CN114729827A - 用于生成电源管理数据的传感器 - Google Patents

Abstract

一种具有控制单元的传感器，该传感器被配置为分析传感器可用的数据，尤其分析传感器的测量数据，以生成电源管理数据，其中，电源管理数据被配置为用于从传感器的无线模块(103)的多个可用省电模式中选择省电模式，且/或用于控制传感器的测量间隔的时间，且/或用于传感器的电源管理。

Description

用于生成电源管理数据的传感器

技术领域

本发明涉及过程自动化，尤其是工业环境中的过程自动化。特别地，本发明涉及特别是自学习传感器的传感器、用于这种传感器的控制单元、具有一个或多个这种传感器的测量系统、用于测量间隔的可能自学习规划以及用于传感器的可能自学习电源管理的方法、程序元件、计算机可读介质以及计算单元在测量系统中的使用。

背景技术

在工业环境中的过程自动化中，使用诸如填充物位传感器、极限物位传感器、压力传感器或流量传感器等传感器。为了节省能量，这些传感器会周期性地或根据固定的时间模式开启，并触发测量过程。此后，传感器再次关闭或进入低能量(低功率)待机模式。

发明内容

本发明的目的是减少传感器的能量需求。

该目的通过独立专利权利要求的特征来实现。本发明的改进示例在从属权利要求和实施例的以下说明中得出。

本公开的第一方面涉及一种可能自学习的传感器，该传感器具有控制单元，该控制单元被配置为分析传感器可用的数据，尤其分析传感器的测量数据和/或其它数据，以生成电源管理数据。电源管理数据被配置为用于从多个可用省电模式中选择传感器的无线模块的省电模式且/或用于控制传感器的测量间隔的时间且/或用于传感器的电源管理。

应该将术语“控制单元”广义地解释。控制单元可以是连贯单元(

Einheit)；然而，它也可以分散地布置在传感器和/或其环境中，例如云端中。例如，控制单元是具有处理器的电路。

根据一实施例，多个可用省电模式包括节能模式(PSM：Power Saving Mode)。

根据一实施例，多个可用省电模式包括扩展不连续接收(eDRX：extendeddiscontinuous reception)模式。

根据一实施例，多个可用省电模式包括停用无线模块。

根据一实施例，控制单元被配置为在分析传感器可用的数据时并且在从多个可用省电模式中选择省电模式时，考虑在运行省电模式时所需的能量。

根据一实施例，控制单元被配置为在分析传感器可用的数据时并且在从多个可用省电模式中选择省电模式时，考虑在必须再次进行通信之前省电模式中的最大允许持续时间。

根据一实施例，控制单元被配置为在分析传感器可用的数据时并且在从多个可用省电模式中选择省电模式时，考虑通信网络中的重新注册或重新拨入所需的能量。

根据一实施例，控制单元被配置为在分析传感器可用的数据时并且在从多个可用省电模式中选择省电模式时，考虑诸如温度、无线电信道的利用或传感器的移动等外部影响。

根据一实施例，控制单元被配置为在分析传感器可用的数据时并且在从多个可用省电模式中选择省电模式时，考虑当前测量的频率。

根据一实施例，传感器可用的数据还包括相邻传感器的测量数据、传感器或外部传感器系统的环境数据、位置数据和/或方位数据、诸如泵等外部执行器的信号、外部控制器或移动终端的信号和/或日历条目、关于公共假期、非工作日或例如预计要填充容器时的时间的信息。

根据另一实施例，控制单元被配置为基于对传感器可用的数据的分析来降低或提高特定时间间隔内的未来测量间隔的频率。例如，如果控制单元在其分析期间得出在未来的特定时间间隔内例如由于容器中的填充物位保持恒定而预计测量数据不会发生变化的结论，则可以减少该时间间隔内的测量间隔的数量，或者甚至将其设定为零。然而，如果控制单元得出在未来的特定时间间隔期间例如由于填充或清空容器而预计测量数据很可能发生变化的结论，则该控制单元可以提高该时间间隔内的测量间隔的频率。

