EP1920631A1 - Autarkes miniaturisiertes kommunikationsmodul - Google Patents

Autarkes miniaturisiertes kommunikationsmodul

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Publication number
EP1920631A1
EP1920631A1 EP06793159A EP06793159A EP1920631A1 EP 1920631 A1 EP1920631 A1 EP 1920631A1 EP 06793159 A EP06793159 A EP 06793159A EP 06793159 A EP06793159 A EP 06793159A EP 1920631 A1 EP1920631 A1 EP 1920631A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
data
sensor
sensor module
self
module
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06793159A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert Reichl
Jürgen Wolf
Klaus Lang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102006013732A external-priority patent/DE102006013732A1/de
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1920631A1 publication Critical patent/EP1920631A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/02—Transmitters
    • H04B1/04—Circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom

Definitions

  • sensors are used to acquire data of a DUT, and the data obtained are then suitably processed and evaluated.
  • the sensor signal is usually subjected to a suitable signal processing in order to determine the desired quantity quantitatively in the required accuracy.
  • a direct mechanical connection of a sensor element to an external signal processing device such as a microprocessor, a digital signal processor or an analog processing circuit with amplifier, etc. is not possible or undesirable if it would interfere with the device under test or would require a high installation cost ,
  • a wired removal of sensor signals is often not possible or requires a great deal of effort.
  • cable-based sensor signal detection can result in a high outlay, resulting in reduced flexibility when, for example, the position of one or more sensors is to be changed.
  • sensor systems are often provided with further functionality, for example, to facilitate a connection of the sensors to peripheral evaluation components.
  • further functionality for example, to facilitate a connection of the sensors to peripheral evaluation components.
  • high costs are incurred in known systems in order to transfer the sensor data accurately and reliably to the peripheral component, for example by requiring large transmitting / receiving units or DF stations for communication with the sensor element.
  • the possible use of wirelessly communicating sensor elements is severely limited or the influence on the actual measurement or monitoring task is no longer negligible.
  • a self-sufficient sensor module comprises a sensor element which is designed to output an electrical signal as a function of a specified measured variable, a signal processing unit connected to the sensor element, a transmitting and receiving unit connected to the signal processing unit for the wireless transmission of data and an energy source for at least temporary self-sufficient operation of the sensor module.
  • an autonomous device is provided which represents a self-sufficient wireless sensor communication module that enables on-demand acquisition, processing, storage, and transmission and reception of data acquired via at least one integrated sensor.
  • An integrated signal processing takes over the processing of the data, which is transmitted via the transmitting and receiving unit, which serves as a wireless communication interface for example radio transmission to other similar devices or a receiver module, so that a self-sufficient operation of the sensor module is at least sufficient for many applications Ensures long periods of time, so that a reliable measurement of the specified measurement or the execution of a monitoring task without providing a complex infrastructure is made possible.
  • the self-sufficient sensor module is designed to occupy at least a first operating state and a second different operating state, the first operating state representing an energy-saving state in which at least one data transmission is deactivated or restricted by the transmitting and receiving unit.
  • the autonomous operation can be maintained over long periods of time, since in the energy-saving state, which may be one of several different power saving modes, a significant reduction in energy can be made, whereby the transition to the energy-saving state can be initiated by the module itself and / which can be effected by a signal received from outside.
  • a corresponding control signal can be provided which monitors the operation of the module and the energy status, thereby causing the transition to the energy-saving state, depending on the configuration of the control unit.
  • the control unit may have decision criteria, in which operating state the energy-saving state or, if several energy-saving states are available, which energy-saving state is to be assumed. Alternatively or additionally, this decision can be made on the basis of an external control signal which is received, for example, via the transmitting and receiving unit.
  • the self-sufficient sensor module is configured to transition from the first operating state into the second operating state by initialization by means of a mechanical and / or electrical and / or magnetic and / or electromagnetic and / or optical signal.
  • the second operating state which can represent the fully operational state of the module, can thus be called by external sources, such as a remote data transmission unit or another sensor module, so that a high degree of controllability from the outside is possible, whereby an increased flexibility in the Application of the module.
  • control unit is designed to cause the transition to the second operating state by means of a signal output by the sensor element to the signal processing unit.
  • the sensor element itself can be used to detect a situation requiring full operational readiness, which can be of great advantage, in particular for monitoring tasks, since in this case the measured values generally do not occur at predictable times.
  • a more or less continuous recording of measured values can take place, which however are not transmitted and, if appropriate, also subjected to only energy-saving preprocessing, but which allows the recognition of a corresponding situation, for example the overshooting or undershooting of a threshold value.
  • the integrated sensor itself as well as possibly further integrated sensors, e.g. by detecting vibration, heat, humidity.
  • the signal processing unit has an analog / digital converter, which may also be integrated in the sensor itself, and a digital signal processing section for processing the signal output by the sensor element.
  • analog / digital converter which may also be integrated in the sensor itself
  • digital signal processing section for processing the signal output by the sensor element.
  • the sensor signal can also be provided digitally in this way.
  • the sensor module has a miniaturized structure, which is realized by means of microsystem technology and microelectronic technology.
  • a miniaturized structure which is realized by means of microsystem technology and microelectronic technology.
  • the compact miniaturized module depending on the application and requirement in its design, for example, as a ball, cube, flexible tape, and the like are suitably adapted.
  • the design of the sensor module in modular design which can be realized particularly advantageous by the above-mentioned techniques, created the possibility to exchange or replace certain functional elements according to the requirements of the application, so that, for example, the sensor element to be replaced by another or that the energy source can be exchanged in a more efficient and cost-effective manner.
  • the methods and technologies of microsystem technology, microelectronics and micromechanics used for the production of the miniaturized module can be combined in many different ways and adapted according to the requirements of the module embodiment or the corresponding available technology.
  • the sensor module can be constructed using the above technologies so that newly developed components, for example, energy systems can be integrated without much effort.
  • micro fuel cells once available in a cost effective manner, can be used in place of more conventional fuels, such as batteries, accumulators, and the like.
  • At least one second sensor element is provided, which is connected to the signal processing unit for outputting an electrical signal as a function of a second specified measured variable.
  • the electronic components are formed as an integrated circuit.
  • the signal processing unit and at least part of the transmitting and receiving unit are provided in a common integrated circuit.
  • the proportion of costs incurred in the assembly of the sensor element works in terms of connection electronic
  • the integrated circuit further comprises the sensor element.
  • the degree of compactness can be further increased, while at the same time the reliability of the sensor module can be increased.
  • microelectronic or micromechanical sensor elements are available for metrologically to be detected metrics, such as pressure, temperature, acceleration, electric fields, optical parameters, and the like, which can thus be included in the circuit concept in an efficient manner, so that a small volume with at the same time high reliability can be achieved.
  • the self-sufficient sensor module has a carrier for receiving all functional components, wherein the carrier is designed for mechanically stable attachment to or in a measurement object.
  • the carrier is designed for mechanically stable attachment to or in a measurement object.
  • the sensor module is designed such that it can be attached to a moving sports device and in particular in or on a ball of a ball game.
  • suitable data can be efficiently determined and evaluated during the application of the sports equipment, with just a high degree of flexibility and a low cost in terms of peripheral components are required.
  • the sensor element comprises at least one acceleration sensor.
  • To determine meaningful acceleration values is usually a relatively uninfluenced movement of a Required object, which is due to the self-sufficient sensor module of the present invention, a high degree of authenticity of the obtained measurement data is ensured, with just a little effort in terms of peripheral components is required.
  • the energy source comprises a generator which converts mechanical energy acting on the sensor module and / or electromagnetic energy into electrical energy for operation of the sensor module.
  • a generator which converts mechanical energy acting on the sensor module and / or electromagnetic energy into electrical energy for operation of the sensor module.
  • the operating time of the sensor module and thus its degree of self-sufficiency can be increased efficiently, since energy provided from the outside can be directly converted in the sensor module without possibly requiring an exchange of energy components.
  • a corresponding generator in the form of a correspondingly miniaturized spring-driven movement or piezoelectric transducer may be provided to store mechanical kinetic energy or convert this energy directly into electrical energy, while in other embodiments means or components are additionally or alternatively provided in the generator transform electrical, magnetic or electromagnetic energy in a suitable manner and then store it in an energy source.
  • an inductive component may be provided in the generator to efficiently convert inductively coupled energy into electrical energy.
  • a carrier wave used for signal transmission may be utilized to provide a corresponding amount of electrical energy to power the sensor module.
  • a corresponding conversion of mechanical and / or electromagnetic energy may be particularly advantageous if the sensor module is integrated more or less completely in the corresponding measurement object, so that a direct access to the sensor module would be associated with corresponding effort.
  • the object underlying the invention is achieved by means of a sensor module system having two or more self-sufficient sensor modules, as shown in the preceding embodiments or in the embodiments to be described, wherein each self-sufficient sensor module is further formed to form a self-organizing network with the other sensor modules of the sensor module system.
  • the self-organizing network which can be set up, for example, on the basis of radio network techniques, thus serves to exchange data between the individual modules and can also be used to establish a communication path to an external component. Due to the self-organizing network offers a high degree Flexibility in the construction of the sensor module system, as a varying number of sensor modules can be used, thereby covering a wide range of applications, for example in the environmental sector, in building management, in quality control in production processes and in the food industry, in machine and plant monitoring, in the medical Monitoring, recreational area and the like. In this case, due to the network structure of the module system, the data transfer from and to individual sensor modules can be accomplished in an efficient manner, without large and expensive peripheral components are required.
  • a data receiving unit is provided in the sensor module system, which is at least temporarily in communication with at least one of the self-sufficient sensor modules during operation of the system. In this way, desired sensor data can be read out of the network in an efficient manner and used for further data processing.
  • the transmitting and receiving units of the individual autonomous sensor modules for signal transmission via electromagnetic signal transmission channels are formed, wherein at least two different frequency ranges are provided.
  • the transmission channels can be used, for example, for initialization of the sensor modules and for data transmission, a needs-based and thus also selectable timing in the sensor data acquisition and transmission is possible, because if necessary just different frequency ranges can be used to ensure reliable data transmission.
