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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet elektronischer Einheiten und insbesondere elektronischer Einheiten, die zur Erkennung physikalischer Bedingungen verwendet werden. Vor allem betrifft die vorliegende Erfindung die Einbeziehung eines synaptischen neuronalen Netzwerks in ein Sensorsystem.
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Sensoren erkennen eine breite Vielfalt von physikalischen Bedingungen wie zum Beispiel Wärme, Druck, Beschleunigung usw. Messwerte von diesen Sensoren werden anschließend verwendet, um eingehende Beschreibungen von Umgebungsbedingungen zu erarbeiten.
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KURZDARSTELLUNG
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Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Sensorsystem auf: eine Energiespeichereinheit; eine Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung, die mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung die Energiespeichereinheit veranlasst, gespeicherte Energie zeitweilig freizusetzen; einen Sensor, der mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist; ein Register, das mit dem Sensor elektrisch verbunden ist, wobei in dem Register Messwerte aus dem Sensor gespeichert werden; einen synaptischen neuronalen Netzwerkkern, der mit dem Sensor elektrisch verbunden ist, wobei der synaptische neuronale Netzwerkkern die Messwerte aus dem Sensor in ein synthetisches kontextbezogenes Objekt umwandelt, das aus den Messwerten und einem Kontextobjekt abgeleitet wird; einen Umsetzer (Transponder), der mit dem synaptischen neuronalen Netzwerkkern elektrisch verbunden ist; und einen Speicherpuffer innerhalb des Transponders, wobei das synthetische kontextbezogene Objekt zwecks Übertragung durch den Transponder zu einem Überwachungssystem in dem Speicherpuffer gespeichert wird.
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Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Optimieren von Sensoroperationen auf: Speichern von elektrischer Energie in einer Energiespeichereinheit; zeitweiliges Freisetzen gespeicherter elektrischer Energie aus der Energiespeichereinheit zu einem Sensor, wobei zeitweilig aus der Energiespeichereinheit freigesetzte elektrische Energie eine oder mehrere Erkennungseinheiten im Sensor aktiviert; Erfassen von Sensormesswerten durch eine oder mehrere Erkennungseinheiten im Sensor; Übertragen der Messwerte zu einem Register zwecks Speicherung; Laden der Messwerte aus dem Register in einen synaptischen neuronalen Netzwerkkern; durch den synaptischen neuronalen Netzwerkkern Umwandeln der Messwerte in eine Kennung für synthetische Ereignisse, wobei die Kennung für synthetische Ereignisse aus den Messwerten und einem Kontextobjekt erzeugt wird; Laden der Kennung für synthetische Ereignisse in ein Register in einer Transpondereinheit; und Übertragen der Kennung für synthetische Ereignisse aus der Transpondereinheit zu einem Überwachungssystem.
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Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Sensorsystem auf: eine Energiespeichereinheit; eine Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung, die mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung die Energiespeichereinheit veranlasst, gespeicherte Energie zeitweilig freizusetzen; einen synaptischen neuronalen Netzwerkkern, der mit der Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung elektrisch verbunden ist, wobei der synaptische neuronale Netzwerkkern die Messwerte aus einem Sensor in ein synthetisches kontextbezogenes Objekt umwandelt, das aus den Messwerten und einem Kontextobjekt abgeleitet wird; einen Transponder, der mit dem synaptischen neuronalen Netzwerkkern elektrisch verbunden ist; und einen Speicherpuffer innerhalb des Transponders, wobei das synthetische kontextbezogene Objekt zwecks Übertragung durch den Transponder zu einem Überwachungssystem in dem Speicherpuffer gespeichert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei:
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1 ein beispielhaftes System und Netzwerk darstellt, in dem die vorliegende Offenbarung realisiert sein kann;
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2 eine beispielhafte Architektur eines Sensorsystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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3 eine weitere Einzelheit des in 2 veranschaulichten Sensorsystems darstellt;
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4 eine weitere Schaltungseinzelheit einer oder mehrerer Komponenten veranschaulicht, die in 3 dargestellt sind;
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5 eine beispielhafte Einzelheit eines Sensors und eines synaptischen neuronalen Netzwerkkerns darstellt;
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6 eine Tabelle mit beispielhaften Merkmalen ist, die durch exzitatorische und inhibitorische Detektoren in einem Sensor aufgezeichnet werden, der in 5 beschrieben ist;
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7 ein beispielhaftes synthetisches kontextbezogenes Objekt veranschaulicht;
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8 eine beispielhafte Transpondereinheit darstellt, die bei einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet wird; und
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9 ein Übersichtsflussdiagramm einer oder mehrerer Operationen ist, die durch eine oder mehrere Hardwareeinheiten durchgeführt werden, um Sensoroperationen zu optimieren.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bei der vorliegenden Erfindung kann es sich um ein System, ein Verfahren und/oder ein Computerprogrammprodukt handeln. Das Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Speichermedium (oder -medien) mit darauf befindlichen computerlesbaren Programmanweisungen enthalten, um einen Prozessor zu veranlassen, Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen.
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Das computerlesbare Speichermedium kann eine materielle Einheit sein, die Anweisungen zur Verwendung durch eine Anweisungsausführungseinheit aufbewahren und speichern kann. Das computerlesbare Speichermedium kann zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, eine elektronische Speichereinheit, eine magnetische Speichereinheit, eine optische Speichereinheit, eine elektromagnetische Speichereinheit, eine Halbleiterspeichereinheit oder eine beliebige geeignete Kombination des Vorstehenden sein. Eine nicht erschöpfende Liste genauerer Beispiele des computerlesbaren Speichermediums enthält Folgendes: eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM oder Flash-Speicher), einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM), einen tragbaren Nur-Lese-Speicher in Form einer Compact Disc (CD-ROM), eine Digital Versatile Disc (DVD), einen Speicherstick, eine Diskette, eine mechanisch codierte Einheit wie zum Beispiel Lochkarten oder erhöhte Strukturen in einer Rille mit darauf aufgezeichneten Anweisungen oder beliebige geeignete Kombinationen des Vorstehenden. Ein computerlesbares Speichermedium im hierin verwendeten Sinne ist nicht so auszulegen, dass es sich dabei um flüchtige Signale handelt, beispielsweise um Funkwellen oder sich frei ausbreitende elektromagnetische Wellen, um elektromagnetische Wellen, die sich durch einen Hohlleiter oder andere Übertragungsmedien ausbreiten (z.B. Lichtimpulse, die ein Lichtwellenleiterkabel durchlaufen) oder um elektrische Signale, die über ein Kabel übertragen werden.
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Hierin beschriebene computerlesbare Programmanweisungen können über ein Netzwerk, zum Beispiel das Internet, ein lokales Netzwerk ein Weitverkehrsnetzwerk und/oder ein drahtloses Netzwerk von einem computerlesbaren Speichermedium auf betreffende Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheiten oder auf einen externen Computer oder eine externe Speichereinheit heruntergeladen werden. Das Netzwerk kann Kupferübertragungskabel, Lichtwellenleiter, drahtlose Übertragung, Router, Firewalls, Switches, Gateway-Computer und/oder Edge-Server aufweisen. Eine Netzwerkadapterkarte oder eine Netzwerkschnittstelle bei jeder Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheit empfängt computerlesbare Programmanweisungen aus dem Netzwerk und leitet die computerlesbaren Programmanweisungen zur Speicherung in einem computerlesbaren Speichermedium innerhalb der betreffenden Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheit weiter.
