BRPI1009039B1 - Sensor de luz sem fio, método de operação de um sensor de luz sem fio e sistema de iluminação - Google Patents

Sensor de luz sem fio, método de operação de um sensor de luz sem fio e sistema de iluminação Download PDF

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Abstract

sensor de luz sem fio, método de operação de um sensor de luz sem fio e sistema de iluminação um sensor de luz sem fio, sendo parte de um sistema de iluminação, tem um elemento de sensor que gera um sinal de medição de luz, um microcontrolador acoplado com o elemento de sensor, e um dispositivo de comunicação de radio acoplado com o microcontrolador. o microcontrolador tem um modo ativo e um modo de repouso. o sensor de luz ainda tem um circuito despertador que determina uma taxa de mudança do sinal de medição de luz, quando o microcontrolador está no modo de repouso. o circuito despertador troca do modo de repouso para o modo ativo, quando a taxa de mudança do sinal de medição de luz excede um limite predeterminado.

Description

SENSOR DE LUZ SEM FIO, MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM SENSOR DE LUZ SEM FIO E SISTEMA DE ILUMINAÇÃO
CAMPO DA INVENÇÃO
A invenção se refere ao campo de sensores de luz, e mais especificamente ao campo de sensores de luz sem fio, conforme usado em um sistema de iluminação.
HISTÓRICO DA INVENÇÃO
Economia de energia é globalmente vista como vital para nosso meio ambiente. A legislação na América do Norte e na Europa está requerendo medidas de economia de energia.
Dentro do campo de automação de edifício, equipamento de automação de edifício controlado por sensores é um facilitador importante para atingir a economia de energia. Em especial no campo de sistemas de iluminação, sensores de ocupação e sensores de luz usados para registrar luz do dia são amplamente usados para economia de energia. O registro de luz do dia usa um sensor de luz para controlar a saída de luz de uma luz artificial dependendo da luz ambiente ou da luz do dia, de modo que um nível de luz em uma sala possa ser mantido constante. Quando, durante o dia, a luz solar entra na sala, e contribui para o nível de luz na sala, a saída de luz da luz artificial pode ser reduzida com o aumento da luz ambiente, onde energia é economizada.
Embora um sensor possa ser acoplado a um controlador de automação de edifício do equipamento de automação do edifício por fios, flexibilidade de instalação e redução de custos de instalação para ajuste e retro-ajuste podem ser obtidas pelo uso de sensores sem fio, visto que eles não requerem fios (novos) . Pelo menos os baixos custos de instalação justificam quaisquer custos extras dos sensores sem fio. Para um sensor verdadeiramente sem fio, não apenas a comunicação entre o sensor e o equipamento de automação de edifício ou a comunicação entre sensores diferentes é sem
2/11 fio, mas também o suprimento de energia do sensor é sem fio. Isto pode ser atingido pelo uso de uma bateria ou por registro/pesquisa de energia, tal como por um painel solar fotovoltaico.
Um sensor sem fio compreende pelo menos um elemento de sensor para medição de um nível de quantidade, um dispositivo de microcontrolador pelo menos para obtenção e processamento de um valor de medição do elemento sensor, e um dispositivo de comunicação para transmitir um sinal de dados.
Um sensor sem fio provê um sinal de medição para um controlador do equipamento de automação de edifício por uma transmissão de comunicação sem fio adequada, por exemplo, baseada no padrão ZigBee (IEEE 802.15.4). A comunicação de um sensor sem fio consome bastante energia, assim um ciclo de trabalho de comunicação deveria ser mantido tão baixo quanto possível. Também, o sensor deveria ser colocado em um modo de repouso, quando não em uso. De acordo com o padrão ZigBee, isto é suportado por meio dos dispositivos denominados de dispositivos de final em repouso em uma rede ZigBee.
Para um sensor de luz sem fio que monitora um nível de luz, o consumo de energia pode ser de 40 μΑ na média em um modo ativo do microcontrolador, com base em um dispositivo CC2430 produzido pela Chipcon/Texas Instruments. Um microcontrolador do sensor de luz amostra o elemento de sensor a cada segundo para medir um nível de luz, e para prover um sinal de medição sem fio correspondente por meio do dispositivo de comunicação de sensor de luz para um controlador de sistema de luz para diminuir uma luz artificial até um nível requerido. Entretanto, na maioria das aplicações de edifício, tal como aplicações em escritórios, luz artificial não é necessário durante as 24 horas do dia. Consequentemente, o nível de luz na sala não necessita ser monitorado 24 horas por dia através dos sensores de luz. Se o
3/11 nível de luz, por exemplo, necessita apenas ser medido durante 8 horas por dia, por 5 dias na semana, o consumo de energia média será ao redor de 10 pA. Tomando uma bateria de 1000 mAh como uma referência, a vida útil da bateria pode, então, ser maior do que 11 anos.
