CN102099756A - 用无线电激活和停用自动化***的零能耗备用模式 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用无线电激活和停用多个自动化组件的一零能耗备用模式的方法,其中,所述自动化组件的一无源单元接收一无线电信号,利用随所述无线电信号传输过来的能量操纵一电子开关,通过操纵所述电子开关来中断或恢复对所述自动化组件的一功能单元的供电,由此来激活或停用所述自动化组件的功能单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种用无线电激活和停用自动化组件的零能耗备用模式的方法和一种电气自动化组件。
背景技术
自动化***具有多种用于执行自动化技术任务的自动化组件。例如,这些组件可以是传感器、执行器、控制装置或驱动装置。与所有电气或电子设备相同,必须为自动化组件供电才能使其执行相应任务。除了少数例外情况以外,一般都通过电缆、无线电或电池来供电。出于以下两个原因,采取措施来降低电气设备和电子设备的能耗是受欢迎的。一方面,电费上涨促使我们节省耗电量,另一方面,需要将依赖电池工作的组件的维护费用控制在尽可能低的水平上。
特别是基于无线电并由电池供电的***组件,其持续工作时间通常极其有限。比如自动化***中的传感器/执行器网络。这种网络指的是多个网络化的小型智能传感器/执行器节点,它们作为一个组合体联合执行复杂的任务并可借助无线连接相互通信。除非通过开关(手动)完全停用这些组件,否则它们会持续耗电。
目前一般通过开关连接到电源(***电池)来为基于无线电的有源组件供电。根据连接质量或利用率的不同,存在多种节能机制。基于无线电的设备(例如可以通过无线电技术、红外技术或其他类似技术接受远程操控的设备)目前还无法实现零能耗的备用模式。如果不将这些元件从电源上断开(例如通过开关控制,或者取出电源),它们就会持续耗电。
US 2007/0205873A1描述一种激活RFID标记的方法。其中,利用发送到一个无源RFID标记上的无线电信号中的能量来激活该RFID标记。接下来,由这个RFID标记激活一个可通过电池自行供电的电路。但是,采用上述方法只能激活这个RFID标记本身。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种通过无线电使自动化组件进入零能耗备用模式以及通过无线电从零能耗备用模式重新激活自动化组件的方法。
本发明用来达成上述目的的解决方案是一种用无线电激活和停用自动化组件的零能耗备用模式的方法,其中,由所述自动化组件的无源单元接收无线电信号,利用随所述无线电信号传输过来的能量操纵电子开关,通过操纵所述电子开关来中断或恢复对所述自动化组件的功能单元的供电,由此来激活或停用所述自动化组件的功能单元。
本发明基于以下认识:可以通过无线电来访问一个无源单元或无源元件(例如RFID标记),并且在此过程中通过该无线电信号来传输能量,而该能量足以用来操纵与该无源单元耦合的电子开关。其中,所述开关设置在一电路中,起用电设备作用的功能单元借助所述电路与供电装置(例如电池)相连。
此时如果通过无线电信号来操纵所述开关,就可闭合或断开所述电路,从而中断(开关断开)或恢复(开关闭合)电源(例如电池)对自动化组件的功能单元的供电。通过这种方式,只需传输无线电信号就可使自动化组件的功能单元进入备用模式或者将其从备用模式中重新激活。所述开关在备用模式下将所述功能单元与所述供电装置断开,通过这种方式就可使该功能单元进入一个不消耗任何能量的备用模式。所述无源单元自身不需要供电,因此在备用模式下,包括所述功能单元和所述无源单元的整个自动化组件为零能耗。仅借助无线电信号就可传输重新激活所需的能量。激活所述无源元件并对所述开关进行操纵后,真正意义上的功能单元由所述电源供电。
本发明在节能方面具有特别的优势,因为功能单元在备用模式下不再消耗任何能量。此外,采用内部电源还可延长持续工作时间。电池的消耗速度比一般情况慢,一般情况下,自动化组件或电气设备即使在备用模式下也消耗能量。此外也不需要使用者手动介入,因为在个别组件不需要使用的情况下,***可以针对性地将这部分组件切换到零能耗状态,再重新激活。因此,所述自动化组件均独立供电,安装时不需要使用电缆。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,用CMOS开关来中断或恢复供电。CMOS开关是一种半导体开关,其用于开关操作的能量阈值特别低。开关操作以电子方式进行,这样就可避免发生机械磨损。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,由RFID标记接收所述无线电信号。其中,在以无线方式激活或停用所述自动化组件方面,最好采用一种原本就用于接收无线电信号的普通标准部件。