EP2283596A1 - Vorrichtung und verfahren zur übertragung von information in festen medien - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur übertragung von information in festen medien

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Publication number
EP2283596A1
EP2283596A1 EP09733584A EP09733584A EP2283596A1 EP 2283596 A1 EP2283596 A1 EP 2283596A1 EP 09733584 A EP09733584 A EP 09733584A EP 09733584 A EP09733584 A EP 09733584A EP 2283596 A1 EP2283596 A1 EP 2283596A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
information
communication node
transducer
sequence control
control module
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09733584A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter-Michael Mayer
Frank Schmidt
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.)
Enocean GmbH
Original Assignee
Enocean GmbH
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
Application filed by Enocean GmbH filed Critical Enocean GmbH
Publication of EP2283596A1 publication Critical patent/EP2283596A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/02—Transmission systems in which the medium consists of the earth or a large mass of water thereon, e.g. earth telegraphy

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting information in solid media of the type specified in the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 23.
  • Information is transmitted in different ways, taking into account whether the information transfer by a gaseous, liquid or solid medium is to take place.
  • gaseous media information is often transmitted by electromagnetic radio waves.
  • the transmission of information by means of radio waves in solid media is usually not possible, or only very limited, because of the high attenuation of these waves. In solid media, therefore, the information transfer is usually done by electrical or optical conductors.
  • the present invention has for its object to provide a device for transmitting information in fixed To provide media of the generic type, with the information transfer is improved. Moreover, it is an object of the invention to provide a method for transmitting information in solid media of the type mentioned, which is simple and reliable.
  • mechanical waves are the mechanical vibrations and waves of an elastic medium, which are also referred to as sound waves.
  • Essential here are a coupling of a source or a transmitter to the solid medium, the transmission of the signal through the solid and its reception and identification.
  • the transmission of elastic waves through solid media whose structure, nature, properties and state are known, can be quantified by determining a transfer function for the solid medium.
  • the solid medium In geological formations, the solid medium is usually not known, so there are transfer functions to determine or carry out calibration attempts and to uniquely identify the signals.
  • information may be transferred wholly or partially within solid media, such as through the earth, through rock strata, through underground structures and reservoirs, dams, tunnels, and buildings, by means of mechanical waves. It means “completely” that the transmission of the Information exclusively by solid media as so-called structure-borne noise and “partially” means that the information transmission z. T. also by liquid media or gaseous media such. As water or air takes place.
  • a sequence control module comprises a programmable microcontroller which carries out the sequence control with the aid of the software and contains memory circuits. Moreover, it is advantageous for the sequence control module to comprise a memory in which an identification number is stored which maps the identity of the respective communication node. Furthermore, the sequence control module is expediently provided with at least one respective input and output in order to input and output corresponding information for the sequence control. To allow both analog and digital data to be processed, the sequencer module has an analog-to-digital converter. It is also advantageous that the sequence control module comprises a timer for controlling a chronological sequence, by which a particularly low energy requirement can be set in breaks in activity of the communication node. This is particularly important in communication nodes that are operated with limited energy resources.
  • the communication node with a connection device for a supply of electrical energy for. B. by a supply network provided.
  • a supply network provided.
  • the communication node with a local electric power source is provided, which is a memory.
  • the communication node has an energy converter, which converts available ambient energy into electrical energy. These may be, for example, thermal energy, vibrations, flows of water or gas or radioactive radiation.
  • Suitable transducers for the electrical flow of information into mechanical waves are sound transducers which operate according to the electromagnetic, electrostatic, magnetostrictive or piezoelectric principle. It is also advantageous that the transmitting device and / or receiving device comprises an electronic amplifier. In the transmitting device, this amplifier effects a power amplification of the information flow output by the sequence control and an impedance matching to an electroacoustic transducer.
  • the information to be transmitted is coded, eg. B. analogous to the Morse principle.
  • the waveform is known either in the frequency domain or in terms of the length of time. Important is a good coupling to optimize the signal / noise ratio.
  • the transmitting device and / or receiving device expediently has filters, for example correlation filters or bandpass filters.
  • filters for example correlation filters or bandpass filters.
  • Adapted filters can realize a correlation of transmit and receive signal and in this way acoustic interference and combat high attenuation.
  • bandpass filters in the receiving device, the quality of the signal detection is improved. It is also important to pay attention to the ambient noise, such as vehicles, machines or triggered by geological activities that may have a disturbing effect. These interfering signals are suppressed with the mentioned filters.
  • the communication node has an interface for connecting a wired bus system. This is important for so-called end nodes that are at the limit of other media, eg. As water or air or near the border. Likewise, it is advantageous that such end nodes have components for radio communication, so that the data can be transmitted by radio waves.
  • the communication node with at least one sensor, wherein a plurality of sensors offer the possibility to detect different parameters.
  • This may be environmental parameters such as temperature, pressure forces or position, or parameters of the communication node itself such.
  • This information can be transmitted by means of the mechanical waves and, if appropriate, also transmitted by end nodes via radio waves.
  • at least one actuator preferably a plurality of actuators is provided, which are connected directly or indirectly to the communication nodes. Automatically or in dependence on exchanged information, the communication nodes can use these actuators Taxes. Examples of such actuators are valves, switches, relays, motors, etc.
