DE102021123152A1

DE102021123152A1 - Verfahren zum Kommunizieren mit einem batteriebetrieben Funksensor

Info

Publication number: DE102021123152A1
Application number: DE102021123152.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Krone; Alexander Kahlig
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2023-03-09

Abstract

Verfahren zum Kommunizieren mit einem batteriebetrieben Funksensor, wobei die Empfangselektronik des Funksensors nicht ständig in Betrieb gehalten werden muss. Dabei werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt: Senden eines Bursts mit einer vorgegebenen Frequenz an den Funksensor eines Funknetzwerkes von einer Basisstation aus; Speichern der empfangenen Energie des Bursts, Generierung eines Trigger-Signals für den Mikrocontroller des Funksensors, wenn eine verfügbare Leistung von mindestens 3 µW zur Verfügung steht

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kommunizieren mit einem batteriebetrieben Funksensor gemäß Anspruch 1.
Bei batteriebetriebenen Funksensoren besteht das Problem, dass sie sich über längere Zeiträume, um den Energieverbrauch zu minimieren, in einer Ruhephase (Sleep-Modus) befinden.
Im Sleep-Modus ist jedoch keine Kommunikation mit dem Funksensor möglich. In LPWAN werden z. B. als Funktechnologien Mioty, LoRA, Bluetooth Mesh und SigFox eingesetzt.
Insbesondere wird der Mioty-Funkstandard in Sensoren dort eingesetzt, bei denen eine hohe Reichweite, auch in elektromagnetisch stark gestörten Umgebungen, und eine geringe Energieaufnahme gefordert sind. Daher gibt der Mioty-Standard vor, dass der Sensor selbst bestimmt, wann er sendet und wann er Daten empfangen kann. Hierzu wurde das Verhalten wie folgt festgelegt:

Der Sensor erwacht aus dem Schlafmodus, verarbeitet die gemessenen Daten und sendet sie anschließend. Danach wartet er kurz, ob von der Basisstation Daten gesendet werden. Wenn keine Daten empfangen wurden geht der Sensor wieder in den Schlafmodus bis zum nächsten Sendezeitpunkt.

Um direkt auf eine Nachricht reagieren zu können, müsste die Empfangselektronik des Sensors immer im Betrieb sein. Dies benötigt allerdings sehr viel Energie. Nur mit dem festgelegten sehr sparsamen Verhalten sind Batterielaufzeiten von mehreren Jahren möglich.
Wenn nun zu Servicezwecken ein Sensor direkt angesprochen werden muss, ist dies nicht sofort möglich, da auf den nächsten Sendezeitpunkt gewartet werden muss. Dieser kann sowohl innerhalb der nächsten Minuten als auch innerhalb der nächsten 24h oder noch länger sein. Der zeitliche Abstand zwischen den Sendezeitpunkten hängt stark von der Anwendung ab.
Mioty ist eine Technologie, die auf dem „Telegram Splitting Ultra narrow band“ (TS-UNB) basiert, dass im ETSI standard TS 103 357 („TS-UNB Specification“) verankert ist. Mioty wird in Deutschland im ISM Frequenzband 868 MHz betrieben, und unterliegt daher Einschränkungen, vorgeschrieben von der ETSI, für den Regelbetrieb was Sendeleistung, Sendezyklus und übertragbare Datenmenge angeht (ETSI 300-220-2 Duty Cycle Limitierung im 868 MHz Frequenzband).
Durch das Telegram Splitting (siehe ) ist mioty sehr robust, was Störfestigkeit, Reichweite und Durchdringung selbst von flüssigen Medien betrifft. Das Telegram Splitting ermöglicht es zudem, dass bis zu 50 % der Subpakete beim Versenden verloren gehen, trotzdem kann die Nachricht nach Empfang weiterhin zusammengesetzt werden.
Die 1 zeigt schematisch eine zerkleinerte Nachricht über Zeit und Frequenz (Links im Bild).
Die Sub-Pakete werden nach dem Empfang wieder zu einer Nachricht zusammengebaut und sind durch Forward Error Correction bis zu 50% Verlusttolerant.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Kommunizieren mit einem batteriebetrieben Funksensor anzugeben, das jederzeit eine Kommunikation mit dem Funksensor ermöglicht, wobei die Empfangselektronik des Funksensors nicht ständig in Betrieb gehalten werden muss.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 Mioty Telegramm Splitting
2 Zeitverhalten TX-Transmission und RX-Verstärkung bei annähernd gleicher Periodendauer
3 Zeitverhalten TX-Transmission und RX-Verstärkung bei gleicher Periodendauer
4 schematische Darstellung eines Sensornetzwerkes mit Cloud Anbindung
5 Block Diagramm wake-up Empfänger
6 wake-up Paket Struktur
7 Block Diagramm eines Sensorknotens mit einem Wake-up Empfänger

