EP4031840A1 - Sensornetzwerkanordnung - Google Patents

Sensornetzwerkanordnung

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Publication number
EP4031840A1
EP4031840A1 EP19779769.9A EP19779769A EP4031840A1 EP 4031840 A1 EP4031840 A1 EP 4031840A1 EP 19779769 A EP19779769 A EP 19779769A EP 4031840 A1 EP4031840 A1 EP 4031840A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
data
radio
data interface
sensor device
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP19779769.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Leeser
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.)
Fraba BV
Original Assignee
Fraba BV
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 Fraba BV filed Critical Fraba BV
Publication of EP4031840A1 publication Critical patent/EP4031840A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks

Definitions

  • the invention relates to a sensor network arrangement comprising: at least one sensor device with a sensor module for detecting a physical variable and for providing a corresponding sensor signal, an evaluation unit for evaluating the sensor signal and for providing corresponding sensor data, and a first radio data interface for wireless transmission of the sensor data, and a base station with a second radio data interface for receiving the sensor data transmitted by the first radio data interface, a first data memory for storing the received sensor data, and at least one readout
  • the at least one sensor device of the sensor network arrangements can be used, for example, to detect the rotational movement of a machine shaft and / or to detect the flow of a gas or liquid line.
  • any physical variable can be recorded by the at least one sensor device, wherein the recorded sensor data can be transmitted from the at least one sensor device to the base station via the radio data interfaces, and the base station is designed to store the received sensor data in the first data memory .
  • the read-out data interface of the base station creates a central one Access point via which the stored sensor data of the at least one sensor device can be read out at any time by an external readout device.
  • a sensor network arrangement is known, for example, from US 2007/0210916 A1 or US 2007/0281758 A1.
  • the disclosed sensor network arrangements in particular the
  • Data interfaces of the sensor device and the base station are designed in such a way that the sensor data transmission takes place periodically, that is to say at predefined transmission times in each case.
  • an external power supply for both the base station and the at least one sensor device is generally required, which ensures that both the base station and the at least one sensor device are switched on at the respective transmission times, and that the radio
  • the data interfaces are ready for use at the respective transmission times.
  • the base station is each connected to an external power supply, and the sensor devices each have a battery. Since the disclosed sensor devices consequently require a battery replacement at regular intervals, the disclosed sensor devices cannot be easily mounted at measuring points that are difficult to access, such as, for example, within a machine / system.
  • the at least one sensor device has at least one energy generator, by means of which electrical energy can be generated for the operation of the sensor device.
  • the electrical energy generated by the at least one energy generator is sufficient to at least temporarily cover the entire energy requirement required for operating the sensor device, so that the sensor device manages without an external energy supply.
  • the energy generator is designed in such a way that electrical energy can be generated at least during operation of the machine / system to be monitored by the sensor device.
  • the energy generator is typically designed to convert mechanical, magnetic and / or electromagnetic energy into electrical energy.
  • the energy generator can be designed in such a way that the rotational movement of the machine shaft to be detected can be used to generate an alternating magnetic field by means of which electrical energy can be generated in the sensor device.
  • the sensor device according to the invention therefore, neither an external cable connection has to be provided, nor does the sensor device have to be mounted in an easily accessible manner.
  • the sensor network arrangement according to the invention thus enables simple and thus inexpensive installation of the at least one sensor device even at measuring points that are difficult to access.
  • the sensor device detects the sensor data and tries to use them via the to transmit the first radio data interface to the base station. Since the transmission times cannot be foreseen here, the second radio data interface of the base station is designed according to the invention to receive sensor data from the first radio data interface of the at least one sensor device at any times. This means that the second radio data interface is essentially continuously in a so-called "receive mode" in which the second radio data interface waits for a sensor data transmission from the first radio data interface be to continuously receive radio signals in the receive mode and to analyze them with regard to sensor data potentially contained in the radio signal.
  • a read-out device is to be understood, for example, as a mobile / portable read-out device that can be temporarily connected to the base station if necessary in order to read out the stored sensor data.
  • a read-out device is also to be understood explicitly as a computer system that is connected to the base station via a permanent data connection.
  • the term “read out” is to be understood here on the one hand to mean reading out the sensor data from the base station by the read-out device, but on the other hand is also explicitly a to understand active transmission of the sensor data from the base station to the readout device.
  • the at least one sensor device has a Wiegand sensor module, by means of which electrical energy can be generated for the operation of the sensor device.
  • the Wiegand module consequently forms an energy generator according to the invention.
  • the Wiegand sensor module comprises a so-called Wiegand wire, also known as a pulse wire, and a coil arrangement that radially surrounds the Wiegand wire.
  • the direction of magnetization of the Wiegand wire suddenly reverses under the action of an excitation magnetic field as soon as a specific trigger field strength is exceeded. As a result, a short voltage pulse with a defined electrical energy is generated in the coil arrangement.
  • the Wiegand sensor module typically has a single pulse wire, but can also have a plurality of pulse wires through which a greater total electrical energy can be generated.
  • the excitation magnetic field is typically generated by permanent magnets which are arranged on a movable part of the machine / system to be monitored, for example on a rotatable machine shaft.
  • the frequency of the energy / voltage pulses generated in the Wiegand sensor module is directly proportional to the alternation frequency of the exciter magnetic field and thus to the speed of movement of the movable machine / system part, for example directly proportional to the Speed of rotation of the machine shaft.
