロセスデータは、コントロールシステム１１で処理され、ユーザによるモニタリングや、たとえばコントロールバルブなどの操作端であるＩ／Ｏデバイスに対してゲートウェイ９を介した無線信号により操作量を送信してプロセスの制御を行う。
【００２６】
これらＩ／Ｏデバイス２〜６，１２は、ジョイン後はそれぞれに内蔵されている電池の消耗を抑えるために通常は内部の回路を休止し、前述の一定周期ごとのプロセスデータ送信時にのみ起動されてプロセスデータの算出と送信を行い、送信後は次の算出/送信まで休止する。
【００２７】
図１０は、Ｉ／Ｏデバイス１２におけるジョイン前後の消費電流特性例図であり、横軸は時間を示し、縦軸は消費電流を示している。Ｉ／Ｏデバイス１２の電源がＯＮされてから点線で示されるジョインが完了するまでの時間Ｔａは、図９のシーケンス処理実行期間である。この期間はジョインが完了するまで連続して受信するため、Ｉ／Ｏデバイス１２は常に稼動状態であり、消費電流は常に大きい値Ｉａとなる。
【００２８】
ジョイン完了後の時間Ｔｂでは、一定周期Ｔごとのプロセスデータ送信のときのみ起動されてプロセスデータの算出と送信を行い、送信後は次の算出／送信まで休止する動作を繰り返す。各周期ＴにおけるＴ１は次のデータ算出/送信までの休止状態を示し、消費電流は小さい値Ｉｂ（＞Ｉａ）となる。Ｔ２はプロセスデータ送信のために起動している状態を示す。ｔｃはＩ／Ｏデバイス２〜６，１２がプロセスデータを無線通信でゲートウェイ９に送信していることを示す。
【００２９】
図１０から明らかなように、ジョイン完了後は、消費電流がＩｂの休止状態Ｔ１と消費電流がＩａの起動状態Ｔ２を一定周期Ｔごとに繰り返しているが、大半の時間は消費電流が小さいＩｂの休止状態Ｔ１になっている。したがって、一定周期Ｔを大きくとることにより、電池の消耗を比較的少なくすることができる。
【００３０】
特許文献１にはフィールド機器に無線機能を追加する技術が記載され、特許文献２には無線機能を有するフィールド機器を用いた通信システムの技術が記載されている。
【００３１】
【特許文献１】特開２００３−１３４０３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１３４２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
ところで、図８に示すような無線ネットワークの構築にあたっては、ゲートウェイ９の設置と起動が一番最初に行われるべきであるが、機材の手配や、プラントネットワーク１０やコントロールシステム１１のコンフィグレーションなどの事情により、Ｉ／Ｏデバイス２〜６，１２や、ルーティングデバイス７，８の設置の後になることがある。
【００３３】
一方、Ｉ／Ｏデバイス２〜６，１２やルーティングデバイス７，８として用いられるフィールド機器は、一般的に筐体の外に電源ＯＦＦ/ＯＮのためのスイッチを持たないものが多い。これは、これらフィールド機器を危険雰囲気中で使用できるようにするために耐圧防爆構造などが要求されることから、スイッチの実装が困難なことによる。したがって、一般的には、電池の着脱で電源のＯＦＦ/ＯＮを行う構造が多い。
【００３４】
また、フィールド機器の筐体内部にスイッチを設けることも考えられるが、スイッチのＯＦＦ/ＯＮのために筐体の蓋を開けるのはユーザーの負担になる。また、耐圧防爆が要求される場所では、筐体を開けることは許されない。したがって、フィールド機器を現場に設置する直前に電源スイッチをＯＮにするか、電池を挿入することになる。
【００３５】
この結果、ゲートウェイ９が存在しない状態では、Ｉ／Ｏデバイス２〜６，１２やルーティングデバイス７，８として用いられるフィールド機器は、電源がＯＮの状態で図９のＳＱ１に示すAdvertisementを待ち続けることになり、ゲートウェイ９が設置されて起動されるまでの間、図１０に示すように消費電流がＩａの大きいＴａの状態を持続しなければならない。
【００３６】
実測例によれば、図１０におけるＴａの状態における消費電荷量はＴｂの状態の消費電流の数十倍であり、ゲートウェイ９の設置が一日遅れるだけで数ヶ月分の電池を消耗してしまうことになる。電池で動作する方式を用いる無線フィールド機器では、電池の寿命は重要な課題の一つであって、図１０のＴａの状態で電池を消耗してしまうのは大きな問題である。
【００３７】
また、ゲートウェイ９が故障した場合も同様であり、ゲートウェイ９の交換が完了するまでの間に、Ｉ／Ｏデバイス２〜６，１２やルーティングデバイス７，８として用いられるフィールド機器はそれぞれの電池から多量の電荷量を消費することになる。
【００３８】
