KR102062633B1 - Highly efficient self -powered wireless sensor and sensor module - Google Patents

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KR102062633B1
KR102062633B1 KR1020180064285A KR20180064285A KR102062633B1 KR 102062633 B1 KR102062633 B1 KR 102062633B1 KR 1020180064285 A KR1020180064285 A KR 1020180064285A KR 20180064285 A KR20180064285 A KR 20180064285A KR 102062633 B1 KR102062633 B1 KR 102062633B1
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Abstract

본 발명에 따른 무선 센서는 외부환경에서 전력을 수집하는 하베스팅 회로부; 하나 이상의 센서를 포함하는 센서부; 상기 센서부에서 수집된 데이터를 저장하는 제어부; 및 상기 제어부에서 저장된 센서데이터를 수집하는 목적지로 전송하는 무선통신부;를 포함하고, 상기 하베스팅 회로부는 배 전압 정류회로를 포함할 수 있다.
본 발명을 통해 무선 센서의 유지 비용을 획기적으로 저감할 수 있다.
또한, 무선 센서의 출력전압효율을 향상시킬 수 있다.The wireless sensor according to the present invention includes a harvesting circuit unit for collecting power in an external environment; A sensor unit including one or more sensors; A control unit storing data collected by the sensor unit; And a wireless communication unit configured to transmit the stored sensor data to a destination for collecting the sensor data, wherein the harvesting circuit unit may include a double voltage rectifier circuit.
The present invention can significantly reduce the maintenance cost of the wireless sensor.
In addition, the output voltage efficiency of the wireless sensor can be improved.

Description

고효율 자가 전원 무선 센서 및 센서 모듈 {Highly efficient self -powered wireless sensor and sensor module}Highly efficient self-powered wireless sensor and sensor module

본 발명은 무선 센서 및 센서모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고효율 자가 전원 무선 센서 및 센서 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless sensor and a sensor module. More specifically, it relates to a high efficiency self-powered wireless sensor and sensor module.

신재생 에너지 도입 및 전기자동차 시장 확대로 인한 전력 공급 및 수요 변동성이 커지고, 이로 인해 전력시스템의 스트레스 증가와 장애 발생 가능성이 높아졌다.Power supply and demand volatility have increased due to the introduction of renewable energy and the expansion of the electric vehicle market, resulting in increased stress on the power system and the possibility of failure.

전력시스템의 신뢰성 및 고효율성을 확보하기 위해 전력설비의 실시간 모니터링이 필수적으로 요구되었다.In order to secure the reliability and high efficiency of the power system, real-time monitoring of the power equipment was essential.

실시간 전력시스템 모니터링 기술은 스마트 그리드 실현에 핵심 기술로 많은 관심을 받아왔으나 센서 모듈 설치 및 유지 비용의 부담으로 현장에서 매우 제한된 영역에서만 사용되고 있다.Real-time power system monitoring technology has received much attention as a key technology for realizing smart grid, but it is used only in very limited areas in the field due to the burden of sensor module installation and maintenance cost.

현재 상용화된 스마트 센서는 비용이 고가이고 중량이 무겁기 때문에 전력 설비에 설치하기는 현실적으로 어렵다. 또한, 센서 모듈에 사용되는 배터리의 잦은 교체로 인해 방대한 전력망의 실시간 모니터링이 실현되지 못하고 있다. Currently commercially available smart sensors are expensive and heavy, making them difficult to install in power installations. In addition, due to the frequent replacement of batteries used in the sensor module, real-time monitoring of the massive power grid is not realized.

이에, 본 발명은 에너지 하베스팅 기술을 적용하여 센서의 유지 비용이 획기적으로 저감된 무선 센서 및 센서 모듈을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention is to provide a wireless sensor and a sensor module by dramatically reducing the maintenance cost of the sensor by applying the energy harvesting technology.

본 발명에서는 센서 모듈에 필요한 배터리를 대체할 수 있는 에너지 하베스팅 기술을 채택하여 센서 모듈의 유지 비용을 획기적으로 저감할 수 있는 기법을 포함, 제안된 기술을 통해 배터리 없이 자가 전원으로 동작하는 무선 센서를 제공하고자 한다.The present invention includes a technique that can dramatically reduce the maintenance cost of the sensor module by adopting an energy harvesting technology that can replace the battery required for the sensor module, a wireless sensor that operates without a battery through the proposed technology To provide.