  • the signal transmission in the method according to the invention is a transmission and identification of signals by rock, other solid or partly solid media. Due to the elastic properties of the medium, the signal is scattered, attenuated, etc. during its wave propagation. This can be described and computationally compensated with a transmission function of the medium determined by experiments.
  • An additional improvement in the signal-to-noise ratio can be achieved by the method of stacking which is common in seismic analysis, ie the expected signals are received and superimposed several times. It is possible to provide multiple receivers, which is less problematic with respect to the power supply. In addition, multi-recipient processing techniques can be used. As an alternative or in addition to the embodiment with multiple receivers, it is also possible to transmit the signal several times, whereby temporary noise is destroyed.
  • the sequence control of the operating states of the communication node takes place with the aid of a sequence control module, which expediently comprises a programmable microcontroller.
  • a sequence control module which expediently comprises a programmable microcontroller.
  • electrical information is converted into mechnical waves with the aid of a transducer and coupled with the aid of a transmitter in the solid medium.
  • a mechanical contact of the transmitter with the solid medium is required.
  • the communication between communication nodes takes place in that information is modulated onto the mechnical wave serving as the carrier wave.
  • the amplitude or the frequency or the phase or a mixed form thereof in the transmitter are influenced in the clock of the information stream. Both digital and analog modulation methods are possible.
  • a simple form of information to modulate is given when using a Morse code. This is advantageous because a Morse code is easy to encode and decode.
  • the use of frequency or amplitude modulation is possible.
  • As a simple form of amplitude modulation only one pulse needs to be transmitted and received. If the intervals between pulses are long enough, problems with code phases (conversions, reflections, etc.) are avoided.
  • 1 is a schematic representation of the structure of a communication node
  • 3 is a schematic representation of the components of a sequence control module
  • Fig. 8 is a network formed of a plurality of communication nodes.
  • FIG. 1 shows the structure of a communication node 1 which comprises a transmission device 2, a reception device 3 and a sequence control module 4. Furthermore, sensors 5 and actuators 6 are provided which can also be arranged in the vicinity of the communication node 1.
  • the communication node 1 also includes an energy source 7, which may be different depending on the planned positioning of the communication node 1. For example, it is possible to provide the communication node 1 with a connection device for a supply of electrical energy, so that the energy can be obtained from a supply network. Alternatively, local electrical energy sources are possible, such an energy source is a memory. For this come batteries, batteries and other electrochemical storage into consideration, as well as nuclear or capacitive storage. Another alternative is that the communication node has an energy converter that converts available ambient energy into electrical energy.
  • These may be, for example, thermal energy, vibrations, flows of water or gas or radioactive radiation. If a high power requirement is expected for a short time or in the event that phases with low or missing ambient energy occur, additional memory, for. B. capacitors or accumulators to ensure the supply of the communication nodes.
  • Fig. 2 shows a flow chart for power generation.
  • the reference numeral 10 denotes the power source which is connected to a converter 11 for conversion into electrical energy.
  • the electrical energy is supplied to an electrical memory 12, which also serves as a buffer to compensate for fluctuations in the energy supplied. From the memory 12, the electrical energy is supplied to a voltage converter 13, after which then a constant supply voltage 14 is available.
  • FIG. 3 shows the components of the sequence control module 4 which comprises inputs 8 and outputs 9.
  • a microprocessor 15 with a memory 16 and a software 17 is used for the sequence control.
  • a timer 18 is provided, by means of which a particularly low energy requirement can be set during breaks in the activity of the communication node.
  • the sequence control module 4 comprises an analog-to-digital converter 19, so that both analog and digital data can be processed.
  • FIG. 4 shows a transmitter 20, which is part of the transmission unit 2 mentioned in FIG. 1, in mechanical contact with a solid medium 21.
  • the transmitter 20 comprises an electroacoustic transducer, to which a power amplifier 22 is assigned, which has a power gain of the flow of information and impedance matching to the electronic acoustic transducer causes.
  • the mechanical waves information is modulated, for. B. by means of amplitude modulation with the Morse coded information.
  • FIG. 5 shows a receiver 23 which is part of the receiving device 3 mentioned in FIG. 1 and is in mechanical contact with the solid medium 21.
  • the receiver 23 comprises an electroacoustic transducer.
  • an amplifier 24 and filter 25 are provided, wherein the filter improves the signal / noise ratio. This can be useful for achieving high ranges, as well as for overcoming acoustic interference.
  • a demodulator 26 is present, by means of which an information stream modulated on a carrier wave is separated and converted into a data stream.
  • a wake-up device 27 is provided in Fig. 5, which is suitable for the delivery of wake-up calls.
  • These wake-up calls are certain signals which put a communication node from a particularly power-saving mode in full reception or operational readiness. These signals are only suitable for the transmission of a single or less wake-up commands.
  • the purpose of this device is to keep the communication nodes mostly in an energy-saving mode and to activate only when needed.
  • An improvement in the signal-to-noise ratio can be achieved by combining several receivers into an array. Again, a good coupling to the solid medium is important to optimize the signal-to-noise ratio, the Transfer function of the receiver is known. For this purpose, the known for example as a micro-electrical-mechanical system technology comes into consideration.
