CN102341993B - 用于配置无电池设备和向无电池设备供电的系统、设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于配置无线无电池设备和向无线无电池设备供电的系统，该系统包括：无线无电池设备（A），该无线无电池设备包括：用于收集来自第一能量源的能量的内置收集器（12），其中第一能量源为来自其环境的外界能量，‑用于无线地通信的装置，‑以及外部设备（B），该外部设备包括：‑第二电源（16），‑用于将第二电源供应的能量转换成适合于在无电池设备的收集器中收集的能量的装置（17），用于经由内置收集器无线地向无电池设备供应转换的能量的装置（18），以及用于与无电池设备通信的装置，‑其中所述系统被配置用于收集外界能量和外部能量。本发明因此也涉及外部设备，以及用于配置无电池设备和向无电池设备供电的方法。

Description

用于配置无电池设备和向无电池设备供电的系统、设备和 方法

技术领域

本发明涉及一种用于配置无电池设备和向无电池设备供电的系统、设备和方法。

本发明例如与在诸如光开关、控制器设备和传感器设备之类的无电池能量收集设备中执行试运行（commissioning）过程相关。

背景技术

无线控制网络近来变成尤其是用于楼宇管理系统的通信领域中的普遍存在的趋势。无线技术在自由放置、便携性和安装成本降低方面呈现出主要的优点，因为无需拖曳电缆和钻孔。因此，这样的技术对于互连检测、自动化、使用传感器设备控制或监视系统是特别有吸引力的，所述传感器设备例如光开关、调光器、无线远程控制器、运动或光检测器，其必须设置在离彼此以及离它们控制的设备（例如灯）距离远的位置。

出现在类似网络中的缺陷之一涉及设备供电。事实上，由于设备不是有线的，因而它们可能不再从电力网或者经由与控制器的连接接收执行网络中需要的所有操作所需的电力。因此，已经设想了给这样的设备配备内置电池。然而，由于这些设备尺寸相当受限，因而电池不可以具有大的尺寸，这导致降低的设备寿命或者使用大量劳动的电池更换。

已经建议了通过给传感器设备配备收集来自其环境的能量的自维持能量源而消除这个问题。尽管如此，现成的能量收集器可实现的能量的量是非常有限的，这意味着无电池设备的特征和功能相应地严重受限。

另一方面，我们注意到，诸如配置过程之类的一些能量耗费大的过程必须仅仅执行一次或者仅仅少量发生，而不是在设备的寿命中一直发生。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提出一种用于向系统供电和配置系统的方法和系统，其允许仅在有限的时间段期间无线地向无电池设备供应附加的或可替换的能量，并且使该附加的或可替换的能量专用于特定过程。

此外，本发明还有一个目的是提供这样的系统和方法，其中可以在没有任何修改的情况下，尤其是也没有对能量收集模块的修改的情况下使用现成的无电池设备。

本发明的另一个目的是提供一种允许在配置过程中限制无电池设备的通信以便节省能量的系统和方法。

为此目的，本发明提供了一种用于配置无线无电池设备和向无线无电池设备供电的系统，该系统包括：

- 无线无电池设备，该无线无电池设备包括：

- 用于收集来自第一能量源的能量的内置收集器，其中第一能量源为来自其环境的外界能量，

- 用于无线地通信的装置，

- 以及外部设备，该外部设备包括：

- 第二电源，

- 用于将第二电源供应的外部能量转换成适合于在无电池设备的收集器中收集的能量的装置，

- 用于经由内置收集器无线地向无电池设备供应转换的能量的装置，以及

- 用于与无电池设备通信的装置，

- 其中所述系统被配置用于收集外界能量和外部能量。

包含在外部设备中的转换装置使得对于所述两种能量供应方法使用相同的收集器，即无电池设备的相同硬件元件成为可能。该特征允许保持结合到无电池设备中的能量收集模块以及因而该无电池设备自身的低成本和紧凑的形状因子。而且，在本发明的一个实施例中，系统包括用于使无线地供应的能量的特性适应无电池设备和/或收集器的特性的装置，这使得使用现成的无电池设备而不必修改它成为可能，因为外部设备可以既将能量转换成正确类型的能量，又使其特性相适应。

在一个实施例中，外部设备执行无电池设备的配置动作。有利的是，在一个实施例中，这些动作是需要用户输入的动作，并且外部设备因而包括用于用户交互的装置，例如用户接口。

用于外部设备、无电池设备和能量类型的不同配置可以用在依照本发明的系统中。其将结合附图进一步详细描述。

本发明也涉及用在依照本发明的系统中的外部设备。

本发明的另一个方面涉及一种用于配置无线无电池设备和经由外部设备向该无线无电池设备供电的方法，所述无线无电池设备包括用于收集来自第一能量源的外界能量和用于收集来自第二电源的外部能量的收集器，其中第一能量源是电磁能量或外界光能形式的来自其环境的外界能量，该方法包括以下步骤：