根据另一实施例，控制单元被配置为基于对传感器可用数据的分析，确定在预期传感器的测量数据发生变化时的第一时间间隔，并且将一个或多个未来的测量间隔规划在该第一时间间隔内。为此，可以进行快速、节能且不太准确的预测量，以识别填充物位是否可能已经改变，从而为控制器生成附加数据。

根据另一实施例，控制单元被配置为基于对传感器可用数据的分析，确定在预期传感器的测量数据不会发生变化时的第二时间间隔，并且减少被规划在该第二时间间隔内的未来测量间隔的数量。

根据另一实施例，控制单元被配置为基于对传感器可用数据的分析，根据在特定时间间隔内预期的测量数据的变化率来调节该时间间隔内的未来测量间隔的频率。例如，如果控制单元可以得出预期的变化率相当高的结论，则进一步提高该时间间隔内的未来测量间隔的频率，反之亦然。

根据另一实施例，可能自学习的传感器具有内部储能器并被配置为自给式运行。

特别地，可以设置无线电接口，通过该无线电接口，可能自学习的传感器可以与外部控制单元或外部计算单元通信。传感器可被配置为在特定的时间将测量数据传输到这种外部单元。

在这种情况下，外部单元可以接管分析任务或至少部分分析任务，并然后将其单独的、新的电源管理数据加载到传感器。

特别地，外部单元可以与大量传感器通信并从它们收集数据。外部单元还可以收集诸如日历条目等其它数据，并然后从这些数据为每个单独的传感器生成自己的电源管理数据，然后将该电源管理数据加载到传感器。该过程可以以自学习和自动的方式实施，从而使传感器逐渐节省越来越多的能量，并且(换句话说)不再执行“不必要的”测量或不断降低这些不必要的测量的时间。在这种情况下，“不必要的”测量特别是指例如由于填充物位未改变或其仅非常缓慢地改变，而不会导致与先前的测量结果相比发生变化的新测量结果。

特别地，可能自学习的传感器可以被配置为用于工业环境中的过程自动化。

例如，传感器可以是填充物位传感器、极限物位传感器、流量传感器或压力传感器。特别是雷达传感器、超声波传感器、放射性测量传感器、振动传感器、电容传感器或传导传感器。

另一方面涉及一种用于可能自学习的传感器的控制单元，该控制单元被配置为分析传感器可用的数据，尤其分析传感器的测量数据，以生成电源管理数据，其中，该电源管理数据被配置为用于从多个可用省电模式中选择传感器的无线模块的省电模式且/或用于控制传感器的测量间隔的时间且/或用于传感器的电源管理。

特别地，控制单元可以被布置成远离传感器并且可以通过有线接口或无线电接口与该传感器交换数据。

本公开的另一方面涉及一种测量系统，其被配置为自主生成电源管理数据，以用于测量间隔的可能自学习的控制和传感器的自学习电源管理。测量系统具有一个或多个如上和如下所述的自学习传感器以及如上和如下所述的控制单元和/或如上和如下所述的计算单元，该计算单元被配置为存储电源管理数据并将存储的电源管理数据传递到测量系统的新传感器。

当将新的传感器添加到测量系统中时，该传感器可以在运行时自动从计算单元或控制单元下载其单独的电源管理数据。在这种情况下，单独传感器可以相对微弱地构造，并在最简单的情况下，只能执行导入的电源管理数据中包含的控制命令并进行相应的测量，并且在特定时间将测量结果传输到外部单位。

本公开的另一方面涉及一种用于测量间隔的可能自学习的规划且用于传感器的可能自学习的电源管理的方法，在该方法中，分析传感器可用的数据，尤其分析传感器的测量数据，以生成电源管理数据，其中，该电源管理数据被配置为用于从多个可用省电模式中选择传感器的无线模块的省电模式且/或用于控制传感器的测量间隔的时间且/或用于传感器的电源管理。