  • the receiving and transmitting devices can be combined in one device. It is also possible to form communication nodes in such a way that they work unidirectionally, in which case they only have to have one transmitter or one receiver. Alternatively, the communication nodes may be configured to operate bidirectionally but require a transmitter and a receiver.
  • Fig. 6 shows sensors 28 which are arranged in the solid medium 21 in an environment of the communication node.
  • the sensors 28 are each connected to inputs 29 of the analog / digital converter 19 shown in FIG. 3 and thus connected to the sequence control module 4.
  • These sensors 28 in the vicinity of the communication node are provided for detecting environmental parameters, for example mechanical stresses, temperature, vibrations, radioactive radiation, displacements, water content, flow velocities etc.
  • the number of sensors 28 can be determined according to the parameters to be detected.
  • FIG. 7 shows actuators 30 which are arranged in the solid medium 21 in the vicinity of the communication node and which are connected directly or indirectly to outputs 31 of the sequence control module 4 or of the communication node. can be concluded.
  • actuators such as valves, switches, relays and motors are considered.
  • Fig. 8 shows a network consisting of a plurality of communication nodes 1 in the fixed medium 21 and outside of the fixed medium communication node
  • the area of the solid medium is indicated by UI and the area above by OI.
  • the region OI is above ground, so that at the transition from the solid medium 21 to the above-ground medium "air", a boundary is formed at which a communication node designed as an end node 33 is arranged.
  • This end node 33 is additionally provided with a connection of a wired bus system 34 and equipped with components for radio communication or optical communication with the communication nodes 32.
  • the communication nodes 1, 33 are designed so that a broadband range of oscillation frequencies can be radiated and received. This broadband allows for various ambient media such as sand, concrete, water, clay, etc., an optimization of the transmission.
  • broadband information transmission also forms the basis for numerous methods with which properties of the transmission method can be optimized.
  • broadband methods are correlation methods and the pulse compression or the transmission of frequency hops, which then in the receiver at Application of appropriate processing techniques to improve the signal / noise ratio and thus lead to more transmission reliability and higher ranges.
  • the operation of the communication nodes is cyclic, so that short phases of activity such as transmission, data rise, receive alternate by long phases of rest.
  • the change from rest to active phases can be controlled by the timer, whereby in networks time-synchronous processes may be required.
  • asynchronous methods in particular according to the following proviso:
  • At least one communication node is permanently ready to receive and records all incoming signals, all other communication nodes are active asynchronously and then each communicate with the always active communication node.
  • a number of communication nodes are placed exactly where repeated information must be collected in fixed media. Examples for this are:

Abstract

Eine Vorrichtung zum Übertragen von Information in festen Medien (21) mit mindestens einem Kommunikationsknoten (1, 33) umfasst eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung. Zur Verbesserung der Informationsübertragung weist die Sendeeinrichtung mindestens einen Sender mit einem Wandler, der elektrische Information in mechanische Wellen umsetzt, auf, und die Empfangseinrichtung weist mindestens einen Empfänger mit einem Wandler, der mechanische Wellen in elektrische Information umsetzt, auf. Der Sender und der Empfänger stehen in einem mechanischen Kontakt zu einem festen Medium (21).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Übertragung von Information in festen Medien
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Information in festen Medien der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 23.
Information wird auf unterschiedliche Weise übertragen, wobei berücksichtigt wird, ob die Informationsübertragung durch ein gasförmiges, flüssiges oder festes Medium erfolgen soll. In gasförmigen Medien wird Information häufig durch elektromagnetische Funkwellen übertragen. Die Informationsübertragung mittels Funkwellen in festen Medien ist wegen der hohen Dämpfung dieser Wellen meistens gar nicht oder allenfalls nur sehr eingeschränkt möglich. In festen Medien erfolgt daher die Informationsübertragung in der Regel durch elektrische oder optische Leiter.
Aus dem Tierreich ist bekannt, dass z. B. Klopfkäfer (Anobiidae, Nagekäfer) mittels akustischen Signalen, d. h. seismischen Oberflächenwellen (Raleighwellen) miteinander kommunizieren. Aus dem Bergbau ist bekannt, dass im Rahmen der Entwicklung von Rettungsverfahren die akustisch induzierte Ortung untersucht wurde,- dieses sich jedoch als sehr schwierig herausstellt, da die Übertragungsfunktion des Erdreiches mit rezent eingestürzten Hohlräumen die Signale stark verfremdet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Übertragung von Information in festen Medien der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der die Informationsübertragung verbessert wird. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Übertragung von Information in festen Medien der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach und funktionssicher ist.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst. In diesem Zusammenhang sind mechanische Wellen die mechanischen Schwingungen und Wellen eines elastischen Mediums, die auch als Schallwellen bezeichnet werden.
Wesentlich sind dabei eine Kopplung einer Quelle bzw. eines Senders an das feste Medium, die Transmission des Signals durch den Festkörper sowie dessen Empfang und Identifikation. Die Transmission von elastischen Wellen durch feste Medien, deren Struktur, Beschaffenheit, Eigenschaften und Zustand bekannt sind, kann dadurch quantifiziert werden, dass eine Übertragungsfunktion für das feste Medium ermittelt wird. Bei geologischen Formationen ist das feste Medium meist nicht bekannt, es sind daher Übertragungsfunktionen zu ermitteln oder Kalibrierungsversuche durchzuführen sowie die Signale eindeutig zu identifizieren .