  • the transmission of data between individual sensor modules with very low intensity in a suitable frequency range while, for example, the transmission of an initialization signal can be done from the outside, for example from the data receiving unit in a frequency range that ensures a long range, so that each self-sufficient sensor module can be initialized from outside if necessary.
  • an algorithm for determining a communication path in the system according to a predetermined criterion is set up in the self-sufficient sensor modules. Due to the implemented algorithm, it is thus possible to find a suitable communication path in which data is transmitted from one module to the next and finally to an external source, for example be transmitted to an external data receiving unit. In this way, a reliable data transmission can be realized without great expense of peripheral components, since, for example, the reliable connection of only one sensor module in the system to the peripheral component, for example, a data receiving unit is required.
  • the communication with the external source can be made under specially chosen aspects, for example with regard to an energy-saving and secure data transmission.
  • the predetermined criterion indicates a shortest or an energy-optimized communication path.
  • a data acquisition system includes one or more standalone sensor modules as described in the preceding embodiments or as described in the following embodiments, wherein the data acquisition system further comprises a data receiving unit configured to receive one or more of the data wirelessly receive data from several self-sufficient sensor modules that are linked to the specified measurand.
  • the miniaturized modular design allows the one or more self-sufficient sensor modules to be integrated with other objects and objects that perform a specific function without significantly affecting their original function.
  • the objects and objects are given an enhanced function and their use characteristics are increased, since the data acquisition system efficiently detects corresponding data and thus makes them available for further processing outside of the objects and objects by means of the data receiving unit.
  • a data transmission device or a data transmission and reception device is furthermore provided, which is designed to transmit data wirelessly to at least one of the one or more sensor modules.
  • the control of the sensor module and, if appropriate, thereby also influencing the object can take place in an efficient manner, resulting in a high degree of flexibility in the operation of the data acquisition system.
  • initialization signals for initializing an operating state and / or for initializing an energy-saving state can be transmitted by means of the data transmission device, so that the data acquisition system in highly controllable from the outside.
  • the configuration and thus the functional behavior of the self-sufficient sensor module can be controlled from the outside, for example, by transmitting corresponding configuration or control data, which then result in a corresponding operation of the sensor module. Possibly. It is also possible to carry out a software update or, in general, a change of the software via the data transmission unit, so that a corresponding updating of the operating behavior of the sensor modules can take place without direct external access.
  • the data transmission device is designed for data transmission for another wireless transmission channel such as the data reception unit.
  • the data transmission to the individual sensor modules can be made in terms of a reliable data transmission for all sensor modules takes place simultaneously, while the data transfer from the sensor modules to the data receiving unit, the criterion of the most efficient and thus energy-efficient data transmission can be applied.
  • a data processing unit which communicates with the data receiving unit in order to process data received in the data receiving unit.
  • measurement data obtained in the sensor modules which have been subjected to signal processing, but which can be pre-processing with regard to the actual use of the measurement data, can be transmitted to the data processing unit in an energy-saving yet efficient manner, which then corresponds to its computational resources can perform a corresponding preparation or presentation of the acquired measurement data.
  • portable or stationary computing devices and the like may be used.
  • the data processing unit is connected to the data receiving unit via a wireless transmission channel.
  • a high degree of flexibility and also compatibility with existing network technologies can be established, for example by using the wireless transmission channel between the data processing unit and the data receiving unit existing standards, such as the "Bluetooth standard".
  • the data reception unit is designed to feed energy into the one or more sensor modules.
  • the transmitting and receiving unit can be designed so that at least part of the data transmission required energy is drawn from the energy supplied. This can be done, for example, by converting the carrier wave energy during data transmission or by the inductive coupling of energy or by providing an optical beam, which can also simultaneously serve for energy supply.
  • a method of data acquisition comprises fixing a measuring module to a measuring object, the measuring module being adapted to the measuring object and causing substantially no functional restriction of the measuring object. Furthermore, measurement data associated with the measurement object are obtained in the measurement module, and the acquired measurement data is processed in the measurement module and then transmitted wirelessly.
  • the provision of the measurement module in a special measurement object without substantial restriction of its function by the local acquisition, processing and wireless transmission of the corresponding measurement data results in a high degree of flexibility in data acquisition, in particular in the case of moving objects.
  • the acquisition of measurement data includes the determination of measured values for one or more specified measurement variables by means of one or more sensor elements.
  • a corresponding task can be accomplished, i. H. For example, an alarm triggering or a corresponding display in the event of non-compliance with one or more specified value ranges for one or more specified measured variables.
  • the processing of the acquired measurement data may include data storage over a longer period of time and / or data filtering and / or threshold determination and / or computational evaluation.
  • high flexibility in the preparation of the measured data obtained already locally possible so that possibly the amount of data in the transmission greatly reduced and thus can be designed very energy efficient, as needed only corresponding results of data processing, for example, as the corresponding results are stored, must be transferred.
  • a corresponding signal transmission will take place only when a corresponding event actually occurs, so that in the Usually more energy-efficient process of data processing is maintained while data transmission only takes place when needed.
  • the transmission can be carried out using energy-saving measures, since possibly little or no redundancy is to be added to the data or larger amounts of data are to be transmitted, since possibly the required evaluation may have already taken place completely in the sensor module.
  • the processing of the measured data obtained by an analog-to-digital conversion which may also be integrated in the sensor, with a subsequent digital signal processing, which is deposited in advantageous embodiments in the form of software in a computer device.
  • a subsequent digital signal processing which is deposited in advantageous embodiments in the form of software in a computer device.
  • a method of making a self-sufficient sensor module comprises determining a size and a design of the sensor module for a selected measurement object, wherein the size and the design essentially do not cause a functional restriction of the measurement object after the sensor module has been attached. Furthermore, using microsystem technology and microstructure fabrication, one or more sensor modules are fabricated, each sensor module comprising a plurality of components including a sensor element, a signal processing unit connected to the sensor element, and a wireless transmitting and receiving unit connected to the signal processing unit of data and a power source for at least temporary self-contained operation of the sensors.
  • a self-sufficient sensor device can be produced in a targeted manner, so that authentic measurement data can be obtained from the measurement object.
  • These measurement data can thus be further utilized for monitoring and / or for controlling and / or for extending the function of the corresponding measurement object.
  • the technologies used to fabricate the one or more sensor modules advantageously include the integration of two or more of the components on or in a common circuit carrier so that a high degree of complexity and compactness can be achieved with reduced manufacturing costs.
  • any measurement objects can be provided in a cost-effective manner with correspondingly tailored sensor modules, the expense of peripheral devices remaining low due to the compact, modular and self-sufficient design or type of function.
  • flexible circuit carriers are also used for the production of the sensor modules. In this way, the shape and the mechanical integrity can be improved during the application of the sensor module and further reduce the size. With this, sizes for the entire module of less than 5mm x 5mm x 2.5mm (without power source) can be realized.
  • passive circuit components and / or, if necessary, optical components and / or micromechanical components are integrated into a single circuit substrate for the production of the sensor modules.
  • This type of production ensures a cost-effective manufacturing process at the same time great compactness and noise immunity.
  • Fig. 1a schematically shows a modular construction of a sensor module according to an illustrative embodiment of the present invention
  • Fig. 1b shows the modular construction of the sensor module in printed circuit board technology (PCB) of the embodiment of Fig. 1a;
  • PCB printed circuit board technology
  • Fig. 1c schematically illustrates the mechanical structure of a particular sensor module for integration into a measurement object, which in this example is a golf ball;
  • Fig. 1 d schematically shows a block diagram of a sensor module with acceleration sensor
  • FIG. 1 e schematically illustrates a data acquisition system having one or more sensor modules with corresponding peripheral components in an illustrative embodiment.
  • Fig. 1a schematically shows a sensor module 100, which in the exemplary embodiment is provided as a three-dimensional circuit board stack 101, which in turn is divided into different planes.
  • the circuit board stack 101 in a first plane 102, which is also generically referred to as a signal processing unit, a corresponding analog and / or digital circuitry, such as an amplifier, an analog-to-digital converter, a digital processor and the like, wherein the components of the first level 102 or Signal processing unit are connected to a corresponding sensor element 103.
  • the sensor element is designed as an acceleration sensor, which is connected via a corresponding connection cable 104.
  • the senor element may be mounted on the board of the unit 102 or may also be integrated directly into the circuit board of the unit 102.
  • the board of the unit 102 may comprise a suitable antenna for a transmitting and receiving unit 105, which in the embodiment shown is arranged in the second plane.
  • a further level 106 further components, such as quartz or other passive or active component may be provided.
  • an energy source (not shown) may also be provided in this plane 106, or it may be arranged in a separate plane.
  • 1 b shows a perspective view of a further embodiment of the module 100, in which a more compact arrangement is achieved by arranging substantially all the electronic components including antenna devices of the transmitting and receiving unit 105 on corresponding individual boards, wherein the contacting of the individual Board via corresponding pads occurs. It should be noted that the number, shape and arrangement of the boards is adapted to the intended use so that the module 100 can be attached to a selected object of measurement.
  • FIG. 1 c schematically shows the sensor module 100 for integration in a measurement object 150, which in the present application example is a golf ball.
  • the sensor module 100 comprises the printed circuit board stack 101 on which the acceleration sensor 103 is mounted, wherein under the stack 101 there is provided a power source 107, in the form of, for example, standard batteries or accumulators in button cell form. Further shown is a carrier 108 in which the individual components, i. H. the sensor element 103, the printed circuit board stack 101 and the power source 107 are mounted so that they can be mechanically fixed together with the carrier 108 in the golf ball 150.
  • the assembly of the electronic component for the sensor module 100 takes place by means of established methods of SMD mounting and chip on board (COB) technology (chip and wire bonding), thereby achieving a compact and lightweight design a plastic housing or is made of a plastic made of other suitable material.
  • COB chip on board
  • the assembly of the individual components depending on the design by known methods of microsystem technology done so that an even more compact design can be achieved.