ゲートウェイ９の設置あるいは交換が完了してから、フィールド機器の電源をＯＮすることは現実的ではない。なぜなら、まず、耐圧防爆が要求される場所では、前述のように筐体を開けることは許されない。
【００３９】
また、大きなプラントでは、数百から数千のフィールド機器を配置することもあり、これら全機器に対してこれを行うことは人件費の増加や、たとえば筐体の蓋のかじりによるトラブル、蓋の不完全な閉め方による耐圧領域での危険性の増加を生む可能性を増大させることになる。
【００４０】
さらに、 ユーザーのワークベンチなど安全な領域においてフィールド機器に電池を挿入して筐体の蓋を閉めたとしても、本格的に通信が開始されるまでは電池を浪費してしまうことになる。
【００４１】
本発明は、これらの課題を解決するもので、その目的は、無線ネットワークへのジョイン前における消費電流を減らすことで電池の長寿命化が図れる無線フィールド機器を提供することにある。
【００４２】
また、無線フィールド機器の設置後でも、ゲートウェイの設置／起動を可能にすることで、ユーザーの工事や交換手順に自由度を持たせることにある。
【００４３】
さらに、ゲートウェイの設置／起動後における無線フィールド機器のスイッチなどによるリスタート機能などが不要で自動でネットワークにジョインでき、ユーザーのプラントでの無線フィールド機器の再起動に伴うプラントへの移動やフィールド機器の取り外しなどの作業を排除することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
このような課題を達成するために、本発明の請求項１記載の発明は、
電池および無線モジュールを内蔵し、ゲートウェイを介して無線ネットワークに接続される無線フィールド機器において、
前記無線ネットワークに接続するのにあたり、前記無線モジュールはあらかじめ設定された時間内は前記ゲートウェイに対して連続アクセスを行い、この連続アクセス時間内に前記ゲートウェイからの応答を受信できない場合には前記無線モジュールから前記ゲートウェイへのアクセスを間欠的に行うことを特徴とする。
【００４５】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の無線フィールド機器において、
前記間欠アクセスの時間幅は、無線フィールド機器ごとに異なることを特徴とする。
【００４６】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の無線フィールド機器において、
前記間欠アクセスの時間幅は、各無線フィールド機器に割り当てられた固有のアドレスに基づいて設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４７】
これらにより、無線ネットワークへのジョイン前における無線フィールド機器に内蔵された電池の消費電流を減らすことができ、電池の長寿命化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図１のフィールド機器２０におけるジョイン前後の消費電流特性例図である。
【図３】フィールド機器２０の一連の状態遷移図である。
【図４】図３の状態説明図である。
【図５】図３の状態遷移説明図である。
【図６】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図７】図６のフィールド機器２０におけるジョイン前後の消費電流特性例図である。
【図８】無線フィールド機器を用いた無線ネットワークの一例を示すシステム構成図である。
【図９】Ｉ／Ｏデバイス１２が無線ネットワークトポロジー１に参加するためのシーケンス図である。
【図１０】Ｉ／Ｏデバイス１２におけるジョイン前後の消費電流特性例図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図である。図１において、無線フィールド機器２０は、アンテナ２１、無線モジュール２２、ＭＰＵ２３、センサ２４、電源管理部２５、電池２６、赤外通信部２７、表示部２８などで構成されている。
【００５０】
赤外送受器３０は、たとえばフィールド機器設定ツールに赤外線発信／受信器が内蔵されたものであり、赤外通信部２７との間で赤外線通信を行う。
【００５１】
無線モジュール２２は、アンテナ２１を介してたとえば図６のゲートウェイ９との間で無線信号の送受信を行う。無線モジュール２２の受信結果は、ＭＰＵ２３にも伝えることができる。また、ＭＰＵ２３の指令を受けて、故障情報やプロセス値ＰＶなどをゲートウェイ９に送信することもできる。
【００５２】
