專利名稱:無線感測設備的制作方法
技術領域:
本發明針對一種無線感測設備,更具體地說,針對一種包含將外部的能量轉換為電能發電元件的無線設備,用于將感測到的結果作為無線電信號發送。
背景技術:
日本專利申請公開No.2004-24551揭示了一種自含式(self-contained)的感測系統,該系統包括一種發電裝置,用于發送感測到的結果。該系統包括用于感測溫度、加速度或紅外線以產生指示感測到的模擬值的感測信號的傳感器,以及將感測信號轉換成數字數據的A/D轉換器。用微處理器對此數字數據進行處理,以便通過無線電發射器將此數字數據作為無線電信號發送。還包括作為發電裝置的太陽能電池,以便為A/D轉換器、微處理器和無線電發射器提供操作能量。由于不能指望太陽能電池恒定地產生足夠的能量來維持系統運行,因此,系統需要能量調節器,其僅當在太陽能電池處產生大量電能時才運行,以便發送可靠的感測結果。此外,由于無線電發射器和A/D轉換器消耗相對大量的電能,因此該系統建議使用在低功率下運行的、通常稱為UWB(超寬帶)傳輸的無線傳輸技術。然而,仍存在最小化無線感測系統中的操作功率的需要,尤其是在A/D轉換器不是必要的而且僅一個比特信息作為感測結果就足夠的情況下,以便在依靠具有有限發電能力的發電裝置的同時,在擴展的時間段內保持可靠的感測操作。
發明內容
鑒于上述問題,完成了本發明以提供一種無線感測設備,其消耗較少的能量并能夠在延長的時間段內運行以提供可靠的感測器結果。該無線感測設備包括感測器,被配置來感測目標物體并提供指示目標物體狀況的可變級別的感測信號;信號處理電路,被配置來用于放大此感測信號并給出經放大的電模擬信號;檢測電路,被配置來接收該經放大的模擬信號,并且當電模擬信號超出預定檢測閾值時提供檢測輸出(Dout)。在此設備中還包括無線電發射器,它配置來響應于檢測輸出而發射無線電檢測信號(RS)。此外,該設備包括電源,被配置來向信號處理電路和無線電發射器提供電力;以及發電元件,其將外部能量轉換成要在電源中積累的電力。本發明的基本特征在于,包含控制器,以僅響應于檢測輸出激活無線電發射器,從而允許無線電發射器產生無線電檢測信號。因此,可以使無線電發射器保持不被激活直到接收到檢測輸出,由此節省能量以延長電源(即設備)的工作壽命。
在一優選實施例中,該無線電發射器包括調節器、時鐘、脈沖發生器、驅動器。調節器被連接來接收來自電源的電力,并被配置來僅在從檢測電路接收檢測輸出時才在短時間段內提供操作電壓。時鐘在從調節器接收操作電壓時被激活以提供時鐘信號。脈沖發生器被配置來基于時鐘信號產生標識檢測輸出的存在的短脈沖。驅動器在從調節器接收操作電壓時被激活,以通過天線發射作為無線電檢測信號的短脈沖。利用這樣的安排,僅當接收到檢測輸出時才使時鐘和驅動器活動以發射無線電檢測信號。因而,驅動器——其本質上無線電發射器中最耗電的單元——在沒有檢測輸出的時候可以被保持不活動,由此在沒有接收檢測輸出時,無線電發射器被保持在最小功率消耗模式之中,這使得能夠進一步減少設備的電力需求并因而延長有效的操作時間。
為了進一步節省在信號處理電路側上的能量,控制器可以被配置來提供在減少的功率下操作信號處理電路的睡眠模式,并且一旦確認了存在導致檢測輸出的輕微標志,就將睡眠模式轉換到正常模式以進行可靠的檢測。在正常模式中,信號處理電路在額定功率下操作,以得到與額定功率成比例的額定幅度的電信號(Vout)。在睡眠模式中,信號處理電路在減少的功率下操作,以得到與減少的電力成比例的低幅度的電信號(Vout)。關于這一點,檢測電路被配置來具有比檢測閾值低即更嚴格的喚醒閾值。控制器被配置來當額定幅度的電信號(Vout)變得低于檢測閾值時將正常模式切換到睡眠模式,并保持睡眠模式,直到低幅度的電信號超出喚醒閾值。在正常模式中,在額定幅度的電信號(Vout)超出檢測閾值時給出檢測輸出(Dout)。