본 발명을 통해 센서의 유지 비용을 획기적으로 저감시킬 수 있는 자가 전원 무선 센서 및 센서모듈을 제공하고자 한다.The present invention provides a self-powered wireless sensor and a sensor module that can significantly reduce the maintenance cost of the sensor.

또한, 본 발명을 통해 자기장 수집 효율이 향상된 에너지 하베스팅 회로부와 저전력 자율 스위칭 회로를 포함하는 무선 센서 및 센서 모듈을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a wireless sensor and sensor module including an energy harvesting circuit portion and a low power autonomous switching circuit with improved magnetic field collection efficiency.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명에 따른 무선 센서 및 센서 모듈은 외부환경에서 전력을 수집하는 하베스팅 회로부; 하나 이상의 센서를 포함하는 센서부; 상기 센서부에서 수집된 데이터를 저장하는 제어부; 및 상기 제어부에서 저장된 센서데이터를 수집하는 목적지로 전송하는 무선통신부;를 포함하고, 상기 하베스팅 회로부는 배 전압 정류 회로를 포함할 수 있다.Wireless sensor and sensor module according to the invention the harvesting circuit unit for collecting power in the external environment; A sensor unit including one or more sensors; A control unit storing data collected by the sensor unit; And a wireless communication unit configured to transmit the stored sensor data to a destination for collecting the sensor data, wherein the harvesting circuit unit may include a double voltage rectifying circuit.

또한, 상기 하베스팅 회로부는 정류부 및 에너지 축적부를 포함할 수 있다.In addition, the harvesting circuit unit may include a rectifier and an energy accumulator.

또한, 상기 에너지 축적부는 커패시터일 수 있다.In addition, the energy storage unit may be a capacitor.

본 발명에 따른 무선 센서 및 센서 모듈은 상기 하베스팅 회로부와 제어부 사이에 배치되어, 하베스팅 회로부에서 수집된 전력을 제어부, 센서부 및 무선통신부로 전달하는 자율 스위칭 회로부;를 더 포함할 수 있다.The wireless sensor and the sensor module according to the present invention may further include an autonomous switching circuit unit disposed between the harvesting circuit unit and the control unit to transfer power collected from the harvesting circuit unit to the control unit, the sensor unit, and the wireless communication unit.

본 발명에 따른 무선 센서 및 센서 모듈을 통해 출력 전압 효율을 향상시킬 수 있다Through the wireless sensor and the sensor module according to the present invention it is possible to improve the output voltage efficiency

또한, 본 발명을 통해 무선 센서 및 센서 모듈의 소형화 및 경량화가 가능해진다.In addition, the present invention enables miniaturization and light weight of the wireless sensor and the sensor module.

또한, 본 발명을 통해 무선 센서 및 센서 모듈의 동작 시간을 증가시킬 수 있다.In addition, the present invention can increase the operating time of the wireless sensor and the sensor module.

또한, 본 발명을 통해 무선 센서 및 센서 모듈의 유지 비용을 획기적으로 저감할 수 있다.In addition, the present invention can significantly reduce the maintenance cost of the wireless sensor and the sensor module.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 무선 센서의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 센서의 하베스팅 회로부를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 자율 스위칭 회로부를 포함하는 무선 센서를 도시한 것이다.
도 4는 제1비교예에 따른 하베스팅 회로부를 도시한 것이다.
도 5는 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부를 도시한 것이다.
도 6은 동일한 자기장 유기 전압 입력 시 하베스팅 회로부의 출력 전압을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 센서 모듈을 도시한 것이다.1 is a block diagram of a wireless sensor according to the present invention.
2 shows a harvesting circuit of the wireless sensor according to the present invention.
3 illustrates a wireless sensor including an autonomous switching circuit unit according to the present invention.
4 illustrates a harvesting circuit unit according to a first comparative example.
5 illustrates a harvesting circuit unit according to a second comparative example.
6 is a graph illustrating an output voltage of the harvesting circuit unit when the same magnetic field induced voltage is input.
7 shows a wireless sensor module according to the invention.

본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 패턴들의 "상/위(On)" 에 또는 "하/아래(Under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.Details of the above-described objects and technical configurations of the present invention and the effects thereof will be more clearly understood by the following detailed description. In the description of the present invention, each layer (film), region, pattern or structures is placed on or "under" or "under" the substrate, each layer (film), region, pattern or patterns. "Formed" includes all that are formed directly or through another layer. Criteria for the top / bottom or bottom / bottom of each layer are described with reference to the drawings.