Eine Möglichkeit Mioty-Sensoren aktiv anzusprechen ist die erfindungsgemäße Schaltung, mit deren Hilfe ein Signal auf einer ganz bestimmten Frequenz erkannt werden kann und die Leistung dieses Signals dazu verwendet wird (Energy-Harvesting) das Trigger-Signal für den Mikrocontroller auszulösen. Bei dieser Schaltung würden allerdings alle Sensoren aufwachen, die in Reichweite sind und mit dieser Schaltung arbeiten.
Die zweite Möglichkeit ist eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Schaltung, welche allein durch Energy-Harvesting des empfangenen Signals ein spezielles Funksignal demodulieren kann und dann entsprechend der Signaldaten ein Trigger-Signal für den Mikrocontroller auslöst oder nicht. Mit diesem speziellerem Funksignal wäre eine Adressierung möglich. Somit würden nicht alle Sensoren aufgeweckt werden, sondern nur die Sensoren, die explizit adressiert wurden und in Reichweite sind. Dies wäre beispielsweise mit dem LF Wake-Up Receiver IC AS3930 von Sciosense B.V. möglich siehe (Bdiri, Derbel, & Kanoun, An 868 MHz 7.5 µWwakeup receiver with -60 dBm sensitivity, 2016). Es wurde hiermit eine Empfindlichkeit von -60dBm erreicht.
Nachdem der Mikrocontroller aufgeweckt wurde, sendet er entweder ganz normal seine Daten und wartet danach, ob von der Basisstation etwas in Richtung Sensor gesendet wird. Erst innerhalb dieser Nachricht werden dann die gewünschten Daten übertragen. Das zuerst ausgesendete Funksignal dient somit wirklich nur zur Kontaktaufnahme bzw. zum gezielten Aufwecken des Sensors.
Es bestünde auch die Möglichkeit den Mikrocontroller des Sensors anhand des Wakeup-Triggers erkennen zu lassen, dass der Sensor direkt angesprochen wurde. In dem Fall würde der Sensor nicht ganz normal seine Messungen durchführen, diese an die Basisstation senden und dann auf die entsprechenden Daten warten, sondern der Sensor würde nach dem Aufwachen direkt nur eine spezielle Antwort-Nachricht an die Basisstation senden und dann direkt auf seine Daten warten.
Die Implementation ist abhängig von der Art der Anwendung.
Die Empfindlichkeit der Wake-Up-Receiver-Schaltung für Mioty-Sensoren kann dadurch erhöht werden, indem eine Verstärkerschaltung in bestimmten Zeitabständen eine bestimmte Dauer eingeschaltet wird. Hiermit wurde in (Bdiri, Derbel, & Kanoun, A Tuned-RF Duty-Cycled Wake-Up Receiver with -90 dBm Sensitivity, 2017) eine Empfindlichkeit von -90 dBm erreicht. Damit könnte die Reichweite im Gegensatz zur ursprünglichen Schaltung um ca. den Faktor 30 erhöht werden. Die Größenordnung der Dauer und der Zeitabstände kann entsprechend der Applikation frei gewählt werden. In Applikationen, in denen zum Beispiel ein gemäßigter Energieverbrauch notwendig ist, können die Zeitabstände verringert und/oder die Zeitdauer der Aktivität der Verstärkerschaltung erhöht werden. Bei Applikationen, in denen gar keine Energieproblematiken bestehen, könnte die Verstärkerschaltung dauerhaft aktiv sein.
Da bei größeren Reichweiten das Wake-Up-Signal in die aktive Zeit der Verstärkerschaltung fallen muss, muss in der Sendeeinheit eine gewisse Logik hinterlegt werden. Die Sendeeinheit muss das Wake-Up-Signal automatisch wiederholen, wenn nach einer gewissen Zeit keine Antwort vom Sensor empfangen wird. Wenn alle Zeiten (Zeitdauer der aktiven Zeit der Verstärkerschaltung, Zeitabstände zwischen den aktiven Zeiten, Zeitabstände zwischen wiederholten Sendesignalen) auf feste Werte eingestellt wären, kann es möglich sein, dass es sehr lange dauern kann, bis das Signal in die aktive Zeit fällt und somit empfangen werden kann; siehe 2. Außerdem kann es im Extremfall sein, dass die Periodendauer exakt gleich sind und das Signal somit immer in die nicht-aktive Zeit fällt und somit nie empfangen werden kann; siehe 3. Um dies zu umgehen und die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass das Wake-Up-Signal in die Dauer der aktiven Verstärkerschaltung ankommt, muss mindestens eine diese Zeiten variabel gestaltet werden.