ＭＰＵ２３は中央処理装置であって、マイクロプロセッサなどの演算手段や、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの記録手段を有するものであり、センサ２４で検出された図示しない配管内のプロセス圧力、温度、流量などのプロセス量ＰＶを、変換したり、補正したり、ユーザー指定のたとえば％値などのスケーリング値に換算し、それらの演算結果を無線モジュール２２に伝達する。
【００５３】
また、無線モジュール２２を介してユーザーからの無線によるたとえば設定変更要求を受信して設定変更を行ったり、フィールド機器内部各部の制御や診断を行い、診断結果に問題があれば、無線モジュール２２を介してユーザーに故障情報などを伝える。さらに、診断結果やプロセス値ＰＶの演算結果を表示部２８に送信することにより、表示部２８に結果を表示する。
【００５４】
電源管理部２５は、電池２６から電源電圧を供給されて電圧レギュレーションを行い、ＭＰＵ２３に必要な電圧を供給する。
【００５５】
また、ユーザー指定された間欠動作周期時間に従ってＭＰＵ２３で決定されるＯＮ／ＯＦＦ制御により電源電圧のスイッチングを行い、所定周期毎にフィールド機器内部の各部に電源供給を行う。
【００５６】
さらに、赤外通信部２７からの受信信号に基づいて、フィールド機器内部各部への電源供給のＯＮ／ＯＦＦ制御も行う。
【００５７】
なお、電源管理部２５の管理機能は、ＭＰＵ２３の中央処理部分にあってもよい。この電源管理部２５の電源管理部分は省電力モードなどの待機状態の設定が可能であり、一定期間稼動した後、自身で待機状態に遷移することができる。待機状態の解除は、たとえば赤外通信部２７からの外部割込み信号などを受信することで行われる。
【００５８】
電池２６はたとえばリチウム電池であり、図示しない蓋を開けることによりフィールド機器の内部の所定部分に脱着できる。
【００５９】
赤外通信部２７は、フィールド機器の図示しないガラスカバーを通して赤外送受器３０からの信号を受信し、受信結果を電源管理部２５に送信する。
【００６０】
また赤外通信部２７は、赤外送受器３０に対しても送信可能であって、無線モジュール２２の代わりに、ＭＰＵ２３におけるプロセス値ＰＶの演算結果や故障診断結果を送信することができる。なお、赤外通信部２７は、表示部２８上にあってもよい。
【００６１】
表示部２８は、たとえばＬＣＤなどの表示器からなる。
【００６２】
このような構成において、ユーザーは、赤外送受器３０を使って、フィールド機器２０の電源をＯＮ／ＯＦＦするための設定信号を送信する。赤外通信部２７は、この電源の設定信号を受信して電源管理部２５に出力する。
【００６３】
電源管理部２５は、赤外通信部２７からの設定信号の受信や外部割込み信号などによって、待機状態にあれば起動する。起動中であれば設定信号を受信する。赤外通信部２７から受信した信号にしたがって、無線モジュール２２、ＭＰＵ２３、センサ２４および表示部２８への電源供給を中止する。赤外通信部２７に対しては、定期的たとえば１秒周期ごとに電源供給のＯＦＦ／ＯＮを行い、赤外線を検出できるようにする。
【００６４】
無線モジュール２２は、電源管理部２５からの電源供給の中止によって、電波の送受信を完全に停止する。
【００６５】
なお、前述のように、フィールド機器２０から電池２６を抜くことで、電源管理部２５への電源供給が遮断され、無線モジュール２２、ＭＰＵ２３、センサ２４および表示部２８への電源供給は中止される。そして、電池２６を挿入すると、電源管理部２５は、赤外通信部２７からのＯＮ／ＯＦＦ信号によらず、無線モジュール２２、ＭＰＵ２３、センサ２４および表示部２８への電源供給を再開するように構成してもよい。
【００６６】
図２は図１のフィールド機器２０におけるジョイン前後の消費電流特性例図であり、横軸は時間を示し、縦軸は消費電流を示している。フィールド機器２０の電源がＯＮされてから点線で示されるジョインが完了するまでの時間Ｔｃは、図９のシーケンス処理実行期間である。この期間はジョインが完了するまで連続して受信するため、Ｉ／Ｏデバイス１２は常に稼動状態であり、消費電流は常に大きい値Ｉｃとなる。
【００６７】
ジョイン完了後の時間Ｔｄでは、図１０のジョイン完了後の時間Ｔｂと同様に、一定周期Ｔごとのプロセスデータ送信のときのみ起動されてプロセスデータの算出と送信を行い、送信後は次の算出／送信まで休止する動作を繰り返す。各周期ＴにおけるＴ１は次のデータ算出/送信までの休止状態を示し、消費電流は小さい値Ｉｄ（＞Ｉｃ）となる。Ｔ２はプロセスデータ送信のために起動している状態を示す。ｔｐはフィールド機器２０がプロセスデータを無線通信でゲートウェイ９に送信していることを示す。
【００６８】