Durch die vorliegende Erfindung kanne Information mit Hilfe von mechanischen Wellen vollständig oder teilweise innerhalb fester Medien wie beispielsweise durch das Erdreich, durch Gesteinsschichten, durch unterirdische Bauwerke und Lagerstätten, Staudämme, Tunnel und Gebäude übertragen werden. Dabei bedeutet "vollständig", dass die Übertragung der Information ausschließlich durch feste Medien als sogenannter Körperschall erfolgt und "teilweise" bedeutet, dass die Informationsübertragung z. T. auch durch flüssige Medien oder gasförmige Medien wie z. B. Wasser oder Luft stattfindet .
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ein Ablaufsteuerungsmodul einen programmierbaren Micro-Controller, der mit Hilfe der Software die Ablaufsteuerung vornimmt und Speicherschaltungen enthält. Außerdem ist es vorteilhaft, dass das Ablaufsteuerungsmodul einen Speicher umfasst, in dem eine Ident- nummer abgelegt ist, die die Identität des jeweiligen Kommunikationsknotens abbildet. Ferner ist das Ablaufsteuerungsmodul zweckmäßigerweise mit mindestens je einem Eingang und Ausgang versehen, um entsprechende Informationen für die Ablaufsteuerung einzugeben bzw. von dieser auszugeben. Damit sowohl analoge als auch digitale Daten verarbeitet werden können, weist das Ablaufsteuerungsmodul einen Analog/Digital -Wandler auf. Es ist außerdem von Vorteil, dass das Ablaufsteuerungsmodul einen Timer zur Steuerung eines zeitlichen Ablaufs umfasst, durch den in Aktivitätspausen des Kommunikationsknotens ein besonders geringer Energiebedarf einstellbar ist. Dies ist insbesondere bei Kommunikationsknoten von Bedeutung, die mit begrenzten Energieressourcen betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Kommunikationsknoten mit einer Anschlussvorrichtung für eine Zuleitung von elektrischer Energie, z. B. durch ein Versorgungsnetz, versehen. Alternativ dazu sieht eine vorteilhafte Ausführung vor, dass der Kommunikationsknoten mit einer lokalen elektrischen Energiequelle ausgestattet ist, wobei diese ein Speicher ist. Hierfür kommen Akkus, Batterien sowie auch andere elektrochemische Speicher in Betracht, ebenso nukleare oder kapazitive Speicher. In einer weiteren alternativen Ausführung weist der Kommunikationsknoten einen Energiewandler auf, der verfügbare Umgebungsenergie in elektrische Energie umsetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um thermische Energie, Vibrationen, Strömungen von Wasser oder Gas oder radioaktive Strahlung handeln.
Als Wandler des elektrischen Informationsflusses in mechanische Wellen kommen Schallwandler in Betracht, die nach dem elektromagnetischen, elektrostatischen, magnetostriktiven oder piezoelektrischen Prinzip arbeiten. Vorteilhaft ist auch, dass die Sendeeinrichtung und/oder Empfangseinrichtung einen elektronischen Verstärker um- fasst . In der Sendeeinrichtung bewirkt dieser Verstärker eine Leistungsverstärkung des von der Ablaufsteuerung herausgegebenen Informationsflusses und eine Impedanzanpassung an einen elektroakustischen Wandler. Die zu trans- mittierende Information wird kodiert, z. B. analog dem Morseprinzip. Die Signalform ist entweder im Frequenzbereich oder bezüglich der zeitlichen Länge bekannt. Wichtig ist eine gute Ankopplung, um das Signal/Stör-Verhältnis zu optimieren.
Zweckmäßigerweise weist die Sendeeinrichtung und/oder Empfangseinrichtung Filter auf, beispielsweise Korrelationsfilter oder Bandpassfilter. Angepasste Filter können eine Korrelation von Sende- und Empfangssignal realisieren und auf diese Weise akustische Störungen und hohe Dämpfungen bekämpfen. Mittels Bandpassfiltern in der Empfangseinrichtung wird die Qualität der Signalerkennung verbessert . Dabei ist auch auf die Umgebungsgeräusche zu achten, beispielsweise von Fahrzeugen, Maschinen oder durch geologische Aktivitäten ausgelöst, welche einen störenden Einfluss haben können. Diese störenden Signale werden mit den genannten Filtern unterdrückt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Kommunikationsknoten eine Schnittstelle zum Anschluss eines drahtgebundenen Bussystems auf. Dies ist von Bedeutung für sogenannte Endknoten, die an der Grenze zu anderen Medien, z. B. Wasser oder Luft oder nahe der Grenze angeordnet werden. Ebenso ist es von Vorteil, dass solche Endknoten über Komponenten zur Funkkommunikation verfügen, damit die Daten per Funkwellen übertragen werden können.
