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発明の名称 端末装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−105338(P2007−105338A)
公開日 平成19年4月26日(2007.4.26)
出願番号 特願2005−301126(P2005−301126)
出願日 平成17年10月17日(2005.10.17)
代理人 【識別番号】100100310
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 学
発明者 田中 毅 / 山下 春造 / 小野 豪一
要約 課題
低電力動作可能な脈拍検出装置を備えた生体に装着可能な端末装置を提供する。

解決手段
受光素子PTRと電流電圧変換回路IVと電流電圧変換回路IVの出力電圧を増幅する増幅回路AMPとマイクロコンピュータCPUとを有し、電流電圧変換回路IVは、受光素子PTRに流れる電流から所定の電流量を除いた電流が入力され、マイクロコンピュータCPUは増幅回路AMPからの信号に基づき脈拍を検出するよう構成する。
特許請求の範囲
【請求項1】
発光素子と、
上記発光素子からの光の反射・散乱光を受光し、受光した光の強度に応じた電流に変換する受光素子と、
電流電圧変換回路と、
上記電流電圧変換回路の出力電圧を増幅する増幅回路と、
マイクロコンピュータとを有し、
上記電流電圧変換回路は、上記受光素子に流れる電流から所定の電流量を除いた電流が入力され、
上記マイクロコンピュータは上記増幅回路からの信号に基づき脈拍を検出する、生体に装着可能な端末装置。
【請求項2】
請求項1において、
上記所定の電流量は、上記端末が生体に装着されて上記マイクロコンピュータによる脈拍の検出動作に先立って上記発光素子を発光させたときに、その反射・散乱光を受けた上記受光素子に流れる電流量に基づき設定される端末装置。
【請求項3】
請求項2において、
上記所定の電流量は、上記端末が生体に装着されて上記マイクロコンピュータによる脈拍の検出動作を行っている途中で、上記発光素子を発光させたときに、その反射・散乱光を受けた上記受光素子に流れる電流量に基づき更新される端末装置。
【請求項4】
請求項1において、
リストバンドを有し、
上記リストバンドにより人体の腕に装着可能とされる端末装置。
【請求項5】
請求項1において、
上記マイクロコンピュータは第1の動作モードと第2の動作モードとを有し、
上記第1の動作モードにおいては上記第2の動作モードよりも動作周波数が高く、
上記マイクロコンピュータは、上記発光素子の制御及び上記増幅回路からの信号の読み取りにおいては上記第2の動作モードで動作し、上記増幅回路からの信号に基づく脈拍の検出においては上記第1の動作モードで動作する端末装置。
【請求項6】
請求項1において、
上記発光素子は複数の発光源を備え、
上記複数の発光源はいずれも同じ波長の赤外光を照射可能である端末装置。
【請求項7】
請求項1において、
無線装置を備え、
上記無線装置により、上記検出した脈拍情報をサーバに転送する端末装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は脈拍検出機能を備える端末装置に係わり、特にウェアラブル(生体に装着可能な)端末装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、センサに無線通信機能を有する小型の電子回路を付加して、現実世界の様々な情報をリアルタイムに情報処理装置に取り込むネットワークシステム(以下、センサネットという)が開発されている。
【0003】
センサネットは、無線通信機能、センサ、および、電池等の電源を搭載する電子回路(以下、センサノードという)を周辺環境に多数配置して無線ネットワークを形成する。そのため、長時間に渡ってメンテナンスフリー、かつセンサデータを送信し続けられるものとし、かつ外形も小型化することが重要になる。このため、超小型でどこにでも設置できるセンサノードの開発が進められている。
【0004】
そのひとつとして、無線回路、プロセッサ、センサ、電池を集積したリストバンド型の小型電子回路である、人の腕に装着するセンサノードは、センサノード表面の脈拍検出装置から人の脈拍数を検出し、LANやインターネットなどの通信網を介して遠隔地から健康状態をモニタするなどの応用が可能である。小型で電池による長時間動作が可能なセンサノードを実現するためには、センサの小型化や低消費電力化が不可欠である。
【0005】
低消費電力化の技術として、センサノードでは特許文献1に示されるように間欠動作を行っている。センシングや無線通信などの主な動作は短時間で完了する上、頻度も数十秒から数分に一回程度しか必要にならないため、それ以外の時間はセンサやRFチップ、マイコン等の電源を遮断して電力消費を抑え、あらかじめ設定した時間ごとに動作状態になる。
【0006】
