CN111448740A - 由具有集成开关模块的环境能源供电的无线建筑传感器 - Google Patents

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Abstract

一种无电池传感器设备包括感测环境条件的传感器、电源系统、存储器、通信设备和处理器。该电源系统包括：能量收集设备，用于从环境能源中收集能量来为传感器设备的一个或多个组件供电；和能量存储设备，用于存储收集的能量。该存储器存储由传感器感测的与环境条件相关联的传感器数据。该通信设备将传感器数据发送到BMS或远程设备。该处理器被配置为根据来自环境能源的能量的可用性和/或传感器设备的一个或多个组件的能耗需求，从环境能源中动态地选择一个或多个能源来为传感器设备的一个或多个组件供电，并且控制对一个或多个组件的电力的供应。

Description

由具有集成开关模块的环境能源供电的无线建筑传感器
技术领域
本公开涉及一种使用环境能源供电的传感器设备。
背景技术
包括工厂在内的商业建筑越来越需要更加节能和可持续。为了提高这种建筑的能效和管理，可以将建筑管理系统(building management system，BMS) 用于控制和监测建筑中的各个方面或系统(或服务)，包括环境系统、安全系统、电力系统、照明系统或建筑中使用的其他系统。BMS可以包括链接在一起的硬件组件和软件组件，并且被配置为使用从传感器获得的信息来监测和控制建筑系统和环境。传感器可以收集相关的环境参数，这些参数可以包括建筑中的大气条件(诸如温度、压力、湿度、二氧化碳含量等)、照明条件(诸如建筑中的区域或房间的亮度)、建筑中的运动或活动、建筑中某些区域或装备的能量使用或故障、和/或用于促使建筑中各种系统高效使用能量的任何其他参数。
例如，BMS可以调节环境参数，诸如温度、湿度、二氧化碳含量和氧气含量。BMS可以使用温度测量来确定对建筑环境系统(诸如HVAC系统) 的加热和冷却功能的调整。类似地，BMS可以使用湿度和二氧化碳含量测量来确定是否吸入新鲜空气以及吸入的速率。BMS可以被配置为在优化能效、乘客舒适度或特定设定所需参数(诸如敏感装备的工作范围)的同时进行操作。例如，BMS可以监测二氧化碳的水平，并且混合新鲜的室外空气和室内空气以增加氧气量，同时也最小化加热和冷却损失。
可以将具有无线通信能力的传感器用于(尤其是从建筑中难以接近的位置或建筑中的设备)监测、跟踪数据并将其中继到BMS。然而，当放置在这些位置时，使用建筑的电气系统为传感器供电可能是不可能或不可行的。相反，传感器由电池供电。然而，传感器位置的不可接近性可能使得服务人员难以接近和更换传感器中的电池。此外，传感器的位置可能使它们经受恶劣的环境条件，诸如高温、振动、电磁力、灰尘和污垢、雪等。因此，因电池故障或长时间暴露在恶劣环境条件下而导致的传感器损坏或故障会给企业运营、安全和环境带来苛刻的成本。
发明内容
根据示例实施例，一种传感器设备包括一个或多个传感器、电源系统、存储器、通信设备和一个或多个处理器。一个或多个传感器感测一个或多个环境条件。电源系统包括：多个能量收集设备，诸如换能器，用于从多个环境能源收集能量来为传感器设备的一个或多个组件供电；和能量存储设备，用于存储从能量收集设备收集的能量。存储器存储由一个或多个传感器感测的与一个或多个环境条件相关联的传感器数据。通信设备诸如通过网络将传感器数据发送到远程设备。一个或多个处理器被配置为根据来自环境能源的能量的可用性和/或传感器设备的一个或多个组件的能耗需求，从环境能源中动态地选择一个或多个能源来为传感器设备的一个或多个组件供电，并且控制对传感器设备的一个或多个组件的电力的供应。传感器设备可以包括金字塔形外壳，以容纳和保护传感器设备的各种组件。
这种传感器设备的设计和构造可以消除对电池的需求，从而解决与电池更换相关联的问题，并且由于无电池设计而增加了环境和经济效益。因此，传感器设备可以完全由环境能量供电，以允许完全无电池(或无电池)的操作，这对于在危险区域(例如，高辐射、不安全条件等)中的部署是重要的。此外，这种传感器设备可以被设计成在净零(net-zero)能量模式下进行操作，净零能量模式是更便宜的并且提供了节能的解决方案，特别是当这种传感器设备被用于无线传感器网络中时。此外，传感器设备的设计和构造可以显著增加设备的预期寿命。
环境能源可以至少包括太阳能、振动能、热能和/或射频能。能量收集设备可以至少包括收集太阳能的太阳能换能器、收集电磁能的电磁能换能器、收集热能的热能换能器和收集振动能的压电换能器。例如，能量收集设备中的至少一个可以是该一个或多个传感器中的传感器。
为了动态地选择，一个或多个处理器可以被配置为：确定为一个或多个组件供电的能耗需求；确定来自每个环境能源的可用能量；并且基于所确定的能耗需求和所确定的可用能量，从环境能源中选择一个或多个能源。
一个或多个处理器可以被配置为根据要执行的操作的能耗优先级别和来自所选择的能源的能量的可用性，选择性地控制从电源系统到一个或多个传感器、存储器、通信设备和一个或多个处理器的可用电力的供应。一个或多个处理器可以包括：控制器的第一处理器，被配置为实施一个或多个传感器的感测操作；和独立智能模块的第二处理器，被配置为从环境能源中动态地选择一个或多个能源。可用电力可以以从较高能耗优先级别到较低能耗优先级别的以下顺序被供应给传感器设备的组件：(1)供应给第一处理器、一个或多个传感器和存储器以执行感测操作，(2)供应给第一处理器和通信设备以执行通信操作，以及(3)供应给第二处理器以执行动态选择操作(例如，在最佳环境能量输入之间进行选择)。