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Bei computerlesbaren Programmanweisungen zum Ausführen von Operationen der vorliegenden Erfindung kann es sich um Assembleranweisungen, ISA-Anweisungen (ISA = Instruction Set Architecture), Maschinenanweisungen, maschinenabhängige Anweisungen, Mikrocode, Firmware-Anweisungen, Daten zum Setzen von Zuständen oder entweder Quellcode oder Objektcode handeln, die in einer beliebigen Kombination aus einer oder mehreren Programmiersprachen geschrieben sind, zu denen eine objektorientierte Programmiersprache wie beispielsweise Java, Smalltalk, C++ oder Ähnliches und herkömmliche prozedurale Programmiersprachen wie beispielsweise die Programmiersprache „C“ oder ähnliche Programmiersprachen gehören. Die computerlesbaren Programmanweisungen können vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als eigenständiges Softwarepaket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem entfernt angeordneten Computer oder vollständig auf dem entfernt angeordneten Computer oder Server ausgeführt werden. Beim letztgenannten Szenario kann der entfernt angeordnete Computer mit dem Computer des Benutzers über eine beliebige Art von Netzwerk verbunden sein, unter anderem über ein lokales Netzwerk (Local Area Network, LAN) oder über ein Weitverkehrsnetzwerk (Wide Area Network, WAN), oder die Verbindung kann zu einem externen Computer hergestellt werden (beispielsweise über das Internet unter Nutzung eines Internet-Dienstanbieters (Internet Service Provider)). Bei einigen Ausführungsformen können elektronische Schaltungen, zu denen beispielsweise programmierbare Logikschaltungen, Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) oder programmierbare logische Arrays (PLA) gehören, die computerlesbaren Programmanweisungen ausführen, indem Zustandsinformationen der computerlesbaren Programmanweisungen genutzt werden, um die elektronische Schaltung zu personalisieren, sodass Aspekte der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung sind hierin unter Bezugnahme auf Flussdiagramm-Darstellungen und/oder Blockschemata von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird klar sein, dass jeder Block der Flussdiagramme und/oder der Blockschemata und Kombinationen von Blöcken in den Flussdiagrammen und/oder Blockschemata durch Computerprogrammanweisungen realisiert werden kann bzw. können.
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Diese Computerprogrammanweisungen können einem Prozessor eines Mehrzweckcomputers, eines Spezialcomputers oder anderer programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtungen bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, sodass die Anweisungen, die über den Prozessor des Computers oder anderer programmierbarer Datenverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, Mittel schaffen, um die in einem Block bzw. in den Blöcken des Flussdiagramms und/oder des Blockschemas angegebenen Funktionen/Aktionen zu realisieren. Diese Computerprogrammanweisungen können ebenfalls in einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das einen Computer, andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtungen oder andere Einheiten anweisen kann, in einer bestimmten Weise zu funktionieren, sodass das computerlesbare Medium mit darauf gespeicherten Anweisungen ein Erzeugnis aufweist, das Anweisungen enthält, die die in einem Block bzw. in den Blöcken der Flussdiagramme und/oder der Blockschemata angegebene Funktion/Aktion realisieren.
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Die computerlesbaren Programmanweisungen können auch in einen Computer, in andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtungen oder in andere Einheiten geladen werden, um zu bewirken, dass auf dem Computer, auf anderen programmierbaren Vorrichtungen oder anderen Einheiten eine Reihe von Arbeitsschritten ausgeführt wird, um einen mittels Computer realisierten Prozess zu schaffen, sodass die Anweisungen, die auf dem Computer, auf anderen programmierbaren Vorrichtungen oder Einheiten ausgeführt werden, die in einem Block bzw. in den Blöcken der Flussdiagramme und/oder der Blockschemata angegebenen Funktionen/Aktionen realisieren.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere auf 1 ist dort ein Blockschema eines beispielhaften Systems und Netzwerks dargestellt, das durch die und/oder bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann. Zu beachten ist, dass die gesamte beispielhafte Architektur oder ein Teil davon, einschließlich sowohl der dargestellten Hardware als auch der Software, die für einen Computer 102 und innerhalb dessen dargestellt sind, durch einen Softwarebereitstellungsserver 150 und/oder ein Überwachungssystem 202 genutzt werden kann, die in 2 dargestellt sind.
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Der beispielhafte Computer 102 enthält einen Prozessor 104, der mit einem Systembus 106 verbunden ist. Der Prozessor 104 kann einen oder mehrere Prozessoren nutzen, von denen jeder einen oder mehrere Prozessorkerne enthält. Ein Videoadapter 108, der eine Anzeige 110 ansteuert/unterstützt, ist ebenfalls mit dem Systembus 106 verbunden. Der Systembus 106 ist über eine Busbrücke 112 mit einem Eingabe/Ausgabe-Bus (E/A-Bus) 114 verbunden. Eine E/A-Schnittstelle 116 ist mit dem E/A-Bus 114 verbunden. Die E/A-Schnittstelle 116 ermöglicht den Datenaustausch mit verschiedenen E/A-Einheiten, unter anderem mit einer Tastatur 118, einer Maus 120, einem Medienschacht 122 (der Speichereinheiten wie zum Beispiel CD-ROM-Laufwerke, Multimediaschnittstellen usw. enthalten kann), einem Transceiver 124 und externen USB-Anschlüssen 126. Obwohl das Format der Anschlüsse, die mit der E/A-Schnittstelle 116 verbunden sind, ein beliebiges sein kann, das Fachleuten auf dem Gebiet der Computerarchitektur bekannt ist, handelt es sich bei einer Ausführungsform bei einigen oder allen dieser Anschlüsse um Universal-Serial-Bus-Anschlüsse (USB-Anschlüsse).
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Der Computer 102 kann wie dargestellt unter Verwendung einer Netzwerkschnittstelle 130 mit einem Softwarebereitstellungsserver 150 Daten austauschen. Bei der Netzwerkschnittstelle 130 handelt es sich um eine Hardware-Netzwerkschnittstelle wie zum Beispiel eine Netzwerkschnittstellenkarte (Network Interface Card, NIC) usw. Bei einem Netzwerk 128 kann es sich um ein externes Netzwerk wie zum Beispiel das Internet oder ein internes Netzwerk wie zum Beispiel ein Ethernet-Netzwerk oder ein virtuelles privates Netzwerk (VPN) handeln.
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Eine Festplattenlaufwerksschnittstelle 132 ist ebenfalls mit dem Systembus 106 verbunden. Die Festplattenlaufwerksschnittstelle 132 ist mit einem Festplattenlaufwerk 134 verbunden. Bei einer Ausführungsform füllt das Festplattenlaufwerk 134 einen Systemspeicher 136, der ebenfalls mit dem Systembus 106 verbunden ist. Der Systemspeicher ist als unterste Ebene des flüchtigen Speichers im Computer 102 definiert. Dieser flüchtige Speicher enthält weitere höhere Ebenen von flüchtigem Speicher (nicht dargestellt), einschließlich und ohne darauf beschränkt zu sein, von Cache-Speicher, Registern und Puffern. Zu Daten, die den Systemspeicher 136 belegen, gehören ein Betriebssystem (BS) 138 des Computers 102 und Anwendungsprogramme 144.
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Das BS 138 enthält eine Benutzerschnittstelle (Shell) 140 zum Bereitstellen eines transparenten Benutzerzugriffs auf Ressourcen wie zum Beispiel die Anwendungsprogramme 144. Im Allgemeinen ist die Shell 140 ein Programm, das einen Interpreter und eine Schnittstelle zwischen den Benutzer und dem Betriebssystem bereitstellt. Insbesondere führt die Shell 140 Befehle aus, die in eine Befehlszeilen-Benutzeroberfläche oder aus einer Datei eingegeben werden. Daher ist die Shell 140, die auch als Befehlsprozessor bezeichnet wird, im Allgemeinen die höchste Ebene der Hierarchie der Betriebssystemsoftware und dient als Befehlsinterpreter. Die Shell stellt eine Systemeingabeaufforderung bereit, interpretiert Befehle, die über Tastatur, Maus oder andere Benutzereingabemedien eingegeben werden, und sendet die interpretierten Befehle zur Verarbeitung an die entsprechenden unteren Ebenen des Betriebssystems (z.B. an einen Kernel 142). Zu beachten ist, dass, obwohl die Benutzerschnittstelle 140 eine textbezogene zeilenorientierte Benutzeroberfläche ist, die vorliegende Erfindung auch andere Benutzeroberflächen-Betriebsweisen wie zum Beispiel Grafik, Stimme, Gesten usw. gleichermaßen gut unterstützt.