一方、従来からある脈拍検出装置として、生体表面に光を照射した際、反射・散乱光の一部が照射部の血管内の脈拍による強度変化を受けることを利用して、受光信号から人の脈拍数を検出する技術が用いられている。例えば特許文献2では、二つの異なる波長の光源を用いて、受光する2つの波長の差分信号から脈拍を検出している。これは、脈拍を測定する際の周囲の環境や人の動きによって脈拍信号成分以外のDC成分は強度が不規則に変化し、受光信号全体の強度もその変化によって大きく変化する。受光信号から、これら外光や体動による変化を受けるDC成分を除くために、血流の影響を受けた反射が起こりやすい波長と、主に受けずに生体表面で反射する波長の2つの光源を用いる。そして、二つの受光信号の差分信号を取ることにより、安定した脈拍検出が可能となっている。
【0007】
一方、特許文献3では受光信号の一部をオフセット回路によって差し引く補正を行っている。これは、受光信号中のDC成分がA/D変換において不要であるため、オフセット回路を設けることによって脈拍信号成分を主にA/D変換可能な範囲に収まるように補正し、補正された信号をA/D変換部に入力している。
【0008】
また、特許文献4ではあらかじめ決めた基準電圧との差分から脈拍信号を検出している。これは、光源の発光強度に応じて、反射・散乱光の強度が、主にDC成分で大きく変わる影響を低減するために、光源の発光強度に応じた基準電圧をあらかじめ計算し、受光信号と基準電圧とを差分増幅を行うことで、受光信号中の不要な強度変化を低減している。
【0009】
【特許文献1】特開2005−260291号公報
【0010】
【特許文献2】特開2005−160641号公報
【特許文献3】特開平1−135330号公報
【特許文献4】特開2000−139862号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかし、センサノードに脈拍検出装置を内蔵するにあたって、人体に違和感なく長時間装着するために、小型・軽量でなくてはならない。そのため、付属、または内蔵される電池も小型でなくてはならない。したがって、時間動作のために消費電力は制限される。
【0012】
特許文献1に示される間欠動作を行った場合、脈拍検出に必要な時間が長いため適していない。この脈拍検出装置で用いられる光源の電流は、他のセンサと比較して大きいことに加え、検出に長時間を要するため、間欠動作を行っても電力消費の多い動作状態が長くなってしまい、低消費電力化の効果を従来のセンサノードほど得ることができない。
【0013】
また、時間あたりの消費電力を抑えるために、センシングや無線送信などを行わない時間は不要な回路の電源を遮断する動作(以下、間欠動作と呼ぶ)を行う場合、アナログフィルタの使用は適さない。従来技術においてはノイズ除去にアナログフィルタが用いられているが、アナログフィルタは電源再投入後の安定化に時間がかかるため、電源の遮断・再投入を繰り返す間欠動作では、脈拍検出動作の前に余計に時間がかかることとなり、消費電力が増大する。
【0014】
一方、特許文献2に示されるように脈拍検出装置に複数種類の光源を用いると大型化、消費電力増加につながる。正確な脈拍検出には他のセンサより長い時間を必要とするため、光源に必要な電流を増やすことは、即ち全体消費電力を大幅に増大させることになる。加えて、複数種類の光源内蔵にあたり、設置スペースが必要となり、小型化が困難になる。
【0015】
特許文献3では、A/D変換の入力前にオフセット回路を設けて信号の補正を行っているが、その前段階でのアンプの飽和を防ぐことができない。この脈拍検出方式の場合、受光信号の大部分は、光源で発した光が生体表面でそのまま反射・散乱するか、太陽光などの外光が入り込むことによって生じるDC成分である。この信号をデジタル情報として取り込む際にA/D変換の解像度に限界があることから、脈拍信号に関するA/D変換精度が低下する。特許文献3では、A/D変換前にオフセット回路を設けているが、A/D変換の入力する信号は、前段階においてアンプで増幅する必要がある。特に、低消費電力化のため光源の電流を減らして発光強度を下げた場合、脈拍信号を検出するためにはアンプのゲインを上げなくてはならないが、受光する信号におけるDC成分の割合が大きく、その強度は不規則に変動するため、アンプが飽和してしまう。
【0016】
特許文献4においては、DC成分の変動によりアンプが飽和することがある。ここでは、発光強度に応じた基準電圧をあらかじめ設定して差分信号を用いているが、センサノードを人が装着した状態では使用環境や人の動作状態が変わるので、DC成分は不規則に変化し、脈拍信号のみを得ることができなくなるので、アンプの飽和に繋がる。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明では、発光素子と、発光素子からの光の反射・散乱光を受光し、受光した光の強度に応じた電流に変換する受光素子と、電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路の出力電圧を増幅する増幅回路と、 マイクロコンピュータとを有し、電流電圧変換回路は、受光素子に流れる電流から所定の電流量を除いた電流が入力され、マイクロコンピュータは上記増幅回路からの信号に基づき脈拍を検出する、生体に装着可能な端末装置を提供する。特に、所定の電流量は、端末が生体に装着されてマイクロコンピュータによる脈拍の検出動作に先立って発光素子を発光させたときに、その反射・散乱光を受けた受光素子に流れる電流量に基づき設定される。