另一方面涉及一种程序元件，当其在可能自学习的传感器的控制单元或如上和如下所述的计算单元上执行时，该程序元件指示控制单元或计算单元执行上述步骤。

另一方面涉及一种存储有上述程序元件的计算机可读介质。

另一方面涉及计算单元在测量系统中的使用，该计算单元用于存储电源管理数据并将存储的电源管理数据传递到测量系统中的新传感器。

术语“工业环境中的过程自动化”可以理解为技术的一个子领域，其包含无人工参与的操作机器和设备的所有措施。过程自动化的一个目标是在化学、食品、制药、石油、造纸、水泥、航运或矿业领域中使工厂的各个部件的交互自动化。为此，可以使用大量的传感器，这些传感器特别适用于过程工业的诸如机械稳定性、对于污染物的不敏感性、极端温度、极端压力等特定要求。通常将这些传感器的测量值传送到控制室，在该控制室中可以监测诸如填充物位、极限物位、流量、压力或密度等过程参数，并且可以手动或自动更改整个工厂的设置。

工业环境中的过程自动化的一个子领域涉及物流自动化。在物流自动化领域中，借助于距离传感器和角度传感器使建筑物内或单个物流设备内的过程自动化。典型的应用是例如用于以下领域的物流自动化系统：机场的办理行李和货物托运处理领域、交通监控领域(收费系统)、贸易领域、包裹配送或还有建筑物安全(访问控制)领域。先前列出的示例的共同点在于，各个应用端都需要将存在检测与对象大小和位置的精确测量结合起来。为此，可以使用借助于激光、LED、2D相机或3D相机的基于光学测量方法的传感器，这些传感器根据渡越时间原理(ToF：time of flight)检测距离。

工业环境中的过程自动化的另一子领域涉及工厂/制造自动化。在诸如汽车制造业、食品制造业、制药业或一般包装行业等许多行业中，都可以见到这种应用示例。工厂自动化的目的是使通过机器、生产线和/或机器人执行的货物生产自动化，即，在没有人工参与的情况下运行。在此使用的传感器以及在检测对象的位置和大小时对于测量精度的特定要求与上述物流自动化示例中的传感器和特定要求相当。

例如，可以将程序元件加载和/或存储在诸如数据处理器等数据处理装置的主存储器中，其中，数据处理装置也可以是本发明的实施例的一部分。该数据处理装置可被配置为执行上述方法的方法步骤。数据处理装置也可被配置为自动执行计算机程序或方法且/或执行来自用户的输入。计算机程序也可以通过诸如因特网等数据网络来提供，并且从这种数据网络下载到数据处理装置的主存储器中。计算机程序还可以包括对现有计算机程序的更新，由此使现有计算机程序能够执行例如上述方法。

特别地，计算机可读(存储)介质可以但不一定是特别适合于存储和/或分发计算机程序的非易失性介质。计算机可读存储介质可以是与其它硬件一起提供或作为其一部分提供的CD-ROM、DVD-ROM、光学存储介质、固态介质等。补充或替代地，计算机可读存储介质还可以以其它形式分发或销售，例如通过诸如互联网或其它有线或无线电信系统等数据网络。为此，例如可将计算机可读存储介质实施为一个或多个数据包。

下面将参考附图来说明其它实施例。附图中的图示是示意性的，并且未按比例绘制。如果在以下附图说明中使用了相同的附图标记，则这些附图标记表示相同或相似的元件。

附图说明

图1示出了两个传感器的测量间隔的时间图。

图2示出了测量间隔的另一时间图。

图3示出了自学习传感器的可能数据源的示例的概述。

图4示出了根据一实施例的测量系统。

图5示出了根据一实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了在自学习过程之前传感器的测量间隔(Messintervalle)105以及在上述利用智能电源管理的自学习过程期间或之后可能自学习的传感器的测量间隔106的时间图。

测量曲线107示出了由传感器检测的测量数据(例如，填充物位、压力或流速)的时间走向。物位在周一至周日的工作日中下降，并且从周五下午至周一早上保持不变。

“无经验”的传感器以固定的时间模式运行，在各个测量间隔105之间具有恒定的时间间距。这引起了密集能量消耗，并且能够导致对使用的电池或蓄能器的定期的、过早的更换。如果无法更换储能器，则这需要维护工作，或者甚至需要重新购买或重新安装传感器。