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Das BS 138 enthält wie dargestellt auch den Kernel 142, der untere Funktionsebenen für das BS 138 enthält, unter anderem unverzichtbare Dienste, die von anderen Teilen des BS 138 und den Anwendungsprogrammen 144 benötigt werden, zu denen unter anderem Speicherverwaltung, Prozess- und Aufgabenverwaltung, Plattenverwaltung sowie Maus- und Tastaturverwaltung gehören.
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Die Anwendungsprogramme 144 enthalten eine Darstellungseinheit, die in beispielhafter Weise als Browser 146 dargestellt ist. Der Browser 146 enthält Programmmodule und Anweisungen, die es einem WWW-Client (WWW = World Wide Web) (d.h. dem Computer 102) ermöglichen, unter Verwendung der HTTP-Nachrichtenübertragung (HTTP = Hypertext Transfer Protocol) Nachrichten an das Internet zu senden und von dort zu empfangen und auf diese Weise den Datenaustausch mit dem Softwarebereitstellungsserver 150 und anderen Computersystemen zu ermöglichen.
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Die Anwendungsprogramme 144 im Systemspeicher des Computers 102 (sowie im Systemspeicher des Softwarebereitstellungsservers 150) enthalten außerdem eine Sensordaten-Verarbeitungslogik (Sensor Data Processing Logic, SDPL) 148. Die SDPL 148 enthält Code zum Realisieren der nachstehend beschriebenen Prozesse, zu denen auch die in den 2 bis 8 beschriebenen Prozesse gehören. Bei einer Ausführungsform ist der Computer 102 in der Lage, die SDPL 148 vom Softwarebereitstellungsserver 150 herunterzuladen, unter anderem auf der Grundlage eines Bedarfs, wobei der Code in der SDPL 148 nicht heruntergeladen wird, bis er zur Ausführung benötigt wird. Ferner ist zu beachten, dass der Softwarebereitstellungsserver 150 bei einer Ausführungsform alle Funktionen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung (einschließlich der Ausführung der SDPL 148) durchführt und somit den Computer 102 davon befreit, seine eigenen internen Datenverarbeitungsressourcen verwenden zu müssen, um die SDPL 148 auszuführen.
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Zu beachten ist, dass die im Computer 102 dargestellten Hardwareelemente nicht als erschöpfend anzusehen sind, sondern vielmehr der Hervorhebung wesentlicher Komponenten dienen, die die vorliegende Erfindung erfordert. Zum Beispiel kann der Computer 102 andere Speichereinheiten wie etwa Magnetbandkassetten, Digital Versatile Disks (DVDs), Bernoulli-Boxen und dergleichen enthalten. Diese und andere Abwandlungen sind als unter den Grundgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallend anzusehen.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist dort eine beispielhafte Architektur eines Sensorsystems 252 (analog zum Sensorsystem 152 in 1) und dessen Verwendung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Wie hierin beschrieben, sind bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung innerhalb des Sensorsystems 252 keine Prozessoren vorhanden. Im Vergleich zu Sensorsystemen nach dem Stand der Technik, die Prozessoren zur Verwaltung von Sensordaten nutzen, ist die Geschwindigkeit höher und gleichzeitig der Strombedarf geringer. Die Verwendung von Prozessoren ist daher auf ein Überwachungssystem 202 (analog zum Computer 102 in 1) beschränkt, das die Operationen des Sensorsystems 252 überwacht und/oder Messwerte von diesem empfängt. Komponenten des Sensorsystems 252 werden in Verbindung mit beispielhaften Operationen beschrieben, die durch das Sensorsystem 252 durchgeführt werden, wie durch die Schritte 1 bis 12 beschrieben.
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Bei Schritt 1 empfängt eine Antenne 201 Signale und Umgebungsenergie vom Überwachungssystem 202. Zu beispielhaften Signalen gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Abfragesignale, Aktivierungssignale usw., während es sich bei Umgebungsenergie um Energie (z.B. Funkfrequenzenergie (HF-Energie)) handelt, die vom Überwachungssystem 202 zur Antenne 201 übertragen wird.
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Als Beispiel wird angenommen, dass das Überwachungssystem 202 ein HF-Signal zur Antenne 201 sendet, mit dem eine Aktualisierung von Sensordaten angefordert wird, die durch einen Sensor 208 erfasst wurden. Mit diesem HF-Signal werden zwei Ergebnisse erreicht. Erstens handelt es sich beim HF-Signal selbst um Energie, die durch eine Umgebungsenergie-Sammeleinheit 204 in Elektrizität umgewandelt werden kann, wodurch das Sensorsystem 252 und/oder bestimmte Komponenten darin mit Strom versorgt werden. Zweitens kann das HF-Signal elementare Anweisungen enthalten, die durch einen synaptischen neuronalen Netzwerkkern (Synaptic Neural Network Core, SNNC) 212 interpretierbar sind und bestimmte Operationen bewirken (z.B. Aktivieren des Sensors 208, Senden von Sensormesswerten vom Sensor 208 zu einem Register 210, Umwandeln dieser Messwerte in eine Kennung für synthetische Ereignisse usw., wie hierin beschrieben).
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Bei Schritt 2 werden durch die Umgebungsenergie-Sammeleinheit (Ambient Power Collection Device, APCD) 204 andere Umgebungskräfte in elektrische Energie umgewandelt. Bei derartigen Umgebungskräften kann es sich um mechanische, chemische, elektrische oder thermoelektrische Kräfte sowie um Kräfte handeln, die auf Druck, Fotos, Schall usw. beruhen.
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Beispielsweise kann es sich bei einer durch die APCD 204 verarbeiteten mechanischen Kraft um eine physische Beschleunigung des Sensorsystems 252 handeln, die auftritt, wenn durch Wind, Wasser und andere Naturkräfte oder durch eine Bewegung eines Benutzers/Systems, an dem das Sensorsystem 252 angebracht ist, eine Beschleunigungsbewegung auf das Sensorsystem 252 ausgeübt wird. Eine Bewegung des Sensorsystems 252 und der APCD 204 zwingt eine physische Einheit (z.B. einen Beschleunigungssensor oder ein beliebiges anderes bewegliches/auslenkbares Element) innerhalb der APCD 204, die physische Bewegung des Beschleunigungssensors in elektrische Energie umzuwandeln. Zu beispielhaften Einheiten, die zur Umwandlung einer physischen Bewegung in elektrische Energie verwendet werden, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, piezoelektrische Generatoren, piezoelektrische Nanogeneratoren, bioelektrische Systeme, die piezoelektrische Eigenschaften von biologischem Material nutzen, um Elektrizität zu erzeugen, während das biologische Material (z.B. Bakterien) bewegt/verformt wird, piezoelektrische Halbleitereinheiten usw.
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Ein Umwandeln chemischer Energie in elektrische Energie kann durch die Verwendung von Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) die Luftsauerstoff in Sauerstoffionen umwandeln, um einen Elektronenfluss zu erzeugen, einer Mikrobrennstoffzelle usw. erreicht werden, die Elektrizität durch Oxidieren von Brennstoff erzeugt. Bei einer Ausführungsform ist der Brennstoff innerhalb der APCD 204 gespeichert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Brennstoff jedoch aus der Umgebungsluft gewonnen.
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Ein Umwandeln einer Form von elektrischer Energie, zum Beispiel eines HF-Signals, in einen nutzbaren Gleichstrom kann durch die Verwendung einer Rectenna (d.h. einer „gleichrichtenden Antenne“, bei der Dioden und/oder Transistoren verwendet werden, um hochfrequente HF-Signale in eine Gleichspannung umzuwandeln), einer Spannungsvervielfältigerschaltung, von Schottky-Dioden, der Magnetresonanz-Nahfeldkopplung usw. erreicht werden. Die Quelle der (nicht als Gleichstrom vorliegenden) elektrischen Energie kann aus einem HF-Signal aus dem Überwachungssystem 202 stammen, oder sie kann aus elektrischen Umgebungsbedingungen wie etwa einem elektromagnetischen Feld stammen, das durch eine nahegelegene Stromversorgungsleitung erzeugt wird.