【0018】
また、マイクロコンピュータは第1の動作モードと第2の動作モードとを有し、第1の動作モードにおいては第2の動作モードよりも動作周波数が高く、マイクロコンピュータは、発光素子の制御及び増幅回路からの信号の読み取りにおいては第2の動作モードで動作し、増幅回路からの信号に基づく脈拍の検出においては第1の動作モードで動作させるようにする。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、生体に装着可能な端末装置に要請される低消費電力に脈拍を検出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、本発明の脈拍検査装置の実施例につき、添付図面を参照しながら説明する。
図7(a)〜(c)は本発明の脈拍検査装置が搭載されるセンサノードSN01の外観を示すものである。図7(a)はセンサノードSN1の裏面、図7(b)はセンサノードSN1の表面、図7(c)はセンサノードSN1を人の腕WTに装着した状態を示し、例えばリストバンドにより人の腕に固定される。脈拍検査装置は発光ダイオードLEDから発光される光をフォトトランジスタPTRが検出し、検出された光の強度変化を元に脈拍を検査するものであるが、図7(a)に示すように、複数の発光ダイオードLED1と発光ダイオードLED2とを、フォトトランジスタPTRの周囲に配置することが望ましい。発光ダイオードを複数用いることで、腕WTのより広い面に光を照射し、広範囲にわたって信号を取得することができる。
【0021】
図7(c)に示すように発光ダイオード(LED1、LED2)とフォトトランジスタPTRを有する面(S1)を腕WTに密着させ、脈拍検出を行う。このとき、フォトトランジスタPTRを有する面(S1)は腕WTに密着させ、外光が入りにくい状態とし、外光の変化によるDC成分の変動を受けにくくする。また、表示装置LCDと外部スイッチ(SW1,SW2)を有する面(S2)は腕に装着した状態で外部スイッチ(SW1,SW2)による操作、表示装置LCDの視認ができる。例えば、表示装置LCDは脈拍検出動作中はマイコンCPU内で脈拍数を検出する際に参照する、脈拍信号波形を表示することができる。検出動作完了後は検出された脈拍数や、その他のセンシングデータを表示することができる。また、これらのデータを無線通信によって送受信を行う際の、動作結果(送信完了、失敗、通信状態など)を表示することができる。
【0022】
図3(a)〜(c)に、センサノードSN1の脈拍検出装置で得られる電流、電圧信号の例を示す。図7に示すように腕に装着するセンサノードは装着状態が腕時計等と同様のため、装着についての被験者の心理的負荷が小さいことが期待される一方、腕は血管密度が低く、例えば指先などの血管密度の高い部位から脈拍を検出する場合と比較して、フォトトランジスタが検出する信号全体の中で脈拍を示す信号の振幅がわずかであるという特徴がある。図3(a)の電流I01はフォトトランジスタから検出される電流信号波形の例である。このように、電流I01では、大部分がDC成分であるため、この信号をそのまま増幅したとしてもアンプのゲインが低い状態で既に飽和してしまい、脈拍成分を増幅することができない。
【0023】
図2に本発明の脈拍検出装置における回路構成例を示す。脈拍検出装置は検出動作を開始すると、生体からの脈拍信号検出を開始する。まず、発光ダイオードLEDから、生体表面BODY(図7の例では腕WT)に対して入射光ILを照射する。この入射光ILには、血管部による反射・散乱の影響を大きくするためには、赤外光が適している。入射光ILの大部分は皮膚表面で反射するが、一部は皮膚内部の血管で反射・散乱されるので、血流によって反射・散乱光の強度が変化する。したがって、指などの血管密度が高い部位であると反射・散乱光OLに占める脈拍による強度変化が大きくなり、検出が容易である一方、腕などの血管密度が低い部位では、反射・散乱光OLに占める脈拍による強度変化は小さく、検出が困難になるのである。反射・散乱光OLはフォトトランジスタPTRにて受光される。反射光OLはフォトトランジスタPTRにおいて電流信号に変換され、トランジスタ(TR1,TR2)から構成されるカレントミラー回路を介して、同じ値の電流が電流I01に流れる。電流信号I01の波形は図3(a)に示した通りである。
【0024】
詳細は図6を用いて説明するが、センサノードSN1の装着後、脈拍センシング開始時に反射光OLの電流信号をI/V変換回路(I/V)により電圧信号V04に変換し、電圧信号V04は信号線L02から本体ボードMBに入力される。電圧信号V04はA/D変換回路(A/D)においてアナログ信号からデジタル信号に変換され、マイコンCPUに入力される。電圧信号V04をもとに、電流信号I01からDC成分を差し引く動作を行う。本実施例では入力信号V04に対応する電流量を電流信号I01のDC成分であると見なす。これは図3(a)で示すように信号強度のほぼ全体がDC成分により支配されていると認められるためである。マイコンCPUは入力信号V04からこのDC成分の値を設定し、入出力デバイスI/Oから制御信号線L01、D/A変換回路(D/A)を介して可変電流回路CSを制御し、可変電流回路CSに受光信号のDC成分に相当する電流を発生させることにより、増幅回路AMPには脈拍信号を主成分とする電流信号I03が入力される。具体的には、信号線I02に可変電流回路CSで決められた受光信号のDC成分に相当するキャンセル電流が流れることにより、信号線I03に受光信号である電流I01からそのDC成分である電流I02を差し引いた電流I03が流れる(図3(b))。電流信号I03は、I/V変換回路(I/V)により電圧信号に変換され、さらに増幅回路AMPにより増幅される。このように、増幅回路AMPに入力される際には、入力信号の主成分が脈拍信号となっているために、増幅回路AMPの線形領域内での増幅が可能となり、被験者の脈拍を正しく捉えることが可能になる。