  • a flexible circuit carrier foil
  • the integration of passive components can take place in or on the corresponding substrate material for the production of integrated circuits or on the substrate material of the circuit board.
  • FIG. 1 d schematically shows a block diagram of the sensor module 100, wherein the transmitting and receiving unit 105 is connected to a data processing unit 102, which in the embodiment shown is made up of an analog section 102a and a digital section 102b. Further, the acceleration sensor 103 is connected to the signal processing unit 102 and the power source 107 is used to power all components of the module 100.
  • the energy source 107 may include a corresponding energy conversion generator (not shown) having the characteristics set forth above.
  • the signal processing unit 102a, 102b may process corresponding signals of the sensor 103 and supply them to the transmitting and receiving unit 105 for wireless transmission to other sensor elements or to a corresponding data receiving unit.
  • the digital signal processing section 101b is provided, which enables software-supported processing, so that a high degree of flexibility can be achieved with the same hardware configuration.
  • the digital unit 102b may be implemented with a corresponding control unit that can control the operation of the module 100.
  • At least one further operating state can be set up in addition to the fully functional operating state in which the energy source 107 is charged significantly less, for example by at least a part of the transmitting and receiving unit 105 being deactivated, which is responsible for transmitting data is.
  • a plurality of different energy-saving modes can also be set up, so that a corresponding operating state can be set depending on the control configurations, which can also be set by external signals, for example.
  • FIG. 1 e schematically illustrates a data acquisition system 160 in which one or more sensor modules 100 are provided. Further, in the embodiment shown, the data acquisition system 160 includes a data receiving unit 161 that is at least temporary communicates with at least one of the modules 100. Furthermore, a data processing unit 162 is provided in the data acquisition system 160, which in the embodiment shown is designated as a receiver / transmitter module for medium distances and can serve for example for displaying the measurement data and for initializing the modules 100.
  • one of the modules 100 e.g. B. caused by the tee of the golf ball measurement data, i. Acceleration values are detected and transmitted to the data receiving unit 161 by means of electromagnetic transmission channels.
  • a suitable frequency range can be used for the corresponding transmission channel, so that a reliable, yet energy-saving signal transmission is possible.
  • the data receiving unit 161 may be arranged in the immediate vicinity of the module during the transmission of the measured data, for example in the corresponding racket or at the location of the tee, so that a reliable data transmission is made possible despite the very low transmitting power of the module 100.
  • the data receiving unit 161 may send data to the processing unit 162 via another transmission channel which may be different in frequency range from the transmission channel used between the module 100 and the data receiving unit 161 so that the corresponding data is reliably transmitted and stored in the Data processing unit 162 can be evaluated accordingly.
  • standard transmission channels eg. B. the Bluetooth standard can be used, which are commonly available in commercially available devices, such as PDAs, mobile phones, mobile computers, etc.
  • an initialization of the individual modules 100 by emitting a corresponding signal can also take place via the external data processing unit 162. For example, an initialization can take place immediately before the tee of the golf ball, so that the module 100 is transferred from a power-saving state to a corresponding ready state for data taking and data transmission.
  • the data acquisition system 160 may include a plurality of sensor modules 100 that are then configured to form a self-organizing network.
  • a plurality of golf balls can be used, which store the corresponding measurement data after knocking off, for example, and then enable a corresponding data transmission, whereby golf balls, which are in the mutual influence of their transmitting and receiving units, create a corresponding network structure in order to ensure efficient data transmission , In this way, even with only a short range of the data receiving unit 161, it is possible to obtain a plurality of measurement data of different ones Golf balls, for example, since the data of a distant golf ball can be transmitted via a corresponding communication path to the data receiving unit 161.

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Abstract

Es wird ein autarkes Sensormodul und Verfahren zu dessen Betrieb und dessen Herstellung offenbart, wobei das Sensormodul einen Sensor, eine Sende- und Empfangseinheit, eine Signalverarbeitungseinheit und eine Energiequelle aufweist, so dass ein autarker Betrieb des Moduls ermöglicht wird. Ferner lässt sich auf der Grundlage geeigneter Herstellungsverfahren eine Anpassung der Größe und Form des Sensormoduls so erreichen, dass bei Integrierung oder Anbringung des Moduls an einem ausgewählten Messobjekt im Wesentlichen keine Funktionsbeeinträchtigung des Objekts stattfindet. Ferner kann durch Bereitstellen mehrerer Sensormodule innerhalb eines Systems ein sich selbst organisierendes Netzwerk erstellt werden, wodurch Daten untereinander und mit externen Einheiten ausgetauscht werden können.

Description

Autarkes miniaturisiertes Kommunikationsmodul
In vielen Bereichen werden Sensoren zur Erfassung von Daten eines Messobjekts verwendet, wobei die gewonnenen Daten anschließend in geeigneter Weise aufbereitet und ausgewertet werden. Dazu wird in der Regel das Sensorsignal einer geeigneten Signalverarbeitung unterzogen, um damit die gewünschte Messgröße in der geforderten Genauigkeit quantitativ zu bestimmen. Bei vielen Anwendungen ist eine direkte mechanische Anbindung eines Sensorelements an eine externe Signalverarbeitungseinrichtung, etwa einen Mikroprozessor, einen digitalen Signalprozessor oder eine analoge Verarbeitungsschaltung mit Verstärker etc. nicht möglich oder nicht wünschenswert, wenn damit eine Beeinflussung des Messobjekts verbunden ist oder einen hohen Installationsaufwand bedeuten würde. Beispielsweise ist bei bewegten Messobjekten eine kabelgebundene Herausführung von Sensorsignalen oft nicht möglich oder mit hohem Aufwand verbunden. Auch in stationären Anwendungen kann durch eine kabelgestützte Sensorsignalerfassung ein hoher Aufwand entstehen eine damit reduzierte Flexibilität mit sich bringen, wenn beispielsweise die Lage eines oder mehrerer Sensoren verändert werden soll.
Aus diesem Grund werden häufig Sensorsysteme mit weitergehender Funktionalität versehen, um beispielsweise eine Anbindung der Sensoren an periphere Auswertekomponenten zu erleichtern. Insbesondere bei einer kabellosen Anbindung von Sensorelementen an entsprechende Auswertekomponenten ergibt sich jedoch bei bekannten Systemen ein hoher Aufwand, um die Sensordaten zielgenau und zuverlässig zur peripheren Komponente zu übertragen, indem beispielsweise große Sende/Empfangseinheiten oder Peilstationen zur Kommunikation mit dem Sensorelement erforderlich sind. Dadurch wird der mögliche Einsatz drahtlos kommunizierender Sensorelemente stark eingeschränkt oder der Einfluss auf die eigentliche Mess- oder Überwachungsaufgabe ist nicht mehr zu vernachlässigen.
Angesichts dieser Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexiblere Verwendung von Sensoren unter Berücksichtigung einer größeren Bandbreite an Rahmenbedingungen der Mess- und/oder Überwachungssituationen zu ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein autarkes Sensormodul gelöst. Das autarke Sensormodul umfasst ein Sensorelement, das zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit einer spezifizierten Messgröße ausgebildet ist, eine mit dem Sensorelement verbundene Signalverarbeitungseinheit, eine mit der Signalverarbeitungseinheit verbundene Sende- und Empfangseinheit zur drahtlosen Übermittlung von Daten und eine Energiequelle zum zumindest zeitweiligen autarken Betrieb des Sensormoduls. Aufgrund dieser Anordnung wird eine autarke Vorrichtung bereitgestellt, die ein autarkes drahtloses Sensor-Kommunikationsmodul repräsentiert, das eine bedarfsgerechte Erfassung, Verarbeitung, Speicherung sowie Übermittlung und Empfang von Daten, die über mindestens einen integrierten Sensor erfasst werden, ermöglicht. Eine integrierte Signalverarbeitung übernimmt die Aufbereitung der Daten, welche über die Sende- und Empfangseinheit, die als eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle für z.B. Funkübertragung dient, zu anderen gleichartigen Vorrichtungen oder einem Empfängermodul übertragen werden, damit ist eine autarke Betriebsweise des Sensormoduls zumindest über für viele Anwendungszwecke ausreichend lange Zeiträume hinweg gewährleistet, so dass eine zuverlässige Messung der spezifizierten Messgröße oder das Ausführen einer Überwachungsaufgabe ohne Bereitstellung einer aufwendigen Infrastruktur ermöglicht wird.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das autarke Sensormodul ausgebildet, mindestens einen ersten Betriebszustand und einen zweiten unterschiedlichen Betriebszustand einzunehmen, wobei der erste Betriebszustand einen Energiespar- zustand repräsentiert, in welchem zumindest eine Datensendung durch die Sende- und Empfangseinheit deaktiviert oder eingeschränkt ist.
Auf diese Weise kann der autarke Betrieb über lange Zeiträume hinweg aufrecht erhalten werden, da im Energiesparzustand, der einer von mehreren unterschiedlich ausgeprägter Energiesparmodi sein kann, eine deutliche Reduzierung der Energie erfolgen kann, wobei das Übergehen in den Energiesparzustand von dem Modul selbst veranlasst werden kann und/der durch ein von außerhalb empfangenes Signal bewirkt werden kann. Beispielsweise kann ein entsprechendes Steuersignal vorgesehen sein, die den Betrieb des Moduls sowie den Energiestatus überwacht, um damit je nach Konfiguration der Steuereinheit den Übergang in den Energiesparzustand zu veranlassen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit über Entscheidungskriterien verfügen, in welcher Betriebszustand der Energiesparzustand oder, wenn mehrere Energiesparzustände verfügbar sind, welcher Energiesparzustand einzunehmen ist. Alternativ oder zusätzlich kann diese Entscheidung auf Grundlage eines externen Steuersignals getroffen werden, das beispielsweise über die Sende- und Empfangseinheit empfangen wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist das autarke Sensormodul ausgebildet, vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand durch Initialisierung mittels eines mechanischen und/oder elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen und/oder optischen Signals überzugehen. Der zweite Betriebszustand, der den vollständig betriebsbereiten Zustand des Moduls repräsentieren kann, lässt sich damit durch externe Quellen, etwa einer entfernten Datensendeeinheit oder einem anderen Sensormodul, aufrufen, so dass ein hohes Maß an Steuerbarkeit von außen möglich ist, wodurch eine erhöhte Flexibilität bei der Anwendung des Moduls erreichen lässt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den Übergang in den zweiten Betriebszustand mittels eines von dem Sensorelement an die Signalverarbeitungseinheit ausgegebenen Signals zu veranlassen.