  • the Wiegand sensor module can thus, on the one hand, generate electrical energy for operating the sensor device and, on the other hand, simultaneously detect the movement of a movable machine / system part. This creates an inexpensive and reliable sensor network arrangement.
  • the first radio data interface of the sensor device advantageously has an energy converter unit, by means of which electrical energy can be generated for the operation of the sensor device.
  • the energy converter unit consequently forms an energy generator according to the invention.
  • the energy converter unit is designed to convert the energy from incoming electromagnetic radiation into electrical energy for the operation of the sensor device.
  • the electrical energy that can be generated by the first radio data interface is at least sufficient for the proper operation of the first radio data interface itself, so that no electrical energy is provided from other components of the sensor device to the first radio data interface for the operation of the first radio data interface got to.
  • the first radio data interface can generate more electrical energy than is necessary for operating the first radio data interface itself, so that the first radio data interface provides electrical energy for operating other components of the sensor device, for example for operating the evaluation unit, can be generated. This creates a particularly reliable sensor network arrangement.
  • the first radio data interface does not generate its own radio signals, but rather reflects an incoming carrier radio signal and modulates it - usually by means of counter-phase field weakening. In comparison to the active generation of radio signals, significantly less electrical energy is required for this.
  • the first radio data interface can for example be based on the known interface standards / specifications “Passive Wi-Fi”, “LoRa Backscatter”, or “RFID”. Modulation of the carrier radio signal in the first radio data interface is particularly preferred even electrical energy can be generated, the electrical energy generated typically being at least sufficient to operate the first radio data interface itself, so that no external energy supply is required to operate the radio data interface. This creates a particularly energy-efficient radio data interface that can operate without an external energy supply or with only relatively little external
  • the base station preferably sends - essentially continuously - a defined carrier radio signal that is transmitted by the first radio
  • the data interface can be modulated.
  • the carrier radio signal is preferably adapted to the design of the first radio data interface and to the spatial conditions, for example the distance between the at least one sensor device and the base station and / or any obstacles that may be present between the at least one sensor device and the base station.
  • the carrier radio signal can also be designed for particularly efficient energy generation in the first radio data interface. This thus enables particularly energy-efficient and reliable sensor data transmission between the at least one sensor device and the base station.
  • At least one separate radio transmitter is advantageously provided which transmits a defined carrier radio signal that can be modulated by the first radio data interface.
  • the separate radio transmitter enables particularly efficient propagation of the carrier radio signal and thus a particularly reliable transmission of sensor data, especially in the case of unfavorable spatial conditions.
  • the at least one sensor device has a second data memory for storing the sensor data. The second data memory thus enables the sensor data to be stored in the sensor device, which enables the sensor data to be transmitted again in the event of a faulty sensor data transmission - for example due to an interruption in the energy supply to the sensor device before or during the transmission process.
  • the data memory is preferably designed as a non-volatile data memory - for example as a ferroelectric memory - so that the sensor data can still be read out even after an interruption in the power supply.
  • the base station has at least one wireless radio readout data interface, so that neither a cable connection nor direct access to the base station has to be provided for reading out the sensor data stored in the base station. This creates a versatile and variably replaceable sensor network arrangement.
  • the base station preferably has several different readout data interfaces, so that the base station can be read out by different readout devices. This creates a particularly versatile and variably replaceable sensor network arrangement.
  • the figure shows a sensor network arrangement 10 with three energy self-sufficient sensor devices 12a, 12b, 12c, which are arranged at three different measuring points of an industrial plant (not shown in detail), a base station 14, and a radio transmitter 16.
  • the radio transmitter 16 transmits a defined carrier radio signal T in the present exemplary embodiment.
  • the first sensor device 12a is, for example, a first rotary encoder for detecting the rotational movement of a machine shaft 18, the second sensor device 12b is, for example, a fluid flow measuring arrangement for detecting the fluid flow in a fluid line 20, and the third sensor device 12c is, for example, a second rotary encoder for detecting the rotary movement of a rotary slide valve 22.
  • Each sensor device 12 comprises a sensor module 24, which in the present exemplary embodiment is in each case a Wiegand sensor module through which an alternating excitation magnetic field can be detected.
  • the sensor module 24 each provides a sensor signal that is proportional to the alternation frequency of the detected excitation magnetic field.
  • electrical energy for the operation of the respective sensor device 12 can also be generated by the sensor module 24 embodied as a Wiegand module.
  • each sensor device 12 has an energy store 26 in which the electrical energy generated by the sensor module 24 is temporarily stored.
  • Each sensor device 12 further comprises an evaluation unit 28, which evaluates the typically analog sensor signal and provides corresponding digital sensor data.
  • the evaluation unit 28 is fed exclusively by the electrical energy stored in the energy store 26.
  • each sensor device 12 comprises a non-volatile second data memory 30 which is exclusively used the electrical energy stored in the energy store 26 is fed and in which the sensor data provided by the evaluation unit 28 are stored.
  • Each sensor device 12 further comprises a first radio
  • the first radio data interface 32 for transmitting the detected sensor data to the base station 14.
  • the first radio data interface 32 works in the present embodiment according to the principle of modulated backscattering, the incident carrier radio signal T being modulated by the first radio data interface 32 in such a way that a modulated carrier radio signal Tm is backscattered.
  • the first radio data interface 32 operates according to the known "LoRa Backscatter" specification
  • the first radio data interface 32 has an energy converter unit 34, by means of which the energy of the incident carrier radio signal T can be converted into electrical energy for the operation of the sensor device.