Embora esta operação do sensor de luz seja vantajosa na economia de energia e no prolongamento da vida útil da bateria, quando o (microcontrolador de) sensor de luz está em um modo de repouso, o dispositivo de comunicação está ativo com um ciclo de trabalho muito baixo, e dessa maneira está a maior parte do tempo desligado. Quando o componente do dispositivo de comunicação está desligado, o fotossensor é incapaz de comunicar-se com outros dispositivos. O sensor de luz apenas recebe mensagens logo após ele mesmo ter enviado uma mensagem.
Isto bloqueia a possibilidade do sensor de luz recuperar uma situação de lâmpada, visto que a comunicação é impossível quando o (microcontrolador do) sensor de luz está em um modo de repouso. Se alguém acordasse o sensor de luz a cada minuto para verificar o nível de luz, isto ainda custaria energia considerável, por exemplo, uma corrente média de 8 pA. No caso de uma verificação de nível de luz a cada minuto, uma latência média em um circuito de controle de luz do controlador do sistema de iluminação seria de 30 segundos, o que é considerado inaceitável. Também, o nível de luz atual, real, seria desconhecido para o circuito de controle de luz. Consequentemente, o circuito de controle de luz começaria em um ponto fixo, e mudaria a diminuição da luz artificial a partir do ponto fixo para um nível de luz correto. Isto é indesejável.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Seria desejável prover um sensor de luz sem fio com um consumo de energia muito baixo, mas ainda prover um
4/11 controle adequado em um sistema de iluminação.
Para melhor se dirigir a um ou mais dos problemas acima, em um primeiro aspecto da invenção, um sensor de luz sem fio é provido compreendendo:
um elemento sensor gerando um sinal de medição de luz ;
um microcontrolador acoplado a um elemento sensor, o microcontrolador tendo um modo ativo e um modo de repouso; e um dispositivo de comunicação de rádio acoplado ao microcontrolador, onde o sensor de luz compreende ainda um circuito despertador configurado para determinar a taxa de mudança do sinal de medição de luz, quando o microcontrolador está no modo de repouso, e trazer o microcontrolador do modo de repouso para o modo ativo, quando a taxa de mudança do sinal de medição de luz exceder um limite predeterminado.
Em um aspecto adicional da invenção, um método de operação de um sensor de luz sem fio é provido, o sensor de luz compreendendo:
um elemento sensor gerando um sinal de medição de luz ;
um microcontrolador acoplado ao elemento sensor, o microcontrolador tendo um modo ativo e um modo de repouso; e um dispositivo de comunicação de rádio acoplado ao microcontrolador, onde o método compreende determinar uma taxa de mudança do sinal de medição de luz, quando o microcontrolador está no modo de repouso; e trazer o microcontrolador do modo de repouso para o modo ativo, quando a taxa de mudança do sinal de medição de luz exceder um limite predeterminado.
Em um aspecto ainda adicional da invenção, um
5/11 sistema de iluminação é provido, o sistema de iluminação compreendendo:
pelo menos uma fonte de luz;
um controlador para controlar a fonte de luz; e o sensor de luz de acordo com a invenção.
Estes e outros aspectos da invenção serão mais prontamente observados conforme o mesmo se torna mais bem compreendido por referência à descrição detalhada a seguir e considerada em conexão com os desenhos em anexo, nos quais símbolos de referência iguais designam partes iguais.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 ilustra esquematicamente uma sala de escritório.
A Figura 2 é um diagrama de blocos de um sensor de luz sem fio compreendendo um circuito despertador de acordo com a presente invenção.