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Ein Umwandeln von Druck in Elektrizität kann durch die Verwendung piezoelektrischer Kristalle erreicht werden, die Druckänderungen in Elektrizität umwandeln. Bei der Quelle der Druckänderung kann es sich um Änderungen in der Atmosphäre handeln (z.B. Änderungen des Luftdrucks, die im Zusammenhang mit Wetterfronten usw. auftreten), um Änderungen im Meer (z.B. Druckänderungen, während das Sensorsystem 252 tiefer unter Wasser gelangt) usw. Beim Umwandeln von Schalldruck in Elektrizität werden ebenfalls derartige druckempfindliche Einheiten verwendet.
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Ein Umwandeln von Licht in Elektrizität (Erzeugung elektrischer Energie auf der Grundlage von Licht) können durch die Verwendung von Fotovoltaikzellen erreicht werden. Bei der Quelle des Lichts handelt es sich um Umgebungslicht, entweder um natürliches Licht (Sonnenlicht, Mondlicht, Sternenlicht) oder um künstliches Licht (z.B. Glühlampen).
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Beim Umwandeln von Wärme in Elektrizität (thermoelektrisch) werden Thermoelemente, Thermistoren, ein Peltier-Kühler usw. verwendet, bei denen Wärme verwendet wird, um eine Bewegung von Verbindungsstellen zwischen zwei Arten von Materialien hervorzurufen und dadurch Elektrizität zu erzeugen. Zu Wärmequellen gehören Umgebungsbedingungen wie etwa durch die Sonne erzeugte Wärme, durch in der Nähe befindliche Maschinen/Motoren erzeugte Wärme usw.
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Bei einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung fungiert die Erzeugung von Elektrizität durch die APCD 204 auch als Auslöser/Aktivierung des Sensors 208 und/oder des SNNC 212. Als Beispiel wird angenommen, dass die APCD 204 Vibrationen in Elektrizität umwandelt. Ferner wird angenommen, dass die APCD 204 an einer Brücke montiert ist. Bei nicht vorhandenem Verkehrsaufkommen auf der Brücke liegt keine Vibration der APCD 204 vor, und es wird daher keine Elektrizität erzeugt. Bei geringfügigem Verkehrsaufkommen auf der Brücke wird eine geringe Menge Elektrizität erzeugt und bewirkt, dass einige wenige der Bewegungsdetektoren im Sensor 208 eingeschaltet werden. In ähnlicher Weise wird bei hohem Verkehrsaufkommen auf der Brücke eine große Menge Elektrizität erzeugt und bewirkt dadurch, dass eine größere Anzahl der Bewegungsdetektoren im Sensor 208 eingeschaltet werden.
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Zur Veranschaulichung wird ferner angenommen, dass das Sensorsystem 252 zur Überwachung einer Brücke zu Sicherheitszwecken verwendet wird und das Sensorsystem 252 eine Vibration der Brücke erkennt. Bei nur geringfügigem Verkehrsaufkommen (z.B. wenige Autos) auf der Brücke erzeugt die APCD 204 in ihrem Bewegung-in-Elektrizität-Wandler nur Energie, die ausreicht, um einige wenige der Vibrationsdetektoren im Sensor 208 einzuschalten. Diese wenigen Messwerte leiten unter Umständen keine Aktivitäten innerhalb des SNNC 212 und/oder einer RFID-Transpondereinheit (RFID = Radio Frequency Identification) 214 zur Mitteilung der Messwerte ein. Bei hohem Verkehrsaufkommen (z.B. große Lkw, die eine Bedrohung für das Element darstellen, zu dem die Brücke einen Zugang bereitstellt, erzeugt die APCD 204 mehr Elektrizität, wodurch bewirkt wird, dass 1) mehr Bewegungsdetektoren innerhalb des Sensors aktiviert werden und/oder 2) der SNNC 212 weitere Maßnahmen wie zum Beispiel ein Erzeugen eines Alarms einleitet und/oder 3) die RFID-Transpondereinheit 214 freigegeben wird, um den Alarm/die Warnung auszugeben. Somit ermöglicht die APCD 204 dem Sensorsystem 252, „still“ zu sein, bis eine bestimmte Bedingung vorliegt (z.B. große Lkw überqueren die Brücke), sodass das System in Zeiträumen, in denen das Ereignis nicht auftritt, Gegenmaßnahmen nicht wahrnimmt.
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Unter Fortsetzung bei 2 wird in Schritt 3 die erfasste Energie in einer Energiespeichereinheit 206 gespeichert. Wie nachstehend beschrieben wird, beruht die Energiespeichereinheit 206 bei einer bevorzugten Ausführungsform auf einem Kondensator, wobei ein Kondensator mit hoher Kapazität und niedrigem Innenwiderstand verwendet wird. Dies ermöglicht eine schnelle Aufladung des Kondensators (von der APCD 204) und eine zügige Entladung (zum Sensor 208 und/oder zum SNNC 212). Wie oben erörtert, ist jedoch bei einer Ausführungsform ein hochohmiger Widerstand zwischen der Energiespeichereinheit 206 und dem Sensor 208 und/oder dem SNNC 212 angeordnet, sodass während eines langen Zeitraums Strom zum Sensor 208 und/oder zum SNNC 212 fließen kann.
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In Schritt 4 in 2 wird der SNNC 212 durch Energie aus der Energiespeichereinheit 206 eingeschaltet. Das Einschalten des SNNC 212 hat mehrere mögliche Auswirkungen. Erstens können beliebige Sensordaten in den SNNC 212 geladen werden, die zuvor im Register 210 gespeichert wurden, in dem durch den Sensor 208 aufgenommene Messwerte gespeichert werden. Zweitens kann der SNNC 212 den Sensor 208 anweisen, mit dem Aufnehmen neuer Sensormesswerte zu beginnen. Drittens kann der SNNC 212 die RFID-Transpondereinheit 214 anweisen, Messwerte aus dem Register 210 und/oder daraus abgeleitete Daten (z.B. einen Bezeichner (Deskriptor) für synthetische Ereignisse, der im Folgenden beschrieben wird) zum Überwachungssystem 202 zu übertragen.
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In Schritt 5 in 2 wird der Sensor 208 eingeschaltet. In Schritt 6 weist der SNNC 212 den Sensor 208 an, neue Messwerte aufzunehmen. Diese Reihe von Schritten setzt voraus, dass der SNNC 212 den Betrieb des Sensors 208 steuert. Wie bei einer Ausführungsform im Folgenden beschrieben, kann der Betrieb des Sensors 208 jedoch direkt durch den Sensor 208 eingeleitet werden.
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Unter Fortsetzung bei der Ausführungsform, bei der der SNNC 212 den Sensor 208 steuert, werden in Schritt 7 Messwerte vom Sensor 208 zum Register 210 gesendet. Wie durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 209 angezeigt, sind bei einer Ausführungsform die durch den Sensor 208 aufgenommenen Messwerte anfangs analog (und erzeugen z.B. Spannungswerte, die der Intensität der Bewegung, des Lichts, des Schalls usw. entsprechen, die bzw. das bzw. der durch den Sensor 208 erfasst wurde). Im Register 210, bei dem es sich um einen FIFO-Puffer (FIFO = First In First Out), einen Ringpuffer, eine beliebige Art nichtflüchtigen Speichers usw. handeln kann, können nur digitale (binäre) Daten gespeichert werden, sodass die Verwendung des ADU 209 erforderlich ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen die (digitalisierten) Messwerte aus dem Sensor 208 in Bits und nicht in Bytes vor. Das heißt, dass nur kleine Mengen von Daten (z.B. 6 bis 10 Bits) in das Register 210 übertragen werden, sodass Bandbreite gespart und der Stromverbrauch gesenkt werden.