이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.Terms such as first and second used below are merely identification symbols for distinguishing the same or corresponding components, and the same or corresponding components are not limited by the terms such as the first and second components.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. The terms "comprises" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described on the specification, one or more other features or numbers, It may be interpreted that steps, actions, components, parts or combinations thereof may be added.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 무선 센서의 블록도를 나타낸 것이다.1 shows a block diagram of a wireless sensor in accordance with the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 센서는 하베스팅 회로부(10), 센서부(30), 제어부(20) 및 무선통신부(40)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 1, the wireless sensor according to the present invention may include a harvesting circuit unit 10, a sensor unit 30, a control unit 20, and a wireless communication unit 40.

상기 하베스팅 회로부(10)는 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.The harvesting circuit unit 10 will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.

상기 하베스팅 회로부(10)는 에너지 정류부(2) 및 에너지축적부(4)를 포함할 수 있다.The harvesting circuit unit 10 may include an energy rectifying unit 2 and an energy accumulating unit 4.

하베스팅 회로부(10)에 의해 주위환경에서 수집한 전력은 정류부(2)를 통해 직류전압으로 변환되고, 변환된 전압은 상기 에너지 축적부(4)에 축적될 수 있다.The power collected in the surrounding environment by the harvesting circuit unit 10 may be converted into a DC voltage through the rectifier 2, and the converted voltage may be accumulated in the energy accumulator 4.

상기 하베스팅 회로부(10)는 배전압정류회로(voltage doubler)를 포함할 수 있다.The harvesting circuit unit 10 may include a voltage doubler.

또한, 본 발명에 따른 하베스팅 회로부(10)는 다이오드와 커패시터 조합으로 peak-to-peak 전압을 수집할 수 있다.In addition, the harvesting circuit unit 10 according to the present invention may collect the peak-to-peak voltage by a combination of a diode and a capacitor.

상기 하베스팅 회로부(10)에 의해 주위 환경에서 수집된 전력이 에너지 축적부(4)에 축적될 수 있다. 이 축적된 에너지는 마이크로 컨트롤러 및 무선통신회로부(40), 센서부(30) 등 데이터를 취득하여 전송하는 회로의 동력원이 될 수 있다.Power collected in the surrounding environment by the harvesting circuit unit 10 may be accumulated in the energy accumulator 4. The accumulated energy may be a power source of a circuit for acquiring and transmitting data such as the microcontroller, the wireless communication circuit unit 40, the sensor unit 30, and the like.

상기 에너지 축적부(4)는 누설전류가 작아야 한다. 에너지 축적부(4)에 에너지가 저장되더라도 누설전류가 크면 사용하기도 전에 방전되기 때문이다.The energy accumulator 4 should have a small leakage current. This is because even if energy is stored in the energy accumulator 4, if the leakage current is large, it is discharged even before use.

상기 에너지 축적부(4)는 커패시터(capacitor)로 구성될 수 있고, 상기 커패시터의 용량은 응용분야에 따라 결정될 수 있다. 상기 커패시터의 용량이 커지면, 무선 센서의 크기도 증가되므로, 상기 무선 센서의 크기를 고려하여 상기 커패시터의 용량은 선정될 수 있다.The energy accumulator 4 may be composed of a capacitor, and the capacity of the capacitor may be determined according to an application. As the capacity of the capacitor increases, the size of the wireless sensor also increases, so that the capacity of the capacitor may be selected in consideration of the size of the wireless sensor.

예를 들어 배전선로에서 상기 하베스팅 회로부(10)를 통해 에너지 수집을 하는 경우, 배전선로 정상 운행 중 수집된 에너지를 에너지 축적부(4)에 저장할 수 있다. 또한, 배전선로 정전으로 에너지 수집이 불가능한 경우 수 차례 경고 메시지를 설비 제어실에 보낼 수 있다. For example, when energy is collected through the harvesting circuit unit 10 in a distribution line, energy collected during normal operation of the distribution line may be stored in the energy storage unit 4. In addition, a warning message can be sent to the facility control room several times in the event that energy collection is not possible due to a power failure of the distribution line.