通过可能自学习的过程，传感器学会不根据固定的、严格的时间模式进行测量，而仅在有必要测量时才进行测量。因此，可以明显降低传感器的能耗。

以此方式，可以实现具有可能自学习的传感器的低维护和节能的传感器系统(测量系统)，其中，每个传感器计算或接收自己的电源管理数据，这些数据定期地适应于测量环境。

测量间隔106表明传感器已经“有经验”地学会了仅在测量数据也发生变化时的那些时间间隔内进行测量，即在曲线107具有斜率且等于零(因为填充物位下降)时进行测量。在平稳段期间不进行测量。

图2示出了测量间隔的时间分布的另一示例。在此，也只在填充物位下降时的时间间隔内进行测量。填充物位越低(尤其在星期五)，在清空期间就越频繁地进行测量，以便可以防止容器变空。

通过智能测量间隔和电源管理来触发测量。

因此，可以明显降低整个测量点的能耗。在非工作日或当储罐存储在料仓填料库时，不进行测量。

例如，可以通过以下数据生成可能自学习的测量间隔：

对自身的物位测量数据的分析(白天、夜间、休息时间、储罐容量(在罐装满时更少地测量)、清空过程(在小提取量时更少地测量))；

对来自传感器网络的测量数据的分析；

通过内部或外部传感器系统进行的分析(例如，环境数据、位置数据或方位数据)；

通过来自外部执行器(例如，泵)、控制器或移动终端的外部信号进行的分析；

对预定的设置或日历(例如，周末、公共假期、公司假期)的分析。

传感器可被配置为通过借鉴上述数据的经验独立地学习测量的最佳时间。

由此，可以延长电池寿命和/或传感器寿命。

传感器通过其自学习过程和越来越长的自学习时间而变得更加智能，并且更有效地节能。

传感器可以在填充物位发生不可预见的变化时相应地自动调节测量间隔的时间和长度以及该测量间隔中的测量频率。这方面的示例是临时的周六工作。在随后的星期六一直进行测量，直到星期六不再发生填充物位变化。

特别地，可以将传感器的经验值传输到客户的其它传感器。可以将一个/多个传感器的经验值本地存储或分散地存储在云端中以供进一步处理。通过智能测量间隔和电源管理触发测量的方式可以用于具有储能器的自给式传感器以及有线传感器。传感器可以是固定安装的或以可移动的方式使用。

用于生成智能测量间隔和电源管理的模块可以永久地集成在传感器中或用作现有测量点的扩展。

图3示出了用于可能自学习的传感器100的可能数据源的示例。

用于分析的传感器可用数据的可能数据源是传感器自身的数据，该数据例如是测量值、关于清空过程和填充过程的信息。

另一示例是外部数据存储器中可用的数据，例如云端中可用的数据。在这种情况下，该数据例如是日历条目、日历数据或来自其它传感器的数据。

另一示例是来自外部执行器的数据和信号(例如“泵正在运行”或“工厂控制”)。

另一示例是诸如温度、风、雨、雪等环境数据。

另一示例是位置和方位数据，例如关于以下内容的信息：传感器是水平还是垂直安装的，或容器是水平还是竖直放置的，或容器是在建筑工地还是在仓库中的。

另一示例是来自移动设备的数据，例如操作人员的存在或通过应用程序(App)发出的触发信号。

图4示出了测量系统，该测量系统具有多个可能自学习的传感器100、新传感器300、位于其中一个可能自学习的传感器中的控制单元101、位于可能自学习的传感器外部的另一控制单元101和中央处理单元200。

处理单元被配置为接收来自所有传感器的数据并集中地评估这些数据。此外，处理单元还可被配置为收集关于图3描述的数据并将其包括在分析内，以便为每个传感器生成单独的电源管理数据，然后可以将该电源管理数据传输到传感器。特别地，传感器100具有用于传输测量数据的无线模块103。

