CN100489905C - 无线感测设备 - Google Patents

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Abstract

一种无线感测设备，包括：感测器，被配置来感测目标物体并提供指示目标物体状况的可变级别的感测信号；信号处理电路，被配置来放大所述感测信号，以给出经放大的电模拟信号；检测电路，被配置来接收所述经放大的模拟信号，并且当所述电模拟信号超出预定检测阈值时提供检测输出(Dout)；无线电发射器，被配置来响应于所述检测输出发射无线电检测信号(RS)；电源，被配置来向所述信号处理电路、所述检测电路和所述无线电发射器提供电力；以及发电元件，用于将外部能量转换成要在所述的电源中积累的所述电力。这样，在接收检测输出之前，就能让无线电发射器一直保持在未启用的状态下，从而节省能量以延长设备的工作寿命。

Description

无线感测设备
技术领域
本发明针对一种无线感测设备，更具体地说，针对一种包含将外部的能量转换为电能发电元件的无线设备，用于将感测到的结果作为无线电信号发送。
背景技术
日本专利申请公开No.2004-24551揭示了一种自含式(self-contained)的感测系统，该系统包括一种发电装置，用于发送感测到的结果。该系统包括用于感测温度、加速度或红外线以产生指示感测到的模拟值的感测信号的传感器，以及将感测信号转换成数字数据的A/D转换器。用微处理器对此数字数据进行处理，以便通过无线电发射器将此数字数据作为无线电信号发送。还包括作为发电装置的太阳能电池，以便为A/D转换器、微处理器和无线电发射器提供操作能量。由于不能指望太阳能电池恒定地产生足够的能量来维持系统运行，因此，系统需要能量调节器，其仅当在太阳能电池处产生大量电能时才运行，以便发送可靠的感测结果。此外，由于无线电发射器和A/D转换器消耗相对大量的电能，因此该系统建议使用在低功率下运行的、通常称为UWB(超宽带)传输的无线传输技术。然而，仍存在最小化无线感测系统中的操作功率的需要，尤其是在A/D转换器不是必要的而且仅一个比特信息作为感测结果就足够的情况下，以便在依靠具有有限发电能力的发电装置的同时，在扩展的时间段内保持可靠的感测操作。
发明内容
鉴于上述问题，完成了本发明以提供一种无线感测设备，其消耗较少的能量并能够在延长的时间段内运行以提供可靠的感测器结果。该无线感测设备包括：感测器，被配置来感测目标物体并提供指示目标物体状况的可变级别的感测信号；信号处理电路，被配置来用于放大此感测信号并给出经放大的电模拟信号；检测电路，被配置来接收该经放大的模拟信号，并且当电模拟信号超出预定检测阈值时提供检测输出(Dout)。在此设备中还包括无线电发射器，它配置来响应于检测输出而发射无线电检测信号(RS)。此外，该设备包括：电源，被配置来向信号处理电路和无线电发射器提供电力；以及发电元件，其将外部能量转换成要在电源中积累的电力。本发明的基本特征在于，包含控制器，以仅响应于检测输出激活无线电发射器，从而允许无线电发射器产生无线电检测信号。因此，可以使无线电发射器保持不被激活直到接收到检测输出，由此节省能量以延长电源(即设备)的工作寿命。
在一优选实施例中，该无线电发射器包括调节器、时钟、脉冲发生器、驱动器。调节器被连接来接收来自电源的电力，并被配置来仅在从检测电路接收检测输出时才在短时间段内提供操作电压。时钟在从调节器接收操作电压时被激活以提供时钟信号。脉冲发生器被配置来基于时钟信号产生标识检测输出的存在的短脉冲。驱动器在从调节器接收操作电压时被激活，以通过天线发射作为无线电检测信号的短脉冲。利用这样的安排，仅当接收到检测输出时才使时钟和驱动器活动以发射无线电检测信号。因而，驱动器——其本质上无线电发射器中最耗电的单元——在没有检测输出的时候可以被保持不活动，由此在没有接收检测输出时，无线电发射器被保持在最小功率消耗模式之中，这使得能够进一步减少设备的电力需求并因而延长有效的操作时间。
