ES2633788T3 - Nodo emisor de señales radioeléctricas controlado por potencia de emisión - Google Patents

Abstract

Nodo emisor de señales radioeléctricas (25, 38) configurado para emitir una señal radioeléctrica con una potencia de emisión radioeléctrica cuando está enterrado en el suelo (10), comprendiendo dicho nodo (25, 38): - una antena (20; 39); - un circuito electrónico integrado (22) que se conecta eléctricamente a la antena (20, 39) usando una línea de alimentación (15, 17, 18); y al menos un sensor (30) para generar unos datos de medición (31); mientras que el circuito integrado (22) se configura para operar la antena (20, 39) para emitir la señal radioeléctrica que contiene dichos datos de medición (31) de forma periódica o tras recibir una solicitud inalámbrica (32); caracterizado por que: el nodo emisor de señales radioeléctricas (25, 38) se ha configurado para permitir que un medio circundante del suelo (10) influya en el campo cercano de la antena (20, 39), cuando dicho nodo (25, 38) está enterrado en el suelo (10), el nodo emisor de señales radioeléctricas (25, 38) se ha configurado además para disminuir la potencia de emisión radioeléctrica o para impedir la emisión de señales radioeléctricas en el caso de que se retire la influencia del medio circundante sobre el campo cercano, cuando dicho nodo (25, 38) se retira del suelo (10).

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Nodo emisor de senales radioelectricas controlado por potencia de emision Campo de la invencion

La invencion se refiere a un nodo emisor de senales radioelectricas configurado para emitir una senal radioelectrica con una potencia de emision radioelectrica cuando esta enterrado en el suelo, comprendiendo dicho nodo:

- una antena;

- un circuito electronico integrado que se conecta electricamente a la antena usando una lmea de alimentacion; y

- al menos un sensor para generar unos datos de medicion; mientras que el circuito integrado se configura para operar la antena para emitir la senal radioelectrica que contiene los datos de emision de forma periodica o tras recibir una solicitud inalambrica. La invencion se refiere ademas a un sistema de sensor con al menos uno de dichos nodos.

Antecedentes de la invencion

Los nodos emisores de senales radioelectricas subterraneos inalambricos se han empleado para monitorizar parametros del suelo durante periodos de tiempo mas largos. Por lo general, tambien se hace referencia a dichos nodos como “exploradores del suelo” y encuentran diferentes aplicaciones en aplicaciones agncolas. Los nodos se emplean para monitorizar, por ejemplo, la humedad o la temperatura usando los sensores correspondientes. No obstante, debido a que se entierran bajo tierra, sobretodo en campos u otras zonas agncolas, se ha realizado mucho esfuerzo en el pasado para transmitir apropiadamente los datos de medicion de los sensores a una estacion radioelectrica o una unidad radioelectrica que recopila los datos de medicion a ciertos intervalos de tiempo a lo largo de un periodo de tiempo mas largo, como meses o incluso anos.

En el foco de la investigacion y el desarrollo estaba convencionalmente la alta atenuacion causada por el suelo y sus efectos en el diseno de las antenas. Debido a que el nodo se ha de instalar justo por debajo de la profundidad de arada o una profundidad que sea suficiente para protegerlo, se ha de emplear una potencia de emision radioelectrica considerable con el fin de transmitir los datos de medicion a traves del suelo y tambien a traves del aire con el fin de alcanzar la estacion radioelectrica o cualquier otra unidad radioelectrica que recopile los datos de medicion.

En el trabajo de investigacion “Validation and results of the soil scout radio signal attenuation model’ (“Validacion y resultados del modelo de atenuacion de senal radioelectrica de los exploradores del suelo”), Biosystems Engineering 97 (2007) 11/19 por J. Tiusanen, ya se consideraron los problemas anteriormente mencionados del monitoreo en el subsuelo en la agricultura. Se reconocio que un nodo con un intervalo conveniente de operacion necesitana emitir con una potencia que violana los reglamentos de banda radioelectrica.

Sumario de la invencion

En esta tecnologfa, bastante nueva, el inventor de la presente invencion ha reconocido que la potencia de emision de los nodos, de hecho, viola en muchos casos los reglamentos actuales de la banda radioelectrica en la mayona de los pafses. Existe un peligro considerable de que este nodo se lleve hasta la superficie del suelo durante la accion de arada, en donde emitina sin suficiente atenuacion del suelo. Incluso a pesar de que los nodos emisores de senales radioelectricas se emplean por lo general solo durante un par de milisegundos para solicitar y enviar los datos de medicion deseados sena inevitable la violacion de los reglamentos de banda radioelectrica.