【0025】
増幅回路AMPにおいて増幅された電圧信号V03は高周波ノイズをカットするローパスフィルタLPFを通り、A/D変換部(A/D)においてデジタル信号に変換された後、マイコンCPUに入力される。マイコンCPUでは、入力信号V05に対し、メモリMEMと不揮発メモリROM1にあるプログラム(PG1,PG2)に記述される処理を行う。まず、入力信号V05から脈拍の周波数(≒1Hz)とは異なる周波数成分をノイズとして除去するためにデジタルフィルタをかける。その後、デジタルフィルタ処理後に残された信号から、ピークを計算することによって、脈拍数を検出する。
【0026】
このように、ノイズの除去にデジタルフィルタを用いるため、間欠動作を行っても動作を高速に行うことができる。アナログフィルタを用いると、電源を入れてから安定化するまでに時間が必要であるので、その間余計な電力を消費することになる。つまり、繰り返し電源の遮断・再投入を行う間欠動作を行うためには、アナログフィルタを用いるより、デジタルフィルタが適している。
【0027】
また、受光信号からDC成分を差し引く処理を行っていることで、ひとつの波長の光源のみを用いて脈拍信号を取り出すことができる。例えば、複数の波長の光源を用いて受光信号の差分をとる方法よりも、光源の数を減らして余計な消費電力を抑えることが可能である。また、光源を搭載するスペースも1種類の光源を用いる場合の方が減らすことができるので、脈拍検出装置及びセンサノードの小型化に適している。したがって、腕など人に装着するセンサノードへ用いる脈拍検出装置として小型・低消費電力の点で適している。
【0028】
図4はI/V変換回路(I/V)の回路構成例を示す。回路はオペアンプOA1、抵抗R1、コンデンサC1から構成される。オペアンプOA1の基準電圧としては、例えばVdd/2が与えられ、これに対してオペアンプOA1の出力が抵抗R1またはコンデンサC1を通じてフィードバックされる。ここで、基準電圧としてオペアンプOA1の電源電圧と脈拍検出装置の基準電圧との中間値を与えることにより、電流信号I03が負(すなわち、電流信号I01<電流信号I02となる場合)になる場合でも、簡易な回路構成で増幅が可能という利点がある。
【0029】
図5は可変電流回路CSの回路構成例を示す。回路はD/A変換回路(D/A)、オペアンプOA2、MOSトランジスタMOS、抵抗R2,R3から構成される。制御信号線L01から入力されるデジタル信号を、D/A変換回路(D/A)においてアナログ電圧信号に変換される。オペアンプOA2、MOSトランジスタ(MOS)、抵抗(R2,R3)においては、アナログ電圧信号からのオペアンプOA2の正入力の変化に応じて、MOSトランジスタ(MOS)のゲート電圧が変わり、電流信号に変換され、出力される。抵抗(R2,R3)の値の比によって、オペアンプOA2の正、負の入力間の電圧が変わり、MOAトランジスタ(MOS)からオペアンプOA2の負入力間の電流を調整できる。
【0030】
図6に脈拍検出装置における脈拍検出の動作をフローチャートで示したものである。センサノードSN1の装着後、脈拍検出開始P001が実行されると、マイコンCPUはまず発光ダイオードLEDの電源、A/D変換回路(A/D)をONにする(P002、P003)。次に、I/V変換回路(I/V)においてI/V変換された受光信号V04をマイコンCPUへ入力する(P004)。受光信号V04はほとんどがDC成分であるので、この値をDC成分の値として設定する。この値をもとに、可変電流回路CSを制御することによって、可変電流回路DCにおいてDC成分と同じ値であるキャンセル電流が流れる(P005)。この残された信号部分を増幅回路AMPにおいて増幅し、マイコンCPUに入力する(P006)。この信号の値を繰り返し読み取り、時間変化の波形がつくられる(R002)。時間変化波形から、デジタルフィルタにより必要とする脈拍信号の周波数成分以外を除去し、残された信号からピーク数を検出することによって、脈拍数の計算を行う。脈拍数が検出されるとマイコンCPUは、発光ダイオードLEDをOFF(P008)、A/D変換回路(A/D)をOFFし(P009)、不要な電力消費を停止させて、脈拍検出動作を終了する(P010)。
【0031】