該感測器可以是紅外線感測器,用于通過監控從目標物體例如人體發出的紅外線的關鍵變化來檢測目標物體的移動。該紅外線感測器被配置來提供響應于目標的移動而在正向或負向上變化的感測信號。在此情況下,為檢測電路被配置為具有閾值選擇器,該閾值選擇器提供由所述檢測閾值的較高正值和較低負值限定的檢測范圍(A1-A2),以及由所述喚醒閾值的較高正值和較低負值限定的喚醒范圍(B1-B2)。該檢測電路包括比較器單元,其從閾值發生器選擇性地接收檢測范圍和喚醒范圍,以將模擬信號與所選擇的范圍相比較。該比較器單元當額定幅度的電信號(Vout)超出檢測范圍時或當低幅度的電信號(Vout)超出所述的喚醒范圍時產生第一信號,否則產生第二信號。控制器被配置響應于第一信號選擇檢測范圍,并響應于第二信號選擇喚醒范圍。檢測電路僅當在正常模式下查覺到第一信號時才提供檢測輸出。因此,該感測設備可以使用紅外線感測器成功地檢測目標物體的移動,同時節省能量。
檢測電路可以包括輸出供應器,其被配置來當在輸出供應器的輸入處接收到來自比較器單元的第一信號時產生檢測輸出(Dout)。該輸入通過開關連接到比較器單元,該開關由控制器控制以僅響應于第一信號閉合才。這樣,避免輸出供應器在沒有第一信號時產生錯誤的檢測信號,由此提高檢測的可靠性。
此外,所述控制器被連接來監測在電源中積累的電力的級別,用于在電力高于預定功率級別時保持正常模式并且禁止睡眠模式。即,在足夠功率可用的時候,不讓檢測電路在各個模式之間轉換,因而使檢測電路免于受到不穩定的電路操作的影響,從而保證可靠的檢測,其中,該不穩定的電路操作可能在瞬時模式轉換的時候出現。
此外,可用光電池限定該感測器,該光電池一方面感測照明級別,并且另一方面將光轉換成電能以在電源中積累電力。
通過下面結合附圖對推薦的具體實施例所作的詳細描述,本發明的上述的和其他方面的優點將會變得更加清楚。
圖1是根據本發明的一優選實施例的感測設備的方框圖。
圖2是用在上述設備中的檢測電路的電路圖。
圖3是表示該設備的操作的圖。
圖4是根據本發明的另一優選實施例的感測設備的方框圖。
圖5是根據本發明的另一優選實施例的感測設備的方框圖。
具體實施例方式
現參見圖1,其中,根據本發明的一優選實施例示出了一傳感器設備。該設備是專門安排來檢查人移動的,即,通過使用紅外線感測器來檢測是否有人進出監視區,其中,該紅外線感測器響應于來自人體的紅外線輻射產生電感測信號,盡管本發明不應限于此具體例子。紅外線傳感器10產生感測信號,該信號響應于進出監視區的人的移動而在正向和負向上變化。
該設備包括信號處理電路20,其處理感測信號以給出放大了的模擬信號;以及檢測電路50,用于將該模擬信號與預定的標準相比較,以便根據比較結果提供檢測輸出。該設備還包括無線電發射器90,其響應于檢測結果(Dout)產生并通過天線97發送無線電檢測信號(RS),以便接收器(未示出)確認此檢測結果。在此設備中包括電源100,用于向信號處理電路20、檢測電路50和無線電發射器90提供電力。在此設備中還包括發電元件110,其將外部的能量轉換成為要在電源100中積累的電力。在此實施例中,由將光轉換成電力的太陽能電池來實現發電元件110。還提供了控制器120,用于向無線發射器90提供一致的檢測結果,并在感測器沒有感測到有關鍵情況(critical condition)時能夠節省能量,后面將對其進行詳細說明。
信號處理電路20包括電流-電壓轉換器80,其將電流信號即從感測器10輸出的感測信號轉換成相應的電壓信號;電壓放大器40,其將電壓信號放大為放大了的模擬信號(Vout),該放大了的模擬信號(Vout)的幅度依據控制器120指示的放大系數而變化。關于這一點,控制器120提供了在額定功率下操作信號處理電路20的正常(normal)模式,以及在減少了的功率下操作信號處理電路20的睡眠模式,以便節省能量。在正常模式下,信號處理電路20在高的放大系數下因而在高的功率消耗下操作,以提供額定幅度的模擬信號(Vout)。在睡眠模式中,信號處理電路20在低的放大系數下因而在低的功率消耗下操作,以提供減少了幅度的模擬信號(Vout)。
