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Die
Erfindung betrifft ein autarkes System sowie ein Verfahren zum Betrieb
eines autarken Systems.
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Als
autarke Systeme werden Systeme bezeichnet, die eigenständig betrieben
werden können. Das
bedeutet, dass sie beispielsweise ohne Anschlusskabel für die Versorgung
mit elektrischer Energie auskommen. Ein Beispiel für ein autarkes
System ist ein batteriebetriebener Gassensor. Ein weiteres Beispiel
für ein
autarkes System ist ein Anzeigeelement, das über eine Solarzelle betrieben
wird. Ein drittes Beispiel für
ein autarkes System ist ein RFID-Chip (RFID = radio frequency identification), der
mittels des sogenannten „Energy
Harvesting", d. h.
dem Bezug von Energie aus der Umgebung, betrieben wird.
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Eines
der Hauptprobleme bei autarken Systemen besteht in der Energieversorgung über einen möglichst
langen Zeitraum. Unabhängig
davon, wie die Energie bezogen oder erzeugt wird, ist es sehr wichtig,
möglichst
sparsam damit umzugehen, um einen möglichst langen Aktivitätszeitraum
oder eine möglichst
lange Lebensdauer des autarken System zu erreichen.
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Zur
Minimierung des Energieverbrauchs werden bei autarken Systemen gewöhnlich alle
oder wenigstens ein Teil der zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht
benötigten
Bestandteile des autarken Systems abgeschaltet. Alternativ können nicht
benötigte
Bestandteile des Systems wenigstens in einen Energiesparmodus versetzt
werden.
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Bestimmte
autarke Systeme müssen
Messergebnisse oder andere Informationen einem anderen System, beispielsweise
einem RFID-Reader (Lesegerät),
mitteilen. Da das autarke System keine Kabelverbindung aufweist,
muss die Information anderweitig übermittelt werden. Dazu dient
gewöhnlich eine
Funk schnittstelle. Beispiele für
solche Schnittstellen sind WLAN, ZigBee und Bluetooth. Eine empfangsbereite
Funkschnittstelle stellt aber einen vergleichweise energiehungrigen
Stromverbraucher dar. So verbraucht eine heute verfügbare ZigBee-Funkschnittstelle
ca. 20 mA, während
eine typische Sensorelektronik beispielsweise lediglich 10 μA verbraucht.
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Daher
ist es üblich,
gerade die Funkschnittstelle nur nach Bedarf, also nur zeitweise überhaupt einzuschalten.
Dabei ist nachteilig, dass das autarke System in der Zeit, in der
der Empfänger
abgeschaltet ist, nicht nur nicht senden kann, sondern auch von außen nicht
angesprochen werden kann. Deshalb muss ein solches System selbst
in längeren
Pausenzeiten immer wieder aktiviert werden, um auf unvorhergesehene
Ereignisse reagieren zu können.
Der zeitliche Abstand zwischen den aktiven Phasen richtet sich dabei
nach der maximal zulässigen
Reaktionszeit in der jeweiligen Anwendung des autarken Systems.
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Eine
bekannte Lösung
hierfür
besteht darin, die Funkschnittstelle mit einer zusätzlichen
Aufweckschaltung zu versehen. Die Aufweckschaltung ist dabei so
ausgelegt, dass sie auf ein Funksignal hin nur in der Lage ist,
die eigentliche Funkschnittstelle oder das gesamte autarke System
aufzuwecken. Eine solche Aufweckschaltung kann wesentlich verbrauchsärmer realisiert
werden als die eigentliche Funkschnittstelle.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, Möglichkeiten
anzugeben, mit denen ein autarkes System, das über eine Aufweckschaltung verfügt, flexibler
gestaltet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein autarkes System mit den Merkmalen von Anspruch
1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines autarken Systems mit den
Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Das
autarke System weist wenigstens ein elektronisches Hauptsystem auf.