상기 하베스팅 회로부(10)의 출력 단자와 커패시터로 구성된 에너지축적부(4)가 직접 연결되는 경우 출력전압의 강하가 발생할 수 있기 때문에 다이오드(diode)와 트랜지스터(transistor)를 통해 하베스팅 회로부(10)의 출력단자와 연결되어 일정 출력 전압이 유지되는 경우에만 충전될 수 있다.When the output terminal of the harvesting circuit unit 10 and the energy storage unit 4 composed of a capacitor are directly connected, the output voltage may drop, so that the harvesting circuit unit 10 may be formed through a diode and a transistor. It can be charged only when the constant output voltage is maintained in connection with the output terminal.

상기 정류부(2)는 상기 하베스팅 회로부(10)를 통하여 수집된 교류전압을 직류전압으로 변환한다.The rectifying unit 2 converts the AC voltage collected through the harvesting circuit unit 10 into a DC voltage.

상기 정류부(2)는 2개의 다이오드를 포함하는 전파정류회로를 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 다양한 형태의 정류 회로들이 적용될 수 있다.The rectifying unit 2 will be described as an example of a full-wave rectifying circuit including two diodes, but is not limited thereto, and various types of rectifying circuits may be applied.

상기 정류부(2)를 통해 변환된 전압은 에너지축적부(4)에 축적되거나, 센서부(30)나 무선통신부(40)에서 필요한 전원으로 사용될 수 있다.The voltage converted by the rectifier 2 may be accumulated in the energy accumulator 4 or may be used as a power source required by the sensor unit 30 or the wireless communication unit 40.

센서부(30)는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있으며, 센서를 통해 데이터를 수집할 수 있다.The sensor unit 30 may include one or more sensors, and may collect data through the sensors.

상기 센서는 온도센서, 기울기센서, 전류센서, 가속도 센서 등 다양한 센서로 구성될 수 있다.The sensor may be configured of various sensors such as a temperature sensor, a tilt sensor, a current sensor, and an acceleration sensor.

예를 들어, 배전선로 모니터링에 적용되는 무선 센서인 경우, 온도센서는 배전선로 표면 온도를 정확히 측정하기 위해 적외선 온도센서가 바람직할 수 있다. For example, in the case of a wireless sensor applied to distribution line monitoring, the temperature sensor may be preferably an infrared temperature sensor in order to accurately measure the surface temperature of the distribution line.

기울기 센서는 배전선로의 기울어짐을 측정할 수 있고, 3축 방향 기울기를 측정할 수 있는 3축 기울기 센서가 바람직할 수 있다. 상기 3축 기울기 센서를 통해 배전선로의 불안정한 움직임을 실시간 감지하여 설비가 크게 훼손되기 전에 예방 진단할 수 있다.The inclination sensor may measure the inclination of the distribution line, and a three-axis inclination sensor capable of measuring inclination in the three-axis direction may be preferable. The three-axis tilt sensor can detect the unstable movement of the power distribution line in real time to prevent diagnosis before the facility is significantly damaged.

상기 제어부(20)는 상기 센서부(30)에서 수집된 센서 데이터를 저장할 수 있고, 저장된 센서 데이터를 소정 시간 또는 소정 주기마다 센서 데이터를 수집하는 목적지로 무선통신부(40)를 통해 전송할 수 있다.The controller 20 may store sensor data collected by the sensor unit 30, and transmit the stored sensor data to the destination for collecting sensor data at a predetermined time or every predetermined period through the wireless communication unit 40.

마이크로 컨트롤러 및 무선통신부(40)는 상기 제어부(20)에 저장된 센서 데이터를 목적지로 제어하고 전송할 수 있다.The microcontroller and the wireless communication unit 40 may control and transmit the sensor data stored in the control unit 20 to a destination.

상기 무선통신부(40)은 마이크로 컨트롤러를 포함할 수 있고, 상기 마이크로 컨트롤러는 제어부(20)에서 전송된 센서부(30)에서 수집된 데이터를 제어할 수 있다.The wireless communication unit 40 may include a microcontroller, and the microcontroller may control data collected by the sensor unit 30 transmitted from the control unit 20.

상기 무선통신부(40)는 무선 통신망을 이용하여 센서 데이터를 서버 또는 운용 시스템으로 전송할 수 있다.The wireless communication unit 40 may transmit sensor data to a server or an operating system using a wireless communication network.

상기 무선통신부(40)는 3G, 4G 등의 상용 광역 통신망을 이용하거나 Wi-Fi와 같은 근거리 통신망을 이용할 수 있다. The wireless communication unit 40 may use a commercial wide area network such as 3G, 4G, or a local area network such as Wi-Fi.