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In Schritt 8 in 2 werden Inhalte des Registers 210 in den SNNC 212 geladen, in dem der Inhalt zwecks Speicherung im Register 210 in eine gewünschte Form umgewandelt wird (Schritt 9). Das bedeutet, dass das Register 210 zwei unterschiedliche Puffer enthalten kann: einen für Sensordaten aus dem Sensor 208 und einen für verarbeitete Daten aus dem SNNC 212. Alternativ können verarbeitete Daten aus dem SNNC 212 die Sensordaten aus dem Sensor 208 überschreiben, sodass die Größe des Registers 210 weiter verringert wird.
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Wie im Folgenden erörtert wird, können die verarbeiteten Daten aus dem SNNC 212 die aus dem Sensor 208 empfangenen Istdaten enthalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die verarbeiteten Daten aus dem SNNC 212 jedoch ein kleineres Paket als die Istdaten aus dem Sensor 208, zum Beispiel eine Kennung für synthetische Ereignisse (im Folgenden erörtert), sodass die Bandbreitenanforderung zum Übertragen von Daten aus dem Sensorsystem 252 zum Überwachungssystem 202 verringert wird.
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In Schritt 10 fordert die RFID-Transpondereinheit 214 die Daten (roh oder verarbeitet) aus dem SNNC 212 an, wobei vorausgesetzt wird, dass der SNNC 212 diese Daten nicht im Push-Verfahren zur RFID-Transpondereinheit 214 überträgt (bzw. nicht im Push-Verfahren übertragen hat).
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In Schritt 11 liest die RFID-Transpondereinheit 214 Daten (roh oder verarbeitet) aus dem Register 210 und fügt die Daten an RFID-Kennnummern für die RFID-Transpondereinheit 214 an.
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In Schritt 12 sendet die RFID-Transpondereinheit 214 die Daten (roh oder verarbeitet) zur Antenne 201, über die die Daten (roh oder verarbeitet) zum Überwachungssystem 202 übertragen werden.
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Unter Bezugnahme auf 3 und 4 ist dort eine weitere Einzelheit des Sensorsystems 252 und/oder von Komponenten darin dargestellt, die in 2 veranschaulicht sind. In 3 sind die Umgebungsenergie-Sammeleinheit 204, die Energiespeichereinheit 206, der Sensor 208 und der SNNC 212 abgebildet, die in 2 dargestellt sind. In 3 sind jedoch auch eine weitere Einzelheit der Energiespeichereinheit 206 sowie ein hochohmiger Widerstand 309 dargestellt.
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Wie hierin beschrieben, enthält die Energiespeichereinheit 206 eine Widerstand-Kondensator-Schaltung (RC-Schaltung) 306. Wie in 4 dargestellt, enthält diese Schaltung einen Kondensator 404 mit einer großen Kapazität (z.B. über 10 Mikrofarad) und einen niederohmigen Widerstand 402 (der z.B. anhand seiner Fähigkeit ausgewählt ist, eine vorgegebene Stromstärke durch den Widerstand 402 passieren zu lassen). Daher sammeln sich die Elektronen beim Empfang von Energie aus der Umgebungsenergie-Sammeleinheit 204 an der unteren Platte des Kondensators 404 und fließen anschließend durch den Widerstand 402 zum hochohmigen Widerstand 309 ab.
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Alternativ steuert ein Durchbruchspannungshalbleiter, bei dem es sich um einen Avalanchetransistor oder eine Begrenzerdiode wie zum Beispiel die abgebildete Zenerdiode 307 handeln kann, den Elektronenfluss zum hochohmigen Widerstand 309. Als Beispiel wird angenommen, dass der Widerstand 402 relativ hoch ist, sodass er eine erhebliche Blockierung des Stromflusses von der Energiespeichereinheit 206 und für die im Kondensator 404 gespeicherte Energie bereitstellt. Ein Aufladen des Kondensators 404 führt jedoch zu einem Spannungsgradienten, der durch die Zenerdiode 307 erkannt wird. Wenn diese Spannung einen vorgegebenen hohen Wert erreicht, tritt an der Zenerdiode 307 ein Durchbruch auf, sodass der Strom ungehindert von der Umgebungsenergie-Sammeleinheit 204 und/oder vom Kondensator 404 ungehindert zum hochohmigen Widerstand 309 fließen kann. Wenn diese Spannung einen vorgegebenen niedrigen Wert erreicht (aufgrund der Freisetzung von Elektroden aus einer der Platten im Kondensator 404 durch die Zenerdiode 307), schließt die Zenerdiode 307 wieder, sodass Stromstärkespitzen erzeugt werden, wenn die Zenerdiode 307 öffnet und schließt. Diese Stromstärkespitzen bewirken, dass der Sensor 208 und/oder der SNNC 212 und/oder andere Komponenten innerhalb des Sensorsystems 252 ein- und ausgeschaltet werden.
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Der hochohmige Widerstand 309 wird anhand des Zeitraums ausgewählt, während dessen der Sensor 208 und/oder der SNNC 212 mit Strom versorgt werden sollten. Das heißt, dass durch die Verwendung eines hochohmigen Widerstands 309, der nur einen Bruchteil der Stromstärke zulässt (die aber nach wie vor hoch genug ist, um den Sensor 208 und/oder den SNNC 212 mit Strom zu versorgen), der Sensor 208 und/oder der SNNC 212 während eines längeren Zeitraums betrieben werden können. Durch die Verwendung eines hochohmigen Widerstands 309, der einen höheren Stromfluss zulässt, können der Sensor 208 und/oder der SNNC 212 während kürzerer, unterbrochener Zeiträume betrieben werden können.
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In 5 sind beispielhafte Betriebseinzelheiten des SNNC 212 abgebildet. Wie in 5 abgebildet, verwendet der SNNC 212 keine Prozessoren. Vielmehr ist der SNNC 212 eine unkomplizierte Schaltung, die synaptische Verbindungen zwischen elektronischen Neuronen verwendet, um dem System notwendige Logik bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den synaptischen Verbindungen um Transistoren, die durch die Stärke eines Signals am elektronischen Neuron gesteuert werden. Als Beispiel wird angenommen, dass der Sensor 208 ein Signal erzeugt hat, das einen hohen Schwingungspegel anzeigt. Der hohe Schwingungspegel kann in eine bestimmte Spannung umgewandelt werden (z.B. zwischen 4,0 und 5,0 V DC). Dieser Spannungswert (zwischen 4,0 und 5,0 V DC) ist hoch genug, um den Transistor einzuschalten, der die synaptische Verbindung bildet, und dadurch zwei elektronische Neuronen miteinander zu verbinden, wie in 5 abgebildet. Wenn der Sensor 208 jedoch nur schwache Vibrationen erkennt, würde ein niedrigeres Spannungssignal erzeugt werden (z.B. zwischen 1,0 und 2,0 V DC). Diese niedrigere Spannung würde nicht hoch genug sein, um den Transistor einzuschalten, der die synaptische Verbindung bildet, und dadurch zu verhindern, dass die beiden elektronischen Neuronen miteinander verbunden werden.
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Wie oben angegeben, steuert der SNNC 212 bei einer Ausführungsform die Operationen des Sensors 208, des Register 210 und/oder der RFID-Transpondereinheit 214. Um den Betrieb des SNNC 212 zu veranschaulichen, wird jedoch angenommen, dass der Sensor 208 direkt mit dem SNNC 212 zusammenwirkt (ohne Verwendung des in 2 dargestellten Registers 210 und ohne durch den SNNC 212 gesteuert zu werden). Es versteht sich jedoch, dass die hierin im Zusammenhang mit dem Sensor 208 und/oder dem SNNC 212 beschriebenen Betriebsmerkmale auf beliebige Verwendungsarten anwendbar sind, einschließlich derer, bei denen der SNNC 212 die Operationen des Sensors 208 steuert.