一个或多个处理器还可以被配置为当来自环境能源的可用能量不足以为通信设备供电时，使得传感器数据存储在存储器中。此外，一个或多个处理器可以被配置为当来自环境能源的可用能量足以为通信设备供电时，使得传感器数据经由通信设备发送到远程设备。
电源系统还可以包括电池(例如，备用电池)。一个或多个处理器还可以被配置为当来自环境能源的能量不足以为一个或多个组件供电时，使得电力从电池供应到从一个或多个传感器、处理器、存储器、通信设备和一个或多个处理器中选择的一个或多个组件。
附图说明
结合附图解释各种示例实施例的描述，其中：
图1示出了根据本公开的示例实施例的示例设施，诸如建筑或工厂，其使用由环境能源供电的传感器设备来促使对设施的系统和服务的控制。
图2示出了根据本公开的示例实施例的诸如图1中的传感器设备的示例组件的总体框图。
图3是根据本公开的示例实施例的能量金字塔的示例，示出了传感器设备(诸如图1和图2中的传感器设备)的不同组件或操作的不同能耗优先级别。
图4A和图4B示出了根据本公开的示例实施例的传感器设备(诸如图1 和图2中的传感器设备)的外壳的示例，该外壳用于容纳、保护和支撑传感器设备的组件。
图5是示出根据本公开的示例性实施例的示例过程的流程图，通过该示例过程，使用环境能源对传感器设备(诸如图1和图2中的传感器设备)进行供电和操作。
图6是示出根据本公开的另一示例性实施例的示例过程的流程图，通过该示例过程，使用环境能源或备用电池对传感器设备(诸如图1和图2中的传感器设备)进行供电和操作。
具体实施方式
图1示出了设施10的示例，诸如建筑或工厂，其可以包括用于控制由各种设施系统提供的服务的操作的建筑管理系统(BMS)20，各种设施系统诸如环境系统30(例如空调系统，诸如HVAC)、配电系统40、安全系统50、照明系统60和设施的其他系统。在该示例中，BMS20和系统30、40、50 和60通过(多个)网络70彼此通信，网络70可以采取基于有线的网络、无线网络、或其组合的形式。设施10还包括多个传感器设备100，以感测设施或其装备内或周围的各种位置处的环境条件，并经由(多个)网络70(诸如使用互联网(例如，物联网或IoT))将传感器数据传送到设施10中的BMS 20和/或系统30、40、50和60。来自传感器设备100的传感器数据可以被 BMS 20和/或系统30、40、50和60用来控制通过设施10中的系统30、40、 50和60提供的各种服务，包括但不限于空调服务、配电和保护服务、包括入侵者通知的安全服务、照明控制服务(例如，开、关、调暗等)或其他设施服务，包括工厂装备或机械的操作。
每个传感器设备100被配置为从环境能源收集能量来给传感器设备100 的一个或多个组件供电，并且因此可以是无电池设备。可替换地，传感器设备100可以包括备用电池，诸如用于关键操作或者当从来自环境能源的可收集的能量中可用电力不足时的紧急情况。在任一种情况下，传感器设备100 可以结合能量收集设备，诸如不同类型的换能器(或转换器)，以将环境能量转换成电能。环境能源可以例如包括太阳能、振动能、热能、电磁能(例如，射频(RF)能)和/或其他可收集的环境能源。在操作中，传感器设备100被配置为例如根据来自环境能源的能量的可用性、和/或传感器设备100的一个或多个组件的能耗需求、和/或其他因素，从多个环境能源中动态地选择一个或多个能源来为传感器设备100的(多个)组件或操作供电。传感器设备 100中的一个或多个可以用作可由服务人员或服务操作员根据需要临时安装的“流浪汉”传感器设备，或者用作永久安装的传感器设备，以监测设施10中的特定位置或装备(例如，高危险区域或难以接近的区域)。
因此，通过主要依赖于环境能源，传感器设备100可以以环境友好且高效的方式进行操作，而不需要电池或来自设施的电源系统40的电力。通过消除或减少对电池的需求，传感器设备100可以减少来自传感器网络(例如，无线传感器网络)的总碳排放量(carbonfootprint)。此外，使用环境能量为传感器设备中的通信操作和其他操作供电的能力可以促使与物联网(IoT)的集成。
图2示出了传感器设备100的示例，传感器设备100可以包括(多个) 控制器200、一个或多个传感器210、(多个)通信设备220、本地存储器230、输入/输出(I/O)设备232和电源系统250。传感器210可以包括例如无源和 /或有源传感器，诸如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、二氧化碳或其他气体传感器、力传感器、环境光传感器、位置传感器、速度传感器、声音传感器、功率/电流/电压传感器、运动传感器和/或用于感测环境条件的其他感测设备，以便于控制由设施(诸如图1中的设施10)的系统提供的服务。
(多个)通信设备220可以包括通信电路(例如，发送器(TX)、接收器(RX)、诸如射频收发器的收发器等)，以用于与诸如USB或以太网电缆接口的远程设备进行基于线路的通信，或者用于例如通过无线个人区域网、无线局域网、蜂窝网或无线广域网与远程设备进行无线通信。(多个)通信设备220可以包括ZigBee通信设备，以提供通过网络(诸如图1中的(多个) 网络70)的RF通信。(多个)通信设备220可以用于发送由(多个)传感器210感测的与(多个)环境条件相关联的传感器数据，并且从远程设备接收包括命令指令、软件或配置更新的信息，或其他信息。命令指令可以包括例如用于开启或关闭传感器设备100的指令，用于设置/重置或控制电源操作(例如，设置传感器设备100的默认环境能源、从传感器设备100处的可用的多个环境能源切换到特定能源、切换到备用电池、仅切换到环境能源等) 的指令，用于发送与传感器210中的一个或多个或特定一个传感器相关联的传感器数据的常规或紧急指令，或者用于促使传感器设备100和设施(例如，图1的设施10)的系统的操作的其他命令指令。