  • the electrical energy generated by the energy converter unit 34 is generally at least sufficient for the operation of the first radio data interface 32.
  • the energy converter unit 34 generates more electrical energy than is required for operating the first radio data interface 32, the excess electrical energy being fed into the energy store 26.
  • Each sensor device 12 of the sensor network arrangement 10 according to the invention is completely self-sufficient in terms of energy, so the sensor device 12 manages in each case without an external energy supply.
  • all of the electrical energy required in each case for the operation of the sensor device 12 is completely supplied by the Wiegand sensor module 24 and by the energy converter unit 34 of the first radio data interface 32 is generated, wherein the generated electrical energy can be temporarily stored in the energy store 26.
  • the base station 14 comprises a radio transmitter unit 36 through which the carrier radio signal T, which can be modulated by the first radio data interface 32 of the sensor device, is also transmitted.
  • the base station 14 further comprises a second radio data interface 38 for receiving the sensor data transmitted by the first radio data interface 32 of the sensor device 12.
  • the second radio data interface 38 receives the backscattered modulated carrier radio signal Tm from the first radio data interface 32 and evaluates this accordingly from the "LoRa backscatter" specification used in the present exemplary embodiment in order to add the sensor data transmitted by the sensor device 12
  • the second radio data interface 38 is essentially continuously in a receiving mode in which incoming radio signals are received and analyzed, provided by the first radio data interface 32 of the sensor device 12 at any - not predefined - transmission time modulated carrier radio signal Tm is consequently reliably received and correspondingly evaluated.
  • the second radio data interface 38 is consequently designed to receive sensor data from the first radio data interface 32 of the sensor device 12 at any transmission times.
  • the base station 14 further comprises a — preferably non-volatile — first data memory 40, in which the sensor data received from the second radio data interface 38 are stored.
  • the stored sensor data is used also stored in each case from which of the three sensor devices 12 the respective sensor data were received, so that all stored sensor data can be clearly assigned to a special sensor device 12.
  • the base station 14 further comprises two readout data interfaces 42, 44, the first readout data interface 42 being wired and the second readout data interface 44 being a wireless radio readout data interface.
  • the first read-out data interface 42 provides a data connection with a server computer system 46 via which the sensor data stored in the first data memory 40 can be read out by the server computer system 46 at any time.
  • a radio data connection with a mobile readout device 48 can be provided via the second readout data interface 44, via which the sensor data stored in the first data memory 40 can be read out by the readout device 48 and / or transmitted to the readout device 48 if necessary.
  • sensor network arrangement 12 sensor device 14 base station 16 radio transmitter 18 machine shaft 20 fluid line 22 rotary slide valve 24 sensor module 26 energy storage 28 evaluation unit 30 second data storage 32 first radio data interface 34 energy converter unit 36 radio transmitter unit 38 second radio data interface 40 first data storage 42 first read-out data interface 44 second readout data interface 46 server computer system 48 mobile readout device T carrier radio signal Tm modulated carrier radio signal

Landscapes

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Abstract

Eine Sensornetzwerkanordnung (10) umfassend: mindestens eine Sensorvorrichtung (12) mit einem Sensormodul (24) zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Bereitstellung eines entsprechenden Sensorsignals, einer Auswerteeinheit (28) zur Auswertung des Sensorsignals und zur Bereitstellung entsprechender Sensordaten, und einer ersten Funk-Datenschnittstelle (32), zum drahtlosen Übertragen der Sensordaten, und eine Basisstation (14) mit einer zweiten Funk-Datenschnittstelle (38), zum Empfangen der von der ersten Funk-Datenschnittstelle (32) übertragenen Sensordaten, einem ersten Datenspeicher (40), zum Speichern der empfangenen Sensordaten, und mindestens einer Auslese-Datenschnittstelle (42, 44), zum Übertragen der gespeicherten Sensordaten an eine externe Auslesevorrichtung (46, 48), ist bekannt. Um eine Sensornetzwerkanordnung (10) zu schaffen, die eine einfache Montage der mindestens einen Sensorvorrichtung (12) auch an schwer zugänglichen Messstellen und gleichzeitig ein einfaches und zuverlässiges Auslesen der erfassten Sensordaten ermöglicht, weist die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) mindesten einen Energiegenerator (24, 34) auf, durch den elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung (12) erzeugbar ist, und ist die zweite Funk-Datenschnittstelle (38) der Basisstation (14) ausgebildet, zu beliebigen Zeitpunkten Sensordaten von der ersten Funk-Datenschnittstelle (32) der mindestens einen Sensorvorrichtung (12) zu empfangen.

