Autarkes miniaturisiertes Kommunikationsmodul
In vielen Bereichen werden Sensoren zur Erfassung von Daten eines Messobjekts verwendet, wobei die gewonnenen Daten anschließend in geeigneter Weise aufbereitet und ausgewertet werden. Dazu wird in der Regel das Sensorsignal einer geeigneten Signalverarbeitung unterzogen, um damit die gewünschte Messgröße in der geforderten Genauigkeit quantitativ zu bestimmen. Bei vielen Anwendungen ist eine direkte mechanische Anbindung eines Sensorelements an eine externe Signalverarbeitungseinrichtung, etwa einen Mikroprozessor, einen digitalen Signalprozessor oder eine analoge Verarbeitungsschaltung mit Verstärker etc. nicht möglich oder nicht wünschenswert, wenn damit eine Beeinflussung des Messobjekts verbunden ist oder einen hohen Installationsaufwand bedeuten würde. Beispielsweise ist bei bewegten Messobjekten eine kabelgebundene Herausführung von Sensorsignalen oft nicht möglich oder mit hohem Aufwand verbunden. Auch in stationären Anwendungen kann durch eine kabelgestützte Sensorsignalerfassung ein hoher Aufwand entstehen eine damit reduzierte Flexibilität mit sich bringen, wenn beispielsweise die Lage eines oder mehrerer Sensoren verändert werden soll.
Aus diesem Grund werden häufig Sensorsysteme mit weitergehender Funktionalität versehen, um beispielsweise eine Anbindung der Sensoren an periphere Auswertekomponenten zu erleichtern. Insbesondere bei einer kabellosen Anbindung von Sensorelementen an entsprechende Auswertekomponenten ergibt sich jedoch bei bekannten Systemen ein hoher Aufwand, um die Sensordaten zielgenau und zuverlässig zur peripheren Komponente zu übertragen, indem beispielsweise große Sende/Empfangseinheiten oder Peilstationen zur Kommunikation mit dem Sensorelement erforderlich sind. Dadurch wird der mögliche Einsatz drahtlos kommunizierender Sensorelemente stark eingeschränkt oder der Einfluss auf die eigentliche Mess- oder Überwachungsaufgabe ist nicht mehr zu vernachlässigen.
Angesichts dieser Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexiblere Verwendung von Sensoren unter Berücksichtigung einer größeren Bandbreite an Rahmenbedingungen der Mess- und/oder Überwachungssituationen zu ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein autarkes Sensormodul gelöst. Das autarke Sensormodul umfasst ein Sensorelement, das zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit einer spezifizierten Messgröße ausgebildet ist, eine mit dem Sensorelement verbundene Signalverarbeitungseinheit, eine mit der Signalverarbeitungseinheit verbundene Sende- und Empfangseinheit zur drahtlosen Übermittlung von Daten und eine Energiequelle zum zumindest zeitweiligen autarken Betrieb des Sensormoduls.
Aufgrund dieser Anordnung wird eine autarke Vorrichtung bereitgestellt, die ein autarkes drahtloses Sensor-Kommunikationsmodul repräsentiert, das eine bedarfsgerechte Erfassung, Verarbeitung, Speicherung sowie Übermittlung und Empfang von Daten, die über mindestens einen integrierten Sensor erfasst werden, ermöglicht. Eine integrierte Signalverarbeitung übernimmt die Aufbereitung der Daten, welche über die Sende- und Empfangseinheit, die als eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle für z.B. Funkübertragung dient, zu anderen gleichartigen Vorrichtungen oder einem Empfängermodul übertragen werden, damit ist eine autarke Betriebsweise des Sensormoduls zumindest über für viele Anwendungszwecke ausreichend lange Zeiträume hinweg gewährleistet, so dass eine zuverlässige Messung der spezifizierten Messgröße oder das Ausführen einer Überwachungsaufgabe ohne Bereitstellung einer aufwendigen Infrastruktur ermöglicht wird.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das autarke Sensormodul ausgebildet, mindestens einen ersten Betriebszustand und einen zweiten unterschiedlichen Betriebszustand einzunehmen, wobei der erste Betriebszustand einen Energiespar- zustand repräsentiert, in welchem zumindest eine Datensendung durch die Sende- und Empfangseinheit deaktiviert oder eingeschränkt ist.
Auf diese Weise kann der autarke Betrieb über lange Zeiträume hinweg aufrecht erhalten werden, da im Energiesparzustand, der einer von mehreren unterschiedlich ausgeprägter Energiesparmodi sein kann, eine deutliche Reduzierung der Energie erfolgen kann, wobei das Übergehen in den Energiesparzustand von dem Modul selbst veranlasst werden kann und/der durch ein von außerhalb empfangenes Signal bewirkt werden kann. Beispielsweise kann ein entsprechendes Steuersignal vorgesehen sein, die den Betrieb des Moduls sowie den Energiestatus überwacht, um damit je nach Konfiguration der Steuereinheit den Übergang in den Energiesparzustand zu veranlassen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit über Entscheidungskriterien verfügen, in welcher Betriebszustand der Energiesparzustand oder, wenn mehrere Energiesparzustände verfügbar sind, welcher Energiesparzustand einzunehmen ist. Alternativ oder zusätzlich kann diese Entscheidung auf Grundlage eines externen Steuersignals getroffen werden, das beispielsweise über die Sende- und Empfangseinheit empfangen wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist das autarke Sensormodul ausgebildet, vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand durch Initialisierung mittels eines mechanischen und/oder elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen und/oder optischen Signals überzugehen.