为了进一步节省在信号处理电路侧上的能量，控制器可以被配置来提供在减少的功率下操作信号处理电路的睡眠模式，并且一旦确认了存在导致检测输出的轻微标志，就将睡眠模式转换到正常模式以进行可靠的检测。在正常模式中，信号处理电路在额定功率下操作，以得到与额定功率成比例的额定幅度的电信号(Vout)。在睡眠模式中，信号处理电路在减少的功率下操作，以得到与减少的电力成比例的低幅度的电信号(Vout)。关于这一点，检测电路被配置来具有比检测阈值低即更严格的唤醒阈值。控制器被配置来当额定幅度的电信号(Vout)变得低于检测阈值时将正常模式切换到睡眠模式，并保持睡眠模式，直到低幅度的电信号超出唤醒阈值。在正常模式中，在额定幅度的电信号(Vout)超出检测阈值时给出检测输出(Dout)。
该感测器可以是红外线感测器，用于通过监控从目标物体例如人体发出的红外线的关键变化来检测目标物体的移动。该红外线感测器被配置来提供响应于目标的移动而在正向或负向上变化的感测信号。在此情况下，为检测电路被配置为具有阈值选择器，该阈值选择器提供由所述检测阈值的较高正值和较低负值限定的检测范围(A1-A2)，以及由所述唤醒阈值的较高正值和较低负值限定的唤醒范围(B1-B2)。该检测电路包括比较器单元，其从阈值发生器选择性地接收检测范围和唤醒范围，以将模拟信号与所选择的范围相比较。该比较器单元当额定幅度的电信号(Vout)超出检测范围时或当低幅度的电信号(Vout)超出所述的唤醒范围时产生第一信号，否则产生第二信号。控制器被配置响应于第一信号选择检测范围，并响应于第二信号选择唤醒范围。检测电路仅当在正常模式下查觉到第一信号时才提供检测输出。因此，该感测设备可以使用红外线感测器成功地检测目标物体的移动，同时节省能量。
检测电路可以包括输出供应器，其被配置来当在输出供应器的输入处接收到来自比较器单元的第一信号时产生检测输出(Dout)。该输入通过开关连接到比较器单元，该开关由控制器控制以仅响应于第一信号闭合才。这样，避免输出供应器在没有第一信号时产生错误的检测信号，由此提高检测的可靠性。
此外，所述控制器被连接来监测在电源中积累的电力的级别，用于在电力高于预定功率级别时保持正常模式并且禁止睡眠模式。即，在足够功率可用的时候，不让检测电路在各个模式之间转换，因而使检测电路免于受到不稳定的电路操作的影响，从而保证可靠的检测，其中，该不稳定的电路操作可能在瞬时模式转换的时候出现。
此外，可用光电池限定该感测器，该光电池一方面感测照明级别，并且另一方面将光转换成电能以在电源中积累电力。
通过下面结合附图对推荐的具体实施例所作的详细描述，本发明的上述的和其他方面的优点将会变得更加清楚。
附图说明
图1是根据本发明的一优选实施例的感测设备的方框图。
图2是用在上述设备中的检测电路的电路图。
图3是表示该设备的操作的图。
图4是根据本发明的另一优选实施例的感测设备的方框图。
图5是根据本发明的另一优选实施例的感测设备的方框图。
具体实施方式
现参见图1，其中，根据本发明的一优选实施例示出了一传感器设备。该设备是专门安排来检查人移动的，即，通过使用红外线感测器来检测是否有人进出监视区，其中，该红外线感测器响应于来自人体的红外线辐射产生电感测信号，尽管本发明不应限于此具体例子。红外线传感器10产生感测信号，该信号响应于进出监视区的人的移动而在正向和负向上变化。
该设备包括：信号处理电路20，其处理感测信号以给出放大了的模拟信号；以及检测电路50，用于将该模拟信号与预定的标准相比较，以便根据比较结果提供检测输出。该设备还包括无线电发射器90，其响应于检测结果(Dout)产生并通过天线97发送无线电检测信号(RS)，以便接收器(未示出)确认此检测结果。在此设备中包括电源100，用于向信号处理电路20、检测电路50和无线电发射器90提供电力。在此设备中还包括发电元件110，其将外部的能量转换成为要在电源100中积累的电力。在此实施例中，由将光转换成电力的太阳能电池来实现发电元件110。还提供了控制器120，用于向无线发射器90提供一致的检测结果，并在感测器没有感测到有关键情况(critical condition)时能够节省能量，后面将对其进行详细说明。