Un objetivo de la invencion consiste en el deseo de cumplir con los reglamentos actuales de la banda radioelectrica en los pafses respectivos en los que se despliegan los nodos.

Otro objetivo de la invencion es identificar rapidamente los nodos emisores de senales radioelectricas, que se han desplazado de su posicion propuesta dentro del suelo. Estos nodos tambien entreganan de forma inevitable datos de medicion incorrectos, o bien debido a que el sensor esta midiendo en la superficie o bien debido a que el sensor se ha danado o desconectado del nodo. Con el tiempo, ambos casos conducinan a una toma de decisiones agncolas inapropiadas.

De acuerdo con la invencion, se configura un nodo emisor de senales radioelectricas para emitir una senal radioelectrica con una potencia de emision radioelectrica cuando esta enterrado en el suelo, comprendiendo dicho nodo:

- una antena;

- un circuito electronico integrado que se conecta electricamente a la antena usando una lmea de alimentacion; y

- al menos un sensor para generar unos datos de medicion;

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

mientras que el circuito integrado se configura para operar la antena para emitir la senal radioelectrica que contiene dichos datos de medicion de forma periodica o tras recibir una solicitud inalambrica.

Los objetivos deseados se alcanzan por el nodo emisor de senales radioelectricas que se configura para permitir que un medio circundante del suelo influya sobre el campo cercano de la antena, cuando dicho nodo esta enterrado en el suelo. El nodo emisor de senales radioelectricas se ha configurado ademas para disminuir la potencia de emision radioelectrica o para impedir la emision de senales radioelectricas en el caso de que se retire la influencia del medio circundante sobre el campo cercano, cuando dicho nodo se retira del suelo. En otras palabras, el nodo emisor de senales radioelectricas se configura para acoplar la potencia radioelectrica emitida de la antena al suelo en el campo cercano electromagnetico, siempre que dicho nodo este enterrado en el suelo, pero ademas el nodo se configura para disminuir la potencia de emision radioelectrica o para impedir que el campo cercano se acople a un medio circundante del suelo.

Con el termino suelo se hace referencia a la tierra en el sentido mas general. El suelo puede comprender o consistir en roca, piedras, tierra, arena, humus o sustancias organicas, en particular, el suelo puede consistir en una mezcla de sustancias que incluyen los microorganismos que viven en el mismo. Por lo tanto, el suelo tambien puede comprender o consistir en cesped, abono o similares.

La potencia de emision radioelectrica del nodo debe ser alta debido a que, cuando esta enterrado en el suelo, debe generar una senal radioelectrica medible, que ha de viajar a traves del suelo y despues en el aire. La potencia de emision se disminuye, una vez que la retirada con respecto al suelo dana lugar a una senal radioelectrica de muy alta potencia en el aire, que generalmente no cumple con los reglamentos de banda radioelectrica.

Dependiendo de la profundidad de arada, los nodos emisores de senales radioelectricas se colocan a unas profundidades del suelo de convencionalmente 10 cm, 25 cm o 40 cm. La posicion depende de la aplicacion respectiva y, desde luego, puede diferir de dichas profundidades del suelo. En consecuencia, la potencia de emision radioelectrica operacional en el suelo tambien puede variar dependiendo de la profundidad asignada.

El campo cercano de la antena y/o lmea de campo hace referencia a la region circundante de la antena definida por aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la radiacion emitida. El nodo pasa el campo cercano fuera del medio circundante, que pertenece al suelo y puede tener influencia sobre el campo cercano de la antena y/o lmea de campo. El nodo permite que el campo cercano se superponga con el medio circundante al comprender la forma correspondiente, en particular, un alojamiento particular alrededor de la antena y/o lmea de alimentacion.

El al menos un sensor genera unos datos de medicion, que permiten que se extraigan conclusiones acerca de las condiciones del suelo en la proximidad del nodo. El al menos un sensor proporciona los datos de medicion al nodo emisor de senales radioelectricas y el nodo integra los datos de medicion en su senal radioelectrica.

Debido a que los nodos emisores radioelectricos estan destinados a permanecer en el suelo durante muchos anos, la accion de arada y la erosion continuadas pueden conducir a un cambio considerable de la posicion del nodo, que entonces se puede monitorizar o, al menos, el nodo puede adoptar las medidas necesarias para impedir toda violacion de los reglamentos radioelectricos.