Der zweite Betriebszustand, der den vollständig betriebsbereiten Zustand des Moduls repräsentieren kann, lässt sich damit durch externe Quellen, etwa einer entfernten Datensendeeinheit oder einem anderen Sensormodul, aufrufen, so dass ein hohes Maß an Steuerbarkeit von außen möglich ist, wodurch eine erhöhte Flexibilität bei der Anwendung des Moduls erreichen lässt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den Übergang in den zweiten Betriebszustand mittels eines von dem Sensorelement an die Signalverarbeitungseinheit ausgegebenen Signals zu veranlassen.
Auf diese Weise kann das Sensorelement selbst zur Erkennung einer die volle Betriebsbereitschaft erfordernden Situation benutzt werden, was insbesondere für Überwachungsaufgaben von großem Vorteil sein kann, da hier die Messwerte in der Regel nicht zu vorhersagbaren Zeiten anfallen. Dabei kann eine mehr oder weniger kontinuierliche Erfassung von Messwerten stattfinden, die jedoch nicht übermittelt werden und gegebenenfalls auch nur einer energiesparenden Vorverarbeitung unterzogen werden, die aber das Erkennen einer entsprechenden Situation, beispielsweise die Über- oder Unterschreitung eines Schwellwertes erlaubt. Zur Initialisierung des zweiten Betriebszustands können somit der integrierte Sensor selbst sowie ggf. weitere integrierte Sensoren, z.B. durch Erkennen von Vibration, Wärme, Feuchte benutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Signalverarbeitungseinheit einen Analog/Digitalwandler, der auch im Sensor selbst integriert sein kann, und einen digitalen Signalverarbeitungsabschnitt zur Verarbeitung des von dem Sensorelement ausgegebenen Signals auf. Damit lassen sich effizient software-basierte Signalverarbeitungsprozesse implementieren, so dass eine große Modularität erreicht werden kann, da die Schaltungskonfiguration der Signalverarbeitungseinheit für eine Vielzahl unterschiedlicher Sensorelemente und damit für Mess- und/oder Überwachungs- und/oder Steuerungsaufgaben eingesetzt werden kann, da die Anpassung durch Software erfolgen kann. Gegebenenfalls kann auf diese Weise auch das Sensorsignal digital bereitgestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Sensormodul einen miniaturisierten Aufbau auf, der mittels Mikrosystemtechnologie und Mikroelektroniktechnologie verwirklicht ist. Durch Einsatz dieser modernen Herstellungsverfahren lässt sich eine äußerst kompakte Bauweise des Sensormoduls verwirklichen, so dass für eine große Bandbreite von Anwendungen eine Anbringung an dem Messobjekt möglich ist, wobei keine nennenswerte Funktionsbeeinträchtigung des Messobjekts hervorgerufen wird. Die durch die technische Umsetzung des erfindungsgemäßen Sensormoduls
erreichte Miniaturisierung auf kleinsten Raum, in der somit der Sensor, die Funkschnittstelle, der Signalprozessor sowie passive Komponenten untergebracht sind, ermöglicht es, dass das Sensormodul in nahezu beliebigen Gegenständen und Objekten anzubringen oder unterzubringen ist, wobei eben die Bauform auch in eine geeignete Form gebracht werden kann, so dass eine Funktionsbeeinträchtigung wirksam unterdrückt werden kann. D. h., durch die Herstellungsweise kann das kompakte miniaturisierte Modul je nach Anwendung und Anforderung in seiner Bauform, beispielsweise als Kugel, Würfel, flexibles Band, und dergleichen geeignet angepasst werden. Des weiteren wird durch die Ausführung des Sensormoduls in modularer Bauform, die sich durch die oben genannten Techniken besonders vorteilhaft verwirklichen lässt, die Möglichkeit geschaffen, gewisse Funktionselemente entsprechend den Anforderungen der Anwendung auszutauschen oder zu ersetzen, so dass beispielsweise das Sensorelement durch ein anderes ersetzt werden kann oder dass die Energiequelle in effizienter und kostengünstiger weise ausgetauscht werden kann. Die für die Herstellung des miniaturisierten Moduls eingesetzten Verfahren und Technologien der Mikrosystemtechnik, der Mikroelektronik und der Mikromechanik können in unterschiedlichster weise kombiniert und entsprechend den Erfordernissen der Ausführungsform des Moduls bzw. der entsprechenden verfügbaren Technologie angepasst werden. Beispielsweise kann das Sensormodul unter Ausnutzung der obigen Technologien so aufgebaut sein, dass sich neu entwickelte Komponenten beispielsweise Energiesysteme ohne großen Aufwand integrieren lassen. Beispielsweise können Mikrobrennstoffzellen, sobald sie in kostengünstiger Weise verfügbar sind, anstelle von konventionelleren Energieträgern, etwa Batterien, Akkumulatoren, und dergleichen eingesetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein zweites Sensorelement vorgesehen, das mit der Signalverarbeitungseinheit zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten spezifizierten Messgröße verbunden ist. Durch das Vorsehen mehrerer Sensorelemente in dem Sensormodul kann in Kombination eine komplexere Gesamtfunktion erfüllt werden, so dass beispielsweise bei speziellen in Überwachungsaufgaben bei Temperatur- und/oder Rauchgrenzwerten und/oder auftretenden Erschütterungen eine Alarmauslösung erfolgen kann.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind zumindest einige der elektronischen Komponenten als integrierte Schaltung ausgebildet. Somit lässt sich ein hohes Maß an Kompaktheit in Verbindung mit einer hohen Zuverlässigkeit erreichen. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Signalverarbeitungseinheit sowie zumindest ein Teil der Sende- und Empfangseinheit in einer gemeinsamen integrierten Schaltung vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich der Anteil der bei der Montage des Sensorelements anfallenden Arbeiten hinsichtlich der Verbindung elektronischer