如圖2所示,檢測電路50具有包括比較器71和72的比較器單元70,以便將來自信號處理電路20的模擬信號(Vout)選擇性地與寬的檢測范圍(VA1到VA2)和窄的喚醒范圍(VB1到VB2)相比較,這兩個范圍分別由預定的閾值所限定,而這些預定的閾值又進而由來自分壓網絡52的分壓限定。檢測電路50還包括由開關61到64組成的選擇器60,以便選擇性地給比較器71的非反向輸入提供分壓(VA1和VB1),以及選擇性地給比較器72的反向輸入提供分壓(VA2和VB2)。由控制器120控制選擇器60,以在正常模式中選擇提供給比較器單元70的檢測范圍(VA1到VA2),并在睡眠模式中選擇提供給比較器單元70的喚醒范圍(VB1到VB2)。將比較器71的反向輸入和比較器72的非反向輸入公共連接以接收模擬信號(Vout)。將分別來自比較器71和72的輸出饋入到“與”門73,該“與”門73當信號(Vout)在正常模式中超出檢測范圍(VA1-VA2)或者在睡眠模式中超出喚醒范圍(VB1到VB2)時提供低電平輸出的邏輯乘積,在下面的說明中將該低電平輸出的邏輯乘積稱為第一信號,如圖3所示。否則,在信號(Vout)在正常模式中落入檢測范圍(VA1-VA2)之內或者在睡眠模式中落入喚醒范圍(VB1到VB2)之內時,“與”門73提供稱為第二信號的高電平輸出。控制器120被連接以接收來自“與”門73的輸出,從而響應于第一信號而選擇正常模式,并基于在正常模式下接收到第二信號而將正常模式轉換為睡眠模式以便節省能量。當在睡眠模式下減少了幅度的信號(Vout)超出了喚醒范圍(VB1到VB2)時,控制器120從“與”門73接收第一信號,由此選擇正常模式以便將此信號(Vout)與檢測范圍(VA1-VA2)相比較。
通過開關76將“與”門73連接到輸出供應器80上,該供應器響應來產生檢測輸出(Dout)。開關76由控制器120控制以僅響應于第一信號而閉合,即,僅當在正常模式下信號(Vout)超出檢測范圍(VA1-VA2)時才閉合。否則,開關76保持斷開以便輸出供應器80不產生檢測輸出。輸出供應器80包括晶體管81,其漏極連接到參考電壓源Vdd,源極連接到檢測器單元50的輸出端。晶體管81的柵極定義輸出供應器80的輸入,其被連接以通過開關76接收來自比較器單元70的輸出。跨越晶體管81的柵極-漏極路徑連接上拉(pull-up)電阻82,以便晶體管81在接收來自“與”門73的第一信號(Vout)也就是高電平輸出時產生檢測輸出(Dout)。在不存在饋送到晶體管81的柵極上的第一信號(Vout)時,則制止產生檢測輸出(Dout)。開關76被插入在“與”門73和晶體管81的柵極之間,以便避免在沒有第一信號的情況下晶體管81產生檢測輸出的可能性。開關76也由控制器120控制,以便在控制器120將睡眠模式轉換為正常模式之后緊接很短的時間就斷開,反之亦然,由此防止當在睡眠模式下減少了幅度的信號超出喚醒范圍時檢測輸出的產生,以及防止檢測輸出的類似錯誤產生,檢測輸出的類似錯誤產生可以由于可能在兩個模式間進行轉變時在電路中查覺到的電壓突變而引起。此外,該輸出供應器80可以被配置來包括噪音過濾器,該噪音過濾器消除在喚醒模式中產生的第一信號或類似的噪音,甚至在這些信號通過開關76時也是如此。
現在回到圖1,無線電發射器90被配置來包括調節器92、時鐘93、脈沖發生器94和驅動器96。調節器92被配置來每當接收到檢測輸出(Dout),即識別到有人存在時,僅在短時間段內給時鐘93和驅動器96提供穩定的操作電壓VREG。這就是說,調節器92由檢測輸出(Dout)觸發,以使用從電源100提供的電力來提供操作電壓VREG,否則根本不提供操作電壓。基于接收到操作電壓VREG,時鐘93被激活以向脈沖發生器94提供時鐘信號,該脈沖發生器94基于時鐘信號產生短脈沖,用以標識帶有或不帶有傳感器設備地址的檢測輸出的存在。驅動器96由來自調節器92的操作電壓VREG激活以接收來自脈沖發生器94的短脈沖,并通過天線97發射作為無線電檢測信號(RS)的短脈沖。無線電發射器90有電力輸入91,通過電力輸入91將電力恒定地提供給調節器92和脈沖發生器94,以便調節器92和脈沖發生器94做好準備來快速響應于來自檢測電路50的檢測輸出(Dout)激活時鐘93和驅動器96。