ジョインが完了するまでの時間Ｔｃにおいて、所定の時間Ｔ３が経過してもジョインできない場合には、ＭＰＵ２３は、無線モジュール２２を休止状態にする。ここで、所定の時間Ｔ３はユーザーがたとえば赤外送受器３０などで変更可能な値であり、ゲートウェイ９の設置計画に応じてたとえば１週間から１ヶ月という値に変更できるが、必要に応じて８〜２４時間程度に設定することもできる。
【００６９】
時間Ｔ４は無線モジュール２２を休止状態にしている時間であって受信作業を行わないため、消費電流をＩｃ’に低減することができるが、この間は図６のルーティングデバイス７，８やゲートウェイ９からのAdvertisementを受信することができないため、ネットワーク１にジョインできない。この時間Ｔ４はたとえば１時間程度であって、ユーザーによって変更可能な値である。
【００７０】
時間Ｔ５は、設定された時間Ｔ４の経過後にＭＰＵ２３により無線モジュール２２が再び稼動状態となる期間であり、この期間中無線モジュール２２はAdvertisementの受信を待機する。この間の消費電流は、時間Ｔ３と同様に比較的大きいＩｃとなる。時間Ｔ５はたとえば５分から１０分程度であり、ユーザーによって変更可能な値である。この時間Ｔ５の期間中に無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信できなければ、ＭＰＵ２３は無線モジュール２２を再び休止状態にする。
【００７１】
時間Ｔｃの経過中において、ゲートウェイ９が設置されて稼動が始まると、無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信できるようになるまで、フィールド機器２０は時間Ｔ４とＴ５の状態を繰り返す。そして、無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信した時点で時間Ｔｃは終了して従来例の図１０の時間Ｔｂと同様な時間Ｔｄの状態となる。
【００７２】
図３はフィールド機器２０の一連の状態遷移図、図４は図３の状態説明図、図５は図３の状態遷移説明図である。
【００７３】
これら各図において、「Deep Sleep」はフィールド機器２０全体が休止している状態である。ＭＰＵ２３は待機状態にあり、電源管理部２５からの外部割込み信号により起動できる。
【００７４】
「Start」はフィールド機器２０の起動処理している状態であり、「Long Wait」はネットワーク１へのジョインが完了するまでの時間ＴｃにおけるAdvertisement信号の受信時間Ｔ３に対応している。
【００７５】
「Sleep」は「Long Wait」期間にジョインできなかったので無線モジュール２２を休止させている状態であり、前述の時間Ｔｃにおける時間Ｔ４に対応している。
【００７６】
「Short Wait」は「Long Wait」期間にジョインできなかった無線モジュール２２を休止させている「Sleep」状態から短時間Ｔ５だけ覚醒させてAdvertisement信号を受信可能にしている状態である。
【００７７】
「Comm」はフィールド機器２０がネットワーク１にジョインした後、通信を行っている時間Ｔｄの状態である。
【００７８】
状態Ｓ１は、「Deep Sleep」から「Start」への遷移期間である。電池２６をＯＮにしたり、赤外通信部２７が赤外送受器３０からの赤外線信号を受信して電源管理部２５にすることにより、無線モジュール２２が起動される。
【００７９】
状態Ｓ２は、「Start」から「Long Wait」への遷移期間である。起動処理が終了することにより、時間Ｔ３を管理するタイマーを起動させる。
【００８０】
状態Ｓ３は、「Long Wait」から「Comm」への遷移期間である。無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信することにより、無線モジュール２２はネットワーク１へのジョイン処理を実行する。
【００８１】
状態Ｓ４は、「Long Wait」から「Sleep」への遷移期間である。時間Ｔ３を管理するタイマーの設定時間内に無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信できなかった場合には、無線モジュール２２を休止させるとともに、時間Ｔ４を管理するタイマーを起動させる。
【００８２】
状態Ｓ５は、「Sleep」から「Short Wait」への遷移期間である。時間Ｔ４を管理するタイマーの設定時間が満了すると、時間Ｔ５を管理するタイマーを起動させるとともに、無線モジュール２２を起動させる。
【００８３】
状態Ｓ６は、「Short Wait」から「Comm」への遷移期間である。無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信することにより、無線モジュール２２はネットワーク１へのジョイン処理を実行する。