信号处理电路20包括：电流-电压转换器80，其将电流信号即从感测器10输出的感测信号转换成相应的电压信号；电压放大器40，其将电压信号放大为放大了的模拟信号(Vout)，该放大了的模拟信号(Vout)的幅度依据控制器120指示的放大系数而变化。关于这一点，控制器120提供了在额定功率下操作信号处理电路20的正常(normal)模式，以及在减少了的功率下操作信号处理电路20的睡眠模式，以便节省能量。在正常模式下，信号处理电路20在高的放大系数下因而在高的功率消耗下操作，以提供额定幅度的模拟信号(Vout)。在睡眠模式中，信号处理电路20在低的放大系数下因而在低的功率消耗下操作，以提供减少了幅度的模拟信号(Vout)。
如图2所示，检测电路50具有包括比较器71和72的比较器单元70，以便将来自信号处理电路20的模拟信号(Vout)选择性地与宽的检测范围(VA1到VA2)和窄的唤醒范围(VB1到VB2)相比较，这两个范围分别由预定的阈值所限定，而这些预定的阈值又进而由来自分压网络52的分压限定。检测电路50还包括由开关61到64组成的选择器60，以便选择性地给比较器71的非反向输入提供分压(VA1和VB1)，以及选择性地给比较器72的反向输入提供分压(VA2和VB2)。由控制器120控制选择器60，以在正常模式中选择提供给比较器单元70的检测范围(VA1到VA2)，并在睡眠模式中选择提供给比较器单元70的唤醒范围(VB1到VB2)。将比较器71的反向输入和比较器72的非反向输入公共连接以接收模拟信号(Vout)。将分别来自比较器71和72的输出馈入到“与”门73，该“与”门73当信号(Vout)在正常模式中超出检测范围(VA1-VA2)或者在睡眠模式中超出唤醒范围(VB1到VB2)时提供低电平输出的逻辑乘积，在下面的说明中将该低电平输出的逻辑乘积称为第一信号，如图3所示。否则，在信号(Vout)在正常模式中落入检测范围(VA1-VA2)之内或者在睡眠模式中落入唤醒范围(VB1到VB2)之内时，“与”门73提供称为第二信号的高电平输出。控制器120被连接以接收来自“与”门73的输出，从而响应于第一信号而选择正常模式，并基于在正常模式下接收到第二信号而将正常模式转换为睡眠模式以便节省能量。当在睡眠模式下减少了幅度的信号(Vout)超出了唤醒范围(VB1到VB2)时，控制器120从“与”门73接收第一信号，由此选择正常模式以便将此信号(Vout)与检测范围(VA1-VA2)相比较。
通过开关76将“与”门73连接到输出供应器80上，该供应器响应来产生检测输出(Dout)。开关76由控制器120控制以仅响应于第一信号而闭合，即，仅当在正常模式下信号(Vout)超出检测范围(VA1-VA2)时才闭合。否则，开关76保持断开以便输出供应器80不产生检测输出。输出供应器80包括晶体管81，其漏极连接到参考电压源Vdd，源极连接到检测器单元50的输出端。晶体管81的栅极定义输出供应器80的输入，其被连接以通过开关76接收来自比较器单元70的输出。跨越晶体管81的栅极-漏极路径连接上拉(pull-up)电阻82，以便晶体管81在接收来自“与”门73的第一信号(Vout)也就是高电平输出时产生检测输出(Dout)。在不存在馈送到晶体管81的栅极上的第一信号(Vout)时，则制止产生检测输出(Dout)。开关76被插入在“与”门73和晶体管81的栅极之间，以便避免在没有第一信号的情况下晶体管81产生检测输出的可能性。开关76也由控制器120控制，以便在控制器120将睡眠模式转换为正常模式之后紧接很短的时间就断开，反之亦然，由此防止当在睡眠模式下减少了幅度的信号超出唤醒范围时检测输出的产生，以及防止检测输出的类似错误产生，检测输出的类似错误产生可以由于可能在两个模式间进行转变时在电路中查觉到的电压突变而引起。此外，该输出供应器80可以被配置来包括噪音过滤器，该噪音过滤器消除在唤醒模式中产生的第一信号或类似的噪音，甚至在这些信号通过开关76时也是如此。