Auf diese Weise kann das Sensorelement selbst zur Erkennung einer die volle Betriebsbereitschaft erfordernden Situation benutzt werden, was insbesondere für Überwachungsaufgaben von großem Vorteil sein kann, da hier die Messwerte in der Regel nicht zu vorhersagbaren Zeiten anfallen. Dabei kann eine mehr oder weniger kontinuierliche Erfassung von Messwerten stattfinden, die jedoch nicht übermittelt werden und gegebenenfalls auch nur einer energiesparenden Vorverarbeitung unterzogen werden, die aber das Erkennen einer entsprechenden Situation, beispielsweise die Über- oder Unterschreitung eines Schwellwertes erlaubt. Zur Initialisierung des zweiten Betriebszustands können somit der integrierte Sensor selbst sowie ggf. weitere integrierte Sensoren, z.B. durch Erkennen von Vibration, Wärme, Feuchte benutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Signalverarbeitungseinheit einen Analog/Digitalwandler, der auch im Sensor selbst integriert sein kann, und einen digitalen Signalverarbeitungsabschnitt zur Verarbeitung des von dem Sensorelement ausgegebenen Signals auf. Damit lassen sich effizient software-basierte Signalverarbeitungsprozesse implementieren, so dass eine große Modularität erreicht werden kann, da die Schaltungskonfiguration der Signalverarbeitungseinheit für eine Vielzahl unterschiedlicher Sensorelemente und damit für Mess- und/oder Überwachungs- und/oder Steuerungsaufgaben eingesetzt werden kann, da die Anpassung durch Software erfolgen kann. Gegebenenfalls kann auf diese Weise auch das Sensorsignal digital bereitgestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Sensormodul einen miniaturisierten Aufbau auf, der mittels Mikrosystemtechnologie und Mikroelektroniktechnologie verwirklicht ist. Durch Einsatz dieser modernen Herstellungsverfahren lässt sich eine äußerst kompakte Bauweise des Sensormoduls verwirklichen, so dass für eine große Bandbreite von Anwendungen eine Anbringung an dem Messobjekt möglich ist, wobei keine nennenswerte Funktionsbeeinträchtigung des Messobjekts hervorgerufen wird. Die durch die technische Umsetzung des erfindungsgemäßen Sensormoduls erreichte Miniaturisierung auf kleinsten Raum, in der somit der Sensor, die Funkschnittstelle, der Signalprozessor sowie passive Komponenten untergebracht sind, ermöglicht es, dass das Sensormodul in nahezu beliebigen Gegenständen und Objekten anzubringen oder unterzubringen ist, wobei eben die Bauform auch in eine geeignete Form gebracht werden kann, so dass eine Funktionsbeeinträchtigung wirksam unterdrückt werden kann. D. h., durch die Herstellungsweise kann das kompakte miniaturisierte Modul je nach Anwendung und Anforderung in seiner Bauform, beispielsweise als Kugel, Würfel, flexibles Band, und dergleichen geeignet angepasst werden. Des weiteren wird durch die Ausführung des Sensormoduls in modularer Bauform, die sich durch die oben genannten Techniken besonders vorteilhaft verwirklichen lässt, die Möglichkeit geschaffen, gewisse Funktionselemente entsprechend den Anforderungen der Anwendung auszutauschen oder zu ersetzen, so dass beispielsweise das Sensorelement durch ein anderes ersetzt werden kann oder dass die Energiequelle in effizienter und kostengünstiger weise ausgetauscht werden kann. Die für die Herstellung des miniaturisierten Moduls eingesetzten Verfahren und Technologien der Mikrosystemtechnik, der Mikroelektronik und der Mikromechanik können in unterschiedlichster weise kombiniert und entsprechend den Erfordernissen der Ausführungsform des Moduls bzw. der entsprechenden verfügbaren Technologie angepasst werden. Beispielsweise kann das Sensormodul unter Ausnutzung der obigen Technologien so aufgebaut sein, dass sich neu entwickelte Komponenten beispielsweise Energiesysteme ohne großen Aufwand integrieren lassen. Beispielsweise können Mikrobrennstoffzellen, sobald sie in kostengünstiger Weise verfügbar sind, anstelle von konventionelleren Energieträgern, etwa Batterien, Akkumulatoren, und dergleichen eingesetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein zweites Sensorelement vorgesehen, das mit der Signalverarbeitungseinheit zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten spezifizierten Messgröße verbunden ist. Durch das Vorsehen mehrerer Sensorelemente in dem Sensormodul kann in Kombination eine komplexere Gesamtfunktion erfüllt werden, so dass beispielsweise bei speziellen in Überwachungsaufgaben bei Temperatur- und/oder Rauchgrenzwerten und/oder auftretenden Erschütterungen eine Alarmauslösung erfolgen kann.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind zumindest einige der elektronischen Komponenten als integrierte Schaltung ausgebildet. Somit lässt sich ein hohes Maß an Kompaktheit in Verbindung mit einer hohen Zuverlässigkeit erreichen. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Signalverarbeitungseinheit sowie zumindest ein Teil der Sende- und Empfangseinheit in einer gemeinsamen integrierten Schaltung vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich der Anteil der bei der Montage des Sensorelements anfallenden Arbeiten hinsichtlich der Verbindung elektronischer Komponenten und Bereitstellung von Verbindungsleitungen deutlich reduzieren, wobei gleichzeitig eine hohe Funktionalität und Zuverlässigkeit auf engstem Räume bereitgestellt wird. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, die Signalverarbeitung bzw. Signalvorverarbeitung in dem Sensormodul im Wesentlichen softwaregestützt durchzuführen, so dass auf der Grundlage einer gegebenen Schaltungskonfiguration eine große Bandbreite an Anwendungen abgedeckt werden kann, ohne dass eine Umgestaltung der integrierten Schaltung erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die integrierte Schaltung ferner das Sensorelement auf. Auf diese Weise lässt sich das Maß an Kompaktheit weiter steigern, wobei auch gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Sensormoduls erhöht werden kann. Beispielsweise sind für messtechnisch zu erfassende Messgrößen, etwa Druck, Temperatur, Beschleunigung, elektrische Felder, optische Messgrößen, und dergleichen mikroelektronische bzw. mikromechanische Sensorelemente verfügbar, die damit in effizienter Weise in das Schaltungskonzept mit einbezogen werden können, so dass ein geringes Bauvolumen mit gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit erreicht werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das autarke Sensormodul einen Träger zur Aufnahme aller Funktionskomponenten auf, wobei der Träger zur mechanischen stabilen Anbringung an oder in einem Messobjekt ausgebildet ist. Das Vorsehen eines geeignet gestalteten Trägers für die Aufnahme der einzelnen Komponenten des Sensormoduls erhöht die Flexibilität bei der Anwendung des Sensormoduls, da der Träger entsprechend der Anwendung gestaltet werden kann, um damit das erforderliche Maß an mechanischer Stabilität und damit Unversehrtheit des Moduls während der Installation und auch während der Messphase bereitzustellen. Durch die Miniaturisierung beeinflusst das Sensormodul kaum oder wenig die Funktion des Trägers. Insbesondere kann der Träger zur Anbringung an einem bewegten Messobjekt ausgebildet sein. Damit lässt sich eine große Vielfalt an Anwendungen erschließen, in denen der kompakte Aufbau des Sensormoduls in Verbindung mit dem Vorsehen eines geeigneten Trägers Messungen auch an kleinen bewegten Objekten ermöglicht, ohne deren Funktion wesentlich zu beeinträchtigen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensormodul ausgebildet, dass es an einem bewegten Sportgerät und insbesondere in oder an einem Ball eines Ballspiels anbringbar ist. Somit lassen sich geeignete Daten während der Anwendung des Sportgerätes in effizienter Weise ermitteln und auswerten, wobei eben ein hohes Maß an Flexibilität und ein geringer Aufwand hinsichtlich peripherer Komponenten erforderlich sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Sensorelement zumindest einen Beschleunigungssensor. Zur Ermittlung von aussagekräftigen Beschleunigungswerten ist in der Regel eine relativ unbeeinflusste Bewegung eines Messobjekts erforderlich, wodurch auf Grund des autarken Sensormoduls der vorliegenden Erfindung ein hohes Maß an Authentizität der gewonnenen Messdaten gewährleistet ist, wobei eben ein geringer Aufwand hinsichtlich peripherer Komponenten erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Energiequelle einen Generator, der auf das Sensormodul einwirkende mechanische Energie und/oder elektromagnetische Energie in elektrische Energie zum Betrieb des Sensormoduls umwandelt. Auf diese Weise lässt sich effizient die Betriebsdauer des Sensormoduls und damit dessen Maß an Autarkie erhöhen, indem von außen bereitgestellte Energie direkt in dem Sensormodul umgewandelt werden kann, ohne dass ggf. ein Austausch von Energiekomponenten erforderlich ist. Dabei kann ein entsprechender Generator in Form eines entsprechend miniaturisierten federgetriebenen Werkes oder Piezo-Wandlers vorgesehen sein, um mechanische Bewegungsenergie zu speichern oder diese Energie unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln, während in anderen Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ in dem Generator Mittel oder Komponenten vorgesehen sind, um elektrische, magnetische oder elektromagnetische Energie in geeigneter Weise umzuformen und so dann in einer Energiequelle zu speichern. Beispielsweise kann in dem Generator eine induktive Komponente vorgesehen sein, um in effizienter Weise induktiv eingekoppelte Energie in elektrische Energie umzuwandeln. In anderen Ausführungsformen kann eine für die Signalübertragung verwendete Trägerwelle ausgenutzt werden, um einen entsprechenden Anteil an elektrischer Energie für die Versorgung des Sensormoduls bereitzustellen. Eine entsprechende Umwandlung mechanischer und/oder elektromagnetischer Energie kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Sensormodul mehr oder minder vollständig in dem entsprechenden Messobjekt integriert ist, so dass ein direkter Zugriff auf das Sensormodul mit entsprechendem Aufwand verbunden wäre.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst mittels eines Sensormodulsystems, das zwei oder mehr autarke Sensormodule aufweist, wie sie in den vorhergehenden Ausführungsformen oder in den noch zu beschreibenden Ausführungsformen dargestellt sind, wobei jedes autarke Sensormodul ferner ausgebildet ist, mit den weiteren Sensormodulen des Sensormodulsystems ein selbst organisierendes Netzwerk zu bilden.