【００８４】
状態Ｓ７は、「Short Wait」から「Sleep」への遷移期間である。時間Ｔ５を管理するタイマーの設定時間内に無線モジュール２２がAdvertisement信号を受信できなかった場合には、無線モジュール２２を休止させるとともに、時間Ｔ４を管理するタイマーを起動させる。
【００８５】
状態Ｓ８は、「Comm」から「Long Wait」への遷移期間である。無線モジュール２２がネットワーク１から外れたと判断すると、時間Ｔ５を管理するタイマーを起動させる。
【００８６】
状態Ｓ１０は、「Deep Sleep」の継続状態を示している。電池２６はＯＦＦのままであり、赤外通信部２７が赤外送受器３０からの赤外線信号を受信することもない。
【００８７】
状態Ｓ１１は、「Long Wait」の継続状態を示している。無線モジュール２２はAdvertisement信号を受信しておらず、時間Ｔ３を管理するタイマーは設定時間が満了するまでカウント動作中である。
【００８８】
状態Ｓ１２は、「Sleep」の継続状態を示している。時間Ｔ４を管理するタイマーは設定時間が満了するまでカウント動作中である。
【００８９】
状態Ｓ１３は、「Short Wait」の継続状態を示している。無線モジュール２２はAdvertisement信号を受信しておらず、時間Ｔ５を管理するタイマーは設定時間が満了するまでカウント動作中である。
【００９０】
状態Ｓ１４は、フィールド機器２０がネットワーク１にジョインされた「Comm」の継続状態を示している。送信タイミングにしたがってＭＰＵ２３は所定の演算処理を行い、無線モジュール２２はプロセスデータをゲートウェイ９に送信する。
【００９１】
状態Ｓ２０は、不特定のいずれかの状態から「Deep Sleep」に遷移する状態を示している。不特定のいずれかの状態において電池２６がＯＮからＯＦＦになると、フィールド機器２０全体が休止して「Deep Sleep」に遷移する。
【００９２】
状態Ｓ２１は、「Sleep」または「Short Wait」の状態から「Long Wait」に遷移する状態を示している。「Sleep」または「Short Wait」の状態において赤外通信部２７が赤外送受器３０からの赤外線信号を受信すると、時間Ｔ３を管理するタイマーを起動させる。
【００９３】
このように、無線モジュール２２が時間Ｔｃの経過中における所定の時間Ｔ３の間にAdvertisementを受信できない場合には、無線モジュール２２を所定の時間Ｔ４休止状態にした後所定の時間Ｔ５稼動状態にすることを繰り返すことで、電池の消耗を抑制でき、現場に設定されたフィールド機器２０の蓋を開けて電源スイッチをＯＮ操作することなく、ゲートウェイ９の設置後に自動的に無線ネットワーク１にフィールド機器２０を追加することができる。
【００９４】
ところで、実際のプラントでは、多数のフィールド機器を設置して無線ネットワークを構築することが多い。たとえば点検や交換などで一旦ゲートウェイ９をネットワーク１から切り離して再度接続するのにあたり、各フィールド機器に設けられている無線モジュールの起動時間がほぼ一定していると、複数のフィールド機器からのゲートウェイ９へのアクセスが集中することになる。この結果、ゲートウェイ９の処理能力によっては処理しきれず、相当数のフィールド機器が再びスリープ状態に入ってしまい、無線ネットワークが完全に復旧するまでにかなりの時間を要することがある。
【００９５】
このような対策としては、各フィールド機器に設けられている無線モジュールの起動時間を微小時間ずらして分散させ、ゲートウェイ９へのアクセスが集中しないようにすればよい。
【００９６】
図６はこのような対策を施した本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図６において、電源管理部２５には、時間幅制御部２９が接続されている。時間幅制御部２９は、ＭＰＵ２３から受信した信号にしたがって電源管理部２５が無線モジュール２２への電源供給を停止するのにあたり、フィールド機器２０それぞれに固有の所定の時間遅れを付与するものである。なお、図６では時間幅制御部２９を独立した機能ブロックとしているが、ＭＰＵ２３や電源管理部２５の内部に組み込むようにしてもよい。
【００９７】
図７は図６のフィールド機器２０におけるジョイン前後の消費電流特性例図であり、図２と共通する部分には同一の符号を付けている。図２との相違点は、無線モジュール２２を休止状態にしている時間Ｔ４と無線モジュール２２が再び稼動状態となる時間Ｔ５の間に、時間幅制御部２９で設定されるフィールド機器２０それぞれに固有の所定の時間遅れとなる時間幅Ｔ４’が付加されていることである。