本地存储器230是可以存储计算机可执行代码或程序的数据存储设备，当该代码或程序由控制器200执行时控制传感器设备100的操作。本地存储器230还可以存储由传感器210中的一个或多个感测的与(多个)环境条件相关联的传感器数据。例如，当从环境能源可用的能量不足以为(多个)通信设备220供电时，传感器数据可以存储在本地存储器230中，以便在有足够的可用能量用于操作(多个)通信设备220时用于将来的发送。本地存储器230还可以存储与传感器设备100的一个或多个组件的能耗需求和/或由传感器设备100执行的各种操作(例如，感测操作、发送操作、存储操作、动态选择特征等)相对应的信息。组件或操作的能耗需求可以是操作组件或实施操作所需的最小电力。此外，本地存储器230可以存储传感器设备100 的每个组件或组件组合的能耗优先级别，或者传感器设备100可实施的不同操作的能耗优先级别。如下所述，能耗优先级别可以用于根据组件或操作的优先级别(例如，较高优先级到较低优先级)来确定来自电源系统250的可用电力(诸如当受到限制时)在传感器设备100中被分配或利用的方式。本地存储器230还可以存储用于控制和操作传感器设备100的各种组件和功能的其他信息(例如，配置信息、系统/设备/组件参数和设定等)。
(多个)I/O设备232可以包括(多个)输入设备和(多个)输出设备。输入设备可以包括用户输入设备(例如，按钮、拨号盘、开关或其他用户输入设备)，以使用户能够手动设置或控制传感器设备100，诸如从环境能源中选择默认能源、开启或关闭传感器设备、改变传感器设备100的设定等。输出设备可以包括显示器、灯(例如，LED)或其他输出设备，以显示与传感器设备100相关的信息，诸如传感器设备100的状态信息、当前设定(例如，默认能源等)等。
控制器200被配置为控制传感器设备100的组件和操作。控制器200可以包括一个或多个处理器202、存储器204和电源管理系统(或子模块)206。 (多个)处理器202可以是处理系统，处理系统可以包括一个或多个处理器，诸如CPU、GPU、控制器、专用电路或其他处理单元，处理器控制传感器设备100的操作，包括但不限于(多个)传感器210的感测操作，经由(多个) 通信设备220的通信操作，经由本地存储器230的数据访问和/或存储操作，经由I/O设备232的输出操作，根据要执行的操作的优先级别选择性地向传感器设备100的组件中的一个或多个供应电力，从环境能源中动态地选择能源中的一个或多个来为传感器设备100的组件中的一个或多个供电(也称为“动态选择特征”或“智能模块操作”)，或者本文描述的其他操作。
控制器200的存储器204是数据存储设备，其也可以存储计算机可执行代码或程序，当该代码或程序由(多个)处理器202执行时，控制传感器设备100的操作。存储器204还可以临时存储由传感器210中的一个或多个感测的与(多个)环境条件相关联的传感器数据，或者由控制器200及其组件用来执行传感器设备100的操作的其他数据。传感器数据可以是从传感器 210之一接收的数据，或者由(多个)处理器202基于从传感器210中的一个或多个接收的数据而生成的数据。
控制器200的电源管理系统206可以用于从电源系统250接收电力，并且将电力供应到传感器设备100的各种组件，包括例如(多个)传感器210、 (多个)通信设备220、本地存储器230、I/O设备232、智能模块240和/或传感器设备100的其他组件。(多个)处理器202与电源管理系统206相结合，可以诸如根据组件的能耗优先级别和/或要在传感器设备100中执行的不同操作(例如，感测操作、发送操作、动态选择特征等)，来选择性地控制到传感器设备100的各个组件的电力的分配。如将在本文描述的，传感器设备100的不同组件(或其组合)或不同操作将具有比其他更大或更高的能耗优先级别。这样，传感器设备100的组件或操作将根据它们的优先级别，例如从较高能耗优先级别到较低能耗优先级别，用来自电源系统250的可用能量供电。图3中提供了示出示例能耗优先级别的能量金字塔(下面进一步讨论)。
代替控制器200实施动态选择特征，控制器200可以与诸如智能模块 240的单独模块进行协作，该模块被配置为执行动态选择特征。控制器200 可以是执行传感器设备100的主要或基本操作的基本控制器200，并且智能模块240可以是具有(多个)处理器和存储器的第二控制器或辅助控制器，其专用于实施动态选择特征。
电源系统250供应电能(例如，功率、电压、电流或其他形式的电能) 来为传感器设备100的组件供电。电源系统250包括配电网络252(例如，电连接器、开关和电线)，以将电力分配给控制器200，控制器200进而可以选择性地控制对传感器设备100的其他组件的电力的供应。电源系统250可以将由从多个环境能源收集的能量产生的电力分配给控制器200，或者将来自备用电池(例如电池280，如果包括在传感器设备100中的话)的电力分配给控制器200。电源系统250可以将从环境能源收集的任何多余能量转移到能量存储设备270(例如，电容器)，以用于其存储和将来需要时的使用。能量存储设备270可以是例如1mA的低泄漏陶瓷电容器，或者取决于传感器设备100所需的功率参数的其他合适的能量存储设备。