Das selbst organisierende Netzwerk, das beispielsweise auf der Grundlage von Verfahren aus dem Bereich der Funknetzwerke eingerichtet werden kann, dient damit zum Austauschen von Daten zwischen den einzelnen Modulen und kann auch zur Herstellung eines Kommunikationsweges zu einer externen Komponente verwendet werden. Auf Grund des selbst organisierenden Netzwerkes bietet sich ein hohes Maß an Flexibilität bei dem Aufbau des Sensormodulssystems, da eine variierende Anzahl an Sensormodulen eingesetzt werden kann, wodurch sich ein breites Anwendungsfeld, beispielsweise im Umweltbereich, im Gebäudemanagement, in der Qualitätskontrolle in Produktionsprozessen und in der Nahrungsmittelindustrie, in der Maschinen- und Anlagenüberwachung, in der medizinischen Überwachung, im Freizeitbereich und dergleichen erschließen lässt. Dabei kann auf Grund der Netzwerkstruktur des Modulsystems die Datenübermittlung von und zu einzelnen Sensormodulen in effizienter Weise bewerkstelligt werden, ohne dass große und aufwendige periphere Komponenten erforderlich sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Sensormodulsystem ferner eine Datenempfangseinheit vorgesehen, die mit mindestens einem der autarken Sensormodulen bei Betrieb des Systems zumindest zeitweilig in Verbindung steht. Damit lassen sich gewünschte Sensordaten in effizienter Weise aus dem Netzwerk auslesen und für eine weitere Datenverarbeitung verwenden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Sende- und Empfangseinheiten der einzelnen autarken Sensormodule zur Signalübertragung über elektromagnetische Signalübertragungskanäle ausgebildet, wobei mindestens zwei unterschiedliche Frequenzbereiche vorgesehen sind. Durch die Verwendung unterschiedlicher Frequenzbereiche innerhalb des Systems, wobei die Übertragungskanäle beispielsweise zur Initialisierung der Sensormodule sowie zur Datenübertragung verwendet werden können, wird eine bedarfsgerechte und somit auch wählbare zeitliche Gestaltung bei der Sensordatenerfassung und Übertragung möglich, da bei Bedarf eben verschiedene Frequenzbereiche verwendet werden können, um eine zuverlässige Datenübertragung sicherzustellen. Ferner kann durch das Bereitstellen verschiedener Frequenzbereiche auch eine Auswahl hinsichtlich der für die Übertragung erforderlichen Energie erreicht werden, so dass für die Datenübermittlung der Sensormodule energieeffiziente Übertragungskanäle gewählt werden können. So kann beispielsweise die Übertragung von Daten zwischen einzelnen Sensormodulen mit sehr geringer Intensität in einem geeigneten Frequenzbereich erfolgen, während beispielsweise das Übermitteln eines Initialisierungssignals von außen, beispielsweise von der Datenempfangseinheit in einem Frequenzbereich erfolgen kann, der eine große Reichweite gewährleistet, so dass jedes autarke Sensormodul von außerhalb bei Bedarf initialisiert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in den autarken Sensormodulen ein Algorithmus zur Ermittlung eines Kommunikationsweges in dem System nach einem vorgegebenen Kriterium eingerichtet. Auf Grund des implementierten Algorithmus lässt sich somit ein geeigneter Kommunikationsweg finden, in welchem Daten von einem Modul zum nächsten übertragen und schließlich zu einer externen Quelle, beispielsweise einer externen Datenempfangseinheit übermittelt werden. Auf diese Weise lässt sich eine zuverlässige Datenübermittlung ohne großen Aufwand an Peripherkomponenten verwirklichen, da beispielsweise die zuverlässige Verbindung nur eines Sensormoduls in dem System zu der peripheren Komponente, beispielsweise einer Datenempfangseinheit erforderlich ist. So kann auch die Kommunikation mit der externen Quelle unter speziell gewählten Gesichtspunkten erfolgen, etwa im Hinblick auf eine energiesparende und sichere Datenübertragung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gibt das vorgegebene Kriterium einen kürzesten oder einen energieoptimierten Kommunikationsweg an.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Datenerfassungssystem ein oder mehrere autarke Sensormodule, wie sie in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind oder noch in den nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben werden, wobei das Datenerfassungssystem ferner eine Datenempfangseinheit aufweist, die ausgebildet ist, von dem einen oder den mehreren autarken Sensormodulen drahtlos Daten zu empfangen, die mit der spezifizierten Messgröße verknüpft sind. Wie zuvor bereits dargelegt ist, kann durch die miniaturisierte modulare Bauform das eine oder die mehreren autarken Sensormodule in andere Gegenstände und Objekte, die eine spezifische Funktion erfüllen, integriert werden, ohne dass deren ursprüngliche Funktion wesentlich beeinträchtigt wird. Dadurch erhalten die Gegenstände und Objekte eine erweiterte Funktion und deren Gebrauchseigenschaft erhöht sich, da mittels des Datenerfassungssystem in effiziente Weise entsprechende Daten erfasst und somit für eine weitere Verarbeitung außerhalb der Objekte und Gegenstände mittels der Datenempfangseinheit zur Verfügung stehen. Dies gilt insbesondere, wenn bewegte Objekte, beispielsweise Golfbälle, Tischtennisbälle, Tennisbälle oder andere Spielbälle betrachtet werden, da der Zustand der bewegten Gegenstände im Hinblick auf eine oder mehrere spezifizierte Messgrößen überwacht werden kann, wobei die entsprechenden Messdaten ein hohes Maß an Authentizität hinsichtlich der Funktion der Gegenstände aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ferner eine Datensendeeinrichtung oder eine Datensende- und -Empfangseinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, zu mindestens einem des einen oder der mehreren Sensormodule drahtlos Daten zu übertragen. Auf diese Weise kann beispielsweise die Steuerung des Sensormoduls und, ggf. auch damit auch eine Beeinflussung des Gegenstands, in effizienter Weise erfolgen, so dass sich ein hohes Maß an Flexibilität beim Betrieb des Datenerfassungssystems ergibt. Beispielsweise können Initialisierungssignale zur Initialisierung eines Betriebszustandes und/oder zur Initialisierung eines Energiesparzustandes mittels der Datensendeeinrichtung übertragen werden, so dass das Datenerfassungssystem in hohem Maße von außen steuerbar ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann ggf. die Konfiguration und damit das Funktionsverhalten des autarken Sensormoduls von außen gesteuert werden, indem beispielsweise entsprechende Konfigurations- oder Steuerdaten übertragen werden, die dann eine entsprechende Arbeitsweise des Sensormoduls zur Folge haben. Ggf. kann auch eine Softwareaktualisierung oder generell eine Änderung der Software über die Datensendeeinheit erfolgen, so dass ohne direkten Zugriff von außen eine entsprechende Aktualisierung des Betriebsverhaltens der Sensormodule erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Datensendeeinrichtung zur Datenübertragung für einen anderen drahtlosen Übertragungskanal wie die Datenempfangseinheit ausgebildet. Auf diese Weise kann beispielsweise die Datenübertragung zu den einzelnen Sensormodulen im Hinblick darauf erfolgen, dass eine zuverlässige Datenübermittlung für alle Sensormodule gleichzeitig stattfindet, während bei der Datenübermittlung von den Sensormodulen zu der Datenempfangseinheit das Kriterium einer möglichst effizienten und damit energiesparenden Datenübertragung angewendet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen, die mit der Datenempfangseinheit in Verbindung steht, um in der Datenempfangseinheit empfangene Daten zu verarbeiten. Auf diese Weise lassen sich in den Sensormodulen gewonnene Messdaten, die einer Signalverarbeitung unterzogen wurden, die jedoch im Hinblick auf die eigentliche Verwendung der Messdaten eine Vorverarbeitung sein kann, in energiesparender und dennoch effizienter Weise zu der Datenverarbeitungseinheit übertragen werden, die dann entsprechend ihren rechnerischen Ressourcen eine entsprechende Aufbereitung bzw. Darstellung der erfassten Messdaten ausführen kann. Beispielsweise können dazu tragbare oder stationäre Rechnereinrichtungen und dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise steht dabei die Datenverarbeitungseinheit über einen drahtlosen Übertragungskanal mit der Datenempfangseinheit in Verbindung. Damit lässt sich ein hohes Maß an Flexibilität und auch Kompatibilität zu bestehenden Netzwerktechnologien herstellen, indem beispielsweise mit dem drahtlosen Übertragungskanal zwischen der Datenverarbeitungseinheit und der Datenempfangseinheit vorhandene Standards, etwa der "Bluetooth-Standard" verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Datenempfangseinheit ausgelegt, Energie in das eine oder die mehreren Sensormodule einzuspeisen. Auf diese Weise kann die Unabhängigkeit der Sensormodule bzw. auch deren Kompaktheit verbessert werden, da die in den einzelnen Sensormodulen vorhandene Energiequelle entsprechend klein gewählt werden kann. Beispielsweise kann die Sende- und Empfangseinheit so ausgelegt sein, dass zumindest ein Teil der zur Datenübertragung benötigten Energie aus der eingespeisten Energie bezogen wird. Dies lässt sich beispielsweise durch Umwandeln der Trägerwellenenergie bei der Datenübermittlung oder durch das induktive Einkoppeln von Energie oder durch das Bereitstellen eines optischen Strahls, der auch gleichzeitig zur Energieversorgung dienen kann, bewerkstelligen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Datenerfassung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Fixieren eines Messmoduls an einem Messobjekt, wobei das Messmodul an das Messobjekt angepasst ist und im Wesentlichen keine Funktionsbeschränkung des Messobjekts hervorruft. Ferner werden mit dem Messobjekt verknüpfte Messdaten in dem Messmodul gewonnen und die gewonnenen Messdaten in dem Messmodul verarbeitet und sodann drahtlos übermittelt.