Description

B E S C H R E I B U N G Sensornetzwerkanordnung
Die Erfindung betrifft eine Sensornetzwerkanordnung umfassend: mindestens eine Sensorvorrichtung mit einem Sensormodul zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Bereitstellung eines entsprechenden Sensorsignals, einer Auswerteeinheit zur Auswertung des Sensorsignals und zur Bereitstellung entsprechender Sensordaten, und einer ersten Funk-Datenschnittstelle, zum drahtlosen Übertragen der Sensordaten, und eine Basisstation mit einer zweiten Funk-Datenschnittstelle, zum Empfangen der von der ersten Funk-Datenschnittstelle übertragenen Sensordaten, einem ersten Datenspeicher, zum Speichern der empfangenen Sensordaten, und mindestens einer Auslese-
Datenschnittstelle, zum Übertragen der gespeicherten Sensordaten an eine externe Auslesevorrichtung. Derartige Sensometzwerkanordnungen können beispielsweise In komplexen Industrieanlagen verwendet werden. Hierbei kann die mindestens eine Sensorvorrichtung der Sensometzwerkanordnungen beispielsweise zur Erfassung der Drehbewegung einer Maschinenwelle und/oder zur Erfassung des Durchflusses einer Gas- oder Flüssigkeitsleitung verwendet werden. Grundsätzlich kann durch die mindestens eine Sensorvorrichtung jede beliebige physikalische Größe erfassbar sein, wobei die erfassten Sensordaten von der mindestens einen Sensorvorrichtung über die Funk-Datenschnittstellen an die Basisstation übertragbar sind, und wobei die Basisstation ausgebildet ist, die empfangenen Sensordaten in dem ersten Datenspeicher zu speichern. Die Auslese-Datenschnittstelle der Basisstation schafft einen zentralen Zugriffspunkt, über den die gespeicherten Sensordaten der mindestens einen Sensorvorrichtung von einer externen Auslesevorrichtung jederzeit auslesbar sind. Eine derartige Sensornetzwerkanordnung ist beispielsweise aus der US 2007/0210916 A1 oder der US 2007/0281758 A1 bekannt. Die offenbarten Sensometzwerkanordnungen, Insbesondere die
Datenschnittstellen der Sensorvorrichtung und der Basisstation sind hierbei derart ausgebildet, dass die Sensordaten-Übertragung periodisch, also jeweils zu vordefinierten Übertragungs-Zeitpunkten, stattfindet. Hierfür ist jedoch im Allgemeinen eine externe Energieversorgung sowohl der Basisstation als auch der mindestens einen Sensorvorrichtung erforderlich, durch die sichergestellt ist, dass sowohl die Basisstation als auch die mindestens eine Sensorvorrichtung zu den Übertragungs- Zeitpunkten jeweils eingeschaltet ist, und dass die Funk-
Datenschnittstellen zu den Übertragungs-Zeitpunkten jeweils einsatzbereit sind. Zu diesem Zweck ist bei den offenbarten Sensometzwerkanordnungen die Basisstation jeweils an eine externe Energieversorgung angeschlossen, und weisen die Sensorvorrichtungen jeweils eine Batterie auf. Da bei den offenbarten Sensorvorrichtungen In regelmäßigen Zeltintervallen folglich ein Batterie-Austausch erforderlich ist, sind die offenbarten Sensorvorrichtungen nicht auf einfache Weise an schwer zugänglichen Messstellen, wie beispielsweise Innerhalb einer Maschine/Anlage, montierbar.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Sensornetzwerkanordnung zu schaffen, die eine einfache Montage der mindesten einen Sensorvorrichtung auch an schwer zugänglichen Messstellen und gleichzeitig ein einfaches und zuverlässiges Auslesen der erfassten Sensordaten ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Sensornetzwerkanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist die mindestens eine Sensorvorrichtung mindestens einen Energiegenerator auf, durch den elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung erzeugbar ist. Hierbei ist die von dem mindestens einen Energiegenerator erzeugte elektrische Energie ausreichend, um zumindest temporär den gesamten für den Betrieb der Sensorvorrichtung benötigten Energiebedarf zu decken, sodass die Sensorvorrichtung ohne externe Energiezufuhr auskommt. Für den Betrieb der erfindungsgemäß energieautarken Sensorvorrichtung muss also weder eine Kabelverbindung mit einer externen Energieversorgung noch eine auszutauschende Batterie vorgesehen werden. Der Energiegenerator ist hierbei derart ausgebildet, dass zumindest während des Betriebs der von der Sensorvorrichtung zu überwachenden Maschine/Anlage elektrische Energie erzeugbar ist. Typischerweise ist der Energiegenerator ausgebildet mechanische, magnetische und/oder elektromagnetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Beispielsweise kann der Energiegenerator derart ausgebildet sein, dass durch die zu erfassende Drehbewegung der Maschinenwelle ein alternierendes Magnetfeld erzeugbar ist, durch das In der Sensorvorrichtung elektrische Energie erzeugbar ist. Bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung muss daher weder eine externe Kabelverbindung vorgesehen werden, noch muss die Sensorvorrichtung leicht zugänglich montiert sein. Die erfindungsgemäße Sensometzwerkanordnung ermöglicht somit eine einfache und somit kostengünstige Montage der mindestens einen Sensorvorrichtung auch an schwer zugänglichen Messstellen.
Sobald im Betrieb der zu überwachenden Maschine/Anlage durch den Energiegenerator der Sensorvorrichtung elektrische Energie erzeugt wird, erfasst die Sensorvorrichtung die Sensordaten und versucht diese über die erste Funk-Datenschnittstelle an die Basisstation zu übertragen. Da die Übertragungs-Zeitpunkte hierbei nicht vorhersehbar sind, ist die zweite Funk-Datenschnittstelle der Basisstation erfindungsgemäß ausgebildet, zu beliebigen Zeitpunkten Sensordaten von der ersten Funk- Datenschnittstelle der mindestens einen Sensorvorrichtung zu empfangen. Dies bedeutet, dass sich die zweite Funk-Datenschnittstelle im Wesentlichen kontinuierlich in einem sogenannten „Empfangs-Modus" befindet, in dem die zweite Funk-Datenschnittstelle auf eine Sensordaten- Übertragung der ersten Funk-Datenschnittstelle wartet. Beispielweise kann die zweite Funk-Datenschnittstelle ausgebildet sein, im Empfangs-Modus kontinuierlich Funk-Signale zu empfangen und diese hinsichtlich potentiell in dem Funk-Signal enthaltener Sensordaten zu analysieren.