驅動器96包括放大器并消耗比無線電發射器90的其它部件多的電力,而脈沖發生器94和處于不提供操作電壓的空載模式的調節器92消耗較少的電力。因此,在不存在檢測輸出(Dout)的情況下,無線電發射器90消耗較少的電力并保證感測器設備的延長的工作壽命。此外,請注意,調節器92在每次接收檢測輸出(Dout)的時候,僅在短時間段內提供操作電壓VREG,在發射無線電信號(RS)之后立即將無線電發射器90重新設置到低功率消耗模式。在鄰近的接收器處接收無線電信號以識別到有人存在或者檢測到的結果。
脈沖發生器94被配置以構成超寬帶(UWB)發送系統,超寬帶(UWB)發送系統是一種無線通信技術,其不使用載波,而使用一串的數量級在數百微微秒(picosecond)范圍內的極短的脈沖。因此,該系統在發射數據的瞬間只需要小的電力。在本實施例中,該數據基本上由標識檢測輸出(Dout)是否是高電平的一比特信號組成,從而僅需要非常短發送時間。例如,在無線電發射器90每隔十秒鐘發射一次無線電檢測信號(RS)的情況下,每次發射以2mA的平均操作電流在一毫秒的時間內完成,從而僅消耗0.2μA。通過這種方式,UWM系統的無線電發射器90能夠在低功率消耗模式下操作,并且因而減少了感測器系統的功率需求。
電源100被配置來具有升壓器(voltage booster)102,其放大由太陽能電池110提供的電壓;以及電容器104,用來積累放大了的電壓,以向信號處理電路20、檢測電路50和無線電發射器90提供結果得到的電力。例如,上述電路20、50、無線電發射器90、升壓器102每個被設計成在5μA的平均消耗電流下操作,并且需要4V的正常操作電壓和2V的最小操作電壓。在此情況下,感測器設備的整個系統消耗10μW到20μW。假設升壓器102查覺不到電轉換損耗,則要求太陽能電池有20μW或更大的發電能力,這僅通過使用有效表面積為3cm2、照明大約為200勒克司(lux)或更大的非晶形光電池就能容易地實現。這樣,傳感器設備就能容許使用小尺寸的太陽能電池,因此能將其組裝到小的外殼中。
圖4根據本發明的第二實施例示出了一傳感器設備,其除了控制器120監測在太陽能電池110處產生的功率級以與預定的功率級相比較之外與上面的實施例等同。用相同的標號來表示相同的部件,并且不再進行重復的說明。只要功率級高于預定的功率級,控制器120就響應來固定正常模式,即禁止睡眠模式,從而保持整個系統處于警覺狀態,以用于立即檢測。否則,控制器120許可在正常模式和睡眠模式之間轉換,以節省能量。
圖5根據本發明的第三實施例示出了一傳感器設備,除了感測器10是作為由光電池制成的照明(illumination)傳感器之外與第一實施例相同。在此實施例中,光電池10公共地用作發電元件110。用相同的標號來表示相同的部件,并且不再進行重復的說明。
盡管上述的具體實施例舉例說明了用于檢測人體移動和用于檢測照明級別的感測器,但是,本發明并不只限于這些具體的實施例,還可以包含其它的感測器,例如,溫度感測器、振動感測器或類似的設備,在感測到的參數超過預定的閾值或超出預定的閾值范圍時,這些感測器能夠產生檢測輸出。同樣地,發電元件也可以是其它任何一種將熱能和機械能之類的外部能量轉換成電能的器件。
權利要求
1.一種無線感測設備包括感測器,被配置來感測目標物體并提供指示目標物體狀況的可變級別的感測信號;信號處理電路,被配置來放大所述感測信號,以給出經放大的電模擬信號;檢測電路,被配置來接收所述經放大的模擬信號,并且當所述電模擬信號超出預定檢測閾值時提供檢測輸出(Dout);無線電發射器,被配置來響應于所述檢測輸出發射無線電檢測信號(RS);電源,被配置來向所述信號處理電路、所述檢測電路和所述無線電發射器提供電力;以及發電元件,將外部能量轉換成要在所述的電源中積累的所述電力。所述無線感測設備特征在于提供了控制器以僅響應于所述檢測輸出激活所述無線電發射器,從而允許所述無線電發射器產生所述無線電檢測信號。