Wie zuvor bereits erläutert, ergibt sich durch das Vorsehen des Messmoduls in einem speziellen Messobjekt ohne wesentliche Beschränkung von dessen Funktion durch die lokale Gewinnung, Verarbeitung sowie drahtlose Übermittlung der entsprechenden Messdaten ein hohes Maß an Flexibilität bei der Datenerfassung, insbesondere bei bewegten Objekten.
In vorteilhaften Ausführungsformen beinhaltet das Gewinnen von Messdaten das Ermitteln von Messwerten für eine oder mehrere spezifizierte Messgrößen mittels eines oder mehrerer Sensorelemente. Somit kann mit der Datenerfassung durch Auswahl eines oder mehrerer geeigneter Sensorelemente eine entsprechende Aufgabe erfüllt werden, d. h. beispielsweise eine Alarmauslösung oder eine entsprechende Anzeige bei Nichteinhaltung eines oder mehrerer spezifizierter Wertebereich für eine oder mehrere spezifizierte Messgrößen.
In weiteren Ausführungsformen kann das Verarbeiten der gewonnenen Messdaten eine Datenspeicherung über einen längeren Zeitraum und/oder eine Datenfilterung und/oder eine Schwellwertermittlung und/oder eine rechnerische Auswertung umfassen. Auf diese Weise ist eine hohe Flexibilität bei der Aufbereitung der gewonnenen Messdaten bereits vor Ort möglich, so dass gegebenenfalls die Datenmenge bei der Übermittlung stark reduziert und damit sehr energiesparend ausgelegt sein kann, da bei Bedarf nur entsprechende Ergebnisse der Datenverarbeitung, die beispielsweise als entsprechende Ergebnisse abgelegt sind, übertragen werden müssen. Zum Beispiel wird bei typischen Anwendungen in einer Überwachungssituation, in der eine oder mehrere messtechnisch zu erfassende Größen das Über- bzw. Unterschreiten entsprechender Schwellwerte zu überwachen sind, eine entsprechende Signalübermittlung erst dann stattfinden, wenn ein entsprechendes Ereignis tatsächlich eintritt, so dass der in der Regel energiesparendere Vorgang der Datenverarbeitung aufrecht erhalten wird, während die Datenübertragung nur bei Bedarf stattfindet. Ferner kann die Übertragung unter Einsatz energiesparender Maßnahmen erfolgen, da ggf. wenig oder gar keine Redundanz den Daten hinzuzufügen ist oder größere Datenmengen zu übertragen sind, da ggf. bereits die erforderliche Auswertung vollständig in dem Sensormodul stattgefunden haben kann.
Vorteilhafterweise erfolgt die Verarbeitung der gewonnenen Messdaten durch eine Analog-Digital-Wandlung, die auch im Sensor bereits integriert sein kann, mit einer darauf folgenden digitalen Signalverarbeitung, die in vorteilhaften Ausführungsformen in Form von Software in einer Rechnereinrichtung hinterlegt ist. Auf diese Weise gibt sich ein hohes Maß an Flexibilität, da gleichartige Hardwarestrukturen für sehr unterschiedliche Datenerfassungsaufgaben verwendet werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines autarken Sensormoduls bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer Größe und einer Bauform des Sensormoduls für ein ausgewähltes Messobjekt, wobei die Größe und die Bauform im Wesentlichen keine Funktionsbeschränkung des Messobjekts nach Anbringen des Sensormoduls verursachen. Des weiteren werden unter Anwendung von Technologien der Mikrosystemtechnik und der Fertigung von Mikrostrukturen ein oder mehrere Sensormodule hergestellt, wobei jedes Sensormodul mehrere Komponenten aufweist, die ein Sensorelement, eine mit dem Sensorelement verbundene Signalverarbeitungseinheit, eine mit der Signalverarbeitungseinheit verbundene Sende- und Empfangseinheit zur drahtlosen Übermittlung von Daten und eine Energiequelle zum zumindest zeitweiligen autarken Betrieb der Sensoren gehören.
Durch dieses Verfahren lässt sich in zielgerichteter Weise eine autarke Sensorvorrichtung herstellen, so dass authentische Messdaten von dem Messobjekt gewonnen werden können. Diese Messdaten können so zur Überwachung und/oder zur Steuerung und/oder zur Funktionserweiterung des entsprechenden Messobjekts weiter verwertet werden.
Die zur Herstellung des einen oder der mehreren Sensormodule angewendeten Technologien umfassen vorteilhafterweise die Integration zweier oder mehrerer der Komponenten auf oder in einem gemeinsamen Schaltungsträger, so dass ein hohes Maß an Komplexität und Kompaktheit bei reduzierten Fertigungskosten erreicht werden kann. Somit lassen sich in kostengünstiger weise beliebige Messobjekte mit entsprechend zugeschnittenen Sensormodulen versehen, wobei auf Grund der kompakten, modularen und autarken Bauweise bzw. Funktionsart der Aufwand an peripheren Einrichtungen gering bleibt. Vorteilhafterweise werden auch zur Herstellung der Sensormodule flexible Schaltungsträger verwendet. Auf diese Weise lassen sich die Formgebung sowie die mechanische Unversehrtheit während der Anwendung des Sensormoduls verbessern und die Baugröße weiter verkleinern. Hiermit lassen sich Baugrößen für das gesamte Modul von kleiner 5mm x 5mm x 2,5mm (ohne Energiequelle) realisieren.
Vorteilhafterweise werden zur Herstellung der Sensormodule passive Schaltungskomponenten und/oder - bei Bedarf - optische Komponenten und/oder mikromechanische Komponenten in ein einzelnes Schaltungsträgersubstrat integriert. Diese Art der Herstellung gewährleistet einen kostengünstigen Fertigungsprozess bei gleichzeitig großer Kompaktheit sowie Störungsunanfälligkeit.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den angefügten Patenansprüchen definiert und gehen auch aus der folgenden detaillierten Beschreibung weiterer spezieller Ausführungsbeispiele hervor. Dabei wird auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Fig. 1 a schematisch einen modularen Aufbau eines Sensormoduls gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 1 b den modularen Aufbau des Sensormoduls in Leiterplattentechnik (PCB) der Ausführungsform aus Fig. 1 a zeigt;
Fig. 1 c schematisch den mechanischen Aufbau eines speziellen Sensormoduls zur Integration in ein Messobjekt, das in diesem Beispiel ein Golfball ist, darstellt;
Fig. 1 d schematisch ein Blockschaltbild eines Sensormoduls mit Beschleunigungssensor zeigt und
Fig. 1 e schematisch ein Datenerfassungssystem mit einem oder mehreren Sensormodulen mit entsprechenden peripheren Komponenten in einer anschaulichen Ausführungsform zeigt.
Fig. 1 a zeigt schematisch ein Sensormodul 100, das in der beispielhaften Ausführungsform als ein dreidimensionaler Leiterplattenstapel 101 , der wiederum in verschiedene Ebenen aufgeteilt ist, vorgesehen ist. In der gezeigten Ausführungsform weist der Leiterplattenstapel 101 in einer ersten Ebene 102, die auch generisch als Signalverarbeitungseinheit bezeichnet ist, eine entsprechende analoge und/oder digitale Beschaltung auf, beispielsweise einen Verstärker, einen Analog-Digital-Wandler, einen digitalen Prozessor und dergleichen, wobei die Komponenten der ersten Ebene 102 oder Signalverarbeitungseinheit mit einem entsprechenden Sensorelement 103 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform ist das Sensorelement als ein Beschleunigungssensor ausgebildet, der über ein entsprechendes Verbindungskabel 104 angeschlossen ist. In anderen Ausführungsformen kann das Sensorelement auf der Platine der Einheit 102 montiert sein oder kann auch direkt in die Schaltungsplatine der Einheit 102 integriert sein. Ferner kann die Platine der Einheit 102 eine geeignete Antenne für eine Sende- und Empfangseinheit 105, die in der gezeigten Ausführungsform in der zweiten Ebene angeordnet ist, aufweisen. In einer weiteren Ebene 106 können weitere Komponenten, beispielsweise Quarze oder andere passive oder aktive Komponente vorgesehen sein. Ferner kann in dieser Ebene 106 auch eine Energiequelle (nicht gezeigt) vorgesehen sein, oder diese kann in einer separaten Ebene angeordnet sein.
Fig. 1 b zeigt in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform des Moduls 100, in der eine kompaktere Anordnung erreicht wird, indem im Wesentlichen alle elektronischen Komponenten einschließlich von Antenneneinrichtungen der Sende- und Empfangseinheit 105 auf entsprechenden einzelnen Platinen angeordnet sind, wobei die Kontaktierung der einzelnen Platine über entsprechende Anschlussflächen erfolgt. Es sollte beachtet werden, dass die Anzahl, die Form und die Anordnung der Platinen dem Verwendungszweck angepasst ist, so dass sich das Modul 100 an einem ausgewählten Messobjekt anbringen lässt.
Fig. 1 c zeigt schematisch das Sensormodul 100 zur Integration in einem Messobjekt 150, das in dem vorliegenden Anwendungsbeispiel ein Golfball ist. Wie gezeigt, umfasst das Sensormodul 100 den Leiterplattenstapel 101 , auf dem der Beschleunigungssensor 103 montiert ist, wobei unter dem Stapel 101 eine Energiequelle 107, in Form von beispielsweise Standardbatterien oder Akkumulatoren in Knopfzellenform vorgesehen ist. Ferner ist ein Träger 108 gezeigt, in welchem die einzelnen Komponenten, d. h. das Sensorelement 103, der Leiterplattenstapel 101 und die Energiequelle 107 so angebracht sind, dass diese zusammen mit dem Träger 108 mechanisch in dem Golfball 150 fixiert werden können. Auf der rechten Seite der Abbildung 1c ist das fertig montierte Sensormodul 100 gezeigt, wobei zur mechanischen Fixierung des Moduls 100 in dem Golfball 150 am Träger 108 in diesem Fall ein entsprechendes Schraubengewinde als Gegenstück zu einem entsprechenden Gewinde in dem Golfball 150 vorgesehen ist.