Komponenten und Bereitstellung von Verbindungsleitungen deutlich reduzieren, wobei gleichzeitig eine hohe Funktionalität und Zuverlässigkeit auf engstem Räume bereitgestellt wird. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, die Signalverarbeitung bzw. Signalvorverarbeitung in dem Sensormodul im Wesentlichen softwaregestützt durchzuführen, so dass auf der Grundlage einer gegebenen Schaltungskonfiguration eine große Bandbreite an Anwendungen abgedeckt werden kann, ohne dass eine Umgestaltung der integrierten Schaltung erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die integrierte Schaltung ferner das Sensorelement auf. Auf diese Weise lässt sich das Maß an Kompaktheit weiter steigern, wobei auch gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Sensormoduls erhöht werden kann. Beispielsweise sind für messtechnisch zu erfassende Messgrößen, etwa Druck, Temperatur, Beschleunigung, elektrische Felder, optische Messgrößen, und dergleichen mikroelektronische bzw. mikromechanische Sensorelemente verfügbar, die damit in effizienter Weise in das Schaltungskonzept mit einbezogen werden können, so dass ein geringes Bauvolumen mit gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit erreicht werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das autarke Sensormodul einen Träger zur Aufnahme aller Funktionskomponenten auf, wobei der Träger zur mechanischen stabilen Anbringung an oder in einem Messobjekt ausgebildet ist. Das Vorsehen eines geeignet gestalteten Trägers für die Aufnahme der einzelnen Komponenten des Sensormoduls erhöht die Flexibilität bei der Anwendung des Sensormoduls, da der Träger entsprechend der Anwendung gestaltet werden kann, um damit das erforderliche Maß an mechanischer Stabilität und damit Unversehrtheit des Moduls während der Installation und auch während der Messphase bereitzustellen. Durch die Miniaturisierung beeinflusst das Sensormodul kaum oder wenig die Funktion des Trägers. Insbesondere kann der Träger zur Anbringung an einem bewegten Messobjekt ausgebildet sein. Damit lässt sich eine große Vielfalt an Anwendungen erschließen, in denen der kompakte Aufbau des Sensormoduls in Verbindung mit dem Vorsehen eines geeigneten Trägers Messungen auch an kleinen bewegten Objekten ermöglicht, ohne deren Funktion wesentlich zu beeinträchtigen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensormodul ausgebildet, dass es an einem bewegten Sportgerät und insbesondere in oder an einem Ball eines Ballspiels anbringbar ist. Somit lassen sich geeignete Daten während der Anwendung des Sportgerätes in effizienter Weise ermitteln und auswerten, wobei eben ein hohes Maß an Flexibilität und ein geringer Aufwand hinsichtlich peripherer Komponenten erforderlich sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Sensorelement zumindest einen Beschleunigungssensor. Zur Ermittlung von aussagekräftigen Beschleunigungswerten ist in der Regel eine relativ unbeeinflusste Bewegung eines
Messobjekts erforderlich, wodurch auf Grund des autarken Sensormoduls der vorliegenden Erfindung ein hohes Maß an Authentizität der gewonnenen Messdaten gewährleistet ist, wobei eben ein geringer Aufwand hinsichtlich peripherer Komponenten erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Energiequelle einen Generator, der auf das Sensormodul einwirkende mechanische Energie und/oder elektromagnetische Energie in elektrische Energie zum Betrieb des Sensormoduls umwandelt. Auf diese Weise lässt sich effizient die Betriebsdauer des Sensormoduls und damit dessen Maß an Autarkie erhöhen, indem von außen bereitgestellte Energie direkt in dem Sensormodul umgewandelt werden kann, ohne dass ggf. ein Austausch von Energiekomponenten erforderlich ist. Dabei kann ein entsprechender Generator in Form eines entsprechend miniaturisierten federgetriebenen Werkes oder Piezo-Wandlers vorgesehen sein, um mechanische Bewegungsenergie zu speichern oder diese Energie unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln, während in anderen Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ in dem Generator Mittel oder Komponenten vorgesehen sind, um elektrische, magnetische oder elektromagnetische Energie in geeigneter Weise umzuformen und so dann in einer Energiequelle zu speichern. Beispielsweise kann in dem Generator eine induktive Komponente vorgesehen sein, um in effizienter Weise induktiv eingekoppelte Energie in elektrische Energie umzuwandeln. In anderen Ausführungsformen kann eine für die Signalübertragung verwendete Trägerwelle ausgenutzt werden, um einen entsprechenden Anteil an elektrischer Energie für die Versorgung des Sensormoduls bereitzustellen. Eine entsprechende Umwandlung mechanischer und/oder elektromagnetischer Energie kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Sensormodul mehr oder minder vollständig in dem entsprechenden Messobjekt integriert ist, so dass ein direkter Zugriff auf das Sensormodul mit entsprechendem Aufwand verbunden wäre.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst mittels eines Sensormodulsystems, das zwei oder mehr autarke Sensormodule aufweist, wie sie in den vorhergehenden Ausführungsformen oder in den noch zu beschreibenden Ausführungsformen dargestellt sind, wobei jedes autarke Sensormodul ferner ausgebildet ist, mit den weiteren Sensormodulen des Sensormodulsystems ein selbst organisierendes Netzwerk zu bilden.