具有移动无线模块(用于例如“NB-IoT”、“LTE-M1”等的移动无线电调制解调器、移动无线电芯片)的自给式传感器100必须在第一次发送数据之前拨入网络运营商。在这种情况下，通过移动无线电桅杆进行与相应的网络运营商的数据连接和注册。只要设备被注册在网络中，就不需要再次拨入，由此节省了能量。在这种情况下，必须永久地向无线模块103供电，以便能够与无线电桅杆定期进行通信。

如果长时间不需要数据通信，可以将无线模块设置为省电模式(例如，eDRX、PSM等)，由此可以将无线模块所需的功率从几毫安降低到几毫安微安。在这些模式中，也无需再次拨入蜂窝网络。

因此，在自给式传感器的情况下，明显提高了电池寿命。在电网供电(230V)的或通过接口(4-20mA)供电的传感器的情况下，降低了功率消耗。

如果很长时间不需要传感器100，则有利的是，完全停用无线模块103，以便节省省电模式中的几微安的电力需求。然而，由此使得必须在发送数据之前重新在蜂窝网络中注册。

自给式传感器通常仅在指定的时间通过移动通信发送数据。例如，在工作日从上午8:00到下午4:00每两小时发送一次。然而，在晚上和周末，不发送或仅每八小时发送一次。因此，有利的是，在长时间的空闲时段关闭或停用移动无线模块。

在决定使用或关闭哪一种省电模式时可以考虑以下因素中的一个或多者。不仅可以考虑因素的当前值，还可以考虑一个/多个历史/旧值以及未来可预期的值：

1.可用省电模式(eDRX、PSM等)

2.各个省电模式所需的能量；这可以在操作期间测量/确定，或者是预期值(默认值)。

3.所使用的移动通信技术(NB-IoT、LTE-M1等)。

4.省电模式中的期望/规划的时间。

5.各个省电模式中在必须再次进行通信之前的最大允许持续时间(由网络运营商确定)。

6.用于通信的频段(要使用的频段是否已知？拨号测试的频段数量；不同频段的不同功率要求)。

7.新注册/拨入所需的能量(在操作期间测量/确定；预期值(默认值)；简而言之，在此可以使用拨入过程所需的时间(测量或预定))。

8.拨入期间的传输功率。

9.移动无线电链路的接收质量。

10.哪种省电模式更有利于电源？电源是否针对省电模式中的低功率需求进行设计或者是否高效(效率)？是否能够例如防止锂亚硫酰氯电池的钝化？

11.外部影响，例如温度、无线电信道的利用、传感器的移动和与此相关的无线电单元变化。传感器目前是否在移动？传感器是否可能或肯定会移动？

上面列出的因素也可以改变对要使用的省电模式(eDRX、PSM等)的选择。

因此，提供了一种方法，该方法用于在选择省电模式或停用移动无线模块时做出决策，以优化自给式传感器的运行时间或降低持续供电型传感器的功耗。

例如，对控制单元101进行如下编程：在工作日的8:00至16:00，每两小时通过移动无线电发送一次数据。在工作日的16:00至8:00，每四小时发送一次数据。在周末和公共假期，数据发送之间的节律是八小时。

通过使用多个上述因素，传感器和控制单元计算出了两小时节律中的省电模式PSM具有能量上的优势。在四小时的节律下，设备以省电模式eDRX运行。在发送中断六小时之后，停用无线模块，以节省数微安的静态电流。

图5示出了根据实施例的方法的流程图。在步骤501中，收集各种数据。在步骤502中，集中分析这些数据(或由传感器分析这些数据)，并且在步骤503中，从中生成电源管理数据。这些电源管理数据具有用于从多个可用省电模式中选择无线模块的省电模式且/或用于控制传感器的测量间隔的时间且/或用于传感器的电源管理的命令。

此外，应注意，“包括”和“具有”不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。此外，应注意，已经参考其中一个上述示例性实施例所述的特征或步骤也可以与上述其它示例性实施例的其它特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被解释为限制。

Claims (16)

1.一种传感器(100)，其包括：

控制单元(101)，其被配置为分析所述传感器可用的数据，尤其分析所述传感器的测量数据，以生成电源管理数据；

无线模块(103)，其被配置为传输测量数据；

其中，所述电源管理数据被配置为用于从多个可用省电模式中选择所述无线模块(103)的省电模式，且/或用于控制所述传感器的测量间隔的时间，且/或用于所述传感器的电源管理。