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Wie in 5 dargestellt, wird angenommen, dass der Sensor 208 mehrere Erkennungseinheiten enthält. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten diese Erkennungseinheiten sowohl exzitatorische Erkennungseinheiten (E-Erkennungseinheiten 502a bis 502b) als auch inhibitorische Erkennungseinheiten (I-Erkennungseinheiten 504a bis 504b). Wie in 6 dargestellt, werden diese unterschiedlichen Arten von Erkennungseinheiten durch einander entgegengesetzte Ereignisse ausgelöst, wie in Tabelle 602 angegeben (und erzeugen auf diese Weise Sensormesswertausgaben). Beispielsweise können Erkennungseinheiten so ausgelegt sein, dass sie eine Beschleunigungsbewegung erkennen. Somit kann die E-Erkennungseinheit 502a ausgelegt sein, um Beschleunigung in einer Richtung („positive“ Beschleunigung) zu erkennen, während die I-Erkennungseinheit 504a Beschleunigung in der entgegengesetzten Richtung („negative“ Beschleunigung bzw. „Verzögerung“) erkennen kann.
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In ähnlicher Weise kann die E-Erkennungseinheit 502b bei Konfiguration als Lichtsensor so konfiguriert sein, dass sie Licht erkennt, während die I-Erkennungseinheit 504b so konfiguriert sein kann, dass sie eine Ausgabe auslöst, wenn Lichtpegel, die auf die I-Erkennungseinheit 504b auftreffen, unter einen bestimmten Wert („dunkel“) absinken. Dies ermöglicht dem Sensor 208 die Fähigkeit zur Erkennung scharfer Lichtkanten.
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In ähnlicher Weise kann die E-Erkennungseinheit 502a bei Konfiguration als Schallsensor so konfiguriert sein, dass sie einen positiven Schalldruck erkennt, während die I-Erkennungseinheit 504a so konfiguriert sein kann, dass sie als Reaktion auf ein Erkennen eines negativen Schalldrucks der Schallwelle eine Ausgabe auslöst. Dies ermöglicht dem Sensor 208 die Fähigkeit zur Erzeugung einer detailgetreueren Darstellung des gesamten Schall-/Druckspektrums (positiver Druck und negativer Druck) der Schallwelle.
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In ähnlicher Weise kann die E-Erkennungseinheit 502a bei Konfiguration als Vibrationssensor so konfiguriert sein, dass sie einen positiven Vibrationsdruck (d.h. „Stoß“) erkennt, während die I-Erkennungseinheit 504a so konfiguriert sein kann, dass sie eine Ausgabe auslöst, wenn ein negativer Vibrationsdruck (d.h. „Zug“) erkannt wird. Dies ermöglicht dem Sensor 208 die Fähigkeit zur Erzeugung einer detailgetreueren Beschreibung des gesamten Spektrums (positiver Druck und negativer Druck) einer physischen Vibration.
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In ähnlicher Weise kann die E-Erkennungseinheit 502a bei Konfiguration als Feuchtsensor so konfiguriert sein, dass sie Feuchtigkeit erkennt, während die I-Erkennungseinheit 504a so konfiguriert sein kann, dass sie Trockenheit erkennt. Dies ermöglicht dem Sensor 208 die Fähigkeit, eine breiter gefächerte Beschreibung des Ausmaßes der „Feuchte“ der Umgebungsbedingungen zu erzeugen.
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Wie in 5 dargestellt, werden Ausgaben aus den E-Erkennungseinheiten 502a bis 502b und I-Erkennungseinheiten 504a bis 504b über eine Anordnung von elektronischen Neuronen 510 innerhalb des SNNC 212 übertragen. Die horizontalen Neuronen 510 sind über elektrische Synapsen selektiv mit den vertikalen Neuronen 510 verbunden, die als durchgezogene Kreise abgebildet sind, wie zum Beispiel der für eine Synapse 514. Wie dargestellt, können Ausgaben aus den E-Erkennungseinheiten 502a bis 502b (die zum Beispiel entweder 1 oder 0 sein können) um Ausgaben aus den I-Erkennungseinheiten 504a bis 504b (deren Ausgaben entweder 0 oder –1 sein können) versetzt sein.
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Als Beispiel wird angenommen, dass die E-Erkennungseinheit 502a eine „1“ ausgibt, die I-Erkennungseinheit 504a eine „0“ ausgibt, die E-Erkennungseinheit 502b eine „1“ ausgibt und die I-Erkennungseinheit 504b eine „–1“ ausgibt, wie in 5 dargestellt. Die synaptischen Verbinder zwischen den Neuronen 510 führen zu den abgebildeten Werten „0101“, die in einem SNNC-Puffer 516 gespeichert werden. Die Werte aus dem SNNC-Puffer 516 werden anschließend zusammen mit dem Wert der Kennung (ID) aus einem Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 (unter Verwendung von Daten aus einem Sensorkennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 506, die den Sensor 208 und/oder den Sensortyp kennzeichnen, der den Sensor 208 beschreibt) zu einem SNNC für synthetische Ereignisse (SE-SNNC) 512 übertragen.
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Der SE-SNNC 512 nutzt eine ähnliche Architektur wie die für den SNNC 212 dargestellte. Das heißt, es liegen keine Prozessoren vor, sondern es liegt vielmehr eine spezialisierte Schaltung vor, die auf einige wenige Datenbits reagiert (z.B. 5 bei dem in 5 dargestellten Beispiel), um einen Deskriptor 518 für synthetische Ereignisse zu erzeugen. Wie im Beispiel in 5 dargestellt, lautet der im Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 gehaltene Wert „1“. Daher werden „10101 („1“ aus dem Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 und „0101“ aus dem SNNC-Puffer 516) zu Neuronen im SE-SNNC 512 übertragen, die über Synapsen in einer Weise verbunden sind, die im Zusammenhang mit dem SNNC 212 in 5 beschrieben ist. Die Ausgabe des SE-SNNC 512 ist ein Deskriptor 518 für synthetische Ereignisse.
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Bei dem Deskriptor 518 für synthetische Ereignisse kann es sich lediglich um den im Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 gespeicherten Wert handeln, der an die Werte angefügt ist, die im SNNC-Puffer 516 gespeichert sind. Bei dieser Ausführungsform ist der im Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 gespeicherte Wert ein Kontextobjekt, und die im SNNC-Puffer 516 gespeicherten Werte bilden ein nicht kontextbezogenes Datenobjekt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt das Kontextobjekt für nicht kontextbezogene Daten Kontext und somit eine Bedeutung bereit. Beispielsweise ist den kontextbezogenen Daten „0101“ keine Bedeutung zugeordnet, solange sie nicht mit codierten Kontextdaten verknüpft sind (z.B. zeigt eine „1“ an, dass die nicht kontextbezogenen Daten von einem Vibrationssensor kamen). Somit bilden diese Werte zusammen ein synthetisches kontextbezogenes Objekt, sodass die „1“ aus dem Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 den Kontext für die nicht kontextbezogenen Daten „0101“ aus dem SNNC-Puffer 516 bereitstellt.