Das Hauptsystem ist derart ausgestaltet, dass es zwischen einem
aktiven Betriebszustand und einem Ruhebe triebszustand wechseln kann.
Im Ruhebetriebszustand benötigt
das Hauptsystem weniger Energie als im aktiven Betriebszustand.
Weiterhin weist das autarke System eine Aufweckeinrichtung auf,
die derart ausgestaltet ist, dass sie auf ein Aufwecksignal hin,
das das autarke System erreicht, das Hauptsystem veranlasst, in den
aktiven Betriebszustand zu wechseln. Dabei reagiert die Aufweckeinrichtung
auf akustische und/oder optische Signale, d. h. das Aufwecksignal ist
ein akustisches und/oder optisches Signal.
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Bei
dem Verfahren zum Betrieb eines autarken Systems kann ein elektronisches
Hauptsystem zwischen einem aktiven Betriebszustand und einem Ruhe-Betriebszustand
wechseln, wobei es im Ruhe-Betriebszustand weniger Energie benötigt als
im aktiven Betriebszustand. Weiterhin veranlasst eine Aufweckeinrichtung
auf ein akustisches und/oder optisches Aufwecksignal hin, das das
autarke System erreicht, das Hauptsystem, in den aktiven Betriebszustand
zu wechseln.
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Das
autarke System ist dabei ein solches System, dass keine kabelgebundene
Energieversorgung von außen
aufweist. Beispiele für
solche autarken Systeme sind sogenannte RFID-Tags (RFID = radio
frequency identification), wobei mit dem englischen Wort „tag" üblicherweise die Bauform in
Form eines kleinen Aufklebers oder Chips gemeint ist, oder ein energie-autarker Brandmelder.
Die Energieversorgung des autarken Systems kann über verschiedene Arten sichergestellt
werden. Beispielsweise können
in dem autarken System eine oder mehrere Batterien vorgesehen sein.
Weiterhin kann das autarke System seine Energie aus der Umgebung
beziehen, beispielsweise über
Solarzellen. Eine weitere Möglichkeit
der Energieversorgung stellt die Verwendung von über ein Funksignal eingestreuter
Energie dar. Die letzten beiden Möglichkeiten fallen unter das sogenannte
Energy Harvesting, d. h. das „Ernten" von Energie aus
der Umgebung.
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Das
elektronische Hauptsystem stellt eine Kombination aus verschiedenen
Komponenten dar, die beispielsweise der Daten verarbeitung, der Datenspeicherung,
der Kommunikation und/oder Messaufgaben dienen. Das Hauptsystem
ist in der Lage, einen Ruhebetriebszustand einzunehmen. Weiterhin kann
das Hauptsystem auch einen aktiven Betriebszustand einnehmen. Es
besteht weiterhin auch die Möglichkeit,
dass das Hautsystem eine Mehrzahl von verschiedenen Betriebszuständen einnehmen
kann. Die Betriebszustände
können
sich in dem Energieverbrauch des Hauptsystems während des Betriebszustands
oder auch in anderen Eigenschaften des Hauptsystems unterscheiden.
Im Ruhebetriebszustand benötigt
das elektronische Hauptsystem weniger Energie als im aktiven Betriebszustand.
Es ist zweckdienlich, wenn der aktive Betriebszustand so gestaltet
ist, dass das elektronische Hauptsystem und damit das autarke System
seine gedachten Aufgaben, beispielsweise das Messen von physikalischen
Größen und
die Weiterleitung der Ergebnisse, erfüllen können. Der Ruhebetriebszustand
wiederum ist so gestaltet, dass das elektronische Hauptsystem und
somit das autarke System möglichst
wenig Energie verbrauchen, um beispielsweise die Lebensdauer eines
auf dem autarken System befindlichen Energiespeichers zu erhöhen.