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,激活和停用一传感器网络的多个传感器/执行器节点。特别是在那些具有大量分布在设备上的传感器且这些传感器又组合成多个网络的的自动化***中,敷设供电线极其困难。因此,这类传感器通常由独立电源供电。为了保证这些传感器和执行器在设备上经久耐用,特别有利的做法是使这些自动化组件具有进入零能耗备用模式从而实现节能型供电的可能性,这样就达到了在经久耐用、节能和降低维护成本方面的前述优势。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,随所述无线电信号传输一个专门用于激活和停用所述功能单元的专用信号。为了激活或停用所述自动化组件或所述自动化组件的功能单元,根据这个有利设计方案,不仅需要传输足以用来操纵所述开关的能量,还需要发射另一信号,该信号表明,期待所述自动化组件或所述功能单元作出反应。这样就可以确保在仅有能量流入而根本不期望出现激活或停用的情况下,所述自动化组件不会被激活或停用。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,随所述无线电信号传输一个ID,如果传输过来的ID与所述自动化组件的ID一致,就激活或停用所述功能单元。在一个自动化***中,大量自动化组件通过本发明的方法受到激活或停用,大量自动化组件本身也发射无线电信号,通过上述设计方案就可以简单的方式确保,只有那些接收到与其自身标识一致的识别信号或标识的自动化组件才会被激活。这样就可以对各自动化组件进行个别访问和激活,不需要作出反应的那些自动化组件则相应保持停用状态。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,一旦所述功能单元被激活,所述自动化组件就通过无线电发送和接收数据。因此,不仅通过无线电信号及其所传输的能量来激活和停用所述自动化组件,该自动化组件还利用无线电与其他自动化组件或所述自动化***的中央控制装置进行一般意义上的通信,这就实现了一种一般意义上的通信,并且这种通信与本发明用于激活和停用自动化组件的方法以相同的基础设施为基础。由此可最大程度地降低基础设施投入。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,复数个自动化组件通过复数个无线电信号相互通信,并且借助这些无线电信号进行相互间的激活和停用操作。因此,不必从一个控制中心出发来实施这种激活和停用。在所述自动化组件大面积分布于整个设备上的情况下,只要这些自动化组件彼此都处于所述无线电信号的有效距离内,这些自动化组件就可独立地对相邻自动化组件实施激活和停用操作。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,复数个传感器/执行器节点构成一个传感器/执行器网络。通过形成这种网络,就可通过相邻组件来级联式激活和停用大量的成组自动化组件,其中,任一网络均包含多个传感器/执行器节点。
本发明的另一有利设计方案的特征便在于,至少两个传感器/执行器网络具有不同的自动化任务,其中一个所述传感器/执行器网络的至少一个自动化组件的功能单元通过接收一个来自于另一个所述传感器/执行器网络的自动化组件的无线电信号而被激活。这样可依次激活在生产设备上具有不同任务的不同传感器/执行器网络。举例而言,其中一个传感器网络彻底完成了某项自动化任务,位于这个传感器网络内部的一个自动化组件,在该传感器网络中接收到要求激活第二传感器网络的信息,并将相应的无线电信号传输给第二传感器/执行器网络的一个自动化组件,从而激活第二传感器网络。只需激活第二网络中的一个自动化组件就足以在该网络中引发连锁反应,从而激活该网络上的所有自动化组件。
本发明用以达成上述目的的另一解决方案是一种电气自动化组件,所述自动化组件包括用于接收无线电信号的无源单元、用于实施自动化功能的功能单元、用于为所述功能单元供电的本地电源和布置在所述电源和所述功能单元之间的电子开关,其中,所述电子开关与所述无源单元耦合,使得由所述无源单元接收的、随所述无线电信号传输过来的能量用来操纵所述电子开关,从而可对所述自动化组件的功能单元进行激活和停用操作。
本发明用以达成上述目的的另一解决方案是一种包括复数个传感器/执行器网络的***,所述网络由复数个电气自动化组件构成,其中,所述自动化组件可以通过无线电信号相互通信,采用无线电信号来实现所述自动化组件相互间的激活和停用操作。
本发明其他有利设计方案由从属权利要求给出。
附图说明
下面借助附图对本发明进行进一步说明,其中:
图1为电气自动化组件的结构图;
图2为包括两个传感器/执行器节点网络的自动化***;以及
图3为电子开关示例。
具体实施方式