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Unter Bezugnahme auf 7 sind dort weitere Einzelheiten eines beispielhaften synthetischen kontextbezogenen Objekts 702 dargestellt. Bei einem nicht kontextbezogenen Datenobjekt 704 handelt es sich um ein Datenobjekt ohne Bedeutung, da es keinen Kontext aufweist. Somit weist „0101“ aus dem SNNC 516 im Beispiel aus 5 keine Bedeutung auf, da für die Werte „0101“ kein Kontext vorliegt. Bei Verknüpfung mit einem Kontextobjekt 706 (z.B. dem Wert aus dem Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507) kann jedoch ein synthetisches kontextbezogenes Objekt 702 erstellt werden. Das heißt, dass der Wert aus dem Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 den Sensortyp beschreibt (z.B. Beschleunigungssensor, Lichtsensor, Schallsensor, Chemikaliensensor usw.), der den Sensor 208 beschreibt. Mithilfe dieser Daten erhalten die Werte „0101“ eine Bedeutung als Beschreibungen von Beschleunigungswerten, Lichtwerten usw.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 7 wird zu Beispielzwecken angenommen, dass das nicht kontextbezogene Datenobjekt 704 fünf Bits enthält. Ferner wird angenommen, dass der Wert von „0“ aus dem Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 Kontextdaten bereitstellt, die anzeigen, dass es sich bei dem Sensor um einen Vibrationssensor handelt. Ebenso wird angenommen, dass der Wert von „1“ aus dem Kennungs-Auffangregister bzw. -Puffer 507 Kontextdaten bereitstellt, die anzeigen, dass es sich bei dem Sensor um einen Feuchtesensor handelt. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei dem synthetischen kontextbezogenen Objekt 702 lediglich um eine Verkettung des Kontaktobjekts 706 (z. B. „0“ für die Kennung des Vibrationssensors) des nicht kontextbezogenen Datenobjekts 704 (z.B. „01100“ für Sensorwerte, die den Fahrzeugverkehr auf einer Brücke beschreiben). Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das synthetische kontextbezogene Objekt 702 jedoch durch den in 5 dargestellten SE-SNNC 512 auf einen kleineren Wert verringert. Beispielsweise kann ein synthetisches kontextbezogenes Objekt von „00“ anzeigen, dass auf einer Brücke Fahrzeugverkehr erkannt wurde; „01“ kann anzeigen, dass auf einer Brücke Fußgängerverkehr erkannt wurde; „10“ kann anzeigen, dass auf einer Brücke trockene Bedingungen erkannt wurden; und „11“ kann anzeigen, dass auf einer Brücke feuchte Bedingungen erkannt wurden. Daher erfordert die viel geringere Größe (z.B. zwei Bits) des synthetischen kontextbezogenen Objekts weniger Bandbreite, kann schneller übertragen werden, erfordert zur Übertragung weniger Energie usw., als wenn es sich bei dem synthetischen kontextbezogenen Objekt lediglich um eine Verkettung des nicht kontextbezogenen Datenobjekts 704 und des Kontextobjekts 706 handeln würde. Sofern Energie- bzw. Zeitressourcen dies zulassen, stellt eine Verkettung des nicht kontextbezogenen Datenobjekts 704 und des Kontextobjekts 706 mehr Einzelheiten darüber bereit, was der betreffende Sensor erkennt.
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Wie oben erwähnt, steuert der SNNC 212 bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Operationen des Sensors 208 und/oder empfängt durch den Sensor 208 erzeugte Daten aus dem Register 210. Bei dieser Ausführungsform stammen in den SNNC 212 gelangende Neuronen, die in 5 dargestellt sind, aus dem Register 210. Durch den SNNC 212 durchgeführte Operationen ähneln den oben beschriebenen mit der Ausnahme, dass die Sensormesswerte aus dem Register 210 und nicht direkt aus dem Sensor 208 kommen.
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Wie in 2 abgebildet, ist die RFID-Transpondereinheit 214 so beschrieben, dass sie eine RFID verwendet. Dies ermöglicht dem System, beim Speichern von Sensordaten und/oder synthetischen kontextbezogenen Objekten die Architektur einer RFID zu nutzen, wie hierin beschrieben. Unter Bezugnahme auf 8 ist dort eine beispielhafte Transpondereinheit dargestellt, die bei einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet wird. In 8 ist ein beispielhaftes chipfähiges RFID-Tag 802 abgebildet, bei dem es sich um ein passives RFID-Tag handelt, das einen IC-Chip 804 auf der Leiterplatte und eine verbundene Antenne 806 enthält. Im IC-Chip 804 werden Übertragungsdaten gespeichert, die durch ein Sensorsystem (z.B. das in 2 dargestellte Sensorsystem 252) erzeugt wurden. Der IC-Chip 804 kann eine Energiequelle mit niedriger Leistung enthalten (z.B. einen Kondensator, nicht dargestellt, der durch ein Abfragesignal aufgeladen wird, das über die verbundene Antenne 806 empfangen wurde). Nachdem der Kondensator aufgeladen wurde, erzeugt das RFID-Tag 802 ein Funksignal, das Sensordaten aus dem Sensor 208 und/oder dem Register 210 enthalten kann, die im IC-Chip 804 gespeichert sind und über die verbundene Antenne 806 ausgestrahlt werden sollen. Dieses Funksignal kann direkt vom IC-Chip 804 (d.h. der RFID-Transpondereinheit 214 in 2), oder es kann die in 2 dargestellte Antenne 201 nutzen. Wenn die RFID-Transpondereinheit 214 keine Antenne enthält (z.B. die in 8 dargestellte verbundene Antenne 806), verwendet die RFID-Transpondereinheit 214 die Antenne 201.
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Somit stellen, wie beschrieben und/oder in den 2 bis 8 abgebildet, eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Sensorsystem bereit (z.B. das in 2 dargestellte Sensorsystem 252), das aufweist: eine Energiespeichereinheit (Element 206 in 2); eine Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung, die mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung die Energiespeichereinheit veranlasst, gespeicherte Energie zeitweilig freizusetzen (wie in 3 bis 4 dargestellt); einen Sensor, der mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist (Element 208 in 2); ein Register (Element 210 in 2), das mit dem Sensor elektrisch verbunden ist, wobei im Register Messwerte aus dem Sensor gespeichert werden; einen synaptischen neuronalen Netzwerkkern (Element 212 in 2), der mit dem Sensor elektrisch verbunden ist, wobei der synaptische neuronale Netzwerkkern die Messwerte aus dem Sensor in ein synthetisches kontextbezogenes Objekt umwandelt, das aus den Messwerten und einem Kontextobjekt abgeleitet wird; einen Transponder (Element 214 in 2), der mit dem synaptischen neuronalen Netzwerkkern elektrisch verbunden ist; und einen Speicherpuffer (Element 804 in 8) innerhalb des Transponders, wobei das synthetische kontextbezogene Objekt zwecks Übertragung durch den Transponder zu einem Überwachungssystem in dem Speicherpuffer gespeichert wird.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Sensorsystem auf: eine Energiespeichereinheit (Element 206 in 2); eine Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung (siehe 3 und 4), die mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung die Energiespeichereinheit veranlasst, gespeicherte Energie zeitweilig freizusetzen; einen synaptischen neuronalen Netzwerkkern (Element 212 in 2), der mit der Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung elektrisch verbunden ist, wobei der synaptische neuronale Netzwerkkern die Messwerte aus einem Sensor in ein synthetisches kontextbezogenes Objekt umwandelt, das aus den Messwerten und einem Kontextobjekt abgeleitet wird; einen Transponder (Element 214 in 2), der mit dem synaptischen neuronalen Netzwerkkern elektrisch verbunden ist; und einen Speicherpuffer (Element 804 in 8) innerhalb des Transponders, wobei das synthetische kontextbezogene Objekt zwecks Übertragung durch den Transponder zu einem Überwachungssystem in dem Speicherpuffer gespeichert wird.
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9 ist ein Übersichtsflussdiagramm einer oder mehrerer Operationen, die durch eine oder mehrere Hardwareeinheiten durchgeführt werden, um Sensoroperationen zu optimieren.
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Nach dem Anfangsblock 902 wird elektrische Energie in einer Energiespeichereinheit (z.B. der in 2 dargestellten Energiespeichereinheit 206) gespeichert, wie in Block 904 beschrieben.
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Wie in Block 906 beschrieben, wird gespeicherte Energie zeitweilig aus der Energiespeichereinheit zu einem Sensor (z.B. zum Sensor 208 in 2) freigesetzt, wobei zeitweilig aus der Energiespeichereinheit freigesetzte elektrische Energie eine oder mehrere Erkennungseinheiten (z.B. Elemente 502/504 in 5) im Sensor aktiviert.