Una realizacion preferida del nodo tiene una batena que suministra energfa al circuito integrado. Es ventajoso elegir batenas con una larga vida util, con el fin de reducir los esfuerzos de mantenimiento o incluso evitar todo mantenimiento que no sea colocar los nodos bajo tierra y retirarlos al final de la vida util de la batena.

En una realizacion preferida del nodo, el nodo emisor de senales radioelectricas se ha adaptado para disminuir la potencia de emision radioelectrica o para impedir la emision de senales radioelectricas en el caso de que se retire la influencia del medio circundante sobre el campo cercano, cuando dicho nodo se retira del suelo, de una forma pasiva.

La accion del nodo se emprende sin deteccion activa alguna del incremento de potencia de emision radioelectrica o un cambio de impedancia. Simplemente la retirada del medio circundante del suelo crea la condicion necesaria para dar lugar al ajuste de la potencia de emision radioelectrica. Eso se lleva a cabo al retirar la influencia del medio circundante sobre la antena, la lmea de alimentacion o el circuito integrado o cualquier otro componente del nodo.

De forma ventajosa, el nodo se configura para atenuar la potencia de emision radioelectrica o incluso apagar completamente la emision de senales radioelectricas, dependiendo de la posicion no deseada del nodo dentro o por encima del suelo. Por ejemplo, si el nodo se ha sacado por la accion de arada, o de otro modo, a la superficie del suelo, en la mayona de los casos es aconsejable detener completamente la emision radioelectrica. Como alternativa, la emision radioelectrica se atenua a un grado que sigue cumpliendo con los reglamentos generales de la banda radioelectrica. Asimismo, se puede atenuar la potencia de emision radioelectrica de acuerdo con un grado de la cobertura del suelo restante del nodo para cumplir los reglamentos radioelectricos en el aire.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

De forma ventajosa, se ha implementado la adaptacion de la potencia de emision, al menos en parte, mediante la utilizacion de la contribucion de permitividad y/o permeabilidad del suelo a la impedancia de operacion de la antena y/o su lmea de alimentacion. Tambien se puede hacer uso en consecuencia de otras cualidades del suelo, tales como la permeabilidad o similares.

En una realizacion preferida, un cambio del estado enterrado a un estado desenterrado del nodo da lugar a un cambio de impedancia de la antena y/o su lmea de alimentacion, convirtiendo la impedancia operacional en una impedancia no adaptada. La impedancia operacional de la antena y/o su lmea de alimentacion se optimiza para la emision radioelectrica cuando se cubre por una capa del suelo. La capa de suelo puede tener diferentes influencias en el nodo emisor de senales radioelectricas. Una de ellas, por ejemplo, es la atenuacion de la senal radioelectrica y otra es la posible influencia sobre la impedancia de la antena y/o su lmea de alimentacion, que se ve particularmente alterada si el suelo alcanza la region de campo cercano de la antena. En ambos casos, la antena se puede optimizar en terminos de tamano y dimensiones para una emision radioelectrica por debajo del suelo. El objetivo general es mantener la potencia de senal radioelectrica aceptable en el aire circundante por encima del suelo. Si se desadapta la impedancia, se abandona el estado de la operacion convencional del nodo. A pequenas profundidades, la impedancia no adaptada puede indicar una profundidad incorrecta en el suelo, o bien demasiado profunda o bien demasiado cerca de la superficie. En particular, cuando se alcanza la superficie, la impedancia se desadapta para indicar el desplazamiento. A unas profundidades mas grandes, la impedancia se vera afectada apenas, o nada en absoluto, por un desplazamiento del nodo emisor radioelectrico, no obstante, la atenuacion por el suelo se ve afectada ante todo.

En una realizacion preferida, debido a la impedancia no adaptada, la antena es operable con una baja potencia de emision, es operable con una potencia de emision permitida o no es operable. Dependiendo de la aplicacion respectiva, se podna elegir la medida mas util. Por ejemplo, si no se desea la recoleccion de un nodo a una impedancia no adaptada, es de lo mas conveniente detener la operacion. No obstante, si el nodo aun pudiera contener datos de medicion importantes, puede ser aconsejable una emision continuada a un nivel de potencia permitido. Asimismo, si el nodo contiene sustancias contaminantes, se debena haber retirado del suelo para el final de su vida util. Por lo tanto, se hace posible una recoleccion del nodo si la antena sigue siendo operable con una baja potencia de emision.

En una realizacion preferida, el nodo comprende al menos un controlador de profundidad, y el nodo emisor de senales radioelectricas se ha adaptado para disminuir la potencia de emision radioelectrica o para impedir la emision de senales radioelectricas en el caso de que se retire la influencia del medio circundante sobre el campo cercano, cuando dicho nodo se retira del suelo, de una forma activa en respuesta a unos datos de medicion procedentes de dicho al menos un controlador de profundidad.