电源系统250还可以包括多个能量收集设备(诸如260、262、264和 266)以分别收集环境能源，诸如电磁能(例如，RF能)、太阳能、振动能和热能(例如，温差能)。能量收集设备260、262、264和266可以是换能器 (或转换器)，用于将环境能量转换或转化为电能。例如，能量收集设备260 可以包括(多个)天线或天线阵列(例如，RF天线)或感应线圈或其他电磁换能器，以将电磁能(例如，RF或其他电磁能)转换成电能。能量收集设备 262可以包括太阳能电池或太阳能电池的薄膜太阳能面板或其他太阳能换能器，以将太阳能转换成电能。能量收集设备264可以包括压电设备或薄膜或其他振动换能器，以将振动能转换成电能。能量收集设备266可以包括热电发生器(thermoelctric generator，TEG)，诸如热电偶或其他热电元件或其他热换能器，以将热能(例如，温差)转换成电能。电源系统250的一个或多个能量收集设备可以是一个或多个传感器210。
能量收集设备260、262、264和266中的一个或多个可以内置入或嵌入传感器设备100的外壳中，连接或布置在传感器设备100的外壳的外表面上作为薄膜或面板或其组合。控制器200及其组件可以控制电源系统250的开关254，以选择从中收集能量的一个或多个环境能源，以便为传感器设备的一个或多个组件供电。尽管可以通过控制器200选择性地控制到传感器设备 100的组件的电力的分配，但是这种控制可以改为通过传感器设备100中的单独模块或者通过电源系统250来实施。
图3是能量金字塔300的示例，示出了传感器设备(诸如图1和图2中的传感器设备100)的不同组件或操作的不同能耗优先级别。在该示例中，最高能耗优先级别310示出在金字塔300的基座，并且涉及传感器设备的基本或主要操作，诸如聚集或生成由(多个)传感器感测的与(多个)环境条件相对应的传感器数据的感测操作。中间的能耗优先级别320示出在金字塔 300的中间，并且涉及诸如向远程设备发送传感器数据的通信操作，例如无线通信操作。最低能耗优先级别330示出在金字塔300的顶部，并且涉及智能模块(例如，图2中的智能模块240)的操作或者与本文描述的动态选择特征相关联的操作。
传感器设备100可以被配置为使用可用电力(诸如从环境能源产生的电力)，特别是当受到限制时，来根据组件或操作的能耗优先级别(从较高优先级别到较低优先级别)和电力可用性来选择性地为组件或操作供电。例如，在传感器设备100中，可用电力以从高优先级到低优先级的以下顺序被供应给其组件：(1)供应给第一处理器(例如，图2中的控制器200的处理器)、一个或多个传感器和存储器，以实施聚集或生成传感器数据的感测操作和/或将传感器数据存储在存储器中的存储操作，(2)供应给第一处理器和通信设备，以实施将传感器数据发送到远程设备的发送操作，以及(3)供应给第二处理器(例如，图2中的智能模块240的处理器)，以实施动态选择特征。提供能量金字塔300作为示例。传感器设备100可以被配置为根据传感器设备100要执行的不同类型的操作的多于或少于三个能耗优先级别来实施功率控制。
在图3中，还示出了指示潜在功率密度的各种示例，潜在功率密度可以通过从某些类型的环境能源收集能量来产生。例如，可以从太阳能收集 100mW/cm2，从振动能收集200μW/cm2，从热能收集60μW/cm2，从RF能收集多达1μW/cm2。因此，可从这些环境能源产生的潜在功率量可以根据能量收集设备(例如，在传感器设备的外壳上或内置于其中)的表面积来确定。以这种方式，具有通信能力的传感器设备可以被设计和构造成主要使用或仅使用环境能源来进行操作。下面进一步讨论传感器设备模型的示例。
图4A和图4B示出了传感器设备(诸如图1和图2中的传感器100)的外壳400的示例。外壳400具有金字塔形状，以保护传感器设备的组件免受恶劣环境条件的影响，从而减少聚集在传感器设备上的灰尘、碎屑或雪的量，并提供足够的表面积来布置和/或连接(多个)能量收集设备，以收集环境能源来为传感器设备的组件供电。金字塔形外壳400可以具有例如基座的每一边为60mm的基座以及90mm的高度(例如，从基座中心到金字塔顶部的高度)。外壳400可以由塑料材料(例如，聚氨酯或其他聚合物)或其他介电材料形成，并且具有一个或多个空腔来支撑传感器设备的组件。外壳400的三角形侧面可以使用卡扣接头(snap-injoint)或其他连接器来连接在一起，以便于外壳的组装或拆卸，包括打开或移除外壳的一侧以接近外壳400的一个或多个空腔和支撑在其中的任何组件。如图4A所示，壳体400可以在其上布置或连接或在其中内置能量收集设备的多个面板，例如410和412。能量收集设备可以制成薄膜层，例如薄膜太阳能面板、压电薄膜等。在一个实施例中，金字塔形外壳400的四个三角形侧面的外部可以部分或全部覆盖有用于收集太阳能的薄膜太阳能面板。
如图4B所示，金字塔形外壳400的一个三角形侧面已经被移除，以示出由布置在外壳400内部的水平面板440和442形成的多个空腔450、452 和454。传感器设备的各种组件可以容纳在外壳400的一个或多个空腔450、 452和454中，并由水平面板440和442支撑。垂直面板也可以代替水平面板或与水平面板结合使用，以形成外壳400的空腔，并支撑传感器设备100 的组件。应当理解，也可以使用其他机械紧固件或连接机构(包括例如插槽 /凹槽、卡扣接头等)以连接或支撑外壳400内的传感器设备100的组件。例如，传感器设备100的组件可以设置在(多个)印刷电路板(PCB)上，PCB 可以采用各种形状，诸如三角形或其他形状，可以使用插槽、卡扣接头或其他连接器系统将PCB接合和支撑在外壳400内部。布置在外壳400的外表面上的能量收集设备可以使它们的电线(或电缆)通过基座460或外壳400 的其他位置延伸到外壳中。
示例过程