- 外部设备经由包含的第二电源产生外部能量，

- 外部设备将产生的外部能量转换成适合于在收集器中收集的能量，

- 外部设备无线地向无电池设备供应转换的能量。

本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

现在，将通过实例参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

- 图1示出了依照本发明的系统的全局视图，

- 图2示出了依照本发明的系统的一个示例性实施例。

具体实施方式

本发明涉及一种用于向无线无电池设备供电和配置无线无电池设备的系统。更精确地说，本发明提供了无电池设备的一种可替换的能量供应器，用于配置过程时间并且用于启用配置过程，例如试运行和维护操作。

本发明中使用的无电池设备配备了内置收集器，其用于收集来自第一能量源的能量，即来自其环境的外界能量。用于配置过程的可替换能量经由包括第二电源的外部设备供应。外界能量和外部能量可以由无电池设备的相同内置收集电路收集，而没有对于收集电路本身的任何改变或特殊设计考虑。由第一源供应的能量或者外界能量可以是不同的类型：

- 在第一实例中，使用电磁能量，其中内置收集器包括在由用户机械地致动时相对于线圈运动的永久磁体，

- 在另一个实例中，使用太阳的或人造的外界光能，其中内置收集器为太阳能电池。

任何其他类型的能量可以用在本发明中，其具有相应的外界能量类型和收集器。外部设备包括转换装置，使得向无电池设备供应的能量适合于由无电池设备的内置收集器收集。此外，外部设备也包括无线通信装置。

接下来，我们将描述依照本发明的系统的几个实施例。

在第一实施例中，外部设备是例如个人数字助理（PDA）形式的具有丰富用户接口的手持式设备。在该实施例中，经由手持式设备的能量提供功能向无电池设备无线地供应能量。

使用具有丰富用户接口的设备使得用户能够方便地执行需要用户输入的配置动作，例如选择要由无电池设备控制或者要与无电池设备通信的其他设备。

下面结合图1描述依照该实施例实现的依照本发明的方法。用户1具有设有能量提供功能的PDA 2。用户1将PDA 2放置为紧邻要配置的无电池设备3。无电池设备3包括用于收集外界能量的收集器4以及无线通信接口9。在本发明的含义内，紧邻定义为这样的区域，在该区域内，PDA 2可以有效地向无电池设备提供电力。然后，PDA 2开始与设备3通信以便经由通信接口9读出数据6，该数据是存储于该设备3的存储器7中的所有数据的一部分。读出的数据6例如为设备的MAC地址或描述。

基于该数据，用户1接着可以通过经由用户接口命令PDA 2而执行无电池设备3的用户配置动作。用户配置动作例如为网络发现、要控制的致动器类型设备的发现、分组和绑定的建立。在这里应当提及的是，该配置步骤不要求PDA 2在位置上紧邻无电池设备3，因为用于执行配置的所有必要的数据6在先前已被读出，并且因而无需去往和/或来自无电池设备的反馈。

接着，这些用户配置动作一终止，PDA 2就可以为无电池设备配置确定的参数8，例如网络标识符、绑定设备的地址和组隶属关系。与之前的动作相反的是，该参数传输要求PDA 2在位置上紧邻无电池设备，以便向无电池设备供应无线电接收以及将确定的参数8持久地存储到例如非易失性存储器中所需的能量。当处于邻近位置时，PDA 2也向无电池设备供应用于使得无电池设备能够本身执行一些网络配置动作的能量。该能量在收集器4中被收集，而无需修改无电池设备3的硬件组成。在其中无电池设备是与Zigbee或者与802.15.4兼容的网络的一部分的情况下，网络配置动作可能存在于家长选择、关联和地址分配。

此外，该方法实现方式可以包括步骤：PDA 2检测无电池设备3或者更精确地说收集器4的特性，以便供应具有适于无电池设备3的像输入电压、功率和频率那样的特性的能量。

现在将描述另一种方法实现方式：

- 在第一步骤中，PDA 2读出无电池设备3的存储器4中存储的所有数据。该数据包括例如支持的属性、簇或命令，

- 在第二步骤中，PDA 2临时地采取无电池设备的身份以便代表无电池设备执行所有的配置动作，即如前面描述的用户配置动作和网络配置动作，

- 在第三步骤中，PDA 2将完整的网络和应用配置上载到无电池存储器中，从而无需无电池设备的进一步的试运行动作。

这两种方法实现方式已经在其中外部电源嵌入到手持式设备中的情况下被描述。然而，可以利用此后描述的其他实施例执行类似的实现方式和角色分配。

在本发明的第二实施例中，外部设备为无电池设备的外接设备，其可以临时地固定并且然后无痕迹地移除。当外接设备附接到无电池设备时，它向无电池设备供应像电池供电或电力网供电设备的情况那样以尽可能自组织的方式执行试运行和维护操作所需的能量，所述操作例如安装测试、网络扫描、关联、地址分配、地址冲突解决、安全密钥建立、设备和服务发现、绑定、绑定测试以及节点配置。

