DE102009056949B4

DE102009056949B4 - Verfahren zur Energieversorgung eines autonomen Sensormoduls

Info

Publication number: DE102009056949B4
Application number: DE200910056949
Authority: DE
Inventors: Jirka Klaue; Jan Müller
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2029-12-08
Also published as: DE102009056949A1

Abstract

Verfahren zur Energieversorgung eines autonomen Sensormoduls während des Empfangs von Daten, wobei dem Sensormodul (10) Energie und Daten gleichzeitig mittels Laserstrahlung (34) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieübertragung und Datenübertragung Laserstrahlung (34) unterschiedlicher Frequenzen verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieversorgung eines autonomen Sensormoduls während des Empfangs von Daten wobei dem Sensormodul Energie und Daten gleichzeitig mittels Laserstrahlung zugeführt werden sowie ein Sensormodul zur Durchführung dieses Verfahrens.
Für die Überwachung des Zustandes komplexer technischer Systeme, insbesondere in Luftfahrzeugen, Kraftfahrzeugen oder Raumfahrzeugen, können drahtlose Sensormodule verwendet werden, die im Allgemeinen aus einem Mikroprozessor mit Speicherbausteinen, einer Signalverarbeitungseinheit (z. B. einem Analog-Digitalwandler), einem Energiespeicher (z. B. Akkumulator) und einem Funksender/Funkempfänger zur drahtlosen Übertragung der von den Sensor gemessenen Werte an eine entfernte Zentrale bestehen. Für viele Anwendungen derartiger drahtloser Sensormodule ist es von Vorteil, wenn diese völlig autonom betrieben werden können, mit anderen Worten dass diese keine Leitungen zur Energieversorgung und auch keine austauschbaren Energiespeicher (z. B. Batterien) erfordern. Um trotzdem den autonomen Betrieb zu gewährleisten, ist es bekannt, Sensormodule mit Energieversorgungseinrichtungen zu versehen, die in der Umgebung vorhandene „Energie” (z. B. Motorvibrationen oder Temperaturdifferenzen) in elektrische Energie aufnehmen und umwandeln (sogenannte „energy harvester”). Die gewonnene Energie wird entweder dem Sensormodul zugeführt bzw. kann in einem Akkumulator zwischengespeichert werden.
Nutzbare Umgebungsenergie, die für den Betrieb des Sensormoduls benötigt wird, steht üblicherweise nur im laufenden Betrieb des Systems zur Verfügung. Beispielsweise bei Einsatz des Sensormoduls in einem in der Luft befindlichen Flugzeug können die Triebwerksvibrationen oder Temperaturdifferenzen zwischen Außenhaut und klimatisierter Kabine zur Energieversorgung herangezogen werden.
Für den Fall der Wartung eines drahtlosen Sensormoduls – z. B. beim Aufspielen eines Software-Updates, steht diese Umgebungsenergie im Allgemeinen nicht zur Verfügung, da die Triebwerke ausgeschaltet sind bzw. das Luftfahrzeug in einer Halle steht, wo kaum Temperaturdifferenzen zwischen Innenraum und Außenhaut zu erwarten sind. Das bedeutet, dass gerade bei der Wartung des Sensormoduls ausreichende elektrische Energie eventuell nicht zur Verfügung steht.
Aus der DE 10 2008 014 633 A1 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt mit einem Lichtstrahl, dessen Gleichstromanteil zur Energiegewinnung und der Wechselstromanteil zur Informationsübermittlung genutzt wird.
Die DE 100 47 225 C1 und die US 4 710 977 A offenbaren ebenfalls Datenübermittelungsverfahren, bei dem mittels Strahlung Energie übertragen wird, wobei durch Modulation der zur Energieübertragung verwendeten Strahlung digitale Daten übertragen werden können.
EP 2 116 854 A1 offenbart einen Hochspannungs-Stromsensor, bei dem die für den Sensorbetrieb erforderliche Energie über ein Magnetfeld bereitgestellt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Energieversorgung eines autonomen Sensormoduls während des Empfangs von Daten bereit zu stellen, das eine hohe Energieausbeute bei der Energiegewinnung aus der Strahlungsenergie ermöglicht
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, dass dem Sensormodul Energie und Daten mittels Laserstrahlung gleichzeitig zugeführt werden, da durch die Wahl hochfrequenter Laserstrahlung eine ausreichende Energie pro Zeiteinheit bereitstellt, um Sensormodule mit geringem Leistungsbedarf zu betreiben. Gleichzeitig können bei Modulation der Laserstrahlung Daten übertragen werden. Somit ist eine sichere, unterbrechungsfreie Energieversorgung, insbesondere für Software-Updates, für autonome Sensormodule möglich. Dies funktioniert auch bei zeitweiligem Ausfall der primären Energiequelle. Unter „gleichzeitiger” Zuführung von Energie und Daten wird auch ein Verfahren verstanden, bei dem zunächst für einen gewissen Zeitraum (insbesondere 1 bis 10 sek.) die Laserstrahlung nur zum Zweck der initialen Energieversorgung zugeführt wird und erst anschließend auch Daten übertragen werden. „Gleichzeitig” bedeutet also nicht, dass stets immer sowohl Daten als auch Energie übertragen wird. Durch geeignete optische Filter lässt sich hinter der Empfangseinrichtung die zur Energieübertragung verwendete energiereichere Strahlung von der zur Datenübertragung verwendeten energieärmeren Strahlung trennen. Diese Ausführung erfordert allerdings die Bereitstellung von zwei Lasergeräten.