Folgende Ausgestaltungen der Erfindung sind Weiterentwicklungen des ursprünglichen Erfindungsgedankens.
Zum Aufwecken von Sensoren, die via Mioty ihre Daten versenden, dient eine separate Wake-Up-Receiver-Schaltung und ein einfaches Funksignal.
Mit einem speziell modulierten Funksignal erfolgt eine genaue Adressierung des aufzuweckenden Sensors.
Die Energie für den Interrupt-Impuls für den Mikrocontroller des Sensors wird allein durch Energy-Harvesting des empfangenen Signals bereit gestellt.
Die Wake-Up-Receiver-Schaltung wird in bestimmten Zeitabständen eine bestimmte Dauer durch eine Verstärkerschaltung unterstützt, um die Empfindlichkeit der Wake-Up-Receiver-Schaltung und somit die Reichweite zeitweise zu erhöhen.
Der Wake-Up-Impulses als gesonderte Art des Aufweckens des Mikrocontrollers, wird vom Mikrocontroller erkannt. Der Mikrocontroller reagiert auf diesen Impuls gesondert.
Die Erfindung ist besonders für Mioty-Sensoren geeignet.
Die Wake-Up-Signal-Funktion wird direkt in die Mioty-Basisstation integriert.
Die Zeitabstände zwischen den aktiven Zeiten der Verstärkerschaltung sind variabel einstellbar.
Ebenfalls die Dauer der aktiven Zeit der Verstärkerschaltung.
Verfahren wie Anspruch 8. Das Wake-Up-Signal wird eine definierbare Anzahl in definierten Zeitabständen wiederholt ausgesendet, falls keine Antwort von dem Mioty-Sensor ankommt.
Das Wake-Up-Signal wird eine definierbare Anzahl in definierten Zeitabständen wiederholt ausgesendet, falls keine Antwort von dem Mioty-Sensor ankommt, wobei die Zeitabstände zwischen den einzelnen Wiederholungen variabel sind.
4 zeigt ein Funknetzwerk FN von Funksensoren FS mit einer Basisstation B, die mit einer Cloud C verbunden ist. Über Anwenderschnittstellen (user Interfaces) kann der Anwender auf die in der Cloud gespeicherten Daten zugreifen.
5 zeigt ein Block Diagramm des wake-up Empfängers mit einem Anpassungsnetzwerk, einem Hüllkurven-Detektor, der einen Speicherkondensator C aufweist.
6 zeigt einen Burst des Funksignals mit anschließender Kennung (16 Bit pattern)
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Funksensors im Funknetzwerk, der auch als Sensorknoten bezeichnet wird.

Claims

Verfahren zum Kommunizieren mit einem batteriebetrieben Funksensor, wobei die Empfangselektronik des Funksensors nicht ständig in Betrieb gehalten werden muss mit folgenden Verfahrensschritten: a. Senden eines Bursts mit einer vorgegebenen Frequenz an den Funksensor eines Funknetzwerkes von einer Basisstation aus b. Speichern der empfangenen Energie des Bursts c. Generierung eines Trigger-Signals für den Mikrocontroller des Funksensors, wenn die Spannung an einem Speicherkondensator eine Schwelle übersteigt
Verfahren nach Anspruch 1 mit folgendem zusätzlichen Verfahrensschritt a. Senden einer Kennung nach dem Burst, der einem Funksensor des Netzwerkes zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit folgendem zusätzlichen Verfahrensschritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Funknetzwerk ein LPWAN-Netzwerk ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trigger-Signal generiert wird, wenn eine verfügbare Leistung von 7,5 µW zur Verfügung steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trigger-Signal generiert wird, wenn eine verfügbare Leistung von 3,0 µW zur Verfügung steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funknetzwerk auf einer der beiden Technologien Mioty oder Bluetooth Mesh basiert.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.