Das selbst organisierende Netzwerk, das beispielsweise auf der Grundlage von Verfahren aus dem Bereich der Funknetzwerke eingerichtet werden kann, dient damit zum Austauschen von Daten zwischen den einzelnen Modulen und kann auch zur Herstellung eines Kommunikationsweges zu einer externen Komponente verwendet werden. Auf Grund des selbst organisierenden Netzwerkes bietet sich ein hohes Maß an
Flexibilität bei dem Aufbau des Sensormodulssystems, da eine variierende Anzahl an Sensormodulen eingesetzt werden kann, wodurch sich ein breites Anwendungsfeld, beispielsweise im Umweltbereich, im Gebäudemanagement, in der Qualitätskontrolle in Produktionsprozessen und in der Nahrungsmittelindustrie, in der Maschinen- und Anlagenüberwachung, in der medizinischen Überwachung, im Freizeitbereich und dergleichen erschließen lässt. Dabei kann auf Grund der Netzwerkstruktur des Modulsystems die Datenübermittlung von und zu einzelnen Sensormodulen in effizienter Weise bewerkstelligt werden, ohne dass große und aufwendige periphere Komponenten erforderlich sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Sensormodulsystem ferner eine Datenempfangseinheit vorgesehen, die mit mindestens einem der autarken Sensormodulen bei Betrieb des Systems zumindest zeitweilig in Verbindung steht. Damit lassen sich gewünschte Sensordaten in effizienter Weise aus dem Netzwerk auslesen und für eine weitere Datenverarbeitung verwenden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Sende- und Empfangseinheiten der einzelnen autarken Sensormodule zur Signalübertragung über elektromagnetische Signalübertragungskanäle ausgebildet, wobei mindestens zwei unterschiedliche Frequenzbereiche vorgesehen sind. Durch die Verwendung unterschiedlicher Frequenzbereiche innerhalb des Systems, wobei die Übertragungskanäle beispielsweise zur Initialisierung der Sensormodule sowie zur Datenübertragung verwendet werden können, wird eine bedarfsgerechte und somit auch wählbare zeitliche Gestaltung bei der Sensordatenerfassung und Übertragung möglich, da bei Bedarf eben verschiedene Frequenzbereiche verwendet werden können, um eine zuverlässige Datenübertragung sicherzustellen. Ferner kann durch das Bereitstellen verschiedener Frequenzbereiche auch eine Auswahl hinsichtlich der für die Übertragung erforderlichen Energie erreicht werden, so dass für die Datenübermittlung der Sensormodule energieeffiziente Übertragungskanäle gewählt werden können. So kann beispielsweise die Übertragung von Daten zwischen einzelnen Sensormodulen mit sehr geringer Intensität in einem geeigneten Frequenzbereich erfolgen, während beispielsweise das Übermitteln eines Initialisierungssignals von außen, beispielsweise von der Datenempfangseinheit in einem Frequenzbereich erfolgen kann, der eine große Reichweite gewährleistet, so dass jedes autarke Sensormodul von außerhalb bei Bedarf initialisiert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in den autarken Sensormodulen ein Algorithmus zur Ermittlung eines Kommunikationsweges in dem System nach einem vorgegebenen Kriterium eingerichtet. Auf Grund des implementierten Algorithmus lässt sich somit ein geeigneter Kommunikationsweg finden, in welchem Daten von einem Modul zum nächsten übertragen und schließlich zu einer externen Quelle, beispielsweise
einer externen Datenempfangseinheit übermittelt werden. Auf diese Weise lässt sich eine zuverlässige Datenübermittlung ohne großen Aufwand an Peripherkomponenten verwirklichen, da beispielsweise die zuverlässige Verbindung nur eines Sensormoduls in dem System zu der peripheren Komponente, beispielsweise einer Datenempfangseinheit erforderlich ist. So kann auch die Kommunikation mit der externen Quelle unter speziell gewählten Gesichtspunkten erfolgen, etwa im Hinblick auf eine energiesparende und sichere Datenübertragung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gibt das vorgegebene Kriterium einen kürzesten oder einen energieoptimierten Kommunikationsweg an.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Datenerfassungssystem ein oder mehrere autarke Sensormodule, wie sie in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind oder noch in den nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben werden, wobei das Datenerfassungssystem ferner eine Datenempfangseinheit aufweist, die ausgebildet ist, von dem einen oder den mehreren autarken Sensormodulen drahtlos Daten zu empfangen, die mit der spezifizierten Messgröße verknüpft sind. Wie zuvor bereits dargelegt ist, kann durch die miniaturisierte modulare Bauform das eine oder die mehreren autarken Sensormodule in andere Gegenstände und Objekte, die eine spezifische Funktion erfüllen, integriert werden, ohne dass deren ursprüngliche Funktion wesentlich beeinträchtigt wird. Dadurch erhalten die Gegenstände und Objekte eine erweiterte Funktion und deren Gebrauchseigenschaft erhöht sich, da mittels des Datenerfassungssystem in effiziente Weise entsprechende Daten erfasst und somit für eine weitere Verarbeitung außerhalb der Objekte und Gegenstände mittels der Datenempfangseinheit zur Verfügung stehen. Dies gilt insbesondere, wenn bewegte Objekte, beispielsweise Golfbälle, Tischtennisbälle, Tennisbälle oder andere Spielbälle betrachtet werden, da der Zustand der bewegten Gegenstände im Hinblick auf eine oder mehrere spezifizierte Messgrößen überwacht werden kann, wobei