A Figura 3 ilustra um diagrama de circuito de um circuito despertador em uma realização da invenção, para detectar uma elevação em um nível de luz em uma taxa excedendo uma taxa de limite predeterminada.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES
A Figura 1 esquematicamente mostra uma vista lateral de uma sala de escritório 1, tendo um teto 2 e paredes 3, e tendo pelo menos uma janela 4 em pelo menos uma das paredes 3 (a parede esquerda, neste caso) . Uma mesa de escritório é esquematicamente mostrada em 5. A sala é provida com um sistema de iluminação (ou sistema de luzes) 10, que compreende pelo menos uma fonte de luz 11 e um controlador para controlar a(s) fonte (s) de luz. O controlador 12 pode, por exemplo, ser implementado como um microprocessador adequadamente programado ou similar. Cada fonte de luz 11 pode, por exemplo, ser implementada como uma lâmpada incandescente, uma lâmpada de descarga de gás, um LED, ou
6/11 qualquer outra estrutura produtora de luz. Cada fonte de luz pode ser provida com um controlador dedicado, ou fontes de luz múltiplas podem partilhar um controlador comum. Em qualquer caso, as fontes de luz são controláveis, as quais são diminuídas, capazes de produzir intensidades de luz diferentes determinadas em um controlador. Visto que fontes de luz controláveis, assim como controladores para controlar estas fontes de luz, são conhecidas por si só, uma explanação adicional não sendo necessária aqui. Como um exemplo, o controle da saída de luz de uma fonte de luz pode ser implementado por controle de ciclo de trabalho, como é conhecido de um técnico no assunto. A seguir, uma fonte de luz é também simplesmente indicada como uma lâmpada, que inclui um LED.
sistema 10 pode ser adaptado para manter a intensidade da luz (ou nível de luz) na posição da mesa de trabalho 5 substancialmente constante. Por exemplo, se o sol Z começa a brilhar e a luz do dia entra na sala, de modo que o nível de luz aumenta, o controlador 12 adapta seus sinais de controle para as lâmpadas 11, de modo a reduzir a saída de luz de pelo menos uma lâmpada. O controlador 12 necessita receber um sinal de entrada indicando o nível de luz real, e para este fim, o sistema 10 compreende pelo menos um sensor de luz 16. O sensor de luz 16 pode, por exemplo, ser montado contra o teto 2 ou contra a parede 3, mas no exemplo da Figura 1, o sensor 16 é posicionado na mesa de trabalho 5. O sensor de luz 16 é adaptado para comunicar seus sinais de medição para o controlador 12 sem fio. Um exemplo adequado desta comunicação sem fio é ZigBee, mas qualquer outro tipo de comunicação sem fio pode ser usado, como ficará claro para um técnico no assunto. Sensores de luz sem fio 16 são conhecidos por si só, e cada um compreende um elemento sensor, um microcontrolador, e um dispositivo de comunicação.
7/11
A Figura 2 mostra um diagrama de bloco de um sensor de luz sem fio 50 compreendendo um elemento sensor de luz 52, provendo um sinal de medição representativo de um nível de luz. Um dispositivo de microcontrolador 54 tem uma primeira entrada, ADC (analog-to-digital converter), para inserção de sinal de medição do elemento sensor de luz 52, e uma segunda entrada, interrupção, para mudar o modo de operação do sensor de luz 50 e seu dispositivo microcontrolador 54, em especial para trazer o sensor de luz 50 e seu dispositivo microcontrolador 54, para fora de um modo de repouso e para um modo ativo de operação. 0 dispositivo microcontrolador 54 processa a saída de sinal de medição pelo elemento sensor de luz 52, e controla um dispositivo de comunicação 56 acoplado ao mesmo. 0 dispositivo de comunicação 56 tem uma antena 58 para transferência sem fio de sinais de dados. Um circuito despertador 60, uma realização a qual será explicada por referência à Figura 3 em maiores detalhes abaixo, é acoplado ao elemento sensor de luz 52, e ao dispositivo microcontrolador 54 para prover um sinal acionador para a segunda entrada, interrupção, do dispositivo microcontrolador 54 sob circunstâncias a serem descritas em maiores detalhes por referência à Figura 3 abaixo, para trazer o sensor de luz 50 para fora de um modo de repouso e para um modo ativo de operação. 0 sensor de luz 50 tem sua energia suprida por uma batería, célula fotovoltaica ou disposição similar.
A Figura 3 ilustra uma realização de um circuito despertador que, nesta e em outras realizações, é parte de um sensor de luz de acordo com a presente invenção. Um amplificador (transimpedância) 20 tem uma entrada + e uma entrada . Um fotodiodo 22 é conectado entre a entrada + e a entrada do amplificador 20. Um circuito paralelo de um primeiro capacitor 24 e um primeiro resistor 26 estão conectados entre a entrada e uma saída do amplificador
8/11
20. A entrada + do amplificador 20 é conectada a um eletrodo comum (por exemplo, terra).
Um comparador 30 tem uma entrada + e uma entrada
Um circuito em série de um segundo resistor 32 e um terceiro resistor 34 é conectado entre a entrada + e a entrada do comparador 30. O segundo resistor 32 e o terceiro resistor 34 têm um nodo comum 33 conectado à saída do amplificador 20. Um segundo capacitor 36 é conectado entre a entrada do comparador 30 e o eletrodo comum. Um quarto resistor 38 é conectado entre a entrada + do comparador 30 e o eletrodo comum.