受光信号からキャンセル電流を計算する動作(P004,P005)は脈拍検出開始時のみに一回行えばよい。さらに、脈拍検出動作時に複数回実行するようにすれば、DC成分の強度変化に早く応答可能であり、その都度再計算され、可変電流回路CSの電流値も変えられる。脈拍検出動作に複数回行うことにより、センサノードを装着した状態での使用者の移動や、体の動作時のDC成分の変動の影響を低減することができ、脈拍検出精度を向上することができる効果がある。
【0032】
図1に本発明の脈拍検出装置を有するセンサノードSN1の構成例を示す。センサノードSN1は本体ボードMB(マイコンCPU、メモリMEM、不揮発性メモリROM1、入出力デバイスI/O、A/D変換回路(A/D)を含む)、発光ダイオード(LED1、LED2)、フォトトランジスタPTR、DC電流キャンセル回路(DCC)、増幅回路AMP、ローパスフィルタLPF等から構成される。
【0033】
脈拍検出動作は既に、図2及び図3等を用いて説明した通りである。脈拍検出はマイコンCPUにより制御される。図7(a)で説明したように、同じ波長の光を発生させる発光ダイオード(LED1、LED2)が複数設けられ、マイコンCPUは入出力デバイスI/Oから入出力バスIOBを介してLEDスイッチ(PSW1,PSW2)を制御して発光ダイオード(LED1、LED2)を発光させる。したがって、図1の構成では、2つの発光ダイオードから発光された入射光ILによる反射・散乱光OLがフォトダイオードPTRで受光されることになる。
【0034】
なお、本発明を適用することにより、受光信号のDC成分によるアンプAMPの飽和を避けて増幅回路AMPのゲインを上げることができるようになるため、発光ダイオード(LED1、LED2)の消費電力を低減する効果もある。脈拍による反射・散乱光OLの変化を大きくするためには、発光ダイオード(LED1、LED2)の発光強度を上げることも考えられる。しかしながら、その場合は消費電力が大きくなり、ボタン電池のような限られた電力の下で長時間動作することが望まれる腕輪型センサノードSN1には適さない。本発明により、脈拍信号が微弱であっても増幅回路AMPのゲインを上げてマイコンCPUの入力に必要な強度まで増幅することができるため、発光ダイオード(LED1、LED2)の電流を下げることができる。実際、腕輪型センサノードSN01の消費電力に占める発光ダイオード(LED1、LED2)の割合が大きいため、センサノードSN01の消費電力を大幅に低減することができる効果も無視できない。
【0035】
さらに、マイコンCPUは発光ダイオード(LED1、LED2)の発光強度の制御によって発光を抑えることによって、発光ダイオード(LED1、LED2)の消費電力を低減できる。例えば、マイコンCPUは脈拍信号の強度を信号が入力される間モニタし、プログラム(PG1,PG2)で決められた入力信号強度を基準とし、比較を行う。入力信号が強い場合、発光強度を下げ、入力信号が弱い場合、発光強度を上げる。そのため、マイコンCPUは入出力デバイスI/OからI/Oバス(I/OB)に制御信号を送り、LEDドライバ(LD1、LD2)を制御して、発光ダイオード(LED1、LED2)の発光強度を調整する。この動作により、必要な発光強度を保ちながら、消費電力を抑えるように発光ダイオード(LED1、LED2)を動作させることができる。
【0036】
検出された脈拍数やその他センシングデータ、センサノードSN1の動作情報は、アンテナANTが接続される無線チップRFから、無線信号として送信される。動作情報とは、無線の通信品質や隣接する他ノードなどのデバイス接続情報、これまでの送信品質履歴(データ送信の成功・失敗回数など)、電池情報、ハードウェア・ソフトウェアバージョンなどが例として含まれる。これらの情報は、センサノードで構成するセンサネットの管理や、ノードの設置場所等を最適化するのに必要な情報である。
【0037】
センサノードSN01には、脈拍検出装置以外のセンサを搭載し、動作可能である。例えば、人の動きなどを検出できる加速度センサAS、人の皮膚表面温度や体温を検出する温度センサTSなどが搭載される。加速度センサがセンサノードSN01に搭載されている場合、加速度センサASの値によって人の動きを検出し、装着する使用者の行動・動作状態を推測することができる。これにより、脈拍検出装置で検出される脈拍数の信頼性の指標にすることができる。これは、人の動きが多い状態で脈拍検出を行うと、受光信号に体の筋肉の動きなどによる安静時とは異なる反射・散乱光が含まれるため、脈拍数の検出制度・信頼性が低下するためである。加速度センサASの値を参照することで、検出された脈拍数が信頼性の高いものか数値としてあらかじめ知ることができる。温度センサTSを搭載する場合、温度情報から、または脈拍情報と合わせて数値を観測することによって、装着者の健康状態をより詳しく知ることができる。
【0038】
また、同様の情報は表示装置LCDに表示され、使用者に数値を通知することができる。このセンサノードSN01から検出された情報を無線で管理者へ送信するだけでなく、使用者自身がその場で情報の内容を知ることができる。他に、接続しているネットワークの識別情報や、使用している無線周波数を示す情報を表示し、知らせることができる。また、間欠動作におけるスタンバイ状態においても現在時刻を表示することができる。