De forma ventajosa, dependiendo de unos datos de posicion originados a partir de dicho al menos un controlador de profundidad, el nodo es operable con una baja potencia de emision, es operable con una potencia de emision permitida o no es operable. Se dieron posibles razones para las mediciones respectivas con respecto a la forma pasiva de deteccion. Las mismas tambien son de aplicacion a la deteccion activa.

De forma ventajosa, el nodo, en particular el controlador de profundidad, genera unos datos de posicion que contienen informacion acerca de la posicion actual del nodo dentro del suelo. Se puede deducir la profundidad a partir de la impedancia de la antena y/o su lmea de alimentacion, o la varianza del ciclo diario de temperaturas. De esta forma, es posible identificar el movimiento relativo del nodo con referencia a la superficie del suelo durante periodos de tiempo mas largos y actuar en consecuencia. Por lo tanto, por ejemplo, un usuario no ha de esperar hasta que el nodo se saque a la superficie completamente mediante la accion de arada. En su lugar, el mismo es capaz de decidir acerca de la retirada del nodo o una medida alternativa, tal como simplemente anadir mas suelo en la superficie y corregir la posicion del nodo de esta forma.

En una realizacion preferida, se detecta un cambio entre un estado cubierto y un estado no cubierto del nodo emisor de senales radioelectricas mediante el nodo que mide un cambio de impedancia correspondiente de la antena y/o su lmea de alimentacion. Una vez que se ha superado un umbral de impedancia definido, tiene lugar el cambio de estados, lo que tiene lugar, por lo general, durante la accion de arada. De forma adicional, el nodo puede monitorizar o almacenar sus datos de posicion del nodo.

En una realizacion preferida, la antena no es operable en el estado no cubierto debido al cambio de impedancia correspondiente de la antena y/o su lmea de alimentacion. De esta forma la antena, incluyendo su lmea de alimentacion, se puede hacer parte de una unidad de control o formar la propia unidad de control, que se usa para controlar y/o ajustar la potencia de emision radioelectrica. Esto es ventajoso, debido a que la unidad de control es facilmente realizable dentro del circuito integrado.

Una posibilidad para adaptar la impedancia de operacion es ajustar las dimensiones de la lmea de alimentacion en consecuencia, por lo cual la lmea de alimentacion se implementa preferiblemente como una lmea de microcinta. Se alimenta la potencia radioelectrica a la antena a traves de la lmea de alimentacion, la impedancia de operacion de la cual se ha adaptado al ajustar el ancho w de la lmea de alimentacion y la distancia h de una placa puesta a tierra de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

tal forma que la impedancia de la lmea de alimentacion se adapta a la antena cuando hay suelo presente en el campo cercano de la lmea de alimentacion. Si el nodo se levanta fuera del suelo, se desintoniza la lmea de alimentacion. Por lo tanto, se impide una potencia de emision radioelectrica demasiado grande de una forma pasiva.

En una realizacion preferida, el circuito integrado se adapta para monitorizar la impedancia de la antena y/o su lmea de alimentacion y se habilita para iniciar una medicion alternativa, preferiblemente una senal acustica tras la solicitud inalambrica, si se supera un umbral de impedancia. Tambien se pueden usar otras senales para indicar que el nodo se ha desplazado dentro del suelo. El circuito integrado tambien se puede adaptar para seguir registrando datos en un almacenamiento integrado del circuito integrado con el fin de permitir la lectura en un momento posterior. Una medida alternativa tambien es un elemento fluorescente o etiqueta fluorescente, que se activa por encima del suelo, estando el elemento o bien alimentado por el nodo o bien, como alternativa, por el sol o una fuente de luz ultravioleta. Por lo tanto se puede mejorar de forma sustancial la visibilidad del nodo sobre la superficie del suelo para encontrar el nodo desplazado de forma mas facil. Debido a que el propio nodo no tiene mucha energfa electrica despues de un periodo mas largo de uso, es mejor hacer que el sol cargue el elemento fluorescente, que ha salido del subsuelo junto con el nodo, con energfa optica, permitiendo que el usuario reconozca el nodo durante la noche. Se puede buscar de forma activa el nodo etiquetado usando la fuente de luz ultravioleta, que suministra energfa al elemento fluorescente en el momento en que esta brilla sobre el mismo. De forma ideal, el elemento fluorescente comprende o consiste en una cinta fluorescente o un revestimiento superficial fluorescente.