Na operação, o fotodiodo 22 mede continuamente um nível de luz, e provê um sinal de medição correspondente. A corrente através do fotodiodo 22 nas entradas do amplificador 20 é convertida na tensão correspondente na saída do amplificador 20. 0 circuito RC do primeiro capacitor 24 e do primeiro resistor 26 provê uma filtragem do sinal de medição conforme requerido.
No comparador 30, um valor médio do sinal de saída do amplificador 20, inserido na entrada do comparador 30, é comparado ao valor momentâneo do sinal de saída do amplificador 20, inserido na entrada + do comparador 30.
Mudanças relativamente lentas do sinal de medição conduzem a mudanças correspondentemente lentas no sinal de saída do amplificador 20, e não fará que o comparador 30 produza um sinal de acionador em sua saída. Entretanto, mudanças relativamente rápidas do sinal de medição provido pelo fotodiodo 22 conduzem a uma mudança significativa no sinal de saída do amplificador 20, que, por sua vez, fará que o comparador 30 envie um sinal de acionador. 0 sinal acionador é inserido a uma entrada de interrupção do microcontrolador do sensor de luz sem fio, portanto convertendo um modo de repouso do microcontrolador em um modo
9/11 ativo do mesmo. Simultaneamente, o sinal de medição amplificado pelo amplificador 20 é inserido a um conversor analógico/digital, ADC, inserido do microcontrolador do sensor de luz sem fio.
Uma mudança do sinal de medição, tendo uma taxa de mudança excedendo um limite determinado pelos valores do segundo capacitor 36 e do terceiro resistor 34, e trazendo o microcontrolador para um modo ativo, pode ser causada pela(s) lâmpada(s) na sala (Figura 1) sendo ligada, e portando pode 10 servir como uma indicação da situação da lâmpada (isto é, se a lâmpada(s) tiver na verdade sido ligada) para causar a taxa de mudança do sinal de medição. A situação real da lâmpada pode ser verificada pelo sensor de luz (estando no modo ativo) comunicando com o controlador do sistema de iluminação 15 por meio do dispositivo de comunicação do sensor de luz. Se a(s) lâmpada(s) for(em) confirmada(s) como estando ativa(s), por exemplo, ativada (ligada) por um usuário ou por um sensor, tal como um sensor de ocupação da sala, um controle de luz pelo controlador 12 (Figura 1) usando dados do sensor 20 de luz será iniciado.
Para determinar uma medição de nível de luz inicial quando o microcontrolador é despertado de seu modo de repouso, o microcontrolador é configurado como segue. Quando o (microcontrolador do) sensor de luz está em um modo de 25 repouso, ele é periodicamente (por exemplo, uma vez a cada cinco minutos) trazido no modo ativo para medir o nível de luz atual e para enviar o mesmo ao controlador 12 (Figura 1) do sistema de iluminação 10. Este nível de luz, então, pode ser usado como um valor inicial pelo controlador 12 quando o 30 circuito despertador aciona. Visto que o sensor de luz pode ser ativo muito rápido, um circuito de controle de luz do controlador 12 pode ser muito rapidamente adaptado para minimizar um efeito inicial. O consumo de energia de medição
10/11 , gastaria muito pouca energia, por exemplo, 0,85 μΑ.
De acordo com o acima, um sensor de luz sem fio, sendo parte de um tem um elemento sensor gerando um sinal de medição de luz, um microcontrolador acoplado ao elemento sensor, e um dispositivo de rádio acoplado ao microcontrolador.
O microcontrolador tem um modo ativo um modo de repouso.
sensor de luz adicionalmente tem um circuito despertador que determina a taxa de mudança do sinal de medição de luz, quando o microcontrolador está no modo de repouso. O circuito despertador traz o microcontrolador do modo de repouso para o modo ativo, quando a taxa de mudança do sinal de medição de luz excede um limite predeterminado. O sistema de iluminação tem pelo menos uma fonte de luz, um controlador para controlar a fonte de luz, e pelo menos um sensor de luz. Após o microcontrolador ter sido trazido do modo de repouso para o modo ativo, o sensor de luz é configurado para comunicar com o controlador para verificar a situação da fonte de luz para confirmar o modo ativo do sensor de luz.