die entsprechenden Messdaten ein hohes Maß an Authentizität hinsichtlich der Funktion der Gegenstände aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ferner eine Datensendeeinrichtung oder eine Datensende- und -Empfangseinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, zu mindestens einem des einen oder der mehreren Sensormodule drahtlos Daten zu übertragen. Auf diese Weise kann beispielsweise die Steuerung des Sensormoduls und, ggf. auch damit auch eine Beeinflussung des Gegenstands, in effizienter Weise erfolgen, so dass sich ein hohes Maß an Flexibilität beim Betrieb des Datenerfassungssystems ergibt. Beispielsweise können Initialisierungssignale zur Initialisierung eines Betriebszustandes und/oder zur Initialisierung eines Energiesparzustandes mittels der Datensendeeinrichtung übertragen werden, so dass das Datenerfassungssystem in
hohem Maße von außen steuerbar ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann ggf. die Konfiguration und damit das Funktionsverhalten des autarken Sensormoduls von außen gesteuert werden, indem beispielsweise entsprechende Konfigurations- oder Steuerdaten übertragen werden, die dann eine entsprechende Arbeitsweise des Sensormoduls zur Folge haben. Ggf. kann auch eine Softwareaktualisierung oder generell eine Änderung der Software über die Datensendeeinheit erfolgen, so dass ohne direkten Zugriff von außen eine entsprechende Aktualisierung des Betriebsverhaltens der Sensormodule erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Datensendeeinrichtung zur Datenübertragung für einen anderen drahtlosen Übertragungskanal wie die Datenempfangseinheit ausgebildet. Auf diese Weise kann beispielsweise die Datenübertragung zu den einzelnen Sensormodulen im Hinblick darauf erfolgen, dass eine zuverlässige Datenübermittlung für alle Sensormodule gleichzeitig stattfindet, während bei der Datenübermittlung von den Sensormodulen zu der Datenempfangseinheit das Kriterium einer möglichst effizienten und damit energiesparenden Datenübertragung angewendet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen, die mit der Datenempfangseinheit in Verbindung steht, um in der Datenempfangseinheit empfangene Daten zu verarbeiten. Auf diese Weise lassen sich in den Sensormodulen gewonnene Messdaten, die einer Signalverarbeitung unterzogen wurden, die jedoch im Hinblick auf die eigentliche Verwendung der Messdaten eine Vorverarbeitung sein kann, in energiesparender und dennoch effizienter Weise zu der Datenverarbeitungseinheit übertragen werden, die dann entsprechend ihren rechnerischen Ressourcen eine entsprechende Aufbereitung bzw. Darstellung der erfassten Messdaten ausführen kann. Beispielsweise können dazu tragbare oder stationäre Rechnereinrichtungen und dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise steht dabei die Datenverarbeitungseinheit über einen drahtlosen Übertragungskanal mit der Datenempfangseinheit in Verbindung. Damit lässt sich ein hohes Maß an Flexibilität und auch Kompatibilität zu bestehenden Netzwerktechnologien herstellen, indem beispielsweise mit dem drahtlosen Übertragungskanal zwischen der Datenverarbeitungseinheit und der Datenempfangseinheit vorhandene Standards, etwa der "Bluetooth-Standard" verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Datenempfangseinheit ausgelegt, Energie in das eine oder die mehreren Sensormodule einzuspeisen. Auf diese Weise kann die Unabhängigkeit der Sensormodule bzw. auch deren Kompaktheit verbessert werden, da die in den einzelnen Sensormodulen vorhandene Energiequelle entsprechend klein gewählt werden kann. Beispielsweise kann die Sende- und Empfangseinheit so ausgelegt sein, dass zumindest ein Teil der zur Datenübertragung
benötigten Energie aus der eingespeisten Energie bezogen wird. Dies lässt sich beispielsweise durch Umwandeln der Trägerwellenenergie bei der Datenübermittlung oder durch das induktive Einkoppeln von Energie oder durch das Bereitstellen eines optischen Strahls, der auch gleichzeitig zur Energieversorgung dienen kann, bewerkstelligen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Datenerfassung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Fixieren eines Messmoduls an einem Messobjekt, wobei das Messmodul an das Messobjekt angepasst ist und im Wesentlichen keine Funktionsbeschränkung des Messobjekts hervorruft. Ferner werden mit dem Messobjekt verknüpfte Messdaten in dem Messmodul gewonnen und die gewonnenen Messdaten in dem Messmodul verarbeitet und sodann drahtlos übermittelt.
Wie zuvor bereits erläutert, ergibt sich durch das Vorsehen des Messmoduls in einem speziellen Messobjekt ohne wesentliche Beschränkung von dessen Funktion durch die lokale Gewinnung, Verarbeitung sowie drahtlose Übermittlung der entsprechenden Messdaten ein hohes Maß an Flexibilität bei der Datenerfassung, insbesondere bei bewegten Objekten.
In vorteilhaften Ausführungsformen beinhaltet das Gewinnen von Messdaten das Ermitteln von Messwerten für eine oder mehrere spezifizierte Messgrößen mittels eines oder mehrerer Sensorelemente. Somit kann mit der Datenerfassung durch Auswahl eines oder mehrerer geeigneter Sensorelemente eine entsprechende Aufgabe erfüllt werden, d. h. beispielsweise eine Alarmauslösung oder eine entsprechende Anzeige bei Nichteinhaltung eines oder mehrerer spezifizierter Wertebereich für eine oder mehrere spezifizierte Messgrößen.