图5是示出示例过程500的流程图，通过过程500，使用环境能源对传感器设备(诸如图1和图2中的传感器100)进行供电和操作，并且根据来自环境能源的能量的可用性来选择性地实施各种操作。出于解释的目的，下面参考图2中的传感器设备100及其组件来讨论过程500。
过程500从传感器设备100被开启或处于开启状态开始。独立于控制器 200的处理器202或在控制器200的处理器202的控制下，传感器设备100 的电源系统250可以将环境能源中的一个或多个设置为从中收集能量的(多个)默认能源。例如，电源系统250可以将其默认能源设定设置为太阳能、电磁能、振动能或热能或其他环境能源。可以根据与传感器设备相关联的位置、时间和环境(例如，在暴露于阳光、电磁能、振动能、热能等的环境中) 来确定默认能源设定。默认能源可以例如通过传感器设备100的输入设备 (例如，I/O 232)来设置，或者经由通过(多个)网络70传达到传感器设备100的命令从远程设备进行设置。远程设备可以是BMS 20或系统30、40、50或60，诸如图1所示。在操作中，当传感器设备100被开启时，传感器设备可以尝试从默认能源或任何环境能源汲取电力。
在参考标记504处，处理器202检查(或确定)感测操作或与其相关联的传感器设备100的组件的能耗需求。能耗需求可以是为传感器设备100的组件中的一个或多个供电以执行基本操作(例如来自传感器设备100的一个或多个传感器210的感测操作)所需的最小能量。在参考标记506处，处理器202确定是否有足够的来自电源系统250的电力来满足传感器设备100的感测操作和/或其他基本操作的能耗需求，电源系统250从一个或多个环境能源收集能量。如果没有，则处理器202返回到参考标记504和506，以检查是否有足够的能量可用于实施传感器设备100的感测操作。处理器202可以周期性地或者在触发事件或条件发生时进行检查。
否则，如果有足够的电力可用于感测操作(或基本操作)，则过程500前进到参考标记508，在参考标记508中处理器202从传感器设备100的一个或多个传感器210读取传感器数据，或者根据从一个或多个传感器210读取的数据生成传感器数据。传感器数据对应于由传感器210中的一个或多个感测的(多个)环境条件。处理器202还检查(或确定)通信操作或与其相关联的传感器设备100的组件的能耗需求。能耗需求可以是为传感器设备100 的一个或多个组件供电以执行通信(诸如有线通信或无线通信(例如，经由 ZigBee通信设备的RF通信))所需的最小能量。在参考标记510处，处理器202确定是否有足够的来自电源系统250的电力来满足通信操作的能耗需求，电源系统250正在从一个或多个环境能源收集能量。如果没有，则在参考标记512处，处理器202控制或使得传感器数据被本地存储，诸如存储在本地存储器230中。过程500然后返回参考标记508和510。以这种方式，传感器数据可以被本地存储，直到足够的电力变得可用于将传感器数据发送到(多个)远程设备(例如，图1中的BMS和/或其他系统)。
否则，如果有足够的电力可用于通信操作，则过程500前进到参考标记 514，在参考标记514中处理器202检查(或确定)智能模块操作(例如，动态选择特征)或与其相关联的传感器设备100的组件的能耗需求。能耗需求可以是为传感器设备100的组件中的一个或多个供电以执行智能模块操作所需的最小能量，智能模块操作可以包括从多个环境能源中动态地选择一个或多个能源来为传感器设备100的一个或多个组件供电。如前所述，智能模块操作可以由执行传感器设备100的基本操作的(多个)处理器(例如，控制器200的处理器202)来实施，或者可以由单独的专用组件(例如，智能模块240)中的(多个)处理器来实施。
如果可用电力不足以用于智能模块操作，则在参考标记518处，处理器 202控制或使得通信设备220(例如，ZigBee通信设备)将传感器数据发送到(多个)远程设备(例如，图1中的BMS和/或其他系统)。过程500然后返回到参考标记504。
在参考标记520处，如果有足够的电力可用于智能模块操作，则处理器 202本身或通过智能模块240根据来自环境能源的能量的可用性和/或一个或多个组件的能耗需求，从多个环境能源中动态地选择一个或多个能源来为传感器设备100的一个或多个组件供电。例如，处理器202从电源系统250的能量收集设备获得关于来自环境能源中的每一个的能量的目前或当前可用性的信息。基于该信息，处理器202可以根据各种因素来确定选择哪一个(哪些)环境能源来为传感器设备100的一个或多个组件供电，这些因素包括但不限于，例如，(1)每个环境能源的可用的可收集能量的量(例如，哪个能源目前提供最大量的可收集能量)，(2)时间/时期(例如，白天、夜晚、设施或设施处的各种装备的操作小时数等)，其可以反映设施(例如，图1中的设施10)处的(多个)传感器位置处的可用太阳能、电磁能、振动能和/或热能的预测或假设周期，和/或(3)便于选择(多个)环境能源来为传感器设备100的一个或多个组件供电的其他因素。处理器202本身或通过智能模块240的处理器202或与智能模块240结合的处理器202可以在选择操作中控制电源系统250(例如，电开关254)，以便从选定的(多个)能源收集能量来为传感器设备100的一个或多个组件供电。
在参考标记518处，处理器202然后控制或使得通信设备220(例如， ZigBee通信设备)将传感器数据发送到(多个)远程设备(例如，图1中的 BMS和/或其他系统)。过程500然后返回到参考标记504。