Außerdem ist es zweckmäßig, den Kommunikationsknoten mit mindestens einem Sensor zu versehen, wobei mehrere Sensoren die Möglichkeit bieten, unterschiedliche Parameter zu erfassen. Hierbei kann es sich um Umgebungsparameter wie Temperatur, Druckkräfte oder Position, oder um Parameter des Kommunikationsknotens selbst wie z. B. Energiestatus oder Innentemperatur handeln. Diese Information kann mittels der mechanischen Wellen übertragen und gegebenenfalls von Endknoten aus auch per Funkwellen weitergeleitet werden. In weiterer Ausgestaltung ist mindestens ein Aktor, vorzugsweise mehrere Aktoren vorgesehen, die direkt oder indirekt an die Kommunikationsknoten angeschlossen sind. Selbsttätig oder in Abhängigkeit von ausgetauschter Information können die Kommunikationsknoten diese Aktoren steuern. Beispiele für solche Aktoren sind Ventile, Schalter, Relais, Motoren etc..
Vorteilhaft ist die Vernetzung mehrer Kommunikationsknoten zu Netzwerken, welche die Information über mehrere Stationen durchreichen können, wodurch höhere Reichweiten erzielt werden. Weiterhin können redundante Informationspfade realisiert werden, was zu einer höheren Übertragungssicherheit führt. Schließlich ist eine räumliche oder flächige Überwachung ausgedehnter Strukturen auf diese Weise möglich, woraus ebenfalls eine erhöhte Redundanz und Sicherheit der Informationsgewinnung resultiert. Vorteilhaft ist insbesondere eine Einrichtung selbst organisierender Netze, bei denen der Informationsfluss nicht fest vorgegeben wird, sondern nach den jeweiligen Ausbreitungsbedingungen von den Kommunikationsknoten ermittelt wird. Optimale Kommunikationspfade können auch dynamisch verwaltet werden, das heißt, sie werden regelmäßig überprüft und gegebenenfalls neu erstellt. Dies ist bei sich ändernden Umgebungsbedingungen, z. B. Verschiebungen, Einfluss von wechselnden Wasserständen etc. und auch bei Ausfall einzelner Kommunikationsknoten im Netz vorteilhaft.
Die Signalübertragung beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Transmission und Identifikation von Signalen durch Fels, andere feste oder zum Teil feste Medien. Durch die elastischen Eigenschaften des Mediums wird das Signal während dessen Wellenausbreitung gestreut, gedämpft etc.. Dies kann mit einer durch Versuche ermittelten Übertragungsfunktion des Mediums beschrieben und rechnerisch kompensiert werden. Eine zusätzliche Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses kann durch das in der Seismik gängige Verfahren der Stapelung erreichen, d. h. die erwarteten Signale werden mehrfach empfangen und übereinander gelegt. Dabei besteht die Möglichkeit, mehrere Empfänger vorzusehen, -was bezüglich der Stromversorgung unproblematischer ist. Zusätzlich können Verarbeitungstechniken für multiple Empfänger angewandt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Ausführung mit mehreren Empfängern besteht weiter die Möglichkeit, das Signal mehrfach zu senden, wodurch temporäres Rauschen zerstapelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ablaufsteuerung der Betriebszustände des Kommunikationsknotens wie Sendebetrieb, Empfangsbetrieb, Messwerterhebung, Timerstatus, Bereitschaft etc. mit Hilfe eines Ablaufsteuerungsmoduls, das zweckmäßigerweise einen programmierbaren Micro-Controller umfasst . In der Sendeeinrichtung wird mit Hilfe eines Wandlers elektrische Information in mechnische Wellen gewandelt und mit Hilfe eines Senders in das feste Medium eingekoppelt. Hierzu ist ein mechanischer Kontakt des Senders mit dem festen Medium erforderlich.
Weiter ist es von Vorteil, wenn die Kommunikation zwischen Kommunikationsknoten dadurch erfolgt, dass Information auf die als Trägerwelle dienende mechnische Welle aufmoduliert wird. Dazu werden im Sender die Amplitude oder die Frequenz oder die Phase oder eine Mischform daraus im Takt des Informationsstroms beeinflusst . Dabei sind sowohl digitale als auch analoge Modulationsverfahren möglich. Außerdem ist es zweckmäßig, dass in der Empfangseinrichtung mit Hilfe eines Demodulators ein auf einer Trägewelle aufmodulierter Informationsstrom abgetrennt und in einen digitalen oder analogen Datenstrom gewandelt wird.
Eine einfache Form Information aufzumodulieren ist bei Verwendung eines Morsekodes gegeben. Dies ist vorteilhaft, weil ein Morsekode einfach zu kodieren und dekodieren ist. Dabei ist die Verwendung von Frequenz- oder Amplituden- modulierung möglich. Als einfache Form der Amplituden- modulierung braucht nur ein Puls ausgesendet und empfangen zu werden. Sind die Zeitabstände zwischen den Pulsen lange genug gewählt, werden Probleme mit Kodephasen (Konversionen, Reflexionen usw.) vermieden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert . In der Zeichnung zeigt :
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Kommunikationsknotens,
Fig. 2 ein Flussdiagramm zur Energieerzeugung,
Fig. 3 in schematischer Darstellung die Komponenten eines Ablaufsteuerungsmoduls,
Fig. 4 einen Sender im mechanischen Kontakt mit einem festen Medium,
Fig. 5 einen Empfänger im mechanischen Kontakt mit einem festen Medium,
Fig. 6 Sensoren in der Umgebung des Kommunikationsknotens, Fig. 7 Aktoren in der Umgebung des Kommunikationsknotens,
Fig. 8 ein aus mehreren Kommunikationsknoten gebildetes Netzwerk.