상기 근거리 무선통신은 Wi-Fi 에 한정되는 것은 아니고, 블루투스(Blue tooth)나 지그비(Zigbee) 통신 등 필요에 따라 근거리 무선 통신이 선택적으로 이용될 수 있다.The short-range wireless communication is not limited to Wi-Fi, and short-range wireless communication may be selectively used according to necessity such as Bluetooth (Blue tooth) or Zigbee communication.

자율 스위칭 회로부(50)는 상기 하베스팅 회로부(10)와 상기 제어부(20) 사이에 배치될 수 있다.The autonomous switching circuit unit 50 may be disposed between the harvesting circuit unit 10 and the control unit 20.

도 3은 하베스팅 회로부(10)와 연결된 자율 스위칭회로부(50)를 도시한 것으로, 에너지 수확량이 적은 에너지 하베스팅 회로를 이용하여 무선 센서를 동작 시키기 위해서는 효율적인 전력 공급이 필요한데, 본 발명에서는 자율 스위칭 회로를 사용하여 에너지 수집 모드와 센서 동작 모드로 나누어 동작하는 자가 전원 센서를 구현하고 있다. 에너지 축적부에 무선 센서를 동작시킬 수 있을 만큼 에너지가 충분히 수집되면 자율 스위칭 회로가 켜지고 센서 동작 모드로 된다. 이때 저장 커패시터 에너지가 LDO 레귤레이터를 통해, 예를 들어 3.3 V 전압으로 변환되어 센서와 MCU 에 공급되어 동작하게 된다. 센서 동작 모드에서는 수집된 에너지의 소모로 커패시터 전압이 지속적으로 감소하게 되는데 LDO 출력이, 예를 들어 3 V 미만으로 떨어지면 자율 스위칭 회로는 자동으로 꺼지게 되고 이때부터 에너지 하베스팅 회로는 센서와 분리되어 에너지 수집모드로 동작하게 된다. 이러한 방식은 전력선에서 불규칙적으로 발생하는 낮은 자기 에너지를 효과적으로 수집하여 수십 mW 전력이 소요되는 무선 센서 동작을 가능하게 할 수 있다. 3 illustrates an autonomous switching circuit unit 50 connected to the harvesting circuit unit 10. In order to operate the wireless sensor using an energy harvesting circuit with a low energy yield, an efficient power supply is required. The circuit implements a self-powered sensor that operates in both energy collection and sensor operating modes. When enough energy is collected to operate the wireless sensor in the energy accumulator, the autonomous switching circuit is turned on and in the sensor operating mode. At this time, the storage capacitor energy is converted into a 3.3 V voltage through an LDO regulator and supplied to the sensor and the MCU to operate. In the sensor operating mode, the capacitor voltage is continually reduced by the consumption of the collected energy. When the LDO output drops below 3 V, for example, the autonomous switching circuit is automatically switched off, from which the energy harvesting circuit is separated from the sensor It will operate in acquisition mode. This approach effectively collects low magnetic energy occurring irregularly on the power line, enabling wireless sensor operation that requires tens of mW of power.

상기 자율 스위칭회로부(50)는 모스펫(mosfet), BJT 트랜지스터(transistor) 및 LDO(Low Drop Out regulator) 등으로 구현될 수 있으며, 자율 스위치의 전력 소모를 최소화하기 위해 저 전압 다이오드 및 트랜지스터를 사용한다.The autonomous switching circuit unit 50 may be implemented by a MOSFET, a BJT transistor and a low drop out regulator (LDO), and use a low voltage diode and a transistor to minimize power consumption of the autonomous switch. .

도 2, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 하베스팅 회로부(10)에 대하여 상세히 설명한다.The harvesting circuit unit 10 according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2, 4 and 5.

도 4는 제1비교예에 따른 하베스팅 회로부를 도시한 회로도로서, 다이오드 브릿지와 DC-DC converter가 결합된 회로이다. 상기 제1비교예에 따른 하베스팅 회로부는 대칭적 전압을 수집하기에 적합하지만, 불규칙적이고 비대칭적인 전압을 수집하는 경우 효율이 저감되는 문제점이 있다.4 is a circuit diagram illustrating a harvesting circuit unit according to a first comparative example, in which a diode bridge and a DC-DC converter are combined. Although the harvesting circuit unit according to the first comparative example is suitable for collecting symmetrical voltages, there is a problem in that efficiency is reduced when collecting irregular and asymmetrical voltages.