如该示例过程500中所反映的，传感器设备100可以被配置为根据组件或操作中的每一个的能耗优先级别来选择性地控制不同的组件或其操作或为不同的组件或其操作供电。提供过程500作为示例。在各种示例实施例中，当从所有环境能源产生的电力不足时，传感器设备100还可以被配置为保持空闲或者从能量存储设备270(例如，电容器)或电池280(如果存在)汲取电力，直到足够的环境能量变得可用。在传感器设备的活动运行状态期间，传感器设备100的电源系统250可以将从环境能量收集的任何多余能量转移并存储到能量存储设备270。
此外，如果存储器容量有限(例如，有限的闪存/寄存器存储器)，则传感器数据可以保持缓冲，并且可以被新数据覆写。在正常运行状态下，传感器设备100可以以规则的间隔来连续评估智能模块操作所需的可用能源。如果可用，则传感器设备100可以根据环境动态地分配(多个)输入能源。如果从初始选择的(多个)能源开始在环境中保持足够的能量可用，该足够的能量足以满足传感器设备100的能量需求的总和，则传感器设备100可以被配置为不切换能源。
图6是示出示例过程600的流程图，通过过程600，使用环境能源和备用电池对传感器设备(诸如图1和图2中的传感器100)进行供电和操作。出于解释的目的，下面参考图2中的传感器设备100及其组件来讨论过程 600。
过程600实施与图5的过程500中类似的操作，除了当通过环境能源可用的电力不足时，备用电池可以在某些情况下用于为传感器设备100的组件或操作供电。在该示例中，来自备用电池的电力可以在关键情况下使用，例如，用于关键传感器数据或者当(多个)远程设备(例如，图1中的BMS和 /或其他系统)需要传感器数据时的紧急情况。
图6中过程600的参考标记602、604、606、608、610、612、614、616、 618和620分别与图5中过程500的参考标记502、504、506、508、510、 512、514、516、518和520相同或相似(如上所述)，除了如果对于感测操作或感测设备100的其他基本操作没有足够的可用电力(诸如根据从环境能源收集的能量而产生的电力)，则过程600从参考标记606前进到参考标记630。
在参考标记630处，处理器202控制或使得控制器200的电源管理系统 206使用来自备用电池(例如，电池280)的电力为感测设备100的感测操作或其他基本操作供电。在感测操作中，处理器202从传感器设备100的传感器210中的一个或多个读取传感器数据，或者根据从传感器210中的一个或多个读取的数据而生成传感器数据。在参考标记632处，处理器202控制或使得传感器数据被存储，诸如存储在本地存储器(例如，本地存储器230) 中。在参考标记634处，处理器202确定是否存在关键条件，例如，传感器数据是否是(多个)远程设备所需的关键数据，或者是否存在需要将传感器数据发送到(多个)远程设备(例如，图1中的BMS和/或其他系统)的紧急情况。如果不存在关键条件，则过程600返回到参考标记630。处理器202 可以周期性地或在触发事件或条件时返回到参考标记604，以检查(或确定) 通过环境能源的能量是否可用于为传感器设备100的一个或多个组件供电。例如，如果来自默认环境能源的可用电力达到阈值，则处理器202可以返回到参考标记604。处理器202可以检查来自能量存储设备270或者电源系统 250的能量收集设备260、262、264和266的电力可用性。
如果存在关键条件，则在参考标记636处，处理器202控制或使得通信设备220(其现在由备用电池供电)将传感器数据发送到(多个)远程设备。传感器数据还可以包括关键标志(例如，指示数据的关键性质的标识信息)。此后，过程600可以将传感器设备100关闭预定的时间段，或者将其关闭直到触发将传感器设备100重新开启的事件或条件，可以将传感器设备100置于空闲状态，或者可以在预定的时间段之后返回到参考标记604。
示例传感器设备模型
为了研究诸如传感器节点的商业传感器设备的能量需求，可以选择 MICA2MPR400微尘(mote)(无线节点和微尘可互换使用)，其工作在2.7V 至3.3V之间，由CrossbowTechnology,Inc.制造。使用GSP(Gossip-based Sleep Protocol，基于流言的睡眠协议)的具有传感器板的一个特定MICA2微尘在一小时内的总能耗为120.12J。这是对于诸如图3中的能量金字塔的基座的基本能量需求的示例。提出的传感器设备的设计，诸如无线传感器节点，可以适应作为低成本和低功率通信协议的ZigBee通信协议。对于三种类型的调制，ZigBee每节点操作可以分别汲取1.8mW、2.2mW和3.6mW。考虑汲取2.2mW的频移键控(FSK)调制，ZigBee层的能耗最终为7.92J(例如，对于图3的能量金字塔的中间层)。FSK调制是理想的，因为它能比其他调制更好地消除噪声和衰减。
能量金字塔的尖端被保留用于智能模块操作(例如，动态选择特征的操作)。智能模块可以被配置为一旦它感测到默认环境能源(例如，太阳能)的下降，就智能地识别环境能量的其他可用来源。这可以使提出的传感器设计成为大多数环境的理想选择，并利用最大可能的环境能量。例如，如果传感器设备不能从太阳辐射汲取电力，则它可以适配其能量收集设备(例如，接收器)以使用例如温度变化、RF或振动来进行激励。评估基本操作的能量需求，智能模块操作可能需要基本操作的百分之十(10％)的能量，例如12.012J。