De forma ventajosa, el ancho w de la lmea de alimentacion es de entre 1 y 2 mm, preferiblemente 1,5 mm. Tambien en el presente caso, se tienen en cuenta las condiciones de emision asf como las condiciones para el suministro de la corriente alterna. En el experimento, se hallo que dichas dimensiones de la lmea de alimentacion son muy efectivas.

En una realizacion preferida, la lmea de alimentacion forma una lmea recta a traves de toda o casi toda su longitud L en el plano conductor de la antena. Preferiblemente, la lmea de alimentacion tambien se puede conectar con otro plano conductor de una placa de circuito de multiples capas. Sobre tales placas, tambien se hace referencia a los planos conductores como capas.

En una realizacion preferida, la antena es una antena de monopolo con un diametro y la lmea de alimentacion que tiene una longitud L de lmea de alimentacion de un 60 % a un 80 % del diametro D, que es 0,6 * D < L < 0,8 * D. La lmea de alimentacion tiene la tarea de conectar la antena de monopolo con un amplificador y por lo tanto permitir las oscilaciones electricas dentro de la antena de monopolo necesarias para la transmision radioelectrica. El diseno de la lmea de alimentacion tambien influye sobre los campos magneticos y electricos dentro del campo cercano de la antena y por lo tanto debe ser de la longitud ideal L como se confirma en el experimento.

En una realizacion preferida, el al menos un sensor esta completa o parcialmente integrado en el circuito integrado. Tambien puede variar el numero de sensores. De forma ideal. El numero vana entre uno, dos o tres sensores, que se pueden colocar o integrar en el circuito integrado por diferentes razones. El hecho de tener multiples sensores con el nodo emisor de senales radioelectricas evita los problemas de mantenimiento no deseados en el caso de que un sensor falle durante el periodo de vida util del nodo. Entonces, simplemente uno o dos de otros sensores toman el lugar del sensor roto. Como alternativa, puede ser util considerar datos de medicion, que se tomaron en diferentes ubicaciones de sensor, como en la parte superior del nodo emisor de senales radioelectricas y/o por debajo del mismo. Por esa razon, puede ser util no integrar el al menos un sensor en el circuito integrado del nodo, sino hacer que se conecten usando un cable con el fin de lograr una cierta distancia entre los sensores que conduzca a unos datos de medicion mas fiables. No obstante, en algunas aplicaciones esto puede ser problematico, debido a que una conexion de cables siempre presenta el riesgo de que la humedad entre en el alojamiento del nodo emisor de senales radioelectricas y, de ese modo, lo destruya a lo largo de un periodo de tiempo mas largo. Por lo tanto, la integracion del al menos un sensor en el circuito integrado del nodo emisor de senales radioelectricas puede ser una solucion mas segura.

En una realizacion preferida, el al menos un sensor es un sensor de parametros del suelo, por ejemplo, un sensor de humedad, un sensor de conductividad del suelo, un sensor de acidez o un sensor de temperatura. La eleccion del tipo de sensor depende de la respectiva aplicacion o necesidades del usuario que toma las decisiones en el proyecto respectivo. El nodo emisor de senales radioelectricas se puede usar dependiendo de su al menos un sensor. Un nodo con un sensor de humedad se puede usar para el monitoreo de la humedad de pisos de edificios, cimientos y/o campos agncolas, o para la deteccion de terraplenes contra inundaciones o socavacion de erosion fluvial. Un nodo con un sensor de acidez se puede usar para monitorizar zonas industriales de fabricas de productos qmmicos o farmaceuticos para monitorizar contaminaciones no deseadas del suelo. Tambien son posibles aplicaciones adicionales en otras areas tecnicas o no tecnicas, dependiendo del tipo del al menos un sensor.

En una realizacion preferida, el nodo emisor de senales radioelectricas tiene un almacenamiento para datos de medicion que se originan a partir del al menos un sensor. De hecho, el almacenamiento se puede usar para los datos de medicion de otros sensores para permitir un analisis de fallos en un momento posterior.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

El analisis de fallos se puede iniciar por una solicitud inalambrica o al retirar el nodo emisor de senales radioelectricas de su posicion en el suelo y conectarlo a un sistema de analisis. El almacenamiento tambien se puede usar para datos de posicion de nodo. De esta forma los datos de medicion tomados se pueden entender mejor al relacionarlos con los datos de posicion de nodo.