検出された情報やセンサノードの情報の履歴は、外部不揮発メモリROM2に保存することができる。センサノードSN01を持った使用者が移動や動作を行う場合、周辺環境による送信電波の反射や吸収の影響により、無線通信が途絶えることがある。このような状況では、送信データを送り先まで送信することができないが、取得したセンシングデータとデータの取得時間等の情報を不揮発メモリROM2に保存し、次の送信動作で通信可能時に送信する。これにより、無線通信の状態変化によるセンシングデータの欠損を防ぐことができ、安定した情報の供給が可能になる。
また、センサノードSN1はマイコンCPUに入力される外部クロック(Xtal1,Xtal2)と、無線チップに入力される外部クロック(Xtal3)を有している。これらの外部クロックを参照し、マイコンCPUや無線チップは動作する。
【0039】
センサノードSN1は時間あたりの消費電力を低減し、長時間動作を可能にするため、センシングや無線通信などの処理動作時以外に使用しない回路(無線チップRF,マイコンCPU、クロックXtal1〜Xtal3など)の電源を遮断して必要時に電源の再投入を行う動作(以下、間欠動作と呼ぶ)を行う。プログラム(PG1,PG2)で初期化された時間か、起動後に変更を行って外部不揮発メモリROM2に保存された時間で間欠動作を行う。決められた一定時間ごとに脈拍検出動作、無線送受信動作などの動作状態になり、それ以外の時間は、発光ダイオード(LED1,LED2)は電源供給スイッチ(PSW1、PSW2)によって電源を遮断し、マイコンCPU、無線チップRF、外部クロック(Xtal1,Xtal2、Xtal3)やリアルタイムクロックRTC以外の不要な回路は電源が遮断されたスタンバイ状態となることで、不要な電力消費を抑えている。スタンバイ状態の間、リアルタイムクロックRTCはプログラム(PG1,PG2)で決められた間欠動作時間を計り、決められた時間が経過すると遮断した電源を再び投入し、脈拍検出、無線通信などの既定動作を行う。
【0040】
センサノードSN1はスイッチ(SW1,SW2)を有し、外部からの操作によって、マイコンCPUに対し、プログラム(PG1,PG2)で決められた割り込み動作を行うことができる。このセンサノードの間欠動作時間の設定や、無線状態の確認などを、スイッチ(SW1,SW2)の操作に応じて、表示装置LCDに示す。また、これらの値を変更する場合は、表示装置LCDの内容をもとにスイッチ(SW1,SW2)を操作して変更を行い、外部不揮発メモリROM2に記憶して、設定変更内容をその後の動作に反映されることができる。
【0041】
また、消費電力低減の理由から、脈拍検出動作、無線通信動作以外の時間は表示装置LCDの電源を遮断することができる。または、現在時刻を表示するようにしておいてもよい。このとき、表示される時刻は、無線通信によって得ることで外部不揮発メモリROM2に記憶される。他の手段として外部スイッチ(SW1,SW2)によって表示装置LCDで確認しながら使用者が手動で変更することも可能であり、その変更も同様に外部不揮発メモリROM2に保存される。
【0042】
図8はセンサノードを含むセンサネットシステムの構成例を示す。基地局は無線通信機能、センサノードからのデータの記録や送信などを行う処理装置、記憶装置、広域通信網への接続手段を含む電子回路である。ルータは、センサノードから送信されるデータを受信し、基地局やその他のセンサノードに送り届けるためにデータを送り先に近い基地局、ルータ、または送り先センサノードへ送信する中継動作(以下、ルーティングと呼ぶ)を行う電子回路である。センサノードがデータの中継動作を行い、ルータと同様の機能を持つ場合もある。センサノード(SN01〜08)は基地局BS01、またはルータ(RT01〜05)と相互に無線通信で接続される。
ルータ(RT01〜05)はセンサノード(SN01〜08)、ルータ(RT01〜08)、基地局BS01から送信される情報を、それぞれの情報の送信先に送るためのルーティングを行う。ルータ(RT01〜05)は、情報の送受信に効率的な送信経路を予め探索するための経路探索用データを送信することができる。この送信経路情報(以下、ルーティングテーブルと呼ぶ)を記憶することにより、その後のデータのルーティングを効率良く行うことができる。または、予め設定されたプログラムをもとにルーティングを行う。この場合、ルータ(RT01〜05)、センサノード(SN01〜08)、基基地局BS01には接続関係を表すことができる識別番号をつけ、その識別番号をもとにデータのルーティングを行う。ルータ、またはルータと同様の機能を有するセンサノードを多く設置することによって、センサノード(SN01〜08)と基地局BS01間の無線通信だけでは、距離や電波の障害などによって無線通信を行うことが困難な場所にセンサノード(SN01〜08)を設置することが可能となり、より広い環境からのセンシングデータを集めることがきる。また、センサノード(SN01〜08)を人に装着した場合、基地局BS01との無線通信だけを行うと、センシングデータを送信できる範囲は基地局BS01からの電波の到達範囲のみに限定されてしまい、使用者の移動などに適していない。ルータ(RT01〜05)を互いに電波が届く範囲で多く設置していくことにより、センサノード(SN01〜08)を装着した使用者が、より広い範囲で活動しながら、センシングデータを送信することができる。