提供了关于如何使用传感器设备设计来满足有源无线传感器节点的能耗的解释，该传感器设备设计采用嵌入在传感器主体中的环境能量接收器。在该示例设计中，所提出的传感器设备模型可以在其表面上具有在白天暴露于太阳辐射的嵌入式太阳能面板，并且可以使用太阳能来为设备的操作供电。如前所述，太阳能产出的典型功率密度是100mW/cm2。传感器节点可以具有金字塔形外壳(例如，图4)，其具有2700mm2的工作表面(在一侧)以及可用表面积总计为10800mm2(或108cm2)的四个表面。因此，嵌在传感器上的太阳能面板将暴露于总计100mW/cm2*108cm2＝10800mW的功率。因为工业面板可以具有10％～15％的平均效率；可以假设典型功率产出将是 1080mW＝1.08W。因此，一小时的能量输入将是1.08W*3600sec＝3888J，这远高于每小时的能耗(例如，超过27倍)。在没有太阳能的情况下，传感器设备可以动态地感测并选择环境能量的其他可用来源来为传感器设备的操作供电。
住宅和商业建筑是城市的主要组成部分。监测良好的建筑通常更高效，因此更可持续。本公开的传感器设备可以提供环境无线建筑传感器，以改善对建筑或其他结构的监测。当传感器设备位于风险区域时，该传感器设备可以通过无电池设计提供增加的环境效益和经济效益，同时提供安全的替代方案。传感器设备的设计能够使无线传感器设备在净零能量(实际上是净正能量)模式下工作，提供了一种经济且可行的绿色解决方案或影响，这种解决方案或影响可以用于城市和其他都市环境。
应当理解，上述设备、系统和方法是作为示例提供的。诸如图1中的各种系统可以包括(多个)处理器、存储器、通信设备和其他组件，以提供或控制设施10中提供的服务。尽管如本文所述，传感器设备100可以用在设施中，但是它也可以用在其他设定中以感测(多个)环境条件。
还应当理解，本文公开和教导的示例实施例容易受到许多不同的修改和替代方案的影响。因此，单数术语的使用，诸如但不限于“一个”等，并不旨在限制项目的数量。
应当理解，结合所公开的实施例的各方面的实际的、真实的商业应用的开发将需要许多实施方式特定决策来实现开发者对于商业实施例的最终目标。这种实施方式特定决策可以包括，并且很可能不限于，遵守系统相关的、商业相关的、政府相关的和其他的约束，这些约束可以随具体的实施方式、位置和时间而变化。尽管开发者的努力在绝对意义上可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域技术人员来说，这种努力仍然是常规任务。
使用本文提供的描述，通过使用标准编程和/或工程技术来产生编程软件、固件、硬件或其任意组合，可以将示例实施例实施为机器、过程或制品。
具有计算机可读程序代码的任何产生的(多个)程序可以体现在一个或多个计算机可用介质上，诸如驻留存储器设备、智能卡或其他可移动存储设备或传输设备，从而制造根据实施例的计算机程序产品或制品。因此，本文使用的术语“制品”和“计算机程序产品”旨在涵盖永久或临时存在于任何计算机可用介质上的计算机程序，或传输这种程序的任何传输介质中的计算机程序。
如上所述，存储器/存储设备可以包括但不限于，磁盘、固态驱动器、光盘、可移动存储器设备(诸如智能卡、SIM、WIM)、半导体存储器(诸如 RAM、ROM、PROM等)。传输介质包括但不限于经由无线通信网络(例如，射频(RF)通信、互联网、内联网、基于电话/调制解调器的网络通信、硬连线/有线通信网络、卫星通信和其他固定或移动网络系统/通信链路)的传输。
尽管已经图示和描述了本公开的特定实施例和应用，但是应当理解，本公开不限于本文公开的精确构造和组成，并且在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的情况下，各种修改、改变和变化可以从前述描述中显而易见。

Claims (23)

1.一种传感器设备，包括：
一个或多个传感器，用于感测一个或多个环境条件；
电源系统，包括多个能量收集设备，所述能量收集设备用于从多个环境能源中收集能量来为所述传感器设备的一个或多个组件供电；
存储器，用于存储由所述一个或多个传感器感测的与一个或多个环境条件相关联的传感器数据；
通信设备，用于将所述传感器数据发送到远程设备；和
一个或多个处理器，被配置为：
根据来自所述环境能源的能量的可用性和/或所述一个或多个组件的能耗需求，从所述环境能源中动态地选择一个或多个能源来为所述传感器设备的一个或多个组件供电；和
控制对所述传感器设备的一个或多个组件的电力的供应。
2.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，为了动态地选择，所述一个或多个处理器被配置为：
确定为所述一个或多个组件供电的能耗需求；
确定来自环境能源中的每一个的可用能量；和
基于所确定的能耗需求和所确定的可用能量从所述环境能源中选择一个或多个能源。
3.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述一个或多个处理器被配置为根据要执行的操作的能耗优先级别和来自所选择的能源的能量的可用性，选择性地控制从所述电源系统到所述一个或多个传感器、所述存储器、所述通信设备和所述一个或多个处理器的可用电力的供应。
4.根据权利要求3所述的传感器设备，还包括：
其中，所述一个或多个处理器包括：控制器的第一处理器，被配置为实施所述一个或多个传感器的感测操作；和独立智能模块的第二处理器，被配置为从所述环境能源中动态地选择一个或多个能源，所述可用电力以从较高能耗优先级别到较低能耗优先级别的以下顺序被供应给传感器设备的组件：(1)供应给所述第一处理器、所述一个或多个传感器和所述存储器以执行感测操作，(2)供应给所述第一处理器和所述通信设备以执行通信操作，以及(3)供应给所述第二处理器以执行动态选择操作。
5.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述一个或多个处理器还被配置为：