图1展示的是电气自动化组件1的结构图。这个自动化组件具有功能单元3和无源单元2。所述功能单元用于执行自动化任务。这个功能单元例如为传感器或执行器。需要为所述功能单元供电才能使其执行任务。这种电源由自动化组件1直接提供。在本实施例中就是例如设计为电池的本地电源4。由电源4为该功能单元提供必要的电能。在由所述功能单元和所述电池构成的电路6中装有开关5。这个开关是一种电子开关(例如CMOS开关),也就是(例如)设计为半导体元件的开关。这个电子开关一旦断开,就停止对所述功能单元的供电。该功能单元就进入不消耗任何能量的备用模式。但在这个模式下,所述功能单元也无法执行任何自动化任务。自动化组件1此外还具有一个无源组件或无源单元2。这个无源单元可以是采用无源设计的RFID标记。该RFID标记与所述电子开关相连或耦合。所述RFID标记如果接收到一个无线电信号,则这个无线电信号也将能量传输给所述RFID标记。所述无源RFID标记被激活并将接收到的能量进一步传输到电子开关5上,从而可操纵该开关。通过接收无线电信号可使所述开关闭合,然后就由所述电池为所述自动化组件的功能单元供电。此时,整个自动化组件都处于激活状态,可以执行自动化任务。通过另一无线电信号可使所述电子开关重新断开,所述自动化组件则再度进入不消耗任何能量的备用模式。这样就可以方便地通过发射无线电信号或者(从所述自动化组件角度看)通过接收无线电信号用该信号中包含的能量来实现激活和停用。
除能量外,所述无线电信号还向所述自动化组件传输数据。其中,所传输的既可以是有效数据,也可为信号或识别信息,所述信号除能量外还(例如)包含激活信息或停用信息,所述识别信息例如是用于某个自动化组件的标识,由此,该自动化组件只有在其自有标识与传输过来的标识一致的情况下才作出反应。
图2展示的是包括两个传感器/执行器网络的自动化***的结构图。其中,这两个网络可执行不同的自动化任务。其中,网络N1、N2的各组件均为电气自动化组件11...n,这些自动化组件具有前述功能,它们均可进入零能耗的备用模式,也可借助无线电信号从该备用模式中重新被激活。在本实施例中,上述自动化组件指的是一个自动化***的第一传感器网络N1的传感器/执行器节点A至F和该自动化***的第二网络N2的传感器/执行器节点。在该第一传感器/执行器网络N1中,每个节点均可与任一其他节点通信,每个节点均具有传感器/执行器功能且均具有对应于具体任务的相应处理算法。各节点在此由电池供电,该电池包含在作为自动化组件的各节点中。在第一传感器/执行器网络N1中,例如节点A、B、C、D和F处于激活状态。如发现需要将节点E激活,就由这些节点中的一个节点发射无线电信号来激活该节点E。某一节点的停用以相应方式或者通过该节点自身而实现。如前所述,相应的传感器/执行器节点进入零能耗备用模式,在该模式下,这个节点完全断开且不再消耗能量。仅通过其他节点的无线电信号来实施接通及断开操作,其中,提供足够的能量来操纵各节点中的电子开关并激活主电路(电池和功能单元)。由处于有效距离内的一或多个节点或自动化组件以电磁波或磁场(电感耦合)的形式提供所需能量。只需提供足以激活所述主电路的能量即可,接下来每个节点工作时就可由本地电源独立供电。
图2还展示了另一传感器/执行器网络N2,在某一时间点上,自动化设备上不需要这个传感器/执行器网络,因为它不必执行自动化任务。举例而言,某一网络只有在其他网络已基本完成或彻底完成它们的任务的情况下才会变得重要。此时,有利的做法是:只有在需要该网络执行其任务的情况下才将其激活。在本实施例中,所述第二网络由节点H、I、J和K构成。只有在也需要该***执行一定任务的情况下才激活该***的传感器/执行器节点。为此,该***与传感器/执行器网络1中的至少一个已激活的节点相连。随后,这个节点(例如节点F)为传感器/执行器网络N2的至少一个节点H提供激活能量。当第二传感器/执行器网络N2的一个节点被激活后,这个节点就可激活整个***,因为每个被激活的节点均可与其他节点交换无线电信号,而且在传输这些无线电信号的过程中,也为第二传感器/执行器网络的其他节点或自动化组件提供必要的能量。整个传感器/执行器网络被激活后就可执行相应的自动化任务。不再需要这个***时,可将其整个转换到备用模式。在此情况下,不需要***操作员介入就可实现整个传感器/执行器网络的激活和停用。激活和停用操作的速度极快,因为无线电信号的传输没有时延,而且通过级联式激活大量节点还可快速启动整个传感器/执行器网络。由于为各自动化组件提供了一种零能耗的备用状态,这就从整体上将这种自动化***的维护成本降至最低,整个***的能效非常高。
图3展示的是一个用于实现CMOS式电子开关5的示范性电路图。
Claims (20)
1.一种用无线电激活和停用复数个自动化组件(1)的一零能耗备用模式的方法,其中,
所述自动化组件的一无源单元(2)接收一无线电信号(S),
利用随所述无线电信号(S)传输过来的能量操纵一电子开关(5),以及