Conforme requerido, realizações detalhadas da presente invenção são reveladas aqui; entretanto, deve ser entendido que as realizações reveladas são meramente exemplificativas da invenção, que pode ser configurada de várias formas. Portanto, detalhes funcionais e estruturais específicos revelados aqui não devem ser interpretados como limitativos, mas meramente como uma base para as reivindicações, e como uma base representativa para ensinamento de um técnico no assunto, para empregar de forma variada a presente invenção em virtualmente qualquer estrutura detalhada apropriadamente. Adicionalmente, os
11/11 termos e frases usados aqui não objetivam serem limitativos, mas, ao invés disso, prover uma descrição compreensível da invenção.
Os termos um ou uma, conforme usados aqui são definidos como um ou mais que um. O termo pluralidade, conforme usado aqui é definido como dois ou mais que dois. 0 termo outro, conforme usado aqui é definido como pelo menos um segundo ou mais. Os termos incluindo e/ou tendo, conforme usados aqui são definidos como compreendendo (isto é, linguagem aberta, não excluindo outros elementos ou etapas). Quaisquer sinais de referência nas reivindicações não devem ser considerados como limitativos do escopo das reivindicações ou da invenção.
O mero fato de que certas medições são mencionadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação destas medidas não possa ser usada de forma vantajosa.
O termo acoplado, conforme usado aqui é definido como conectado, embora não necessariamente de forma direta, e não necessariamente por fios, ou mecanicamente.
Um processador único ou outra unidade pode preencher as funções de vários itens mencionados nas reivindicações.

Claims (3)

1. o sensor de luz conforme definido na reivindicação 8 . SISTEMA DE ILUMINAÇÃO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado em que, após o
microcontrolador ter sido trazido do modo de repouso para o modo ativo, o sensor de luz é configurado para comunicar-se
Petição 870190032096, de 03/04/2019, pág. 8/11
1. SENSOR DE LUZ SEM FIO, caracterizado por compreender:
um elemento sensor gerando um sinal de medição de luz;
um microcontrolador acoplado ao elemento sensor, o microcontrolador tendo um modo ativo e um modo de repouso; e um dispositivo de comunicação de rádio acoplado ao microcontrolador, em que o sensor de luz compreende ainda um circuito despertador configurado para determinar uma taxa de mudança do sinal de medição de luz, quando o microcontrolador está no modo de repouso, e trazer o microcontrolador do modo de repouso no modo ativo, quando a taxa de mudança do sinal de medição de luz excede um limite predeterminado, para assim transmitir dados representativos do sinal de medição de luz através do dispositivo de comunicação de rádio.
2/3
5. MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM SENSOR DE LUZ SEM FIO, o sensor de luz compreendendo:
um elemento sensor gerando um sinal de medição de luz;
um microcontrolador acoplado ao elemento sensor, o microcontrolador tendo um modo ativo e um modo de repouso, e um dispositivo de comunicação de rádio acoplado ao microcontrolador, em que o microcontrolador tem um modo ativo e um modo de repouso, e em que o método é caracterizado por compreender determinar uma taxa de mudança do sinal de medição de luz, quando o microcontrolador está no modo de repouso, e trazer o microcontrolador do modo de repouso para o modo ativo, se a taxa de mudança do sinal de medição de luz exceder um limite predeterminado, para assim transmitir dados representativos do sinal de medição da luz.
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender adicionalmente, quando o microcontrolador estiver em um modo de repouso, trazer periodicamente o microcontrolador para o modo ativo e transmitir dados representativos do sinal de medição de luz, e colocar o microcontrolador no modo de repouso novamente.
7. SISTEMA DE ILUMINAÇÃO, caracterizado por compreender:
pelo menos uma fonte de luz;
um controlador para controlar a fonte de luz; e
2. SENSOR DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo circuito despertador compreender um comparador comparando um valor momentâneo do sinal de medição de luz com um valor médio do sinal de medição de luz.
3. SENSOR DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, quando o microcontrolador está em um modo de repouso, o sensor de luz é configurado para colocar periodicamente o microcontrolador no modo ativo e transmitir dados representativos do sinal de medição de luz através do dispositivo de comunicação de rádio, e colocar o microcontrolador no modo de repouso novamente.
4. SENSOR DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um período de tempo entre modos ativos subsequentes do microcontrolador ser pelo menos um minuto, em especial pelo menos cinco minutos.
Petição 870190032096, de 03/04/2019, pág. 7/11
3/3 com o controlador para verificar a situação da fonte de luz para confirmar o modo ativo do sensor de luz.
BRPI1009039-8A 2009-06-04 2010-05-28 Sensor de luz sem fio, método de operação de um sensor de luz sem fio e sistema de iluminação BRPI1009039B1 (pt)

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