En una realizacion preferida, las partes de circuito y antena del circuito integrado se colocan en lados opuestos de la placa de circuito de multiples capas. La antena y las partes de circuito del circuito integrado se colocan en diferentes capas conductoras de una placa de circuito de multiples capas, mientras que las capas respectivas son paralelas entre sf. Esto conduce a un nodo emisor de senales radioelectricas, que es de pequeno tamano y se puede colocar y manejar facilmente.

En una realizacion preferida, el nodo comprende un revestimiento y/o una cubierta para definir una distancia minima entre el suelo y la antena y/o la lmea de alimentacion en el estado enterrado, siendo el revestimiento y/o la cubierta, preferiblemente, una parte integrante de un alojamiento del nodo. Al definir la distancia minima se puede controlar facilmente la influencia del suelo en la impedancia operativa. Tambien se puede pasar de forma ventajosa el campo cercano a traves del medio circundante del suelo para dar los mejores resultados de acoplamiento.

Una realizacion preferida es un sistema de sensor con al menos un nodo emisor de senales radioelectricas de acuerdo con la invencion y una unidad radioelectrica para solicitar y/u obtener unos datos de medicion a partir del nodo. En particular, es extremadamente util una unidad radioelectrica movil para encontrar y localizar nodos emisores de senales radioelectricas y comprobarlos para el mantenimiento. Los datos de medicion tambien se pueden recuperar por una unidad radioelectrica movil. Por el contrario, puede ser de interes una unidad radioelectrica o estacion radioelectrica fija, debido a que el proceso de recuperacion de datos de medicion se puede hacer de forma automatica, sin la interferencia de personal, conduciendo a un procedimiento muy rentable y tambien a uno mas fiable.

Otras realizaciones favorables e implementaciones ventajosas de la invencion se describen en los dibujos o las reivindicaciones dependientes.

Breve descripcion de los dibujos

En lo sucesivo, la invencion se explica con mas detalle con referencia al ejemplo que se muestra en los dibujos adjuntos en las figuras 1 a 5, de las cuales:

la figura 1 muestra una placa de circuito de multiples capas de un nodo emisor de senales radioelectricas colocado por debajo del suelo,

la figura 2 muestra la placa de circuito de multiples capas del nodo emisor de senales radioelectricas de la figura 1,

la figura 3

muestra una placa de base no conductora de una segunda realizacion de un nodo emisor de senales radioelectricas,

la figura 4 muestra el circuito integrado de la segunda realizacion de la figura 3,

la figura 5 muestra la placa de base no conductora de un nodo emisor de senales radioelectricas con una lmea de alimentacion recta en la capa conductora de la antena, y

la figura 6 muestra un nodo emisor de senales radioelectricas con sensores externos en comunicacion con una unidad radioelectrica estacionaria.

Los mismos numeros de referencia hacen referencia a los mismos componentes en todas las figuras.

Descripcion detallada de la invencion

La figura 1 muestra el nodo emisor de senales radioelectricas 25 con cuatro capas conductoras. La capa 14 es la capa puesta a tierra (GND, ground) y la capa conductora exterior aloja la antena (que no se muestra) y su lmea de alimentacion 15. La eleccion de la distancia h es crucial para implementar la impedancia deseada de la lmea de alimentacion 15 que tiene el ancho w.

En la otra capa 22 se implementa un circuito integrado con diferentes componentes que tiene las funciones de hacer funcionar la antena, almacenar datos de medicion, lectura de un sensor o similar. La placa de circuito de multiples capas 11, en particular la lmea de alimentacion 15 se coloca en proximidad al suelo 10. Esto significa que, en el campo cercano, indicado por las lmeas de campo magnetico 13, el suelo 10 tiene influencia sobre la permitividad asf como la susceptibilidad para influir sobre la impedancia de la antena y/o su lmea de alimentacion 15. En otras palabras, la antena y/o su lmea de alimentacion 15, asf como la capa conductora puesta a tierra 14, se disenan

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

tomando en cuenta la influencia del suelo 10 para una emision de senales radioelectricas optima a una cierta profundidad del suelo.

La capa conductora 7 puede comprender un sensor integrado, tal como un sensor de humedad o un sensor de temperature o un elemento de deteccion de otra forma, tal como una resistencia dependiente de la temperature. Con el fin de ahorrar espacio, la capa 7 tambien puede contener partes o componentes del circuito integrado 22.

La figura 2 muestra la placa de circuito de multiples capas 11 del nodo emisor de senales radioelectricas 25 de la figura 1 en una perspectiva tridimensional. La antena de monopolo 20 se coloca en la misma capa conductora como la lmea de alimentacion 15, que tiene la tarea de conectar electricamente la antena 20 a una de las otras capas conductoras, en particular, la capa sobre el lado opuesto del nodo 25 que comprende el circuito integrado 22.