In weiteren Ausführungsformen kann das Verarbeiten der gewonnenen Messdaten eine Datenspeicherung über einen längeren Zeitraum und/oder eine Datenfilterung und/oder eine Schwellwertermittlung und/oder eine rechnerische Auswertung umfassen. Auf diese Weise ist eine hohe Flexibilität bei der Aufbereitung der gewonnenen Messdaten bereits vor Ort möglich, so dass gegebenenfalls die Datenmenge bei der Übermittlung stark reduziert und damit sehr energiesparend ausgelegt sein kann, da bei Bedarf nur entsprechende Ergebnisse der Datenverarbeitung, die beispielsweise als entsprechende Ergebnisse abgelegt sind, übertragen werden müssen. Zum Beispiel wird bei typischen Anwendungen in einer Überwachungssituation, in der eine oder mehrere messtechnisch zu erfassende Größen das Über- bzw. Unterschreiten entsprechender Schwellwerte zu überwachen sind, eine entsprechende Signalübermittlung erst dann stattfinden, wenn ein entsprechendes Ereignis tatsächlich eintritt, so dass der in der Regel energiesparendere Vorgang der Datenverarbeitung aufrecht erhalten wird, während die Datenübertragung
nur bei Bedarf stattfindet. Ferner kann die Übertragung unter Einsatz energiesparender Maßnahmen erfolgen, da ggf. wenig oder gar keine Redundanz den Daten hinzuzufügen ist oder größere Datenmengen zu übertragen sind, da ggf. bereits die erforderliche Auswertung vollständig in dem Sensormodul stattgefunden haben kann.
Vorteilhafterweise erfolgt die Verarbeitung der gewonnenen Messdaten durch eine Analog-Digital-Wandlung, die auch im Sensor bereits integriert sein kann, mit einer darauf folgenden digitalen Signalverarbeitung, die in vorteilhaften Ausführungsformen in Form von Software in einer Rechnereinrichtung hinterlegt ist. Auf diese Weise gibt sich ein hohes Maß an Flexibilität, da gleichartige Hardwarestrukturen für sehr unterschiedliche Datenerfassungsaufgaben verwendet werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines autarken Sensormoduls bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer Größe und einer Bauform des Sensormoduls für ein ausgewähltes Messobjekt, wobei die Größe und die Bauform im Wesentlichen keine Funktionsbeschränkung des Messobjekts nach Anbringen des Sensormoduls verursachen. Des weiteren werden unter Anwendung von Technologien der Mikrosystemtechnik und der Fertigung von Mikrostrukturen ein oder mehrere Sensormodule hergestellt, wobei jedes Sensormodul mehrere Komponenten aufweist, die ein Sensorelement, eine mit dem Sensorelement verbundene Signalverarbeitungseinheit, eine mit der Signalverarbeitungseinheit verbundene Sende- und Empfangseinheit zur drahtlosen Übermittlung von Daten und eine Energiequelle zum zumindest zeitweiligen autarken Betrieb der Sensoren gehören.
Durch dieses Verfahren lässt sich in zielgerichteter Weise eine autarke Sensorvorrichtung herstellen, so dass authentische Messdaten von dem Messobjekt gewonnen werden können. Diese Messdaten können so zur Überwachung und/oder zur Steuerung und/oder zur Funktionserweiterung des entsprechenden Messobjekts weiter verwertet werden.
Die zur Herstellung des einen oder der mehreren Sensormodule angewendeten Technologien umfassen vorteilhafterweise die Integration zweier oder mehrerer der Komponenten auf oder in einem gemeinsamen Schaltungsträger, so dass ein hohes Maß an Komplexität und Kompaktheit bei reduzierten Fertigungskosten erreicht werden kann. Somit lassen sich in kostengünstiger weise beliebige Messobjekte mit entsprechend zugeschnittenen Sensormodulen versehen, wobei auf Grund der kompakten, modularen und autarken Bauweise bzw. Funktionsart der Aufwand an peripheren Einrichtungen gering bleibt.
Vorteilhafterweise werden auch zur Herstellung der Sensormodule flexible Schaltungsträger verwendet. Auf diese Weise lassen sich die Formgebung sowie die mechanische Unversehrtheit während der Anwendung des Sensormoduls verbessern und die Baugröße weiter verkleinern. Hiermit lassen sich Baugrößen für das gesamte Modul von kleiner 5mm x 5mm x 2,5mm (ohne Energiequelle) realisieren.
Vorteilhafterweise werden zur Herstellung der Sensormodule passive Schaltungskomponenten und/oder - bei Bedarf - optische Komponenten und/oder mikromechanische Komponenten in ein einzelnes Schaltungsträgersubstrat integriert. Diese Art der Herstellung gewährleistet einen kostengünstigen Fertigungsprozess bei gleichzeitig großer Kompaktheit sowie Störungsunanfälligkeit.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den angefügten Patenansprüchen definiert und gehen auch aus der folgenden detaillierten Beschreibung weiterer spezieller Ausführungsbeispiele hervor. Dabei wird auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Fig. 1 a schematisch einen modularen Aufbau eines Sensormoduls gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 1 b den modularen Aufbau des Sensormoduls in Leiterplattentechnik (PCB) der Ausführungsform aus Fig. 1 a zeigt;
Fig. 1 c schematisch den mechanischen Aufbau eines speziellen Sensormoduls zur Integration in ein Messobjekt, das in diesem Beispiel ein Golfball ist, darstellt;
Fig. 1 d schematisch ein Blockschaltbild eines Sensormoduls mit Beschleunigungssensor zeigt und
Fig. 1 e schematisch ein Datenerfassungssystem mit einem oder mehreren Sensormodulen mit entsprechenden peripheren Komponenten in einer anschaulichen Ausführungsform zeigt.