外接设备使得所有用户配置操作都可以由设备的用户直观地执行，而无需任何附加的工具。

而且，外接设备可以在不损坏自身或无电池设备的情况下移除并且于是可以用于配置若干无电池设备。

在一个有利的实施例中，外接设备实现为相对低成本的设备。因此，在诸如多店办公楼之类的大规模设施中，可以提供若干外接设备，从而允许同时试运行若干无电池设备。在一个实现实例中，外接设备配备有无线功率线圈、电源（例如电池或太阳能源）和像基于弹簧的束缚物(halter)那样的固定机构，从而使得附接该外接设备并且然后容易地释放它成为可能。这种外接设备的其他可能特征包括：

-简单用户接口，例如显示器，用于告知用户有关无电池设备的配置进展和/或最终状态，

- 用于指示试运行操作结束的装置，其不同于显示器，例如为LED。该指示允许用户知道他何时可以移除设备。在其中同时使用若干外接设备的情况下，那些设备可以配备有用于向中央控制单元提供信息的装置，例如无线通信接口，其例如显示指示所有外接设备的状态的平面布置图，

- 供用户手动地激活能量供应操作的装置，

- 可替换地，用于检测外接设备附接到无电池设备且用于在该时间自动地激活无线功率操作的装置，以及用于检测外接设备的移除且自动地使无线功率功能失活的装置。

在一个示例性配置中，可以例如经由无线通信装置远程地激活外接设备的无线功率功能，从而允许限制外接设备本身的能耗以及实现特定的配置目标，比如适当的网络拓扑结构或执行配置操作的设备的适当的数量或顺序。

在本发明的第三实施例中，外部设备是具有用于在配置过程期间将无电池设备附接到外部设备的装置的手持式设备，从而可以向无电池设备无线地供应能量。

这允许用户受益于外部设备的用户接口的广泛的功能，而没有主动地保留特定相互设备取向的不便之处。

上面描述的依照本发明的系统的三个实施例可以使用不同的能量收集器来实现。例如，如果无电池设备的内置收集器是电磁收集器，那么PDA可以发射适当波形、频率和功率的电磁波形式的无线功率以便由无电池设备的内置收集器收集。无线功率例如经由具有磁芯的内置线圈产生，所述线圈的特性（比如绕组的数量和几何取向）根据收集器而选择。在另一个实例中，如果无电池设备的内置收集器为机电收集器，那么PDA可以例如经由内置机械部件产生适当类型、强度、方向和重复频率的所需机械运动。在又一个实例中，如果内置收集器为用于收集人造的或太阳能的外界照明的太阳能电池，那么PDA可以例如经由诸如LED或OLED之类的具有适当类型和几何取向的内置光源发射适当波长和强度的光以便由无电池设备的内置收集器收集。向包含其他内置能量收集模块的无电池设备外部地供电的另外的实例对于本领域技术人员也应当是清楚明白的，所述能量收集模块例如收集振动、热、辐射、静电或流动的能量。

现在将结合图2描述依照本发明的系统的更详细的实现。无电池设备A包括位于软磁芯11内的永久磁体10形式的能量收集器。当用户通过将永久磁体10旋转一次而机械地操作永久磁体10时，存在于软磁芯11中的磁通量的方向反转。因此，在能量收集线圈12中产生电压脉冲。取决于磁通量的初始方向，产生的脉冲为正脉冲或负脉冲。无电池设备因此包括用于将脉冲转变成正脉冲的二极管桥形式的整流器13。该正脉冲因而用来填充能量存储装置14，即向电容器充电，该能量存储装置然后供应负载15。然而，如本发明导言中所述，这种源不提供用于执行像试运行过程那样的操作的足够能量。

因此，为了执行这样的操作，外部设备B提供附加的能量。外部设备为包含电感式发射器的手持式设备，其包括产生AC电流的电源16。该电流然后馈送到转换器中，该转换器包括能够产生交变磁通量的发射器绕组17。发射器绕组17缠绕在U形软磁芯18的周围，该U形软磁芯具有指向能量收集线圈12的腿部，使得通量被引导到无电池设备的方向。因此，由发射器绕组产生的大量交变磁通量于是流经能量收集线圈12并且感应出交变电压。该交变电压由现存的整流器13整流并且用来向电容器14充电且向负载15供电。