Die Erfindung ist baulich sehr einfach zu realisieren, weil nur ein kleines, einfaches und billiges Bauelement, insbesondere eine Solarzelle oder eine Fotodiode zusätzlich zu den vorhandenen Bestandteilen verwendet werden muss. Die Strahlung handelsüblicher Laser im Bereich einiger Milliwatt reicht aus, um gleichzeitig Energie und Daten zu dem Sensormodul zu übertragen. Die Lichtenergie des Laserstrahls wird durch die Empfangseinrichtung (Solarzelle) in elektrische Energie umgewandelt, die im Sensormodul entweder unmittelbar genutzt und/oder zusätzlich gespeichert werden kann. Bei Verwendung einer Silizium-Solarzelle sollte ein Laser mit einer Wellenlänge von 800–1000 nm verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl mobil vom Wartungspersonal eingesetzt werden als auch fest installiert sein mit Anschluss an das Bordnetz und Sichtverbindung (ggf. mit Reflektoren) zu einzelnen Sensormodulen.
Vorzugsweise werden die Daten durch ein geeignetes Modulationsverfahren des Laserstrahls übertragen, im einfachsten Fall durch gesteuertes Ein- und Ausschalten des Lasers (Pulsmodulation), weil hierbei technischer Aufwand gering gehalten werden kann und außerdem die Wahrscheinlichkeit von Übertragungsfehlern bei der Datenübertragung gering ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Laserstrahlung zur Datenübertragung amplitudenmoduliert sein. Eine weitere mögliche Modulationsart ist die Verwendung von Lichtpolarisation.
Vorzugsweise erfolgt die Energieversorgung und die Datenübertragung zeitgleich. Diese könnte auch zumindest teilweise nacheinander erfolgen, also eine erste Phase von unmodulierter Laserstrahlung dient zur initialen Energieversorgung. Anschließend erfolgt eine Umschaltung auf Datenübertragung, also mit geringerer Laserintensität.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Diese zeigt ein autonomes Sensormodul 10 das mit mindestens einem Sensor 12 (beispielsweise einem Temperatursensor) gekoppelt ist. Der Sensor 12 beaufschlagt eine Signalverarbeitungseinrichtung 14, die einem Mikroprozessor 16 vorgeschaltet ist, welche die Daten an eine Kommunikationseinrichtung 18 überträgt. Die Kommunikationseinrichtung 18 umfasst zumindest einen Sender zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung zur Datenübertragung, vorzugsweise, einen Funksender. Die Kommunikationseinrichtung 18 kann auch eine Empfangseinrichtung umfassen, wenn eine zweiseitige Kommunikation mit einer Zentrale erforderlich ist.
Eine Energiespeichereinheit 20 versorgt sämtliche Bauelemente des Sensormoduls 10 mit elektrischer Energie. Im normalen Betrieb erfolgt die Energieversorgung und damit die Aufladung des Energiespeichers 20 über eine Umgebungsenergie-Wandeleinrichtung 22, wobei die Energie über eine Energiemanagementeinheit 24 der Energiespeichereinheit 20 zugeführt wird. Die Umgebungsenergie-Wandeleinrichtung 22 kann beispielsweise die bei Triebwerksvibrationen oder Temperaturunterschieden (Seebeck-Effekt) verfügbare Energie sammeln und umwandeln.
Das erfindungsgemäße Sensormodul 10 umfasst eine Empfangseinrichtung 30 für Laserstrahlung, insbesondere eine Solarzelle oder Fotodiode, die von einem separaten Laser 32 mit Laserlicht 34 beaufschlagt werden kann. Der Laser 32 kann von Wartungspersonal gehandhabt und auf die Empfangseinrichtung 30 gerichtet sein.
Die Laserstrahlungs- und Empfangseinrichtung 30 ist sowohl mit der Energiemanagementeinheit 24 als auch mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 36 verbunden. Die der Laserstrahlung 34 innewohnende Energie gelangt über die Energiemanagementeinheit 24 in die Energiespeichereinheit 20 bzw. wird den Verbrauchern zugeleitet. Gleichzeitig werden die mit der Modulation der Laserstrahlung 34 übertragenen Daten über die Signalverarbeitungseinrichtung 36 so umgewandelt, dass diese vom Mikroprozessor 16 verarbeitet werden können. Das Sensormodul 10 umfasst natürlich noch weitere typische Bestandteile eines Rechners wie beispielsweise Speicherbausteine, die aus Gründen der Einfachheit halber hier nicht dargestellt oder beschrieben werden.
Die empfangenen Daten können vorzugsweise Software-Updates oder Datenupdates sein.

Claims

Verfahren zur Energieversorgung eines autonomen Sensormoduls während des Empfangs von Daten, wobei dem Sensormodul (10) Energie und Daten gleichzeitig mittels Laserstrahlung (34) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieübertragung und Datenübertragung Laserstrahlung (34) unterschiedlicher Frequenzen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (34) zur Datenübertragung moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (34) zur Datenübertragung pulsmoduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (34) zur Datenübertragung amplitudenmoduliert wird.
Sensormodul (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung zur Energieversorgung (22) aus Umgebungsbedingungen, sowie mit einer Empfangseinrichtung (18) zum Datenempfang, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Empfangseinrichtung (30) für Laserstrahlung (34) aufweist, die mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (36) zur Gewinnung der mittels der Laserstrahlung (34) übertragenen Daten sowie einer Energiemanagementeinheit (24) zur Gewinnung der mittels der Laserstrahlung (34) übertragenen Energie gekoppelt ist.
Sensormodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (30) eine Solarzelle oder Fotodiode ist.