Dies ermöglicht eine zuverlässige Übertragung der Sensordaten von der Sensorvorrichtung zu der Basisstation, auch wenn die Sensorvorrichtung bei Stillstand der zu überwachenden Maschine/Anlage zwischenzeitlich für einen längeren undefinierten Zeitraum stromlos ist. Die von der Sensorvorrichtung an die Basisstation übertragenen Sensordaten werden hierbei in dem ersten Datenspeicher der Basisstation gespeichert und sind somit jederzeit zuverlässig über die Auslese-Datenschnittstelle von einer externen Auslesevorrichtung auslesbar, insbesondere auch dann, wenn die mindestens eine Sensorvorrichtung gerade stromlos ist. Unter einer Auslesevorrichtung ist hierbei beispielsweise ein mobiles/tragbares Auslesegerät zu verstehen, dass bei Bedarf temporär mit der Basisstation verbindbar ist, um die gespeicherten Sensordaten auszulesen. Unter einer Auslesevorrichtung ist aber explizit auch ein Computersystem zu verstehen, das über eine dauerhafte Datenverbindung mit der Basisstation verbunden ist. Unter dem Begriff „Auslesen" ist hierbei einerseits ein Auslesen der Sensordaten aus der Basisstation durch die Auslesevorrichtung zu verstehen, ist andererseits aber explizit auch ein aktives Übertragen der Sensordaten von der Basisstation an die Auslesevorrichtung zu verstehen.
Die erfindungsgemäße Sensornetzwerkanordnung ermöglicht ein einfaches und zuverlässiges Auslesen der von der mindestens einen Sensorvorrichtung erfassten Sensordaten, wobei die energieautarke Sensorvorrichtung insbesondere auch an schwer zugänglichen Messstellen auf einfache Weise und somit kostengünstig montierbar ist. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die mindestens eine Sensorvorrichtung ein Wiegand-Sensormodul auf, durch das eine elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung erzeugbar ist. Das Wiegand-Modul bildet folglich einen erfindungsgemäßen Energiegenerator. Das Wiegand-Sensormodul umfasst einen sogenannten Wiegand-Draht, auch als Impulsdraht bekannt, und eine den Wiegand- Draht radial umschließende Spulenanordnung. Die
Magnetisierungsrichtung des Wiegand-Drahts klappt unter Einwirkung eines Erregermagnetfelds schlagartig um, sobald eine spezifische Auslösefeldstärke überschritten wird. Hierdurch wird in der Spulenanordnung ein kurzer Spannungspuls mit einer definierten elektrischen Energie erzeugt. Das Wiegand-Sensormodul weist typischerweise einen einzigen Impulsdraht auf, kann jedoch auch mehrere Impulsdrähte aufweisen, durch die eine größere elektrische Gesamtenergie erzeugbar ist. Das Erregermagnetfeld wird typischerweise durch Permanentmagnete erzeugt, die an einem beweglichen Teil der zu überwachenden Maschine/Anlage, beispielweise an einer drehbaren Maschinenwelle, angeordnet sind. Die Frequenz der in dem Wiegand- Sensormodul erzeugten Energie-/Spannungspulse ist hierbei direkt proportional zu der Alternierungsfrequenz des Erregermagnetfelds und somit zu der Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Maschinen- /Anlagenteils, also beispielsweise direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit der Maschinenwelle. Durch das Wiegand- Sensormodul ist somit zum einen elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung erzeugbar, und zum anderen gleichzeitig die Bewegung eines beweglichen Maschinen-/Anlagenteils erfassbar. Dies schafft eine kostengünstige und zuverlässige Sensornetzwerkanordnung.