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Die
Aufweckeinrichtung ist derart mit dem elektronischen Hauptsystem
verbunden und derart ausgestaltet, dass sie auf ein Aufwecksignal
hin das Hauptsystem veranlassen kann und veranlasst, in den aktiven
Betriebszustand zu wechseln. Empfängt die Aufweckeinrichtung
ein Aufwecksignal, während das
Hauptsystem bereits im aktiven Betriebszustand ist, wird zweckmäßigerweise
nichts passieren.
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Das
Aufwecksignal, das ein akustisches und/oder optisches Signal ist,
kann aus einer beliebigen Quelle stammen. So ist es beispielsweise
denkbar, dass ein Auslesegerät,
das Daten vom autarken System auslesen will, dieses mit einem Lichtblitz
aktiviert. Es ist aber auch möglich,
dass das autarke System derart ausgestaltet und in einer derartigen Umgebung
eingesetzt wird, das Aufwecksignale ohne die explizite Steuerung
durch ein Gerät
auftreten. Ein Beispiel hierfür
ist, dass die Aufweckeinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie auf Geräusche oberhalb
einer Lautstärkeschwelle
reagiert, wobei ein solches Geräusch
beispielsweise durch das Öffnen
einer Türe
erzeugt wird.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Aufwecksignal
ein Ultraschallsignal ist. Beispielsweise kann ein Auslesegerät, das Daten
vom autarken System empfangen möchte,
dieses mit einem gezielten Ultraschallsignal in den aktiven Betriebszustand
versetzen, wobei das Ultraschallsignal für menschliche Ohren nicht hörbar und
somit auch nicht störend
ist.
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Alternativ
oder zusätzlich
dazu weist das Aufwecksignal ultraviolette und/oder infrarote Strahlung
auf.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der
Erfindung ist die Aufweckeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie
aus dem Aufwecksignal ausreichend Energie gewinnen kann, um das
Hauptsystem zu veranlassen, in den aktiven Betriebszustand zu wechseln.
Hierbei verwendet die Aufweckeinrichtung, also die Energie, die das
Aufwecksignal selbst trägt,
um genügend
Energie zu gewinnen, um den Wechsel im Betriebszustand des Hauptsystems
zu ermöglichen.
Hieraus entsteht der Vorteil, dass die Aufweckeinrichtung selbst
keine Energieversorgung benötigt,
so dass bei einem geringen Energieverbrauch des Hauptsystems im
Ruhebetriebszustand das autarke System für sehr lange Zeiten im Ruhebetriebszustand
bleiben kann, ohne dass ein möglicherweise
vorgesehener Energiespeicher des autarken Systems entleert wird.
Die Lebensdauer des autarken Systems wird also erhöht.
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Es
ist zweckmäßig, dass
das autarke System eine Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen
Datenübermittlung
aufweist.
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Eine
Vorteilhafte Ausgestaltung des autarken Systems besteht in einem
RFID-Tag, das vorzugsweise einen oder mehrere Sensoren aufweist.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 ein
autarkes Sensorsystem und ein Auslesegerät,
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2 schematisch
einen Betriebszyklus mit aktivem und Ruhebetriebszustand.
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Das
autarke Sensorsystem gemäß der 1 weist
ein elektronisches Hauptsystem HS, eine Antenne AN, eine Aufweckeinrichtung
AU sowie eine Batterie B auf. Weiterhin ist auf dem autarken Sensorsystem
ein Gassensor S vorgesehen.
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Das
autarke Sensorsystem RT ist dabei auf einem 10 cm2 großen Foliensubstrat
aufgebracht. Dieses Substrat erlaubt, das Sensorsystem beispielsweise
an der Wandung eines Frachtcontainers anzubringen. Dort ist es in
der Lage, mittels eines Gassensors S Daten über aus dem Container austretende
Gase zu liefern.