ルータ、基地局BS01は通信線N1によって、LANやインターネットなどの広域通信網WANに接続されている。広域通信網WANを介して、他の基地局BS02やデータの蓄積や基地局(BS01、BS02)と接続して制御情報を送るサーバSV01と接続される。センサネットシステムを利用するユーザ、または様々なサービス目的で動作するアプリケーションは、広域通信網WANに接続した端末からサーバSV01に接続し、通信を行うことでセンシングデータなどセンサネットからの情報を取得することができる。
【0043】
図9にセンサノードSN10、基地局BS10、サーバSV10から構成されるセンサネットシステムの動作例をフローチャートで示す。センサノードSN01を起動すると、無線チャネルや無線送信電力等の無線設定や動作状態の初期化を行い、基地局BS10が構成するセンサネットへの参加要求を送信する。この参加要求が基地局BS01で受信されると、基地局BS01から参加完了通知が送られ、センサノードSN10はこれを受信することで、基地局BS01へのセンシングデータ送信が可能となり、間欠動作を開始する(P101)。次に、マイコンCPUの動作を開始し、センシングと無線通信による送受信を行った後に電源をOFFしてから起動するまでの間欠動作時間を設定する(P102)。ここで設定される間欠動作時間は外部不揮発メモリROM2に記憶されている値を参照する。この値の初期値はプログラム(PG1,PG2)内に記述されている他、基地局BS01から送信されるコマンドや、外部スイッチ(SW1,SW2)の操作によって変更可能である。間欠動作時間設定後、センサと無線チップの電源をONにする(P103)。そして、脈拍数検出やその他のセンサによるセンシング動作を行い、センシングデータを取得する(P104)。センシング動作により取得された情報を無線通信により、基地局BS10へ送信を行う(P105)。ただし、基地局BS10,センサノードSN10が電波の到達距離よりも離れている場合、ルータを中継してデータを送信することができる。センサノードSN10はデータ送信(T101)後、受信待機状態であり、データ受信通知(以下、Ackと呼ぶ)とセンサノードSN10への動作実行要求(以下、コマンドと呼ぶ)(T102)を受信すると、受信コマンドの解析、実行を行うコマンド受信処理を行う(P106)。ただし、センサノードSN10が基地局BS10へデータを送信した後、無線通信状況の悪化や、基地局BS10における動作障害などによってAckやコマンドを受信できない場合、データの再送や受信待ちの動作を終了する。センサノードSN10には、送信データの再送回数と受信待ちを行う最大時間(以下、受信タイムアウト時間と呼ぶ)が設定されている。基地局BS10やルータからAckが返信されない場合、送信データの再送を設定された再送回数内で行う。またAck受信後のコマンド受信待ちは受信タイムアウト時間内で行う。送信データの再送回数と受信タイムアウト時間はプログラム(PG01,PG02)で記述されている。コマンド受信処理(P106)が終了後、センサ、無線チップ、マイコンCPUの電源を遮断する(p107)。その後は間欠動作時間設定(P102)で設定された時間が経過するまで待機し不要な電力消費を抑え、時間経過後は再び間欠動作時間設定(P102)からの動作(P102〜107)を繰り返す。
【0044】
基地局BS10は動作設定初期化(P108)後、無線通信の待機状態であり、ノードSN10からの無線送信(T101)を受けることができる。起動後、基地局BS10へセンシングデータを送信するセンサノードSN10からのセンサネットへの参加要求を受け付ける。参加要求を受けると、センサノードSN10へ識別番号を割り振り、複数のセンサノードを識別する。センサノードSN10センシングデータ等のデータを受信すると、データや送信元のセンサノードの識別などを行うデータ受信処理を行い(P109)、Ackを返す(T102)。そのとき、送信コマンドの待ち順列(以下、送信キューと呼ぶ)にSN10への送信コマンドが存在する場合は、コマンドの送信(T102)を行う(P110)。基地局BS10はセンサノードSN10から受け取ったセンシング情報に、送信元であるセンサノードの情報、データの種別情報、取得時刻情報を付加し、サーバSV10へ送信する(P111)。基地局BS10は常時サーバSV10からの通信待機状態である。サーバSV10からのデータ送信(T103)を受けると、受信したデータの解析や、センサノードへの送信データを送信キューへ送るコマンド受信処理を行う(P112)。
【0045】
サーバSV10は起動、動作設定初期化後(P113)、サーバSV10へ送信される複数の基地局からの通信に対して待機状態になり、基地局BS10からのデータ送信(T104)を受ける。また、予め設定された返信や、管理者、ユーザからのセンサネットシステムへの制御情報を、適切な基地局へと送信する(P114)。サーバSV10へ、ネットワークに接続した端末がアクセスし、使用者からセンサネットシステムからの情報を取得、または制御情報の送信を行うことができる。
【0046】