La placa de base no conductora 16 que comprende la antena 20 esta hecha de fibra de vidrio y no tiene alguna relevancia conductora, al igual que las capas no conductoras 8, 9. Su grosor se puede elegir debido a la capacidad y/o consideraciones de estabilidad.

En la realizacion, la placa de base no conductora 16 y/o las capas no conductoras 8, 9 estan hechas de fibra de vidrio FR-4, que es un material muy resistente al fuego. Como alternativa, la placa de base no conductora 16 y/o las capas no conductoras 8, 9 estan hechas de politetrafluoroetileno (PTFE) o cualquier otro laminado aislante, resina, fibra de vidrio o similar.

La figura 3 muestra la placa de base no conductora 16 que comprende una antena de monopolo 20 y su lmea de alimentacion 18 de otro nodo emisor de senales radioelectricas que difiere en la forma de su lmea de alimentacion 18. La lmea de alimentacion 18 y la antena de monopolo 20 son elementos de una capa conductora, que es la capa conductora mas exterior de la placa de circuito de multiples capas. La posicion y grna de la lmea de alimentacion 18 con respecto a la capa conductora puesta a tierra 14 es crucial para las caractensticas de emision. Es ventajoso tener las menos curvas posibles en la lmea de alimentacion 18. No obstante, en la realizacion de la figura 3 existe solo una curva en el plano conductor de la antena 20 con el fin de alcanzar el punto de conexion 19, que establece contacto electrico con el circuito integrado 22. Por lo tanto la lmea de alimentacion 18 es - hasta cierto grado - ajustable a los requisitos del circuito integrado 22.

Tambien es ventajoso si se coloca el circuito integrado 22 sobre una capa conductora paralela de la placa de circuito de multiples capas, en particular la capa mas exterior opuesta con respecto a la capa conductora de la antena 20.

En la realizacion, la antena 20 tiene un diametro de D = 32 mm y una longitud de lmea de alimentacion de L = 24 mm. La frecuencia de emision de senales radioelectricas es de 870 MHz. Debido a que la antena 20 se comporta casi como una antena de una lambda (onda completa), el campo cercano circunda la antena 20 en una distancia de aproximadamente 100 mm cuando el suelo esta humedo. En suelo seco en el campo cercano es mas pequeno que 100 mm. Esto se confirma de forma experimental por la fuerte dependencia de impedancia en la profundidad entre 0 y 10 cm. Para profundidades mas grandes la impedancia no cambia mucho, debido a que el campo cercano completo se rellena con el suelo.

Las frecuencias de emision convencionales son de 500 MHz a 2 GHz, por lo cual alrededor de I GHz se puede lograr una muy buena eficiencia. Los nodos emisores de senales radioelectricas de las figuras 3 a 5 se configuran para una frecuencia de portadora de 870 MHz. En el aire los nodos emisores de senales radioelectricas pueden tener una potencia de emision de 20 a 25 dBm (100 a 500 mW), durante una duracion de unos cuantos milisegundos, que debe estar de acuerdo para la banda de frecuencia radioelectrica mencionada en la mayona de los pafses, pero puede ser demasiada para otros considerando los reglamentos locales del ancho de banda radioelectrico.

La figura 4 muestra el circuito integrado 22 de la realizacion de la figura 3 que indica el punto de conexion 12, en donde la lmea de alimentacion 18 se conecta con el circuito integrado 22. El punto de conexion 12 se conecta electricamente al punto de conexion 19 de la figura 3. Ademas, existen diferentes componentes electricos, tal como resistores, condensadores y elementos conductores, que se pueden conectar electricamente el uno con el otro por la placa conductora del circuito integrado 22.

Los nodos emisores de senales 25, 38 de todas las figuras se muestran sin una batena de suministro de energfa. No obstante, todos son conectables a una batena de suministro de energfa. El nodo emisor de senales de la figura 4, por ejemplo, se puede conectar con el polo positivo de una batena en el contacto 21. Se propone que el area 27 aloje un puerto de conexion para la transferencia de datos y la programacion del nodo emisor de senales radioelectricas.

La figura 5 muestra otra realizacion de un nodo emisor de senales radioelectricas con una placa de base no conductora 16, al igual que la placa de base no conductora 16 de los nodos emisores de senales radioelectricas de las figuras 1, 2 y 3, mientras que la lmea de alimentacion 17 no tiene curvas en la capa conductora mas exterior de la placa de circuito de multiples capas. La longitud L es la longitud de la antena 20, que es de forma circular, al punto de conexion 23, que se usa para llevar el contacto electrico hasta una de las capas conductoras paralelas, de forma

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

ideal la capa del circuito integrado 22. La lmea de alimentacion 17 es muy recta y tiene por lo tanto un efecto positivo en las caractensticas de emision.