또한, DC-DC 컨버터의 회로 복잡성으로 인해 낮고 불규칙한 전압이 공급되는 환경에서는 회로동작 유지에 어려움이 있을 수 있다.In addition, due to the circuit complexity of the DC-DC converter, it may be difficult to maintain circuit operation in an environment in which low and irregular voltages are supplied.

도 5는 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부를 도시한 회로도로서, DC 컨버터(converter)와 브릿지(bridge) 회로를 통합하여 제1비교예에 따른 하베스팅 회로부보다 간단하게 구현할 수 있다.FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a harvesting circuit unit according to a second comparative example. The DC converter and a bridge circuit may be integrated to implement the harvesting circuit unit according to the first comparative example.

제2비교예에 따른 하베스팅 회로부는 소자 턴 온 시 요구되는 전압을 줄일 수 있어 제1비교예에 따른 하베스팅 회로부에 비해 출력 전압을 높일 수 있다.The harvesting circuit unit according to the second comparative example may reduce the voltage required when the device is turned on, thereby increasing the output voltage compared to the harvesting circuit unit according to the first comparative example.

상기 제1비교예 및 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부는 높은 전압 값으로 에너지를 출력하기 때문에 넓은 입력전압 범위를 확보하면서 효율적으로 강압하는 컨버터가 필요하고, 매우 낮은 전압을 출력하는 하베스팅 회로부는 일정전압까지 효율적으로 승압하는 컨버터를 포함할 수 있기 때문에 사이즈가 일정 이상의 크기를 가져야 한다. 따라서 무선 센서를 소형화, 경량화하는 데 많은 어려움이 있다.Since the harvesting circuit part according to the first and second comparative examples outputs energy at a high voltage value, a converter for efficiently stepping down while securing a wide input voltage range is required, and the harvesting circuit part outputs a very low voltage. Since the circuit may include a converter that effectively boosts up to a constant voltage, the size must have a certain size or more. Therefore, there are many difficulties in miniaturizing and lightening the wireless sensor.

또한, 상기 제1비교예 및 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부는 대응하는 입력전압의 폭이 넓거나, 입력전압의 절대치가 극단적으로 작으면 변환효율을 높이기 어려울 수 있다. In addition, the harvesting circuit unit according to the first and second comparative examples may be difficult to increase the conversion efficiency when the width of the corresponding input voltage is wide or the absolute value of the input voltage is extremely small.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하베스팅 회로부(10)는 전압승압컨버터를 제거하여, 출력변환효율을 향상시킬 수 있다. As shown in FIG. 2, the harvesting circuit unit 10 according to the present invention can remove the voltage boost converter, thereby improving output conversion efficiency.

상기 본 발명에 따른 하베스팅 회로부(10)는 배전압정류회로(voltage doubler)를 기반으로 구현될 수 있다. 상기 배전압정류회로를 기반으로 제1비교예 및 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부에 비해 본 발명에 따른 하베스팅 회로부(10)는 단순화될 수 있다. The harvesting circuit unit 10 according to the present invention may be implemented based on a voltage doubler. Based on the double voltage rectifying circuit, the harvesting circuit unit 10 according to the present invention may be simplified as compared to the harvesting circuit unit according to the first and second comparative examples.

또한, 전압 승압 컨버터를 제거함으로써 복잡한 게이트 드라이브 회로가 불필요하게 되어, 모스펫(MOSFET)과 게이트(gate) 펄스 전압 발생 회로 동작에 소모되는 전력을 출력 전력으로 전환하여 수집할 수 있다. In addition, the elimination of the voltage boost converter eliminates the need for a complex gate drive circuit, so that power consumed for MOSFET and gate pulse voltage generation circuit operation can be converted to output power for collection.

이를 통해, 자기장에서 유기되는 낮은 전압에서도 에너지를 효율적으로 수집할 수 있으므로, 에너지 수집효율이 획기적으로 향상되어 출력 전압이 증가될 수 있고, 무선 센서의 동작시간을 증가시킬 수 있다.Through this, since energy can be efficiently collected even at a low voltage induced in the magnetic field, the energy collection efficiency can be dramatically improved, the output voltage can be increased, and the operating time of the wireless sensor can be increased.