通过操纵所述电子开关(5)来中断或恢复对所述自动化组件(1)的一功能单元(3)的供电,由此来激活或停用所述自动化组件(1)的功能单元(3)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,
通过一CMOS开关来中断或恢复所述供电。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,
所述无线电信号(S)由一RFID标记接收。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法,其中,
激活和停用一传感器网络的复数个传感器/执行器节点。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的方法,其中,
随所述无线电信号(S)传输一专门用于激活和停用所述功能单元(3)的专用信号。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法,其中,
随所述无线电信号(S)传输一ID,如果传输过来的所述ID与所述自动化组件(1)的一ID一致,就激活或停用所述功能单元(3)。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的方法,其中,
一旦所述功能单元(3)被激活,所述自动化组件(1)就通过无线电发送和接收数据。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法,其中,
复数个自动化组件(11...n)通过复数个无线电信号(S1...n)相互通信,所述自动化组件(11...n)借助所述无线电信号(S1...n)进行相互间的激活和停用操作。
9.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的方法,其中,
复数个传感器/执行器节点构成一传感器/执行器网络。
10.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的方法,其中,
至少两个传感器/执行器网络(N1,N2)具有不同的自动化任务,其中所述一个传感器/执行器网络(N2)的至少一个自动化组件(1)的功能单元(3)通过接收一来自于另一个所述传感器/执行器网络(N1)的一自动化组件(1)的无线电信号(S)而被激活。
11.一种电气自动化组件(1),包括
一用于接收一无线电信号(S)的无源单元(2),
一用于实施自动化功能的功能单元(3),
一用于为所述功能单元(3)供电的本地电源(4),及
一布置在所述电源(4)和所述功能单元(3)之间的电子开关(5),
其中,所述电子开关(5)与所述无源单元(2)耦合,使得由所述无源单元(2)接收的、随所述无线电信号(S)传输过来的能量用来操纵所述电子开关(5),从而可对所述自动化组件的功能单元(3)进行激活和停用操作。
12.根据权利要求11所述的自动化组件,其中,
所述电子开关(5)设计为CMOS开关。
13.根据权利要求11或12中任一项权利要求所述的自动化组件,其中,
所述无源单元(2)设计为RFID标记。
14.根据权利要求11至13中任一项权利要求所述的自动化组件,其中,
所述功能单元(3)设计为一传感器网络的传感器/执行器节点。
15.根据权利要求11至14中任一项权利要求所述的自动化组件,其中,
采用一专门用于激活和停用所述功能单元(3)的专用信号,其中,所述专用信号可随所述无线电信号(S)一起传输。
16.根据权利要求11至15中任一项权利要求所述的自动化组件,其中,
所述自动化组件(1)具有一ID,如果随所述无线电信号(S)一起传输过来的一ID与所述自动化组件(1)的ID一致,就对所述功能单元(3)进行激活和停用操作。
17.根据权利要求11至16中任一项权利要求所述的自动化组件,其中,
一旦所述电子开关(5)闭合且所述功能单元(3)被激活,所述自动化组件(1)就可通过无线电接收和发送数据。
18.一种由复数个根据权利要求11至17中任一项权利要求所述的自动化组件(11...n)构成的***,其中,
所述自动化组件(11...n)可通过复数个无线电信号(S1...n)相互通信,以及
采用无线电信号(S1...n)来实现所述自动化组件(11...n)相互间的激活和停用操作。
19.根据权利要求18所述的***,其中,
所述自动化组件(11...n)设计为一传感器/执行器网络(N1/N2)的传感器/执行器节点。
20.根据权利要求18或19所述的***,且其包括至少两个传感器/执行器网络(N1,N2),其中,所述传感器/执行器网络用于执行不同的自动化任务,其中所述一个传感器/执行器网络(N2)的至少一个自动化组件(1)的功能单元(3)可以通过接收一来自于另一个所述传感器/执行器网络(N1)的一自动化组件(1)的无线电信号(S)而被激活。
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