2.根据权利要求1所述的传感器(100)，

其中，所述多个可用省电模式包括节能模式，即PSM。

3.根据前述任一项权利要求所述的传感器(100)，

其中，所述多个可用省电模式包括扩展不连续接收模式，即eDRX模式。

4.根据前述任一项权利要求所述的传感器(100)，

其中，所述多个可用省电模式包括停用所述无线模块(103)。

5.根据前述任一项权利要求所述的传感器(100)，

其中，所述控制单元(101)在分析所述传感器可用的所述数据时并且在从所述多个可用省电模式中选择所述省电模式时，考虑在运行所述省电模式时所需的能量。

6.根据前述任一项权利要求所述的传感器(100)，

其中，所述控制单元(101)在分析所述传感器可用的所述数据时并且在从所述多个可用省电模式中选择所述省电模式时，考虑在必须再次进行通信之前所述省电模式中的最大允许持续时间。

7.根据前述任一项权利要求所述的传感器(100)，

其中，所述控制单元(101)在分析所述传感器可用的所述数据时并且在从所述多个可用省电模式中选择所述省电模式时，考虑通信网络中的重新注册或重新拨入所需的能量。

8.根据前述任一项权利要求所述的传感器(100)，

其中，所述控制单元(101)在分析所述传感器可用的所述数据时并且在从所述多个可用省电模式中选择所述省电模式时，考虑外部影响，所述外部影响例如为温度、无线电信道的利用或所述传感器的移动。

9.根据前述任一项权利要求所述的传感器(100)，

其中，所述控制单元(101)在分析所述传感器可用的所述数据时并且在从所述多个可用省电模式中选择所述省电模式时，考虑当前测量的频率。

10.一种用于传感器(100)的控制单元(101)，所述控制单元被配置为分析所述传感器可用的数据，尤其分析所述传感器的测量数据，以生成电源管理数据；

其中，所述电源管理数据被配置为用于从所述传感器的无线模块(103)的多个可用省电模式中选择省电模式且/或用于控制所述传感器的测量间隔的时间且/或用于所述传感器的电源管理。

11.根据权利要求10所述的控制单元(101)，

其中，所述控制单元(101)被布置成远离所述传感器(100)。

12.一种测量系统，其被配置为自主生成用于控制测量间隔并用于传感器(100、300)的电源管理的电源管理数据，所述测量系统包括：

根据权利要求1至9中任一项所述的传感器(100)；

根据权利要求10或11中任一项所述的控制单元(101)和/或计算单元(200)，所述控制单元和所述计算单元均被配置为存储所述电源管理数据，并将存储的所述电源管理数据传递到所述测量系统的新传感器(300)。

13.一种用于规划测量间隔并用于传感器(100)的电源管理的方法，所述方法包括以下步骤：

分析所述传感器可用的数据，尤其分析所述传感器的测量数据，以生成电源管理数据；

其中，所述电源管理数据被配置为用于从所述传感器的无线模块(103)的多个可用省电模式中选择省电模式，且/或用于控制所述传感器的测量间隔的时间，且/或用于所述传感器的电源管理。

14.一种程序元件，当所述程序元件在传感器(100)的控制单元(101)或计算单元(200)上执行时，所述程序元件指示所述控制单元或所述计算单元执行以下步骤：

分析所述传感器可用的数据，尤其分析所述传感器的测量数据，以生成电源管理数据；

其中，所述电源管理数据被配置为用于从所述传感器的无线模块(103)的多个可用省电模式中选择省电模式，且/或用于控制所述传感器的测量间隔的时间，且/或用于所述传感器的电源管理。

15.一种存储有根据权利要求14所述的程序元件的计算机可读介质。

16.计算单元(200)在根据权利要求12所述的测量系统(1000)中的使用，所述计算单元用于存储所述电源管理数据并将存储的所述电源管理数据传递到所述测量系统的新传感器(300)。

Images