当来自所述环境能源的可用能量不足以为所述通信设备供电时，使得所述传感器数据存储在所述存储器中。
6.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述一个或多个处理器还被配置为：
当来自所述环境能源的可用能量足以为所述通信设备供电时，使得所述传感器数据经由所述通信设备发送到远程设备。
7.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述电源系统还包括电池，所述一个或多个处理器还被配置为当来自所述环境能源的能量不足以为所述一个或多个组件供电时，使得电力从所述电池供应到从所述一个或多个传感器、所述处理器、所述存储器、所述通信设备和所述一个或多个处理器中选择的一个或多个组件。
8.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，至少一个所述能量收集设备包括所述一个或多个传感器中的传感器。
9.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述环境能源至少包括太阳能、振动能、热能或射频能。
10.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述能量收集设备至少包括收集太阳能的太阳能换能器、收集电磁能的电磁能换能器、收集热能的热能换能器和收集振动能的压电换能器。
11.根据权利要求1所述的传感器设备，还包括：
金字塔形外壳，用于容纳所述一个或多个传感器、所述电源系统、所述存储器和所述一个或多个处理器。
12.根据权利要求11所述的传感器设备，其中，所述能量收集设备中的一个或多个形成为连接在所述金字塔形外壳的表面上或上方的薄膜，所述金字塔形外壳将一个或多个空腔包括在其中，以支撑所述电源系统、所述通信设备、所述存储器和所述一个或多个处理器的至少一部分。
13.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述电源系统还包括：能量存储设备，用于存储从所述能量收集设备收集的能量。
14.一种使用多个环境能源为传感器设备供电的方法，所述传感器设备具有一个或多个组件，所述一个或多个组件包括被配置为感测环境条件的至少一个传感器，所述方法包括：
根据来自所述环境能源的能量的可用性和/或所述一个或多个组件的能耗需求，从所述环境能源中动态地选择一个或多个能源来为所述传感器设备的一个或多个组件供电；
从所选择的一个或多个能源收集能量；以及
向所述传感器设备的一个或多个组件供应从所收集的能量产生的电力。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述动态地选择包括：
确定为所述一个或多个组件供电的能耗需求；
确定来自环境能源中的每一个的可用能量；和
基于所确定的能耗需求和所确定的可用能量，从所述环境能源中选择一个或多个能源。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述传感器设备具有两个或更多个组件，所述方法还包括：
根据要由所述传感器设备执行的操作的能耗优先级和来自所选择的一个或多个能源的能量的可用性，选择性地为所述传感器设备的两个或更多个组件中的每一个组件供电。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述传感器设备的所述两个或更多个组件至少包括处理器、存储器、所述传感器、通信设备和智能模块，所述智能模块被配置为从所述环境能源中动态地选择一个或多个能源，根据来自所选择的能源的能量的可用性、以从较高能耗优先级别到较低能耗优先级别的以下顺序选择性地为所述两个或更多个组件供电：(1)为所述传感器、所述处理器和所述存储器供电以执行感测操作(2)为所述处理器和所述通信设备供电以执行通信操作，以及(3)为所述智能模块供电。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
存储由所述传感器感测的与环境条件相对应的传感器数据，
其中，当来自所述环境能源的可用能量不足以为所述传感器设备的通信设备供电时，存储所述传感器数据，所述通信设备被配置为将感测设备发送到远程设备。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
经由所述传感器设备的通信设备将由所述传感器感测的与环境条件相对应的传感器数据发送到远程设备，
其中，当来自所述环境能源的可用能量足以为所述通信设备供电时，发送所述传感器数据。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述传感器设备还包括电池，所述方法还包括：
当来自所述环境能源的能量不足以为所述传感器设备的一个或多个组件供电时，从所述电池向所述传感器设备的一个或多个组件供应电力。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，使用所述传感器设备的传感器来收集来自所述环境能源之一的能量。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述环境能源包括太阳能、振动能、热能和射频能。
23.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将所述传感器设备的一个或多个组件容纳在金字塔形外壳中。
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