なお、センサノードSN1の消費電力をさらに低下させるために、脈拍検出動作の際に、マイコンCPUのクロックを処理段階によって変化させてもよい。図6のフローチャートを参照すると、脈拍検出開始(P001)が実行されると、マイコンCPUは低クロック動作状態で動作をする。その後、ステップP002〜P007までの動作をこの低クロック動作状態で行う。フォトトランジスタPTRの受光信号と、その値からDC成分を設定し、DC成分差し引いた脈拍信号を入力するまでの動作は主に15秒程度(数秒〜数十秒で変更可能)を必要とするが、マイコンCPUの処理における負荷は少ないので低クロック動作で処理可能である。この動作を低クロック状態で行った場合、実施例図1のセンサノードSN01を例にすると、消費するのは1mA程度であり、高クロック動作状態よりも大幅に低減できる。
【0047】
脈拍信号の波形取得後、マイコンCPUは高クロック動作状態とし、脈拍を算出する動作(P007)を、マイコンCPUの高クロック動作状態で行う。この処理においてはマイコンCPUに負荷がかかり、高速な動作が必要であるため、実施例図1のセンサノードSN01を例にすると、電流消費も約6mAと大きい。しかし、計算時間は数ms程度の短時間に限定することで、電力消費の大きい高クロック動作を最小限に抑えている。
【0048】
脈拍数が検出されると発光ダイオードLEDをOFF、A/D変換回路(A/D)をOFFし、不要な電力消費を遮断し、脈拍検出動作を終了する。
【0049】
このようにクロック可変時の脈拍検出動作を含み、間欠動作を行うセンサノードの消費電流の時間変化を図10に示す。センサノードの消費電流はスタンバイ状態(P320,P340)の時、リアルタイムクロックRTCなどで消費され最も少ない。スタンバイ状態が全体に占める時間の割合が大きくなるほど、時間平均での電力消費を下げることができる。限られた電池での動作時間を長くしたい場合、間欠動作時間を長くすることで実現することが可能である。
【0050】
動作状態(P310、P330)では、センサ、無線チップRF、マイコンCPUが動作し、消費電流が増す。フォトトランジスタPTRからの受光信号を、マイコンCPUがキャンセル電流を差し引いた後、信号波形を取得する区間では、マイコンCPUでは高速な動作が要求されないので、マイコンCPUは低クロック状態で動作(P311,P331)し、マイコンCPUでの消費電流は高クロック状態と比較して抑えることができる。この時間は数秒〜数十秒を必要とする。実施例図1におけるセンサノードSN01によれば、10mA程度である。この後の区間では、マイコンCPUは高クロック状態で動作し、取得した信号の波形にデジタルフィルタ、脈拍数の検出などの演算を行い、無線送信を行う(P312,P332)。ここで、マイコンにおける消費電流が最も大きくなるが、計算時間や無線通信処理は短時間であるので、全体に占める時間の割合は最も小さく抑えることができる。この時間は数mA程度で完了する。実施例図1におけるセンサノードSN01によれば、60mA必要である。つまり、動作状態に必要な電流をほぼ全体的に低減していることになる。その後、再びセンサ、無線チップRF、マイコンCPUなどの電源を遮断し、再びスタンバイ状態(P320,P340)になる動作を繰り返す。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】脈拍検出装置が含まれるセンサノードの構成例を示す図である。
【図2】脈拍検出装置を示す図である。
【図3】脈拍検出処理過程における信号波形を示す図である。
【図4】I/V変換回路の構成例を示す図である。
【図5】可変電流回路の構成例を示す図である。
【図6】脈拍検出装置における動作の流れを示す図である。
【図7】脈拍検出装置が含まれるセンサノードの外観例を示す図である。
【図8】センサネットシステムの一実施形態を示す図である。
【図9】センサネットシステムにおけるセンサノード、基地局、サーバの動作の流れを示す図である。
【図10】センサノードの動作状態と消費電流の関係を示す図である。
【符号の説明】
【0052】
MB…本体ボード、CPU…マイコン、MEM…メモリ、ROM1〜ROM2…不揮発メモリ、A/D…A/D変換回路、I/O…入出力デバイス、LED1〜LED2…発光ダイオード、PTR…フォトトランジスタ、TR1〜TR2…トランジスタ、CS…可変電流回路、I/V…I/V変換回路、AMP…増幅回路、LPF…ローパスフィルタ、LD1〜LD2…LEDドライバ、BODY…人体、IL…入射光、OL…反射光、I01〜I03…電流、V03〜V05…電圧、L01〜L04…信号線、OA1〜OA2…オペアンプ、D/A…D/A変換回路、R1〜R3…抵抗、C1…コンデンサ、MOS…MOSトランジスタ、RF…無線チップ、AS…加速度センサ、TS…温度センサ、SW1〜SW2…外部スイッチ、PSW1〜PSW2…LEDスイッチ、Xtal1〜Xtal2…発振器、RTC…リアルタイムクロック、LCD…表示装置、ANT…アンテナ、DC Cancel…DC電流キャンセル部、WRIST…手首、S1〜S2…装置表面、SN01〜SN10…センサノード、RT01〜RT04…ルータ、BS01〜BS10…基地局、SV01〜SV10…サーバ。




 

 


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