In Fig. 1 ist der Aufbau eines Kommunikationsknotens 1 gezeigt, der eine Sendeeinrichtung 2, eine Empfangseinrichtung 3 und ein Ablaufsteuerungsmodul 4 umfasst . Ferner sind Sensoren 5 und Aktoren 6 vorgesehen, die auch in der Umgebung des Kommunikationsknotens 1 angeordnet sein können. Zum Kommunikationsknoten 1 gehört auch eine Energiequelle 7, die je nach der geplanten Positionierung des Kommunikationsknotens 1 unterschiedlich sein kann. So ist es beispielsweise möglich, den Kommunikationsknoten 1 mit einer Anschlussvorrichtung für eine Zuleitung von elektrischer Energie zu versehen, so dass die Energie aus einem Versorgungsnetz bezogen werden kann. Alternativ dazu sind auch lokale elektrische Energiequellen möglich, wobei eine solche Energiequelle ein Speicher ist. Hierfür kommen Akkus, Batterien sowie auch andere elektrochemische Speicher in Betracht, ebenso nukleare oder kapazitive Speicher. Eine weitere Alternative besteht darin, dass der Kommunikationsknoten einen Energiewandler aufweist, der verfügbare Umgebungsenergie in elektrische Energie umsetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um thermische Energie, Vibrationen, Strömungen von Wasser oder Gas oder radioaktive Strahlung handeln. Sofern kurzzeitig ein hoher Leistungsbedarf zu erwarten ist oder für den Fall, dass Phasen mit geringer oder fehlender Umgebungsenergie auftreten, können zusätzliche Speicher, z. B. Kondensatoren oder Akkumulatoren vorgesehen sein, um die Versorgung der Kommunikationsknoten sicherzustellen .
Die Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Energieerzeugung. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet die Energiequelle, die mit einem Wandler 11 zur Umsetzung in elektrische Energie verbunden ist. Die elektrische Energie wird einem elektrischen Speicher 12 zugeführt, der auch als Puffer dient, um Schwankungen der eingespeisten Energie auszugleichen. Aus dem Speicher 12 wird die elektrische Energie einem Spannungswandler 13 zugeführt, nach welchem dann eine konstante Versorgungsspannung 14 zur Verfügung steht .
In Fig. 3 sind die Komponenten des Ablaufsteuerungsmoduls 4 gezeigt, das Eingänge 8 und Ausgänge 9 umfasst . Zur Ablaufsteuerung dient ein Micro-Controller 15 mit einem Speicher 16 und einer Software 17. Außerdem ist ein Timer 18 vorgesehen, durch den in Aktivitätspausen des Kommunikationsknotens ein besonders geringer Energiebedarf einstellbar ist. Ferner umfasst das Ablaufsteuerungsmodul 4 einen Analog/Digital -Wandler 19, so dass sowohl analoge als auch digitale Daten verarbeitet werden können.
Die Fig. 4 zeigt einen Sender 20, der Bestandteil der in Fig. 1 genannten Sendeeinheit 2 ist, im mechanischen Kontakt mit einem festen Medium 21. Der Sender 20 umfasst einen elektroakustischen Wandler, dem ein Leistungsverstärker 22 zugeordnet ist, der eine Leistungsverstärkung des von der Ablaufsteuerung herausgegebenen Informationsflusses und eine Impedanzanpassung an den elektro- akustischen Wandler bewirkt. Im Sender 20 wird den mechanischen Wellen eine Information aufmoduliert , z. B. mittels Amplitudenmodulation mit der morsekodierten Information.
Die Fig. 5 zeigt einen Empfänger 23, der Bestandteil der in Fig. 1 genannten Empfangseinrichtung 3 ist und im mechanischen Kontakt mit dem festen Medium 21 steht. Der Empfänger 23 umfasst einen elektroakustischen Wandler. Im Ausführungsbeispiel sind ein Verstärker 24 und Filter 25 vorgesehen, wobei der Filter das Signal/Rauschverhältnis verbessert . Dies kann zur Erzielung hoher Reichweiten sinnvoll sein, wie auch zur Überwindung akustischer Störungen. Ferner ist ein Demodulator 26 vorhanden, durch den ein auf einer Trägerwelle aufmodulierter Informationsstrom abgetrennt und in einen Datenstrom gewandelt wird.
Außerdem ist in Fig. 5 noch eine Weckeinrichtung 27 vorgesehen, die zur Abgabe von Weckrufen geeignet ist. Diese Weckrufe sind bestimmte Signale, welche einen Kommunikationsknoten aus einem besonders stromsparenden Modus in volle Empfangs- oder Betriebsbereitschaft versetzen. Diese Signale sind ausschließlich für die Übermittlung eines einzigen oder weniger Weckbefehle geeignet . Sinn dieser Einrichtung ist es, die Kommunikationsknoten zumeist in einem energiesparenden Modus zu halten und nur bei Bedarf zu aktivieren. Eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses kann durch den Zusammenschluss mehrerer Empfänger zu einem Array erreicht werden. Auch hier ist eine gute Ankopplung an das feste Medium wichtig, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu optimieren, wobei die Übertragungsfunktion des Empfängers bekannt ist . Hierfür kommt die beispielsweise als Micro-Electrical-Mechanical- System bekannte Technik in Betracht .