现在回到图1，无线电发射器90被配置来包括调节器92、时钟93、脉冲发生器94和驱动器96。调节器92被配置来每当接收到检测输出(Dout)，即识别到有人存在时，仅在短时间段内给时钟93和驱动器96提供稳定的操作电压VREG。这就是说，调节器92由检测输出(Dout)触发，以使用从电源100提供的电力来提供操作电压VREG，否则根本不提供操作电压。基于接收到操作电压VREG，时钟93被激活以向脉冲发生器94提供时钟信号，该脉冲发生器94基于时钟信号产生短脉冲，用以标识带有或不带有传感器设备地址的检测输出的存在。驱动器96由来自调节器92的操作电压VREG激活以接收来自脉冲发生器94的短脉冲，并通过天线97发射作为无线电检测信号(RS)的短脉冲。无线电发射器90有电力输入91，通过电力输入91将电力恒定地提供给调节器92和脉冲发生器94，以便调节器92和脉冲发生器94做好准备来快速响应于来自检测电路50的检测输出(Dout)激活时钟93和驱动器96。
驱动器96包括放大器并消耗比无线电发射器90的其它部件多的电力，而脉冲发生器94和处于不提供操作电压的空载模式的调节器92消耗较少的电力。因此，在不存在检测输出(Dout)的情况下，无线电发射器90消耗较少的电力并保证感测器设备的延长的工作寿命。此外，请注意，调节器92在每次接收检测输出(Dout)的时候，仅在短时间段内提供操作电压VREG，在发射无线电信号(RS)之后立即将无线电发射器90重新设置到低功率消耗模式。在邻近的接收器处接收无线电信号以识别到有人存在或者检测到的结果。
脉冲发生器94被配置以构成超宽带(UWB)发送系统，超宽带(UWB)发送系统是一种无线通信技术，其不使用载波，而使用一串的数量级在数百微微秒(picosecond)范围内的极短的脉冲。因此，该系统在发射数据的瞬间只需要小的电力。在本实施例中，该数据基本上由标识检测输出(Dout)是否是高电平的一比特信号组成，从而仅需要非常短发送时间。例如，在无线电发射器90每隔十秒钟发射一次无线电检测信号(RS)的情况下，每次发射以2mA的平均操作电流在一毫秒的时间内完成，从而仅消耗0.2μA。通过这种方式，UWM系统的无线电发射器90能够在低功率消耗模式下操作，并且因而减少了感测器系统的功率需求。
电源100被配置来具有：升压器(voltage booster)102，其放大由太阳能电池110提供的电压；以及电容器104，用来积累放大了的电压，以向信号处理电路20、检测电路50和无线电发射器90提供结果得到的电力。例如，上述电路20、50、无线电发射器90、升压器102每个被设计成在5μA的平均消耗电流下操作，并且需要4V的正常操作电压和2V的最小操作电压。在此情况下，感测器设备的整个系统消耗10μW到20μW。假设升压器102查觉不到电转换损耗，则要求太阳能电池有20μW或更大的发电能力，这仅通过使用有效表面积为3cm2、照明大约为200勒克司(lux)或更大的非晶形光电池就能容易地实现。这样，传感器设备就能容许使用小尺寸的太阳能电池，因此能将其组装到小的外壳中。
图4根据本发明的第二实施例示出了一传感器设备，其除了控制器120监测在太阳能电池110处产生的功率级以与预定的功率级相比较之外与上面的实施例等同。用相同的标号来表示相同的部件，并且不再进行重复的说明。只要功率级高于预定的功率级，控制器120就响应来固定正常模式，即禁止睡眠模式，从而保持整个系统处于警觉状态，以用于立即检测。否则，控制器120许可在正常模式和睡眠模式之间转换，以节省能量。
图5根据本发明的第三实施例示出了一传感器设备，除了感测器10是作为由光电池制成的照明(illumination)传感器之外与第一实施例相同。在此实施例中，光电池10公共地用作发电元件110。用相同的标号来表示相同的部件，并且不再进行重复的说明。
尽管上述的具体实施例举例说明了用于检测人体移动和用于检测照明级别的感测器，但是，本发明并不只限于这些具体的实施例，还可以包含其它的感测器，例如，温度感测器、振动感测器或类似的设备，在感测到的参数超过预定的阈值或超出预定的阈值范围时，这些感测器能够产生检测输出。同样地，发电元件也可以是其它任何一种将热能和机械能之类的外部能量转换成电能的器件。