Die Montage der elektronischen Komponente für das Sensormodul 100 erfolgt mittels etablierter Verfahren der SMD-Montage und der „Chip on Board" (COB)-Technologie (Chip und Drahtbonden). Hierdurch wird eine kompakte und leichte Bauform erreicht. Der Träger 108 ist in Form eines Plastikgehäuses vorgesehen oder wird aus einem anderen geeigneten Material hergestellt. Die Montage der einzelnen Komponenten kann je nach Bauform durch bekannte Verfahren der Mikrosystemtechnik so erfolgen, dass ein noch kompakterer Aufbau erreicht werden kann. Beispielsweise kann bei der Herstellung einzelner Schaltungsplatinen ein flexibler Schaltungsträger (Folie) vorgesehen werden, oder die Integration passiver Komponenten kann in oder auf dem entsprechenden Substratmaterial für die Herstellung integrierter Schaltungen oder auf dem Substratmaterial der Leiterplatte erfolgen.
Fig. 1 d zeigt schematisch ein Blockschaltbild des Sensormoduls 100, wobei die Sende- und Empfangseinheit 105 mit einer Datenverarbeitungseinheit 102 in Verbindung steht, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem analogen Abschnitt 102a und einem digitalen Abschnitt 102b aufgebaut ist. Ferner ist der Beschleunigungssensor 103 mit der Signalverarbeitungseinheit 102 verbunden und die Energiequelle 107 dient zur elektrischen Versorgung aller Komponenten des Moduls 100. Die dargestellte Ausführungsform hat nur beispielhaften Charakter und kann entsprechend den zuvor ausgeführten Prinzipien modifiziert werden. Beispielsweise kann insbesondere die Energiequelle 107 einen entsprechenden Generator (nicht gezeigt) zur Energieumwandlung aufweisen, der die zuvor dargelegten Eigenschaften aufweist.
Während des Betriebs des Moduls 100 kann die Signalverarbeitungseinheit 102a, 102b entsprechende Signale des Sensors 103 verarbeiten und der Sende- und Empfangseinheit 105 für die drahtlose Übermittlung zu anderen Sensorelementen oder einer entsprechenden Datenempfangseinheit zuführen. In der gezeigten Ausführungsform ist der digitalen Signalverarbeitungsabschnitt 101 b vorgesehen, der eine softwaregestützte Verarbeitung ermöglicht, so dass ein hohes Maß an Flexibilität bei gleichem Hardwareaufbau erreicht werden kann. Ferner kann in der gezeigten Ausführungsform der digitalen Einheit 102b eine entsprechende Steuereinheit implementiert sein, die den Betrieb des Moduls 100 steuern kann. Beispielsweise kann in dem Modul 100 mindestens ein weiterer Betriebszustand zusätzlich zu dem voll funktionsfähigen Betriebszustand eingerichtet sein, in welchem die Energiequelle 107 deutlich geringer belastet wird, indem beispielsweise zumindest ein Teil der Sende- und Empfangseinheit 105 deaktiviert ist, der für das Übermitteln von Daten zuständig ist. Des weiteren können, wie zuvor bereits erläutert wurde, auch mehrere unterschiedliche Energiesparmodi eingerichtet sein, so dass sich in Abhängigkeit der Steuerungskonfigurationen, die beispielsweise auch durch externe Signale eingestellt werden können, ein entsprechender Betriebszustand einstellen lässt.
Fig. 1 e zeigt schematisch ein Datenerfassungssystem 160, in welchem ein oder mehrere Sensormodule 100 vorgesehen sind. Ferner umfasst das Datenerfassungssystem 160 in der gezeigten Ausführungsform eine Datenempfangseinheit 161 , die zumindest zeitweilig mit zumindest einem der Module 100 in Verbindung steht. Ferner ist in dem Datenerfassungssystem 160 eine Datenverarbeitungseinheit 162 vorgesehen, die in der gezeigten Ausführungsform als ein Empfänger/Sendermodul für mittlere Entfernungen bezeichnet ist, und beispielsweise zur Darstellung der Messdaten sowie zur Initialisierung der Module 100 dienen kann.
Beim Betrieb des Systems 160 können beispielsweise von einem der Module 100, z. B. durch den Abschlag des Golfballs hervorgerufene Messdaten, d.h. Beschleunigungswerte erfasst werden und mittels elektromagnetischer Übertragungskanäle an die Datenempfangseinheit 161 übermittelt werden. Hierbei kann für den entsprechenden Übertragungskanal ein geeigneter Frequenzbereich angewendet werden, so dass eine zuverlässige und dennoch energiesparende Signalübertragung möglich ist. Beispielsweise kann die Datenempfangseinheit 161 während der Übermittlung der Messdaten in unmittelbarer Nähe des Moduls angeordnet sein, beispielsweise in dem entsprechenden Schläger oder am Ort des Abschlags, so dass trotz sehr geringer Sendeleistung des Moduls 100 eine zuverlässige Datenübertragung ermöglicht wird. Andererseits kann die Datenempfangseinheit 161 über einen weiteren Übertragungskanal, der in seinem Frequenzbereich unterschiedlich sein kann im Vergleich zu dem zwischen dem Modul 100 und der Datenempfangseinheit 161 benutzten Übertragungskanal, Daten an die Verarbeitungseinheit 162 senden, so dass sich die entsprechenden Daten zuverlässig übertragen und in der Datenverarbeitungseinheit 162 entsprechend auswerten lassen. Dazu können beispielsweise standardmäßige Übertragungskanäle, z. B. der Bluetooth-Standard verwendet werden, die üblicherweise in handelsüblichen Geräten, beispielsweise PDA's, Mobiltelefonen, Mobilcomputer, etc. verfügbar sind. Ferner kann auch über die externe Datenverarbeitungseinheit 162 eine Initialisierung der einzelnen Module 100 durch Aussenden eines entsprechenden Signals erfolgen. Beispielsweise kann unmittelbar vor dem Abschlag des Golfballes eine Initialisierung erfolgen, so dass das Modul 100 von einem Energiesparzustand in einen entsprechenden betriebsbereiten Zustand zur Datennahme und zur Datenübermittlung überführt wird.
In dem Datenerfassungssystem 160 können mehrere Sensormodule 100 vorgesehen sein, die dann so ausgebildet sind, dass diese ein sich selbst organisierendes Netzwerk bilden. Beispielsweise können mehrere Golfbälle verwendet werden, die beispielsweise nach dem Abschlagen die entsprechenden Messdaten speichern und anschließend eine entsprechende Datenübermittlung ermöglichen, wobei Golfbälle, die sich im gegenseitigen Einflussbereich ihrer Sende- und Empfangseinheiten befinden, eine entsprechende Netzwerkstruktur erstellen, um damit eine effiziente Datenübermittlung zu gewährleisten. Auf diese Weise ist es möglich, selbst mit nur geringer Reichweite der Datenempfangseinheit 161 eine Vielzahl von Messdaten von unterschiedlichen Golfbällen zuzuführen, da beispielsweise die Daten eines entfernten Golfballes über einen entsprechenden Kommunikationsweg zu der Datenempfangseinheit 161 übermittelt werden können.

Claims

Ansprüche:
1. Autarkes Sensormodul mit
- einem Sensorelement, das zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit einer spezifizierten Meßgröße ausgebildet ist,
- einer mit dem Sensorelement verbundenen Signalverarbeitungseinheit,
- einer mit der Signalverarbeitungseinheit verbundenen Sende- und Empfangseinheit zur drahtlosen Übermittlung von Daten und
- einer Energiequelle zum zumindest zeitweiligen autarken Betrieb des Sensormoduls.
2. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 1 , das ausgebildet ist, mindestens einen ersten Betriebszustand und einen zweiten unterschiedlichen Betriebszustand einzunehmen, wobei der erste Betriebszustand einen Energiesparzustand repräsentiert, in welchem zumindest eine Datensendung durch die Sende- und Empfangseinheit deaktiviert ist.
3. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 2, das ausgebildet ist, vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand durch Initialisierung mittels eines mechanischen und/oder elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen und/oder optischen Signals überzugehen.
4. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, einen Übergang vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand zu veranlassen.
5. Autarkes Sensormodul nach 4, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, den Übergang mittels eines von dem Sensorelement an die Signalverarbeitungseinheit ausgegebenen Signals zu veranlassen.
6. Autarkes Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit einen Analog/Digitalwandler und einen digitalen Signalverarbeitungsabschnitt zur Verarbeitung des von dem Sensorelement ausgegebenen Signals aufweist.
7. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 6, wobei die Signalverarbeitung einen Abschnitt zur zumindest teilweisen software-gestützten Signalverarbeitung von dem Analog/Digitalwandler ausgegebenen digitalen Daten aufweist.
8. Autarkes Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensormodul einen miniaturisierten Aufbau aufweist und mittels Mikrosystemtechnologie und Mikroelektroniktechnologie hergestellt ist.
9. Autarkes Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein zweites Sensorelement vorgesehen ist, das mit der Signalverarbeitungseinheit zur Ausgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten spezifizierten Messgröße verbunden ist.
10. Autarkes Sensormodul nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei zumindest die Signalverarbeitungseinheit oder der Sensor als eine integrierte Schaltung vorgesehen ist.
1 1. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 10, wobei die integrierte Schaltung ferner zumindest einen Teil der Sende- und Empfangseinheit enthält.
12. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die integrierte Schaltung ferner das Sensorelement umfasst.
13. Autarkes Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Träger zur Aufnahme aller Funktionskomponenten aufweist, wobei der Träger zur mechanisch stabilen Anbringung an einem Messobjekt ausgebildet ist.
14. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 13, wobei der Träger zur Anbringung an oder in einem beweglichen Messobjekt ausgebildet ist.
15. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 14, wobei das Sensormodul im wesentlichen ohne Funktionsbeeinträchtigung an oder in dem Messobjekt anbringbar ist.
16. Autarkes Sensormodul nach Anspruch 15, wobei das Messobjekt ein bewegtes Sportgerät, insbesondere einen Ball eines Ballspieles repräsentiert.
17. Autarkes Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement zumindest einen Beschleunigungssensor umfasst.
18. Autarkes Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiequelle einen Generator umfasst, der aus auf das Sensormodul einwirkender mechanischer Energie und/oder elektromagnetischer Energie elektrische Energie zur Aufrechterhaltung der Funktion(sfähigkeit) des Sensormoduls bereitstellt.
19. Autarkes Sensormodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dessen Abmessungen 1 cm3, vorzugsweise 0.5cm3 und besonders 0.2cm3 nicht übersteigen.
20. Sensormodulsystem mit
- zwei oder mehr autarken Sensormodulen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes autarke Sensormodul ferner ausgebildet ist, mit den weiteren Sensormodulen des Sensormodulsystems ein selbstorganisierendes Netzwerk zu bilden.
21. Sensormodulsystem nach Anspruch 20, wobei ferner eine Datenempfangseinheit vorgesehen ist, die mit mindestens einem der autarken Sensormodule bei Betrieb des Systems zumindest zeitweilig in Verbindung steht.
22. Sensormodulsystem nach Anspruch 20 oder 21 , wobei die Sende- und Empfangseinheiten der einzelnen autarken Sensormodule zur Signalübertragung über elektromagnetische Signalübertragungskanäle ausgebildet sind, und mindestens zwei unterschiedliche Frequenzbereiche vorgesehen sind.
23. Sensormodulsystem nach Anspruch 22, wobei ein Frequenzbereich zur externen Initialisierung der Sensormodule vorgesehen ist.
24. Sensormodulsystem nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei in den autarken Sensormodulen ein Algorithmus zur Ermittlung eines Kommunikationsweges in dem System nach einem vorgegebenen Kriterium eingerichtet ist.
25. Sensormodulsystem nach Anspruch 24, wobei das vorgegebene Kriterium einen kürzesten oder einen energieoptimierten Kommunikationsweg angibt.
26. Datenerfassungssystem mit
- einem oder mehreren autarken Sensormodulen nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und
- einer Datenempfangseinheit, die ausgebildet ist, von dem einen oder den mehreren autarken Sensormodulen drahtlos Daten zu empfangen, die mit der spezifizierten Messgröße verknüpft sind.
27. Datenerfassungssystem nach Anspruch 26, das ferner eine Datensendeeinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, zu mindestens einem des einen oder der mehreren Sensormodule drahtlos Daten zu übertragen.
28. Datenerfassungssystem nach Anspruch 27, wobei die Datensendeeinrichtung zur Übertragung von Steuerungsdaten ausgebildet ist, die zur Konfigurierung des mindestens einen Sensormoduls dienen.
29. Datenerfassungssystem nach Anspruch 27 oder 28, wobei die Datensendeeinrichtung für einen anderen drahtlosen Übertragungskanal ausgelegt ist wie die Datenempfangseinheit.
30. Datenerfassungssystem nach einem der Ansprüche 26 bis 29, das ferner eine Datenverarbeitungseinheit umfasst, die mit der Datenempfangseinheit in Verbindung steht, um in der Datenempfangseinheit empfangene Daten zu verarbeiten.
31. Datenerfassungssystem nach Anspruch 30, wobei die Datenverarbeitungseinheit über einen drahtlosen Übertragungskanal mit der Datenempfangseinheit in Verbindung steht.
32. Datenerfassungssystem nach Anspruch 31 , wobei die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet ist, zumindest ein Initialisierungssignal zu dem einen oder den mehreren Sensormodulen zu senden.
33. Datenerfassungssystem nach einem der Ansprüche 26 bis 32, wobei die Sende- und Empfangseinheit des einen oder der mehreren Sensormodule und die Datenempfangseinheit für eine energiesparende Datenübertragung ausgelegt sind.
34. Datenerfassungssystem nach Anspruch 33, wobei die Datenempfangseinheit ausgelegt ist, Energie in das eine oder die mehreren Sensormodule einzuspeisen.
35. Datenerfassungssystem nach Anspruch 34, wobei die Sende- und Empfangseinheit ausgelegt ist, zumindest einen Teil der zur Datenübertragung benötigten Energie aus der eingespeisten Energie zu beziehen.
36. Verfahren zur Datenerfassung mit
- Fixieren eines Messmoduls an oder in einem Messobjekt, wobei das Messmodul an das Messobjekt angepasst ist und im wesentlichen keine Funktionsbeschränkung des Messobjekts verursacht,
- Gewinnen von mit dem Messobjekt verknüpften Messdaten in dem Messmodul,
- Verarbeiten der gewonnenen Messdaten in dem Messmodul und
- drahtlos Übermitteln der verarbeiteten Messdaten aus dem Messmodul.
37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei Gewinnen von Messdaten Ermitteln von Messwerten für eine oder mehrere spezifizierte Messgrößen mittels eines oder mehreren Sensorelementen umfasst.
38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, wobei das Verarbeiten der gewonnenen Messdaten eine Datenspeicherung über einen längeren Zeitraum und/oder eine Datenfilterung und/oder eine Schwellwertermittlung und/oder eine rechnerische Auswertung umfasst.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 38, wobei die Verarbeitung der gewonnenen Messdaten eine Analog- Digitalwandlung und eine digitale Signalverarbeitung umfasst.
40. Verfahren nach Anspruch 39, wobei die Signalverarbeitung durch Software in einer Rechnereinrichtung erfolgt.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 36, bis 40, wobei zwischenzeitlich ein Energiesparzustand eingenommen wird, in welchem zumindest die Übermittlung der verarbeiteten Messdaten unterbrochen ist.
42. Verfahren nach Anspruch 41 , wobei während des Energiesparzustands zumindest die Gewinnung von Messdaten unterbrochen ist.
43. Verfahren nach Anspruch 41 oder 42, wobei der Energiesparzustand durch ein von außen zugeführtes Initialisierungssignal verlassen wird.
44. Verfahren nach Anspruch 41 oder 43, wobei der Energiesparzustand aufgrund gewonnener Messdaten verlassen wird.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 44, das ferner das berührungslose Zuführen von Energie umfasst, um zumindest einen Teil der für den Betrieb des Messmoduls erforderlichen Energie bereit zu stellen.
46. Verfahren nach Anspruch 45, wobei das berührungslose Zuführen von Energie während der Übermittlung von Daten erfolgt.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 46, wobei aus mechanischen Einwirkungen auf das Messobjekt Energie zum Betrieb des Messmoduls gewonnen wird.
48. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 47, das ferner umfasst: Empfangen von Daten im dem Messmodul, wobei die empfangenen Daten Steuerungsdaten und/oder Messdaten umfassen.
49. Verfahren nach Anspruch 48, wobei mindestens ein weiteres Messmodul vorgesehen ist, das an mindestens einem weiteren Messobjekt fixiert und an dieses angepasst ist, ohne im wesentlichen eine Funktionsbeschränkung des mindestens einen weiteren Messobjekts zu verursachen, Messdaten gewinnt, die gewonnenen Messdaten verarbeitet und die verarbeiteten Messdaten drahtlos übermittelt, wobei das Messmodul und das mindestens eine weitere Messmodul zeitweilig Daten austauschen.
50. Verfahren nach Anspruch 49, wobei das Messmodul und das mindestens eine weitere Messmodul als ein sich selbst organisierendes Netzwerk betrieben werden.
51. Verfahren nach Anspruch 50, das ferner umfasst: Übermitteln von verarbeiteten Messdaten des Messmoduls und/oder des mindestens einen weiteren Messmoduls zu einer Datenempfangseinheit.
52. Verfahren nach Anspruch 51 , das ferner umfasst: Bilden eines Kommunikationsweges mit dem Messmodul und einem des mindestens einen weiteren Messmoduls, um Daten zu der Datenempfangseinheit zu übertragen.
53. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 52, wobei bei der Übermittlung der verarbeiteten Messdaten Übertragungskanäle mit unterschiedlichen Frequenzbereichen verfügbar sind.
54. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 53, wobei das Messobjekt während der Benutzung zumindest zeitweilig bewegt wird.
55. Verfahren nach Anspruch 54, wobei das Messobjekt ein bewegliches Sportgerät ist.
56. Verfahren zur Herstellung eines autarken Sensormoduls, wobei das Verfahren umfasst:
- Bestimmen einer Größe und einer Bauform des Sensormoduls für ein ausgewähltes Messobjekt, wobei die Größe und Bauform im wesentlichen keine Funktionsbeschränkung des Messobjekts nach Anbringung des Sensormoduls verursachen,
- Anwenden von Technologien der Mikrosystemtechnik und der Fertigung von Mikrostrukturen zur Herstellung eines oder mehrerer Sensormodule, wobei jedes Sensormodul mehrere Komponenten aufweist mit einem Sensorelement, einer mit dem Sensorelement verbundenen Signalverarbeitungseinheit, einer mit der Signalverarbeitungseinheit verbundenen Sende- und Empfangseinheit zur drahtlosen Übermittlung von Daten und einer Energiequelle zum zumindest zeitweiligen autarken Betrieb des Sensormoduls.
57. Verfahren nach Anspruch 56, wobei zwei oder mehr der Komponenten in einer gemeinsamen integrierten Schaltung hergestellt werden.
58. Verfahren nach Anspruch 56 oder 57, wobei zur Herstellung des einen oder der mehreren Sensormodule flexible Schaltungsträger verwendet werden.
59. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 58, wobei zur Herstellung des einen oder der mehreren Sensormodule passive Schaltungskomponenten und/oder optische Komponenten und/oder mikromechanische Komponenten in ein Schaltungsträgersubstrat integriert werden.
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