Vorteilhafterweise weist die erste Funk-Datenschnittstelle der Sensorvorrichtung eine Energiewandler-Einheit auf, durch die elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung erzeugbar. Die Energiewandler-Einheit bildet folglich einen erfindungsgemäßen Energiegenerator. Die Energiewandler-Einheit ist hierbei ausgebildet, die Energie von eintreffender elektromagnetsicher Strahlung in elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung umzuwandeln. Typischerweise reicht die durch die erste Funk-Datenschnittstelle erzeugbare elektrische Energie mindestens für den ordnungsgemäßen Betrieb der ersten Funk-Datenschnittstelle selbst aus, sodass für den Betrieb der ersten Funk-Datenschnittstelle keine elektrische Energie von anderen Komponenten der Sensorvorrichtung an die erste Funk- Datenschnittstelle bereitgestellt werden muss. Idealerweise ist durch die erste Funk-Datenschnittstelle mehr elektrische Energie erzeugbar, als für den Betrieb der ersten Funk-Datenschnittstelle selbst erforderlich ist, sodass durch die erste Funk-Datenschnittstelle elektrische Energie für den Betrieb anderer Komponenten der Sensorvorrichtung, beispielweise für den Betrieb der Auswerteeinheit, erzeugbar ist. Dies schafft eine besonders zuverlässige Sensornetzwerkanordnung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die mindestens eine Sensorvorrichtung einen Energiespeicher auf, in dem die von dem Wiegand-Sensormodul erzeugte elektrische Energie und/oder die von der ersten Funk-Datenschnittstelle erzeugte elektrische Energie speicherbar ist. Der Energiespeicher ermöglicht auch bei fehlendem Erregermagnetfeld und somit bei ausbleibender Energieerzeugung einen kurzzeitigen Betrieb der Sensorvorrichtung, beispielsweise zur Sensordaten-Übertragung an die Basisstation. Hierdurch ist eine zuverlässige Übertragung der Sensordaten an die Basisstation auch dann sichergestellt, wenn die Energieversorgung der Sensorvorrichtung abbricht bevor die Sensordaten an die Basisstation übertragen wurden. Der Energiespeicher kann beispielweise als kostengünstiger Keramikkondensator ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung arbeitet die erste Funk- Datenschnittstelle nach dem Prinzip der modulierten Rückstreuung. Dies bedeutet, dass die erste Funk-Datenschnittstelle keine eigenen Funksignale erzeugt, sondern ein eingehendes Träger-Funksignal reflektiert und dabei - In der Regel durch gegenphasige Feldschwächung - moduliert. Hierfür ist im Vergleich zum aktiven Erzeugen von Funksignalen deutlich weniger elektrische Energie erforderlich. Die erste Funk- Datenschnittstelle kann beispielsweise auf den bekannten Schnittstellen- Standards/-Spezifikationen „Passive Wi-Fi", „LoRa Backscatter", oder „RFID" basieren. Besonders bevorzugt ist durch die Modulation des Träger- Funksignals in der ersten Funk-Datenschnittstelle sogar elektrische Energie erzeugbar, wobei die erzeugte elektrische Energie typischerweise mindestens für den Betrieb der ersten Funk-Datenschnittstelle selbst ausreicht, sodass für den Betrieb der Funk-Datenschnittstelle keine externe Energiezufuhr erforderlich ist. Dies schafft eine besonders energieeffiziente Funk-Datenschnittstelle, die ohne externe Energieversorgung oder mit nur relativ geringer externer
Energieversorgung eine zuverlässige Sensordaten-Übertragung ermöglicht. Vorzugsweise sendet die Basisstation - im Wesentlichen kontinuierlich - ein definiertes Träger-Funksignal aus, das von der ersten Funk- Datenschnittstelle modulierbar ist. Das Träger-Funksignal ist hierbei vorzugsweise an die Ausgestaltung der ersten Funk-Datenschnittstelle sowie an die räumlichen Gegebenheiten, beispielweise Abstand zwischen der mindestens einen Sensorvorrichtung und der Basisstation und/oder eventuell vorhandene Hindernisse zwischen der mindestens einen Sensorvorrichtung und der Basisstation, angepasst. Ferner kann das Träger-Funksignal auch für eine besonders effiziente Energieerzeugung in der ersten Funk-Datenschnittstelle ausgelegt sein. Dies ermöglicht somit eine besonders energie-effiziente und zuverlässige Sensordaten- Übertragung zwischen der mindestens einen Sensorvorrichtung und der Basisstation.
Vorteilhafterweise ist mindestens ein separater Funksender vorgesehen, der ein definiertes Träger-Funksignal aussendet, das von der ersten Funk- Datenschnittstelle modulierbar ist. Der separate Funksender ermöglicht, insbesondere auch bei unvorteilhaften räumlichen Gegebenheiten, eine besonders effiziente Ausbreitung des Träger-Funksignals und somit eine besonders zuverlässige Sensordaten-Übertragung. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die mindestens eine Sensorvorrichtung einen zweiten Datenspeicher zum Speichern der Sensordaten auf. Der zweite Datenspeicher ermöglicht somit ein speichern der Sensordaten in der Sensorvorrichtung, wodurch im Falle einer fehlerhaften Sensordaten-Übertragung - beispielsweise auf Grund einer Unterbrechung der Energieversorgung der Sensorvorrichtung vor oder während des Übertragungsvorgangs - ein erneutes Übertragen der Sensordaten ermöglicht wird. Vorzugsweise ist der Datenspeicher hierbei als nicht-flüchtiger Datenspeicher - beispielsweise als ferroelektrischer Speicher - ausgebildet, sodass die Sensordaten auch nach einer Unterbrechung der Energieversorgung noch auslesbar sind. Dies schafft eine besonders zuverlässige Sensometzwerkanordnung. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Basisstation mindestens eine drahtlose Funk-Auslese-DatenschnittstelIe auf, sodass für das Auslesen der in der Basisstation gespeicherten Sensordaten weder eine Kabelverbindung noch ein direkter Zugang zu der Basisstation vorgesehen werden muss. Dies schafft eine vielseitig und variabel ersetzbare Sensometzwerkanord nung.
Vorzugsweise weist die Basisstation mehrere unterschiedliche Auslese- Datenschnittstellen auf, sodass die Basisstation durch verschiedene Auslesevorrichtungen auslesbar ist. Dies schafft eine besonders vielseitig und variabel ersetzbare Sensometzwerkanordnung.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensometzwerkanordnung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur beschrieben, die ein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensometzwerkanordnung zeigt.
Die Figur zeigt eine Sensometzwerkanordnung 10 mit drei energieautarken Sensorvorrichtungen 12a, 12b, 12c, die an drei unterschiedlichen Messstellen einer nicht näher dargestellten Industrieanlage angeordnet sind, einer Basisstation 14, und einem Funksender 16.
Der Funksender 16 sendet im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein definiertes Träger-Funksignal T aus.