또한, 본 발명에 따른 하베스팅 회로부(10)를 적용함으로써, Current Transformer(CT)에 연결된 하베스팅 회로부(10)의 입력단 트랜스포머 코일 비를 낮출 수 있으므로, 이를 통해 무선 센서를 경량화 및 소형화할 수 있다.In addition, by applying the harvesting circuit unit 10 according to the present invention, it is possible to reduce the ratio of the transformer coil input stage of the harvesting circuit unit 10 connected to the Current Transformer (CT), thereby reducing the weight and size of the wireless sensor. .

도 6은 동일한 자기장 유기 전압 입력시 제1비교예 및 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부와 본 발명에 따른 하베스팅 회로부의 출력 전압을 도시한 그래프이다.6 is a graph illustrating output voltages of the harvesting circuit unit according to the first and second comparative examples and the harvesting circuit unit according to the present invention when the same magnetic field induced voltage is input.

본 발명에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압은 (a), 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압은 (b) 및 제1비교예에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압은 (c)로 정의한다.The output voltage of the harvesting circuit unit according to the present invention is defined as (a), the output voltage of the harvesting circuit unit according to the second comparative example is (b) and the output voltage of the harvesting circuit unit according to the first comparative example is defined as (c). do.

본 발명에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압(a)과 제1비교예에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압(b)를 비교하면, 본 발명에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압(a)가 제1비교예에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압(b)보다 100% 증가된 것을 확인할 수 있다.Comparing the output voltage (a) of the harvesting circuit portion according to the present invention and the output voltage (b) of the harvesting circuit portion according to the first comparison example, the output voltage (a) of the harvesting circuit portion according to the present invention is compared first It can be seen that the 100% increase than the output voltage (b) of the harvesting circuit unit according to the example.

본 발명에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압(a)와 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압(c)를 비교하면, 본 발명에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압(a)가 제2비교예에 따른 하베스팅 회로부의 출력전압(c)보다 30% 증가한 것을 확인할 수 있다.Comparing the output voltage (a) of the harvesting circuit portion according to the present invention and the output voltage (c) of the harvesting circuit portion according to the second comparison example, the output voltage (a) of the harvesting circuit portion according to the present invention is compared It can be seen that the output voltage c of the harvesting circuit unit increases by 30%.

이는 상기 서술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하베스팅 회로부(10)를 통해, 에너지 수집 효율을 획기적으로 향상되어 출력전압이 증가하는 것을 확인할 수 있다.As described above, through the harvesting circuit unit 10 according to the present invention, it can be seen that the energy collection efficiency is significantly improved and the output voltage increases.

도 7은 본 발명에 따른 무선 센서 모듈을 도시한 것이다.7 shows a wireless sensor module according to the invention.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 센서를 집적화화여 하나의 모듈로 제작할 수 있다.As shown in FIG. 7, the wireless sensor according to the present invention may be integrated into a single module.

본 발명에 따른 무선 센서는 전압 승압 컨버터가 제거됨으로써, 모스펫과 게이트 전압 발생회로가 불필요하기 때문에 소형화된 모듈 제작이 가능하다.In the wireless sensor according to the present invention, since the voltage boost converter is removed, the MOSFET and the gate voltage generation circuit are unnecessary, so that a miniaturized module can be manufactured.

또한, 상기 본 발명에 따른 하베스팅 회로부(10)의 적용으로 상기 하베스팅 회로부(10)의 입력단 트랜스포머 코일 비를 낮출 수 있으므로, 이를 통해 무선 센서 회로의 크기와 무게를 저감시켜 경량화된 무선 센서 모듈을 제작할 수 있다.In addition, the application of the harvesting circuit unit 10 according to the present invention can reduce the ratio of the transformer coil input stage of the harvesting circuit unit 10, thereby reducing the size and weight of the wireless sensor circuit to reduce the weight of the wireless sensor module Can be produced.

본 발명에 따른 무선 센서 및 센서 모듈은 많은 분야에 적용될 수 있다. 특히 송배전 선로 또는 전력시스템 등에 적용될 수 있으며, 특히 산악지대의 고압 송전탑과 같이 위험하고, 배터리 교체가 번거로운 무선 센서에 적용되어 상기 송배전선로의 노후 등을 감지하여 사전에 문제될 상황을 방지할 수 있다.The wireless sensor and sensor module according to the present invention can be applied to many fields. In particular, it can be applied to transmission and distribution lines or power systems, in particular dangerous high voltage transmission towers such as mountainous, battery replacement is applied to a cumbersome wireless sensor can detect the aging of the transmission and distribution line to prevent a problem in advance.