在该特定实施例中，发射器发射一系列连续交变脉冲，而不仅仅是单个脉冲，因而可使用的能量的量比规则机械操作期间高得多。该更高的能量的量使得供应高级得多的电子电路和无线电设备成为可能，所述无线电设备可以发射超过一个简短命令，但是能够接收和发射用于开关的试运行的复杂协议。

本发明更特别地专用于无电池设备，其用于控制网络（例如照明控制网络）、楼宇自动化和家庭自动化。

在本说明书和权利要求书中，元件之前的措词“一”或“一个”并没有排除存在多个这样的元件。此外，措词“包括/包含”并没有排除存在除所列出的之外的其他元件或步骤。

权利要求中将附图标记包括在括号中意在帮助理解，并非意在限制。

通过阅读本公开内容，其他的修改对于本领域技术人员应当是清楚明白的。这样的修改可能涉及无线通信领域和无电池设备领域中已知的且可以代替本文已经描述的特征使用或者除了本文已经描述的特征之外被附加使用的其他特征。

Claims (13)

1.一种用于配置无线无电池设备和向无线无电池设备供电的系统，该系统包括：

- 无线无电池设备（A），该无线无电池设备包括：

- 用于收集来自第一能量源的能量的内置收集器（12），其中第一能量源为来自其环境的外界能量，

- 用于无线地通信的装置，

- 以及外部设备（B），该外部设备包括：

- 第二电源（16），

- 用于将第二电源供应的外部能量转换成适合于在无线无电池设备的收集器中收集的能量的装置（17），

- 用于经由内置收集器无线地向无线无电池设备供应转换的能量的装置（18），以及

- 用于与无线无电池设备通信的装置，

- 其中所述外部设备（B）检测所述内置收集器（12）的电气特性，并且供应具有适于所述无线无电池设备（A）的电气特性的能量。

2.如权利要求1所述的系统，其中外部设备包括用于使无线地供应的能量的电气特性适应无线无电池设备和/或收集器的电气特性的装置。

3.如权利要求1或2中任何一项所述的系统，其中外部设备为手持式设备。

4.如权利要求1或2中任何一项所述的系统，其中外部设备为外接设备，其包括临时地固定到无线无电池设备以及无痕迹地从无线无电池设备移除的装置。

5.如权利要求1或2中任何一项所述的系统，其中外部设备包括用于读出无线无电池设备的存储器（7）中存储的数据（6）的装置以及用于执行使用该数据获得用于无线无电池设备的配置信息的动作的装置。

6.如权利要求1或2中任何一项所述的系统，其中外部设备进一步包括用户接口。

7.如权利要求1或2中任何一项所述的系统，其中

- 外界能量根据操作无线无电池设备的用户的机械动作而产生，

- 能量收集器（12）包括磁体（10）和线圈，所述磁体和线圈能够相对于彼此运动，从而导致在收集器（12）中产生电压脉冲，并且

- 外部设备的第二电源包括具有AC发生器和发射器绕组的电感式发射器。

8.如权利要求1或2中任何一项所述的系统，其中

- 外界能量为来自自然和/或人造光源的外界光，

- 能量收集器（12）包括太阳能电池，并且

- 外部设备的第二电源包括光源。

9.用在依照权利要求1-8中任何一项的系统中的外部设备。

10.一种用于配置无线无电池设备（A）和经由外部设备（B）向该无线无电池设备供电的方法，所述无线无电池设备包括用于收集来自第一能量源的外界能量和用于收集来自第二电源(16)的外部能量的收集器（12），其中第一能量源是电磁能量或外界光能形式的来自其环境的外界能量，该方法包括以下步骤：

- 外部设备经由包含的第二电源（16）产生外部能量，

- 外部设备将产生的外部能量转换成适合于在收集器（12）中被收集的能量，

- 外部设备无线地向无线无电池设备供应转换的能量，

该方法还包括以下步骤：

- 外部设备检测收集器（12）的电气特性，以及

- 外部设备供应具有适于所述无线无电池设备的电气特性的能量。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：

- 外部设备向无线无电池设备（A）供应发送、接收、处理和持久地存储相关配置数据所需的能量，

- 用户经由无线无电池设备的接口执行无线无电池设备的用户配置动作，以及

- 无线无电池设备本身执行一些配置动作。

12.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：

- 外部设备从无线无电池设备的存储器读出数据，

- 用户经由外部设备上的接口执行无线无电池设备的配置动作，以及

- 向无线无电池设备供应接收和持久地存储相关用户配置数据所需的能量的步骤，

- 向无线无电池设备供应能量的步骤包括仅仅供应由无线无电池设备本身执行的一些配置动作所需的能量的量。

13.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：

- 外部设备从无线无电池设备的存储器读出全部数据，

- 用户经由外部第二电源上的接口执行无线无电池设备的配置动作，以及

- 向无线无电池设备供应能量的步骤包括供应由无线无电池设备本身执行的一些配置动作所需的能量的量。