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Um
die Batterie B zu schonen und eine lange Betriebsdauer zu ermöglichen,
ist für
das Hauptsystem HS ein aktiver Betriebszustand sowie ein Ruhebetriebszustand
vorgesehen. Im aktiven Betriebszustand betreibt das Hauptsystem
HS den Gassensor S und liest von diesem Werte über die Gaszusammensetzung
der Umgebung aus. Diese Werte werden im Hauptsystem HS in einem
dort vorgesehenen Speicher gespeichert. Weiterhin wird die Antenne
AN vom Hauptsystem HS betrieben, so dass eine Kommunikation mit
einem externen Lesegerät
AG ermöglicht ist.
Diese Kommunikation umfasst dabei sowohl das Empfangen von Kontrollsignalen
vom externen Auslesegerät
AG als auch das Versenden von Antworten wie beispielsweise gespeicherten
Daten des Gassensors S.
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Im
Ruhebetriebszustand des Hauptsystems wird der Gassensor S sowie
die Antenne AN nicht betrieben. Das autarke System RT ist also im
Ruhebetriebszustand nicht in der Lage, Nachrich ten zu versenden
oder zu empfangen. Um besonders viel Energie zu sparen, ist im Ruhebetriebszustand
das Hauptsystem HS auch nicht in der Lage, den Empfang von Kontrollsignalen
des externen Auslesegeräts
AG zu erkennen oder zu verarbeiten.
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Im
Ruhebetriebszustand ist daher lediglich die Aufweckeinrichtung AU
aktiv. Die Aufweckeinrichtung AU weist einen Ultraschalldetektor
auf und reagiert auf Aufwecksignale in Form von Ultraschall. Die Aufweckeinrichtung
AU ist dabei nicht mit der Batterie B verbunden, sondern gewinnt
die nötige
Energie zum Aufwecken des Hauptsystems HS aus dem Ultraschallsignal
US selbst.
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Das
Schema gemäß 2 gibt
einen beispielhaften Zyklus aus aktivem und Ruhebetriebszustand
wider, den das autarke System RT durchläuft. In einer Ausgangssituation
befindet sich das autarke System RT in seinem Ruhebetriebszustand.
Das externe Auslesegerät
AG möchte
nun gesammelte Sensordaten vom autarken System RT auslesen. Es aktiviert
dazu seinen Ultraschallwandler USW, der einen kurzen Ultraschallpuls
US erzeugt. Dieser wird in einem ersten Schritt S1 vom Aufwecksystem
AU empfangen, wodurch das Hauptsystem HS in einem zweiten Schritt
S2 dazu veranlasst wird, in seinen aktiven Betriebszustand zu wechseln.
In einem dritten Schritt S3 wird nun vom Hauptsystem HS immer wieder
geprüft,
ob wieder in den Ruhebetriebszustand gewechselt werden soll. Hierfür gibt es
mehrere Möglichkeiten.
Zum einen kann das Hauptsystem HS in den Ruhebetriebszustand zurückkehren,
wenn es nach einer festlegbaren Zeitspanne keine Steuersignale mehr
vom externen Auslesegerät
AG empfangen hat. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, dass das Hauptsystem HS auf einen expliziten Befehl
des externen Auslesegeräts
AG wartet, mit dem das externe Auslesegerät AG dem autarken System RT
mitteilt, dass es jetzt in den Ruhebetriebszustand wechseln kann.
Ein solches Signal kann entweder über einen Funkkommunikationskanal
gegeben werden, der vom externen Auslesegerät AG sowie dem autarken System
RT im aktiven Betriebszustand benutzt wird, oder aber wiederum über das
Aufwecksystem AU, d. h. über
einen Ultraschallpuls US.