Die erste Sensorvorrichtung 12a ist beispielweise ein erster Drehgeber zur Erlassung der Drehbewegung einer Maschinenwelle 18, die zweite Sensorvorrichtung 12b ist beispielweise eine Fluiddurchfluss- Messanordnung zur Erfassung des Fluiddurchflusses in einer Fluidleitung 20, und die dritte Sensorvorrichtung 12c ist beispielweise ein zweiter Drehgeber zu Erfassung der Drehbewegung eines Drehschieberventils 22.
Die einheitlichen Merkmale der drei Sensorvorrichtungen 12a, 12b, 12c werden nachfolgend allgemeingültig für alle drei Sensorvorrichtungen 12a, 12b, 12c mit Bezugszeichen ohne Index beschrieben und sind in Figur 1 beispielhaft anhand der ersten Sensorvorrichtungen 12a dargestellt. Jede Sensorvorrichtung 12 umfasst ein Sensormodul 24, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils ein Wiegand-Sensormodul ist, durch das ein alternierendes Erregermagnetfeld erfassbar ist. Das Sensormodul 24 stellt jeweils ein Sensorsignal bereit, das proportional zu der Alternierungsfrequenz des erfassten Erregermagnetfelds ist. Basierend auf dem sogenannten Wiegand-Effekt ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das als Wiegand-Modul ausgebildete Sensormodul 24 ferner eine elektrische Energie für den Betrieb der jeweiligen Sensorvorrichtung 12 erzeugbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jede Sensorvorrichtung 12 einen Energiespeicher 26 auf, in dem die von dem Sensormodul 24 erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert wird.
Jede Sensorvorrichtung 12 umfasst ferner eine Auswerteeinheit 28, die das typischerweise analoge Sensorsignal auswertet und entsprechende digitale Sensordaten bereitstellt. Die Auswerteeinheit 28 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausschließlich durch die In dem Energiespeicher 26 gespeicherte elektrische Energie gespeist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst jede Sensorvorrichtung 12 einen nicht-flüchtigen zweiten Datenspeicher 30, der ausschließlich durch die in dem Energiespeicher 26 gespeicherte elektrische Energie gespeist wird und in dem die von der Auswerteeinheit 28 bereitgestellten Sensordaten gespeichert werden. Jede Sensorvorrichtung 12 umfasst ferner eine erste Funk-
Datenschnittstelle 32 zur Übertragung der erfassten Sensordaten an die Basisstation 14. Die erste Funk-Datenschnittstelle 32 arbeitet im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip der modulierten Rückstreuung, wobei das einfallende Träger-Funksignal T durch die erste Funk-Datenschnittstelle 32 derart moduliert wird, dass ein definiert moduliertes Träger-Funksignal Tm zurückgestreut wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel arbeitet die erste Funk-Datenschnittstelle 32 nach der bekannten „LoRa Backscatter "-Spezifikation. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel weist die erste Funk-Datenschnittstelle 32 eine Energiewandler-Einheit 34 auf, durch die die Energie des einfallenden Träger-Funksignals T in elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung umwandelbar ist. Die durch die Energiewandler-Einheit 34 erzeugte elektrische Energie ist im Allgemeinen mindesten für den Betrieb der ersten Funk-Datenschnittstelle 32 ausreichend. Idealerweise erzeugt die Energiewandler-Einheit 34 mehr elektrische Energie als für den Betrieb der ersten Funk-Datenschnittstelle 32 erforderlich ist, wobei die überschüssige elektrische Energie in den Energiespeicher 26 eingespeist wird. Jede Sensorvorrichtung 12 der erfindungsgemäßen Sensometzwerkanordnung 10 ist vollständig energieautark, die Sensorvorrichtung 12 kommt also jeweils ohne externe Energiezufuhr aus. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die gesamte für den Betrieb der Sensorvorrichtung 12 jeweils erforderliche elektrische Energie vollständig durch das Wiegand-Sensormodul 24 und durch die Energiewandler-Einheit 34 der ersten Funk-Datenschnittstelle 32 erzeugt, wobei die erzeugte elektrische Energie in dem Energiespeicher 26 zwischenspeicherbar ist.
Die Basisstation 14 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Funksender-Einheit 36, durch die ebenfalls das von der ersten Funk- Datenschnittstelle 32 der Sensorvorrichtung modulierbare Träger- Funksignal T ausgesendet wird.
Die Basisstation 14 umfasst ferner eine zweite Funk-Datenschnittstelle 38 zum Empfangen der von der ersten Funk-Datenschnittstelle 32 der Sensorvorrichtung 12 übertragenen Sensordaten. Im speziellen empfängt die zweite Funk-Datenschnittstelle 38 das von der ersten Funk- Datenschnittstelle 32 zurückgestreute modulierte Träger-Funksignal Tm und wertet dieses entsprechend aus der im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten „LoRa Backscatter"-Spezifikation aus, um die von der Sensorvorrichtung 12 übertragenen Sensordaten zu bestimmen. Die zweite Funk-Datenschnittstelle 38 ist hierbei im Wesentlichen kontinuierlich in einem Empfangsmodus, in dem eingehende Funk-Signale empfangen und analysiert werden. Das zu einem beliebigen - nicht vordefinierten - Übertragungs-Zeitpunkt von der ersten Funk- Datenschnittstelle 32 der Sensorvorrichtung 12 bereitgestellte modulierte Träger-Funksignal Tm wird folglich zuverlässig empfangen und entsprechend ausgewertet. Die zweite Funk-Datenschnittstelle 38 ist folglich ausgebildet, zu beliebigen Übertragungs-Zeitpunkten Sensordaten von der ersten Funk-Datenschnittstelle 32 der Sensorvorrichtung 12 zu empfangen.