2.如權利要求1所述的無線感測設備,其中,所述無線電發射器包括調節器,被連接來從所述電源接收所述電力,并且被配置來僅在從所述檢測電路接收所述檢測輸出(Dout)時才在短時間段內產生操作電壓;時鐘,被配置來在接收所述操作電壓時被激活以提供時鐘信號;脈沖發生器,被配置來基于所述時鐘信號產生標識檢測輸出的存在的短脈沖;以及驅動器,被配置來在從所述調節器接收所述操作電壓時被激活以通過天線發射作為所述無線電檢測信號的所述短脈沖。
3.如權利要求1所述的無線感測設備,其中,所述控制器被配置來提供正常模式和睡眠模式,該正常模式在額定功率下操作所述信號處理電路以得到與所述額定電力成比例的額定幅度的所述電信號(Vout),該睡眠模式在減少的功率下操作所述信號處理電路以得到與所述減少的電力成比例的低幅度的所述電信號(Vout),所述檢測電路被配置為具有低于所述檢測閾值的喚醒閾值,所述控制器被配置來當所述額定幅度的電信號(Vout)變得低于所述檢測閾值時,將所述正常模式切換到所述睡眠模式,并保持所述睡眠模式直到所述低幅度的電信號超出所述喚醒閾值,以及所述檢測電路被配置來當在正常模式下所述額定幅度的電信號(Vout)超出所述檢測閾值時,給出所述檢測輸出(Dout)。
4.如權利要求3所述的無線感測設備,其中,所述感測器是紅外線感測器,用于檢測產生紅外線的所述目標物體的移動,所述感測器提供響應于所述目標物體的移動而在正向或負向上變化的所述感測信號,所述檢測電路具有閾值選擇器,該閾值選擇器提供由所述檢測閾值的較高正值和較低負值限定的檢測范圍(A1-A2),以及由所述喚醒閾值的較高正值和較低負值限定的喚醒范圍(B1-B2),所述檢測電路包括比較器單元,其從所述閾值發生器選擇性地接收所述檢測范圍和所述喚醒范圍,所述比較器單元當額定幅度的所述電信號(Vout)超出所述檢測范圍時或者當低幅度的所述電信號(Vout)超出所述喚醒范圍時產生第一信號(Cout),否則產生第二信號(Cout),所述控制器響應于所述第一信號(Cout)選擇所述檢測范圍,并響應于所述第二信號(Cout)選擇所述喚醒范圍,以及所述檢測電路僅當在所述正常模式下查覺到所述第一信號(Cout)時才提供所述檢測輸出。
5.如權利要求4所述的無線感測設備,其中,所述檢測電路包括輸出供應器,該輸出供應器被配置來當在所述輸出供應器的輸入處接收到來自所述比較器單元的所述第一信號時產生所述檢測輸出(Dout),所述輸入被連接來通過開關從所述比較器單元接收所述第一信號,該開關由所述控制器控制以僅響應于所述第一信號才閉合。
6.如權利要求3所述的無線感測設備,其中所述控制器被連接來監測在所述電源中積累的所述電力的級別并在所述電力高于預定功率級別時保持所述正常模式并且禁止所述睡眠模式。
7.如權利要求1所述的無線感測設備,其中所述感測器被提供用于感測照明級別,并且由將光轉換成電能的光電池來限定,所述光電池還限定用于將電力聚集到所述電源中的所述發電元件。
全文摘要
一種低能耗的無線感測設備在延長的時間段上操作以提供可靠的感測結果。該無線感測設備包括感測器,配置來感測目標物體并提供表示目標物體狀況的可變級別的感測信號;信號處理電路,配置來放大感測信號并提供經放大的電模擬信號;檢測電路,配置來接收經放大的模擬信號,并在電模擬信號超出預定的檢測閾值時提供檢測輸出。在此設備中還包括無線電發射器,它發射無線電檢測信號以響應檢測輸出。此外,該設備還包括電源,配置來用以為信號處理電路和無線電發射器提供電力;還有發電元件,它將外部的能量轉換成要在電源中積累的電能。還包括控制器,用以僅在響應檢測輸出時啟用無線電發射器,并讓此無線電發射器產生無線電檢測信號。這樣,在接收檢測輸出之前,就能讓無線電發射器一直保持在未啟用的狀態下,從而節省能量以延長設備的工作壽命。
文檔編號G08C17/00GK1914652SQ20058000320
公開日2007年2月14日 申請日期2005年11月18日 優先權日2004年11月25日
發明者福井卓, 畑谷光輝, 高田裕司 申請人:松下電工株式會社