또한, 위험지역의 화재 및 산사태 등을 모니터링 할 수 있는 환경 감시 장치 및 산업용 감시장치, 안전 사각지대의 시설물의 감시 장치, 예를 들어 교량 및 구조물 등 기존 전원 문제로 인해 센서 설치가 불가했던 영역에 광범위하게 적용할 수 있기 때문에 재난 피해 등 문제 상황이 발생하기 전 모니터링을 통해 사고를 방지할 수 있다.In addition, environmental monitoring devices and industrial monitoring devices that can monitor fires and landslides in hazardous areas, monitoring devices in blind spots, for example bridges and structures, etc. Its wide application makes it possible to prevent accidents by monitoring them before they occur, such as disaster damage.

또한, 건물 자동화, 공장 자동화 등 실시간 데이터 모니터링 등의 분야에 적용될 수 있다.In addition, the present invention can be applied to fields such as real time data monitoring such as building automation and factory automation.

본 발명에 따른 무선 센서를 적용하면 센서 자체적으로 에너지를 조달할 수 있고 배터리를 교체하거나 유선으로 연결하지 않아도 구동될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 무선 센서는 설치, 유지 비용이 크게 낮아지고, 주기적으로 교체하기 어렵거나 위험한 지역에도 설치가 가능하다.Applying the wireless sensor according to the present invention can supply energy itself and can be driven without replacing the battery or wired. That is, the wireless sensor according to the present invention has a significantly low installation and maintenance costs, it is possible to install in a difficult or dangerous area to replace periodically.

2 : 정류부
4 : 에너지축적부
10 : 하베스팅 회로부
20 : 제어부
30 : 센서부
40 : 무선통신부
50 : 자율 스위칭 회로부 2: rectifier
4: energy storage unit
10: harvesting circuit
20: control unit
30: sensor unit
40: wireless communication unit
50: autonomous switching circuit

Claims (4)

외부환경에서 전력을 수집하는 하베스팅 회로부 - 상기 하베스팅 회로부는 정류부 및 에너지 축적부를 포함하며, 전력선으로부터 자기장을 수집함 -;
하나 이상의 센서를 포함하는 센서부;
상기 센서부에서 수집된 데이터를 저장하는 제어부; 및
상기 제어부에서 저장된 센서데이터를 수집하는 목적지로 전송하는 무선통신부; 및
상기 하베스팅 회로부와 제어부 사이에 배치되어, 하베스팅 회로부에서 수집된 전력을 제어부, 센서부 및 무선통신부로 전달하는 자율 스위칭 회로부;를 포함하고,
상기 하베스팅 회로부는, 트랜스포머 및 배 전압 정류 회로를 포함하며,
상기 자율 스위칭 회로부는, 상기 에너지 축적부에 저장된 에너지가 기 설정된 전압 이상일 때에만 켜짐으로써 상기 에너지 축적부가 상기 센서부에 에너지를 공급하는 센서 동작 모드로 동작하게 하고, 상기 에너지 축적부에 저장된 에너지가 기 설정된 전압 미만이 되면 꺼짐으로써 상기 하베스팅 회로부가 센서부와 전기적 연결이 단절된 에너지 수집 모드로 동작하게 하는 것을 특징으로 하는 무선 센서.A harvesting circuit unit for collecting power in an external environment, wherein the harvesting circuit unit includes a rectifier unit and an energy accumulator unit and collects a magnetic field from a power line;
A sensor unit including one or more sensors;
A control unit storing data collected by the sensor unit; And
A wireless communication unit transmitting the stored sensor data to the destination collected by the control unit; And
And an autonomous switching circuit unit disposed between the harvesting circuit unit and the control unit to transfer power collected from the harvesting circuit unit to the control unit, the sensor unit, and the wireless communication unit.
The harvesting circuit unit includes a transformer and a double voltage rectifying circuit,
The autonomous switching circuit is turned on only when the energy stored in the energy storage unit is higher than or equal to a preset voltage, thereby allowing the energy storage unit to operate in a sensor operation mode for supplying energy to the sensor unit, and the energy stored in the energy storage unit And when the voltage falls below a predetermined voltage, the harvesting circuit unit operates in an energy collection mode in which electrical connection with the sensor unit is disconnected. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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