Die Basisstation 14 umfasst ferner einen - vorzugsweise nicht-flüchtigen - ersten Datenspeicher 40, in dem die von der zweiten Funk- Datenschnittstelle 38 empfangenen Sensordaten gespeichert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zu den gespeicherten Sensordaten jeweils auch gespeichert, von welcher der drei Sensorvorrichtungen 12 die jeweiligen Sensordaten empfangen wurden, sodass alle gespeicherten Sensordaten eindeutig einer speziellen Sensorvorrichtung 12 zuordenbar sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Basisstation 14 ferner zwei Auslese-Datenschnittstellen 42,44, wobei die erste Auslese- Datenschnittstelle 42 kabelgebunden ist, und wobei die zweite Auslese- Datenschnittstelle 44 eine drahtlose Funk-Auslese-Datenschnittstelle ist.
Die erste Auslese-Datenschnittstelle 42 stellt im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Datenverbindung mit einem Server- Computersystem 46 bereit, über die von dem Server-Computersystem 46 jederzeit die in dem ersten Datenspeicher 40 gespeicherten Sensordaten auslesbar sind.
Über die zweite Auslese-Datenschnittstelle 44 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Funk-Datenverbindung mit einem mobilen Auslesegerät 48 bereitsteilbar, über die bei Bedarf die in dem ersten Datenspeicher 40 gespeicherten Sensordaten von dem Auslesegerät 48 auslesbar und/oder an das Auslesegerät 48 übertragbar sind.
Bezugszeichenliste
10 Sensornetzwerkanordnung 12 Sensorvorrichtung 14 Basisstation 16 Funksender 18 Maschinenwelle 20 Fluidleitung 22 Drehschieberventil 24 Sensormodul 26 Energiespeicher 28 Auswerteeinheit 30 zweiter Datenspeicher 32 erste Funk-Datenschnittstelle 34 Energiewandler-Einheit 36 Funksender-Einheit 38 zweite Funk-Datenschnittstelle 40 erster Datenspeicher 42 erste Auslese-Datenschnittstelle 44 zweite Auslese-Datenschnittstelle 46 Server-Computersystem 48 mobiles Auslesegerät T Träger-Funksignal Tm moduliertes Träger-Funksignal

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Sensornetzwerkanordnung (10) umfassend:
- mindestens eine Sensorvorrichtung (12) mit
• einem Sensormodul (24) zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Bereitstellung eines entsprechenden Sensorsignals,
• einer Auswerteeinheit (28) zur Auswertung des Sensorsignals und zur Bereitstellung entsprechender Sensordaten, und
• einer ersten Funk-Datenschnittstelle (32), zum drahtlosen Übertragen der Sensordaten, und
- eine Basisstation (14) mit
• einer zweiten Funk-Datenschnittstelle (38), zum Empfangen der von der ersten Funk-Datenschnittstelle (32) übertragenen Sensordaten,
• einem ersten Datenspeicher (40), zum Speichern der empfangenen Sensordaten, und
• mindestens einer Auslese-Datenschnittstelle (42,44), zum Übertragen der gespeicherten Sensordaten an eine externe Auslesevorrichtung (46,48), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) mindestens einen Energiegenerator (24, 34) aufweist, durch den elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung (12) erzeugbar ist, und die zweite Funk-Datenschnittstelle (38) der Basisstation (14) ausgebildet ist, zu beliebigen Zeitpunkten Sensordaten von der ersten Funk-Datenschnittstelle (32) der mindestens einen Sensorvorrichtung (12) zu empfangen.
2. Sensornetzwerkanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) ein Wiegand-Sensormodul (24) aufweist, durch das elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung (12) erzeugbar ist, und wobei der mindestens eine Energiegenerator durch das Wiegand-Sensormodul (24) gebildet ist.
3. Sensornetzwerkanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funk-Datenschnittstelle (32) eine Energiewandler-Einheit (34) aufweist, durch die elektrische Energie für den Betrieb der Sensorvorrichtung (12) erzeugbar ist, und wobei der mindestens eine Energiegenerator durch die Energiewandler- Einheit (34) gebildet ist.
4. Sensometzwerkanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) einen Energiespeicher (26) aufweist, in dem die von dem mindestens einen Energiegenerator (24,34) erzeugte elektrische Energie speicherbar ist.
5. Sensometzwerkanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funk-Datenschnittstelle (32) nach dem Prinzip der modulierten Rückstreuung arbeitet.
6. Sensornetzwerkanordnung (10) nach Anspruch 5, wobei die Basisstation (14) ein definiertes Träger-Funksignal (T) aussendet, das von der ersten Funk-Datenschnittstelle (32) modulierbar ist.
7. Sensometzwerkanordnung (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei mindestens ein separater Funksender (16) vorgesehen ist, der ein definiertes Träger-Funksignal (T) aussendet, das von der ersten Funk- Datenschnittstelle (32) modulierbar ist.
8. Sensornetzwerkanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (12) einen zweiten Datenspeicher (30) zum Speichern der Sensordaten aufweist.
9. Sensometzwerkanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basisstation (14) mindestens eine drahtlose Funk-Auslese-Datenschnittstelle (44) aufweist.
10. Sensornetzwerkanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basisstation (14) mehrere unterschiedliche Auslese-Datenschnittstellen (42,44) aufweist.
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