Die Empfangs- und Sendeeinrichtungen können in einem Gerät zusammengefasst sein. Es ist auch möglich, Kommunikations- knoten so auszubilden, dass sie unidirektional arbeiten, wobei sie in diesem Fall nur einen Sender oder einen Empfänger aufweisen müssen. Alternativ dazu können die Kommunikationsknoten so ausgebildet sein, dass sie bidirektional arbeiten, wozu sie jedoch einen Sender und einen Empfänger benötigen.
Die Fig. 6 zeigt Sensoren 28, die im festen Medium 21 in einer Umgebung des Kommunikationsknotens angeordnet sind. Die Sensoren 28 sind jeweils mit Eingängen 29 des in Fig. 3 angegebenen Analog/Digital -Wandlers 19 verbunden und somit an das Ablaufsteuerungsmodul 4 geschaltet . Diese Sensoren 28 in der Umgebung des Kommunikationsknotens sind zur Erfassung von Umgebungsparametern vorgesehen, beispielsweise mechanische Spannungen, Temperatur, Vibrationen, radioaktive Strahlung, Verschiebungen, Wassergehalt, Strömungsgeschwindigkeiten etc.. Die Anzahl der Sensoren 28 kann nach den zu erfassenden Parametern bestimmt werden.
In Fig. 7 sind Aktoren 30 gezeigt, die im festen Medium 21 in der Umgebung des Kommunikationsknotens angeordnet sind und direkt oder indirekt an Ausgänge 31 des Ablaufsteuerungsmoduls 4 bzw. des Kommunikationsknotens ange- schlössen werden können. Als Aktoren kommen beispielsweise Ventile, Schalter, Relais und Motoren in Betracht.
Die Fig. 8 zeigt ein Netzwerk, das aus einer Vielzahl von Kommunikationsknoten 1 in dem festen Medium 21 sowie außerhalb des festen Mediums befindlicher Kommunikationsknoten
32 besteht. Der Bereich des festen Mediums ist mit UI und der darüber liegende Bereich mit OI bezeichnet. Der Bereich OI ist oberirdisch, so dass am Übergang vom festen Medium 21 zum oberirdischen Medium "Luft" eine Grenze gebildet ist, an der ein als Endknoten 33 ausgebildeter Kommunikationsknoten angeordnet ist. Dieser Endknoten 33 ist zusätzlich mit einem Anschluss eines drahtgebundenen Bussystems 34 versehen und mit Komponenten zur Funkkommunikation oder optischen Kommunikation mit den Kommunikationsknoten 32 ausgestattet.
Vorteilhafterweise sind die Kommunikationsknoten 1, 33 so ausgelegt, dass ein breitbandiger Bereich von Schwingungs- frequenzen abgestrahlt und empfangen werden kann. Diese Breitbandigkeit erlaubt für verschiedene Umgebungsmedien wie Sand, Beton, Wasser, Lehm etc. eine Optimierung der Übertragung. Vorzugsweise sind die Kommunikationsknoten 1,
33 in der Lage, die optimalen Übertragungsfenster selbstständig zu ermitteln und untereinander abzustimmen. Die Möglichkeit der breitbandigen Informationsübermittlung stellt auch die Basis für zahlreiche Verfahren dar, mit denen Eigenschaften des Übertragungsverfahrens optimiert werden können. Beispiele für breitbandige Verfahren sind Korrelationsverfahren sowie die Pulskompression oder das Aussenden von Frequenzhüben, welche dann im Empfänger bei Anwendung passender Verarbeitungsverfahren zu einer Verbesserung des Signal/Rauschabstandes und damit zu mehr Übertragungssicherheit und höheren Reichweiten führen.
Vorzugsweise ist der Betrieb der Kommunikationsknoten zyklisch, so dass sich kurze Phasen der Aktivität wie Senden, Daten erheben, Empfangen durch lange Phasen der Ruhe abwechseln. Der Wechsel von Ruhephasen zu aktiven Phasen kann durch den Timer gesteuert erfolgen, wobei in Netzwerken zeitsynchrone Abläufe erforderlich sein können. Vorteilhaft sind auch asynchrone Verfahren, insbesondere nach folgender Maßgabe :
Mindestens ein Kommunikationsknoten ist permanent empfangsbereit und zeichnet alle eintreffenden Signale auf, alle anderen Kommunikationsknoten werden asynchron aktiv und kommunizieren dann jeweils mit dem immer aktiven Kommunikationsknoten.
Vorzugsweise wird eine Anzahl der Kommunikationsknoten genau dort platziert, wo in festen Medien wiederholt Informationen erhoben werden müssen. Beispiele hierfür sind:
Überwachung und Zustandsmessung von Bauwerken wie Brücken, Häuser, Staudämme, Tunnel usw. auf Betriebs - Parameter wie Belastung, Verkehrsfluss, Verfügbarkeit etc. sowie auf Veränderungen im laufenden Betrieb sowie vor und nach Katastrophen, wie beispielsweise Erdbeben oder terroristische Anschläge.
Überwachung von künstlichen Lagerstätten wie z. B. radioaktiven Endlagern.