Fig. 1 a zeigt schematisch ein Sensormodul 100, das in der beispielhaften Ausführungsform als ein dreidimensionaler Leiterplattenstapel 101 , der wiederum in verschiedene Ebenen aufgeteilt ist, vorgesehen ist. In der gezeigten Ausführungsform weist der Leiterplattenstapel 101 in einer ersten Ebene 102, die auch generisch als Signalverarbeitungseinheit bezeichnet ist, eine entsprechende analoge und/oder digitale Beschaltung auf, beispielsweise einen Verstärker, einen Analog-Digital-Wandler, einen digitalen Prozessor und dergleichen, wobei die Komponenten der ersten Ebene 102 oder
Signalverarbeitungseinheit mit einem entsprechenden Sensorelement 103 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform ist das Sensorelement als ein Beschleunigungssensor ausgebildet, der über ein entsprechendes Verbindungskabel 104 angeschlossen ist. In anderen Ausführungsformen kann das Sensorelement auf der Platine der Einheit 102 montiert sein oder kann auch direkt in die Schaltungsplatine der Einheit 102 integriert sein. Ferner kann die Platine der Einheit 102 eine geeignete Antenne für eine Sende- und Empfangseinheit 105, die in der gezeigten Ausführungsform in der zweiten Ebene angeordnet ist, aufweisen. In einer weiteren Ebene 106 können weitere Komponenten, beispielsweise Quarze oder andere passive oder aktive Komponente vorgesehen sein. Ferner kann in dieser Ebene 106 auch eine Energiequelle (nicht gezeigt) vorgesehen sein, oder diese kann in einer separaten Ebene angeordnet sein.
Fig. 1 b zeigt in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform des Moduls 100, in der eine kompaktere Anordnung erreicht wird, indem im Wesentlichen alle elektronischen Komponenten einschließlich von Antenneneinrichtungen der Sende- und Empfangseinheit 105 auf entsprechenden einzelnen Platinen angeordnet sind, wobei die Kontaktierung der einzelnen Platine über entsprechende Anschlussflächen erfolgt. Es sollte beachtet werden, dass die Anzahl, die Form und die Anordnung der Platinen dem Verwendungszweck angepasst ist, so dass sich das Modul 100 an einem ausgewählten Messobjekt anbringen lässt.
Fig. 1 c zeigt schematisch das Sensormodul 100 zur Integration in einem Messobjekt 150, das in dem vorliegenden Anwendungsbeispiel ein Golfball ist. Wie gezeigt, umfasst das Sensormodul 100 den Leiterplattenstapel 101 , auf dem der Beschleunigungssensor 103 montiert ist, wobei unter dem Stapel 101 eine Energiequelle 107, in Form von beispielsweise Standardbatterien oder Akkumulatoren in Knopfzellenform vorgesehen ist. Ferner ist ein Träger 108 gezeigt, in welchem die einzelnen Komponenten, d. h. das Sensorelement 103, der Leiterplattenstapel 101 und die Energiequelle 107 so angebracht sind, dass diese zusammen mit dem Träger 108 mechanisch in dem Golfball 150 fixiert werden können. Auf der rechten Seite der Abbildung 1c ist das fertig montierte Sensormodul 100 gezeigt, wobei zur mechanischen Fixierung des Moduls 100 in dem Golfball 150 am Träger 108 in diesem Fall ein entsprechendes Schraubengewinde als Gegenstück zu einem entsprechenden Gewinde in dem Golfball 150 vorgesehen ist.
Die Montage der elektronischen Komponente für das Sensormodul 100 erfolgt mittels etablierter Verfahren der SMD-Montage und der „Chip on Board" (COB)-Technologie (Chip und Drahtbonden). Hierdurch wird eine kompakte und leichte Bauform erreicht. Der Träger 108 ist in Form eines Plastikgehäuses vorgesehen oder wird aus einem
anderen geeigneten Material hergestellt. Die Montage der einzelnen Komponenten kann je nach Bauform durch bekannte Verfahren der Mikrosystemtechnik so erfolgen, dass ein noch kompakterer Aufbau erreicht werden kann. Beispielsweise kann bei der Herstellung einzelner Schaltungsplatinen ein flexibler Schaltungsträger (Folie) vorgesehen werden, oder die Integration passiver Komponenten kann in oder auf dem entsprechenden Substratmaterial für die Herstellung integrierter Schaltungen oder auf dem Substratmaterial der Leiterplatte erfolgen.
Fig. 1 d zeigt schematisch ein Blockschaltbild des Sensormoduls 100, wobei die Sende- und Empfangseinheit 105 mit einer Datenverarbeitungseinheit 102 in Verbindung steht, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem analogen Abschnitt 102a und einem digitalen Abschnitt 102b aufgebaut ist. Ferner ist der Beschleunigungssensor 103 mit der Signalverarbeitungseinheit 102 verbunden und die Energiequelle 107 dient zur elektrischen Versorgung aller Komponenten des Moduls 100. Die dargestellte Ausführungsform hat nur beispielhaften Charakter und kann entsprechend den zuvor ausgeführten Prinzipien modifiziert werden. Beispielsweise kann insbesondere die Energiequelle 107 einen entsprechenden Generator (nicht gezeigt) zur Energieumwandlung aufweisen, der die zuvor dargelegten Eigenschaften aufweist.