【００９８】
この時間幅Ｔ４’は時間幅Ｔ４の１０％程度の値であり、時間幅制御部２９によってたとえば次式（１）に基づいて演算される。
【００９９】
【０１００】
ここで、MODは剰余を表す。AEUI64はフィールド機器２０のEUI64アドレスによって決まる値であって、EUI64アドレスそのものでもよいし、処理速度の軽減のために以下の式（２）で与えられるEUI64の下位4バイトのワード列の総和であってもよい。
【０１０１】
すなわち、図８に示すＩ／Ｏデバイス２〜６，１２には、それぞれIEEEで定義されたEUI-64ビットアドレスが付与されている。EUI-64ビットアドレスは、IEEEで標準化されたデバイスを一意に識別するための６４ビットのアドレスであって、上位24bitはIEEEが製造業者に対して一意に割り当てた番号であり、残りの下位40bitは製造業者によってデバイスごとに異なる番号として付与されるものである。
【０１０２】
【０１０３】
式（２）において、Ｂ0,Ｂ1,Ｂ2,Ｂ3はそれぞれフィールド機器２０のEUI64アドレスの最下位バイトの値，最下位から２バイト目の値，最下位から３バイト目の値，最下位から４バイト目の値である。
【０１０４】
このように、時間幅制御部２９によりフィールド機器２０ごとに異なる時間幅Ｔ４’を時間幅Ｔ４に加算することで、フィールド機器２０ごとに異なる休止時間が設定されることから、図８に示すＩ／Ｏデバイス４〜６，１２の起床のタイミングがデバイスごとに異なることになる。
【０１０５】
これにより、これらデバイス４〜６，１２からゲートウェイ９へアクセスが集中することを防止でき、ゲートウェイ９の負荷を分散軽減できる。
【０１０６】
また、時間幅Ｔ４’のかわりに式(３)で表されるＴ３’を用いて、時間Ｔ３に時間幅Ｔ３’を付加しても時間幅Ｔ４’を付加するのと同様の効果が得られる。
【０１０７】
【０１０８】
以上説明したように、本発明によれば、無線ネットワークへのジョイン前における消費電流を減らすことで電池の長寿命化が図れる無線フィールド機器が実現できる。
【符号の説明】
【０１０９】
２０ 無線フィールド機器
２１ アンテナ
２２ 無線モジュール
２３ ＭＰＵ
２４ センサ
２５ 電源管理部
２６ 電池
２７ 赤外通信部
２８ 表示部
２９ 時間幅制御部
３０ 赤外送受器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池および無線モジュールを内蔵し、ゲートウェイを介して無線ネットワークに接続される無線フィールド機器において、
前記無線ネットワークに接続するのにあたり、前記無線モジュールはあらかじめ設定された時間内は前記ゲートウェイに対して連続アクセスを行い、この連続アクセス時間内に前記ゲートウェイからの応答を受信できない場合には前記無線モジュールから前記ゲートウェイへのアクセスを間欠的に行うことを特徴とする無線フィールド機器。
【請求項２】
前記間欠アクセスの時間幅は、無線フィールド機器ごとに異なることを特徴とする請求項１記載の無線フィールド機器。
【請求項３】
前記間欠アクセスの時間幅は、各無線フィールド機器に割り当てられた固有のアドレスに基づいて設定されることを特徴とする請求項１または２記載の無線フィールド機器。
【請求項１】
電池および無線モジュールを内蔵し、ゲートウェイを介して無線ネットワークに接続される無線フィールド機器において、
前記無線ネットワークに接続するのにあたり、前記無線モジュールはあらかじめ設定された時間内は前記ゲートウェイに対して連続アクセスを行い、この連続アクセス時間内に前記ゲートウェイからの応答を受信できない場合には前記無線モジュールから前記ゲートウェイへのアクセスを間欠的に行うことを特徴とする無線フィールド機器。
【請求項２】
前記間欠アクセスの時間幅は、無線フィールド機器ごとに異なることを特徴とする請求項１記載の無線フィールド機器。
【請求項３】
前記間欠アクセスの時間幅は、各無線フィールド機器に割り当てられた固有のアドレスに基づいて設定されることを特徴とする請求項１または２記載の無線フィールド機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１５７４３（Ｐ２０１２−１５７４３Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４９７１０（Ｐ２０１０−１４９７１０）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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