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Auch
eine Kombination der beiden Möglichkeiten
ist denkbar. Unabhängig
davon, welche dieser Möglichkeiten
genutzt wird, wechselt das autarke System RT in einem vierten Schritt
S4 in den Ruhebetriebszustand. Der Zyklus, der in 2 schematisch
dargestellt ist, kann nun von neuem durchquert werden.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 3 weist
das autarke System RT neben dem Hauptsystem HS eine Kommunikationseinheit
ZK auf, die zur Datenübermittlung
mittels ZigBee dient. Für
den Wechsel aus dem Ruhebetriebszustand in den aktiven Betriebszustand
ist eine Fotodiode P vorgesehen. Die Fotodiode P ist dabei mit einer
geeigneten elektronischen Verschaltung versehen, um das Hauptsystem
HS bei Empfang eines optischen Signals aufzuwecken. In diesem zweiten
Ausführungsbeispiel,
in dem das autarke System RT einfacher gestaltet ist als im ersten
Ausführungsbeispiel
zeichnet das Hauptsystem lediglich in einem Speicher auf, zu welchen
Zeiten es von der Fotodiode P aufgeweckt wurde. Hierzu ist im Hauptsystem HS
eine Uhr vorgesehen. Will ein externes Auslesegerät AG die
Daten des Hauptsystems HS auslesen, so aktiviert es das autarke
System RT über
einen Lichtpuls. Wird das autarke System RT beispielsweise in einem
unbeleuchteten Raum eingesetzt, um aufzuzeichnen, wann eine Türe dieses
Raums geöffnet
wurde, so reicht es aus, das autarke System RT zu aktivieren, indem
beispielsweise ein Licht in diesem Raum eingeschaltet wird. Ein
wesentlicher Unterschied zwischen dem zweiten Ausführungsbeispiel
und dem ersten Ausführungsbeispiel
besteht darin, dass im zweiten Ausführungsbeispiel das Hauptsystem
HS direkt in den Ruhebetriebszustand zurückkehrt, wenn von der Fotodiode
P kein Aufwecksignal mehr gegeben wird. Anders gesagt, bedeutet
das, dass das Hauptsystem HS nur so lange im aktiven Betriebszustand
verbleibt, wie die Fotodiode P ein Aufwecksignal empfängt, d.
h. solange Licht auf die Fotodiode P fällt.
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Diese
Art der Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn beispielsweise die Versorgung
des autarken Systems RT mit einer Solarzelle SZ erfolgt, die einen Speicherkondensator
SK, bei spielsweise eine sogenannte Goldcap, speist. Das autarke
System befindet sich in diesem Fall automatisch im Ruhebetriebszustand,
der sich durch einen geringen Energieverbrauch auszeichnet, wenn
kein Licht auf die Fotodiode und somit auch keines auf die Solarzelle
SZ fällt. Umgekehrt
befindet sich das Hauptsystem HS automatisch im aktiven Betriebszustand,
wenn Licht auf die Fotodiode P sowie auf die Solarzelle SZ fällt. Daraus
folgt für
das zweite Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 3,
dass die Solarzelle SZ in der Lage sein muss und derart ausgestaltet
sein muss, dass sie bei einer ausreichenden Beleuchtung des autarken
Systems RT, um das Hauptsystem HS in den aktiven Betriebszustand
zu versehen, auch aus dieser Beleuchtung genügend Leistung erzeugen zu können, um
das Hauptsystem HS und das gesamte autarke System RT zu versorgen.
Dies liegt daran, dass in diesem zweiten Ausführungsbeispiel für die Solarzelle
SZ keine Regenerationszeiten vorgesehen sind, in denen die Solarzelle
SZ aus einer Beleuchtung Energie in den Speicherkondensator SK einspeisen
könnte,
ohne dass gleichzeitig das Hauptsystem HS im aktiven Betriebszustand
ist.
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In
diesem zweiten Ausführungsbeispiel
ist das autarke System RT derart ausgestaltet, dass die Fotodiode
P sich auch der Energie aus dem Speicherkondensator SK bedienen
kann, um das Hauptsystem HS in den aktiven Betriebszustand zu versetzen,
d. h. aufzuwecken. Dadurch wird sichergestellt, dass auch schwacher
Beleuchtung der Fotodiode P diese in der Lage ist, das Hauptsystem
HS in den aktiven Betriebszustand zu versetzen.