Während des Betriebs des Moduls 100 kann die Signalverarbeitungseinheit 102a, 102b entsprechende Signale des Sensors 103 verarbeiten und der Sende- und Empfangseinheit 105 für die drahtlose Übermittlung zu anderen Sensorelementen oder einer entsprechenden Datenempfangseinheit zuführen. In der gezeigten Ausführungsform ist der digitalen Signalverarbeitungsabschnitt 101 b vorgesehen, der eine softwaregestützte Verarbeitung ermöglicht, so dass ein hohes Maß an Flexibilität bei gleichem Hardwareaufbau erreicht werden kann. Ferner kann in der gezeigten Ausführungsform der digitalen Einheit 102b eine entsprechende Steuereinheit implementiert sein, die den Betrieb des Moduls 100 steuern kann. Beispielsweise kann in dem Modul 100 mindestens ein weiterer Betriebszustand zusätzlich zu dem voll funktionsfähigen Betriebszustand eingerichtet sein, in welchem die Energiequelle 107 deutlich geringer belastet wird, indem beispielsweise zumindest ein Teil der Sende- und Empfangseinheit 105 deaktiviert ist, der für das Übermitteln von Daten zuständig ist. Des weiteren können, wie zuvor bereits erläutert wurde, auch mehrere unterschiedliche Energiesparmodi eingerichtet sein, so dass sich in Abhängigkeit der Steuerungskonfigurationen, die beispielsweise auch durch externe Signale eingestellt werden können, ein entsprechender Betriebszustand einstellen lässt.
Fig. 1 e zeigt schematisch ein Datenerfassungssystem 160, in welchem ein oder mehrere Sensormodule 100 vorgesehen sind. Ferner umfasst das Datenerfassungssystem 160 in der gezeigten Ausführungsform eine Datenempfangseinheit 161 , die zumindest zeitweilig
mit zumindest einem der Module 100 in Verbindung steht. Ferner ist in dem Datenerfassungssystem 160 eine Datenverarbeitungseinheit 162 vorgesehen, die in der gezeigten Ausführungsform als ein Empfänger/Sendermodul für mittlere Entfernungen bezeichnet ist, und beispielsweise zur Darstellung der Messdaten sowie zur Initialisierung der Module 100 dienen kann.
Beim Betrieb des Systems 160 können beispielsweise von einem der Module 100, z. B. durch den Abschlag des Golfballs hervorgerufene Messdaten, d.h. Beschleunigungswerte erfasst werden und mittels elektromagnetischer Übertragungskanäle an die Datenempfangseinheit 161 übermittelt werden. Hierbei kann für den entsprechenden Übertragungskanal ein geeigneter Frequenzbereich angewendet werden, so dass eine zuverlässige und dennoch energiesparende Signalübertragung möglich ist. Beispielsweise kann die Datenempfangseinheit 161 während der Übermittlung der Messdaten in unmittelbarer Nähe des Moduls angeordnet sein, beispielsweise in dem entsprechenden Schläger oder am Ort des Abschlags, so dass trotz sehr geringer Sendeleistung des Moduls 100 eine zuverlässige Datenübertragung ermöglicht wird. Andererseits kann die Datenempfangseinheit 161 über einen weiteren Übertragungskanal, der in seinem Frequenzbereich unterschiedlich sein kann im Vergleich zu dem zwischen dem Modul 100 und der Datenempfangseinheit 161 benutzten Übertragungskanal, Daten an die Verarbeitungseinheit 162 senden, so dass sich die entsprechenden Daten zuverlässig übertragen und in der Datenverarbeitungseinheit 162 entsprechend auswerten lassen. Dazu können beispielsweise standardmäßige Übertragungskanäle, z. B. der Bluetooth-Standard verwendet werden, die üblicherweise in handelsüblichen Geräten, beispielsweise PDA's, Mobiltelefonen, Mobilcomputer, etc. verfügbar sind. Ferner kann auch über die externe Datenverarbeitungseinheit 162 eine Initialisierung der einzelnen Module 100 durch Aussenden eines entsprechenden Signals erfolgen. Beispielsweise kann unmittelbar vor dem Abschlag des Golfballes eine Initialisierung erfolgen, so dass das Modul 100 von einem Energiesparzustand in einen entsprechenden betriebsbereiten Zustand zur Datennahme und zur Datenübermittlung überführt wird.
In dem Datenerfassungssystem 160 können mehrere Sensormodule 100 vorgesehen sein, die dann so ausgebildet sind, dass diese ein sich selbst organisierendes Netzwerk bilden. Beispielsweise können mehrere Golfbälle verwendet werden, die beispielsweise nach dem Abschlagen die entsprechenden Messdaten speichern und anschließend eine entsprechende Datenübermittlung ermöglichen, wobei Golfbälle, die sich im gegenseitigen Einflussbereich ihrer Sende- und Empfangseinheiten befinden, eine entsprechende Netzwerkstruktur erstellen, um damit eine effiziente Datenübermittlung zu gewährleisten. Auf diese Weise ist es möglich, selbst mit nur geringer Reichweite der Datenempfangseinheit 161 eine Vielzahl von Messdaten von unterschiedlichen
Golfbällen zuzuführen, da beispielsweise die Daten eines entfernten Golfballes über einen entsprechenden Kommunikationsweg zu der Datenempfangseinheit 161 übermittelt werden können.