Überwachung natürlicher Ressourcen, z. B. Wasser, Erdöl, Erdgas, Methanvorkommen am Meeresgrund.
Überwachung von geologischen Formationen, z. B. zur Erdbebenvorhersage .
Überwachung von Land und Wasser auf menschliche Aktivitäten, welche durch Schall oder andere Messgrößen registrierbar sind, z. B. Fahrzeuge, Truppenbewegungen, Schiffe usw..
Überwachung von Pipelines oder Kabeln im Erdreich.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Übertragen von Information in festen Medien (21) mit mindestens einem Kommunikations- knoten (1, 33), der eine Sendeeinrichtung (2) und/oder eine Empfangseinrichtung (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung
(2) mindestens einen Sender (20) mit einem Wandler, der elektrische Information in mechanische Wellen umsetzt, aufweist, bzw. die Empfangseinrichtung (3) mindestens einen Empfänger (23) mit einem Wandler, der mechanische Wellen in elektrische Information umsetzt, aufweist, und dass der Sender (2) und/oder Empfänger (3) in einem mechanischen Kontakt zu einem festen Medium (21) stehen/steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablaufsteuerungsmodul (4) vorgesehen ist, das einen programmierbaren Micro- Controller (15) umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablaufsteuerungsmodul (4) einen Speicher (16) vorzugsweise mit darin abgelegter Identnummer aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablaufsteuerungsmodul
(4) mit mindestens einem Eingang (8) und mindestens einem Ausgang (9) versehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablaufsteuerungsmodul
(4) einen Analog/Digital -Wandler (19) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablaufsteuerungsmodul
(4) einen Timer (18) umfasst .
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationsknoten
(1, 33) mit einer Anschlussvorrichtung für eine Zuleitung von elektrischer Energie versehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationsknoten
(1, 33) mit einer lokalen elektrischen Energiequelle ausgestattet ist, wobei die Energiequelle ein Speicher ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationsknoten
(1, 33) einen Energiewandler aufweist, der verfügbare Umgebungsenergie in elektrische Energie umsetzt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein elektromagnetischer Schallwandler ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein elektrostatischer Schallwandler ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein magnetostriktiver Schallwandler ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein piezoelektrischer Schallwandler ist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (2) und/oder Empfangseinrichtung (3) einen elektronischen Verstärker (22, 24) umfasst .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung
(3) mit einem Demodulator (26) versehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (2) und/oder Empfangseinrichtung (3) Filter (25) aufweist, beispielsweise Korrelationsfilter oder Bandpassfilter.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (2) und Empfangseinrichtung (3) in einem Gerät zusammenge- fasst sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationsknoten (33) eine Schnittstelle zum Anschluss eines drahtgebundenen Bussystems (34) aufweist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (2) und/oder Empfangseinrichtung (3) mit Komponenten zur Funkkommunikation ausgestattet ist .
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationsknoten (1, 33) mit mindestens einem Sensor (28), vorzugsweise mehreren Sensoren (28) versehen ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aktor
(30) , vorzugsweise mehrere Aktoren (30) vorgesehen sind, die direkt oder indirekt an die Kommunikations - knoten (1, 33) angeschlossen sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kommunikat ions - knoten (1, 32, 33) vernetzt sind und ein Netzwerk bilden, das insbesondere als selbstorganisierendes Netz eingerichtet ist .
23. Verfahren zum Übertragen von Information in festen Medien mit mindestens einem Kommunikationsknoten (1, 33) , der eine Sendeeinrichtung und/oder eine Empfangseinrichtung (3) umfasst und in dem eine Ablaufsteuerung gespeichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübertragung mindestens teilweise durch mechanische Wellen als Körperschall erfolgt.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufsteuerung der Betriebszustände des Kommunikationsknotens (1, 33) wie Sendebetrieb, Empfangsbetrieb, Messwerterhebung, Timerstatus, Bereitschaft etc. mit Hilfe eines Ablaufsteuerungsmoduls (4) erfolgt.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (2) mit Hilfe eines Wandlers elektrische Information in mechanische Wellen umwandelt und mit Hilfe eines Senders (20) in das feste Medium (21) einkoppelt.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sendeeinrichtung (2) eine Leistungsverstärkung der von dem Ablaufsteuerungsmodul (4) herausgegebenen Information und eine Impedanzanpassung an den Wandler erfolgt .
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die im festen Medium 21 an der Empfangseinrichtung (3) eintreffenden mechanischen Wellen mit Hilfe eines Wandlers in elektrische Information umgewandelt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation zwischen Kommunikationsknoten (1, 33) dadurch erfolgt, dass Information auf die als Trägerwelle dienenden mechanischen Wellen aufmoduliert werden.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass in der Empfangseinrichtung (3) mit Hilfe eines Demodulators (26) ein auf einer Trägerwelle aufmodulierter Informationsstrom abgetrennt und in einen digitalen oder analogen Datenstrom gewandelt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Information als Morsekode übertragen wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensoren (28) Umgebungsparameter des Kommunikationsknotens (1, 33) beispielsweise Temperatur, Druck, Kräfte, Position oder Parameter des Kommunikationsknoten (1, 33) selbst wie z. B. Energiestatus oder Temperatur erfasst werden.
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