Claims (3)

1.一种无线感测设备包括：
感测器，被配置来感测目标物体并提供指示目标物体状况的可变级别的感测信号；
信号处理电路，被配置来放大所述感测信号，以给出经放大的电模拟信号；
检测电路，被配置来接收所述经放大的模拟信号，并且当所述电模拟信号超出预定检测阈值时提供检测输出(Dout)；
无线电发射器，被配置来响应于所述检测输出发射无线电检测信号(RS)；
电源，被配置来向所述信号处理电路、所述检测电路和所述无线电发射器提供电力；以及
发电元件，用于将外部能量转换成要在所述的电源中积累的所述电力，
其中，
提供了控制器以仅响应于所述检测输出激活所述无线电发射器，从而允许所述无线电发射器产生所述无线电检测信号，
并且，所述无线电发射器包括：
调节器，被连接来从所述电源接收所述电力，并且被配置来仅在从所述检测电路接收所述检测输出(Dout)时才在短时间段内产生操作电压；
时钟，被配置来在接收所述操作电压时被激活以提供时钟信号；
脉冲发生器，被配置来基于所述时钟信号产生标识检测输出的存在的短脉冲；以及
驱动器，被配置来在从所述调节器接收所述操作电压时被激活以通过天线发射作为所述无线电检测信号的所述短脉冲，其中，
所述控制器被配置来提供正常模式和睡眠模式，该正常模式在额定功率下操作所述信号处理电路以得到与所述额定功率成比例的额定幅度的电信号(Vout)，该睡眠模式在减少的功率下操作所述信号处理电路以得到与所述减少的电力成比例的低幅度的所述电信号(Vout)，
所述检测电路被配置为具有低于所述检测阈值的唤醒阈值，
所述控制器被配置来当所述额定幅度的电信号(Vout)变得低于所述检测阈值时，将所述正常模式切换到所述睡眠模式，并保持所述睡眠模式直到所述低幅度的电信号超出所述唤醒阈值，以及
所述检测电路被配置来当在正常模式下所述额定幅度的电信号(Vout)超出所述检测阈值时，给出所述检测输出(Dout)，其中，
所述感测器是红外线感测器，用于检测产生红外线的所述目标物体的移动，所述感测器提供响应于所述目标物体的移动而在正向或负向上变化的所述感测信号，
所述检测电路具有阈值选择器，该阈值选择器提供在较高检测阈值(VA1)和较低检测阈值(VA2)之间限定的检测范围(VA1到VA2)、以及在较高唤醒阈值(VB1)和较低唤醒阈值(VB2)之间限定的唤醒范围(VB1到VB2)，所述较高检测阈值(VA1)高于所述较高唤醒阈值(VB1)，并且，所述较低检测阈值(VA2)低于所述较低唤醒阈值(VB2)，
所述检测电路包括比较器单元，其从阈值发生器选择性地接收所述检测范围和所述唤醒范围，
所述比较器单元当额定幅度的所述电信号(Vout)超出所述检测范围时或者当低幅度的所述电信号(Vout)超出所述唤醒范围时产生第一信号(Cout)，否则产生第二信号(Cout)，
所述控制器响应于所述第一信号(Cout)选择所述检测范围，并响应于所述第二信号(Cout)选择所述唤醒范围，以及
所述检测电路仅当在所述正常模式下查觉到所述第一信号(Cout)时才提供所述检测输出，
其中，所述检测电路包括输出供应器，该输出供应器被配置来当在所述
输出供应器的输入处接收到来自所述比较器单元的所述第一信号时产生
所述检测输出(Dout)，
所述输入被连接来通过开关从所述比较器单元接收所述第一信号，该开关由所述控制器控制以仅响应于所述第一信号才闭合。
2.如权利要求1所述的无线感测设备，其中
所述控制器被连接来监测在所述电源中积累的所述电力的级别并在所述电力高于预定功率级别时保持所述正常模式并且禁止所述睡眠模式。
3.如权利要求1所述的无线感测设备，其中
所述感测器被提供用于感测照明级别，并且由将光转换成电能的光电池来限定，所述光电池还限定用于将电力聚集到所述电源中的所述发电元件。
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