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Wie in Block 908 beschrieben, erfassen eine oder mehrere Erkennungseinheiten im Sensor Sensormesswerte, die gegebenenfalls in digitale Messwerte umgewandelt werden (Block 910), bevor sie zu einem Register (z.B. Register 210 in 2) übertragen und dort gespeichert werden, wie in Block 912 beschrieben.
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Wie in Block 914 beschrieben, werden Messwerte aus dem Register in einen synaptischen neuronalen Netzwerkkern (z.B. Element 212 in 2) geladen, wo sie in eine Kennung für synthetische Ereignisse umgewandelt werden, sodass die Kennung für synthetische Ereignisse aus den Messwerten und einem Kontextobjekt erzeugt wird.
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Wie in Block 916 beschrieben, wird die Kennung für synthetische Ereignisse (z.B. Element 804 in 8) in eine Transpondereinheit (z.B. Element 214 in 2) geladen. Die Kennung für synthetische Ereignisse wird aus der Transpondereinheit zu einem Überwachungssystem (z.B. Element 202 in 2) übertragen. Das Flussdiagramm endet beim Abschlussblock 918.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Kontextobjekt um eine Kennung eines Sensortyps für den Sensor. Beispielsweise kann es sich bei dem Kontext Objekt um eine Kennung eines Sensortyps (z.B. Beschleunigungssensor, Thermometer, Hygrometer usw.) und nicht um den konkreten Sensor selbst (z.B. „Sensor Nr. 1“, Daten aus einem UUID (UUID = Universally Unique Identifier), eine Teilenummer usw.) handeln.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Energie aus Umgebungseinflüssen erzeugt. Die Energie wird durch eine Umgebungsenergie-Sammeleinheit (z.B. Element 204 in 2) erzeugt, die mit der Energiespeichereinheit verbunden ist. Wie hierin beschrieben, wandelt die Umgebungsenergie-Sammeleinheit Umgebungseinflüsse in Elektrizität um. Bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stammen die Umgebungseinflüsse aus einer Gruppe, bestehend aus Hochfrequenzenergie, Wärme, elektrischen Induktionskräften, Beschleunigungskräften und Vibration.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die hierin beschriebene Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung eine Begrenzerdiode auf (z.B. Element 307 in 4). Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Einheit zur zeitweiligen Energiefreisetzung einen Avalanchetransistor auf, dessen Funktion der des Elements 307 in 4 ähnelt.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kennung eines Sensortyps für den Sensor als Kontextobjekt in einem Sensorkennungsregister (z.B. Element 507 in 5) gespeichert. Eine Gruppe aus einer oder mehreren exzitatorischen Erkennungseinheiten (z.B. Elemente 502a bis 502b in 5) innerhalb des Sensors erzeugen als Reaktion auf ein Erkennen eines ersten Typs eines physikalischen Ereignisses im Zusammenhang mit einer physikalischen Bedingung einen ersten Signaltyp. Der erste Signaltyp wird auf einem ersten elektronischen Neuronentyp übertragen (siehe 5). Eine Gruppe aus einer oder mehreren inhibitorischen Erkennungseinheiten (z.B. Elemente 504a bis 504b) innerhalb des Sensors erzeugen als Reaktion auf ein Erkennen eines zweiten Typs eines physikalischen Ereignisses im Zusammenhang mit der physikalischen Bedingung einen zweiten Signaltyp. Der zweite Signaltyp wird auf einem zweiten elektronischen Neuronentyp übertragen. Eine Gruppe aus synaptischen Verbindungen innerhalb des synaptischen neuronalen Netzwerkkerns verbindet den ersten elektronischen Neuronentyp und den zweiten elektronischen Neuronentyp selektiv mit einem Register für nicht kontextbezogene Objekte (z.B. Element 516 in 5). Im Register für nicht kontextbezogene Objekte werden nicht kontextbezogene Daten gespeichert, die von der Gruppe synaptischer Verbindungen empfangen wurden. Ein synaptischer neuronaler Netzwerkkern für synthetische Ereignisse (z.B. Element 512 in 5), der mit dem Register für Deskriptoren für synthetische Ereignisse und dem Sensorkennungsregister elektrisch verbunden ist, erzeugt aus Inhalten des Registers für nicht kontextbezogene Objekte und des Sensorkennungsregisters einen Deskriptor für synthetische Ereignisse.
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Die Flussdiagramme und Blockschemata in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Wirkungsweise möglicher Realisierungsformen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung der Erfindung. Dementsprechend kann jeder einzelne Block in den Flussdiagrammen bzw. in den Blockschemata ein Modul, ein Segment oder einen Teil des Codes darstellen, der eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Realisierung der angegebenen Logikfunktion bzw. Logikfunktionen aufweist. Außerdem sollte beachtet werden, dass bei einigen alternativen Realisierungsformen die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen Reihenfolge als der ausgeführt werden können, die in den Figuren angegeben ist. Beispielsweise können zwei hintereinander aufgeführte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können je nach der damit verbundenen Funktionalität manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Darüber hinaus ist anzumerken, dass jeder Block der dargestellten Blockschemata und/oder des dargestellten Flussdiagramms sowie Kombinationen von Blöcken in den dargestellten Blockschemata und/oder im dargestellten Flussdiagramm mithilfe von bestimmten Zwecken dienenden, hardwaregestützten Systemen zur Ausführung der angegebenen Funktionen bzw. Aktionen oder mithilfe von Kombinationen aus bestimmten Zwecken dienender Hardware und Computeranweisungen realisiert werden kann bzw. können.
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Die hierin verwendete Terminologie dient ausschließlich zur Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung gedacht. Die hierin verwendeten Einzahlformen „ein/eine“ und „der/die/das“ schließen auch die Pluralformen ein, sofern dies im Kontext nicht ausdrücklich anderweitig angegeben ist. Es versteht sich des Weiteren, dass die Begriffe „weist auf“ und/oder „aufweisend“ bei Verwendung in der vorliegenden Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Abläufe, Operationen, Elemente und/oder Komponenten bezeichnen, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines bzw. einer oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Abläufe, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
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Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Aktionen und Äquivalente aller Mittel bzw. Schritt-plus-Funktion-Elemente (Step plus Function Elements) in den folgenden Ansprüchen sollen alle Strukturen, Materialien oder Aktionen zur Ausführung der Funktion in Verbindung mit anderen ausdrücklich beanspruchten Elementen mit einschließen. Die Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung soll der Veranschaulichung und Beschreibung dienen, ist jedoch nicht als erschöpfend gedacht oder auf die Erfindung in der offenbarten Form beschränkt. Für den Fachmann sind viele Modifikationen und Variationen denkbar, ohne dass diese eine Abweichung vom Schutzbereich und Grundgedanken der vorliegenden Erfindung darstellen würden. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die Grundgedanken und die praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung auf bestmögliche Weise zu erklären und anderen Fachleuten ein Verständnis dafür zu ermöglichen, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Modifikationen denkbar sind, die sich für die jeweils beabsichtigte Verwendung eignen.
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Zu beachten ist ferner, dass in der vorliegenden Offenbarung beschriebene beliebige Verfahren durch Verwendung eines VHDL-Programms (VHDL = VHSIC Hardware Description Language (VHSIC = Very High-Speed Integrated Circuit)) und eines VHDL-Chips realisiert werden können. VHDL ist eine beispielhafte Einsteiger-Programmiersprache für Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), Application Specific Integrated Circuits (ASICs) und andere ähnliche elektronische Einheiten. Daher können beliebige hierin beschriebene, mittels Software realisierte Verfahren durch ein auf Hardware beruhendes VHDL-Programm emuliert werden, das anschließend auf einen VDHL-Chip wie zum Beispiel einen FPGA angewendet wird.
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Mit der in der vorliegenden Anmeldung vorgenommenen ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen der Erfindung ist klar, dass Abänderungen und Variationen möglich sind, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen definierten Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