La posicion de la capa conductora puesta a tierra cercana 14 se indica por las lmeas punteadas y muestra la proximidad de la antena 20 a la capa puesta a tierra 14, mientras que la mayor parte de la lmea de alimentacion 17 se coloca en paralelo a la capa 14. De forma ventajosa, el punto de conexion 19 se puede mover sin restringir demasiado el circuito integrado.

La figura 6 muestra una unidad radioelectrica estacionaria 33 que envfa una solicitud al nodo 38 para emitir una senal radioelectrica que contiene unos datos de medicion 31 del sensor de humedad 30. El nodo 38 solicita los datos del sensor de humedad 30 y obtiene los datos de medicion 31 que indican un contenido de agua del suelo 10.

La antena 39 se puede usar para recibir la solicitud 32 asf como para enviar los datos de medicion 31 a la unidad radioelectrica estacionaria 33.

Como alternativa, el nodo 38 no se configura en absoluto para una comunicacion bidireccional, sino que simplemente envfa sin recibir solicitud 32 alguna u otras senales radioelectricas (transmision unidireccional). El nodo 38 se puede configurar para enviar de manera regular unos datos de medicion a unos intervalos temporales razonables o definibles, tal como una vez al dfa o una vez por hora. Esto permite que el nodo 38 tenga un diseno muy basico y, por lo tanto, muy robusto.

El controlador de profundidad 35 recupera los datos de posicion, por ejemplo, al medir la temperatura. Las fluctuaciones diarias en la temperatura permiten la conclusion de lo profundo que sigue estando enterrado el nodo 38 en el suelo 10. Las temperaturas medidas se pasan al nodo 38 como los datos de posicion 34. O bien el nodo 38 analiza las propias fluctuaciones para enviar un mensaje de advertencia o bien simplemente transmite las fluctuaciones diarias, que entonces se analizan de forma externa en la estacion radioelectrica 10 o en otra parte.

De forma ideal, el controlador de profundidad 35 y el sensor 30 se integran en el nodo 38, en particular, en su circuito integrado. De esta manera el nodo 38 se puede disenar como un dispositivo de alojamiento individual rentable. Asimismo, se disminuye de forma considerable el riesgo de que entre humedad en el alojamiento del nodo 38.

En resumen, la invencion se refiere a un nodo emisor de senales radioelectricas 25, 38 que comprende

- una antena,

- un circuito electronico integrado 22 que se conecta de forma electrica a la antena 20 usando la lmea de alimentacion 15, 17, 18,

- al menos un sensor, mientras que el circuito integrado 22 opera la antena tras la solicitud inalambrica para emitir una senal radioelectrica que contiene unos datos de medicion obtenidos del al menos un sensor.

Con el fin de cumplir con los reglamentos actuales de la banda radioelectrica, la invencion sugiere ajustar de forma pasiva la impedancia de la antena 20 y/o su lmea de alimentacion 15, 17, 18 y controlar por lo tanto la potencia de emision radioelectrica de acuerdo con un grado de cobertura del suelo del nodo 25, 38.

Numeros de referencia usados:

D diametro de la antena H distancia entre capas conductoras cercanas L longitud de lmea de alimentacion W ancho de la lmea de alimentacion

7 capa conductora

8 capa no conductora

9 capa no conductora

10 suelo

11 placa de circuito de multiples capas

12 punto de conexion

13 lmea de campo magnetico

14 capa conductora puesta a tierra

15 lmea de alimentacion

16 placa de base no conductora

17 lmea de alimentacion

18 lmea de alimentacion

19 punto de conexion

20 antena

21 contacto

22 circuito integrado

23

25

27

30

31

32

33

34

35

38

39

punto de conexion

nodo emisor de senales radioelectricas

area de conexion

sensor de humedad

datos de medicion

solicitud

unidad radioelectrica estacionaria

datos de posicion

controlador de profundidad

nodo emisor de senales radioelectricas

antena

Claims (16)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   REIVINDICACIONES

   1. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) configurado para emitir una senal radioelectrica con una potencia de emision radioelectrica cuando esta enterrado en el suelo (10), comprendiendo dicho nodo (25, 38):

   - una antena (20; 39);

   - un circuito electronico integrado (22) que se conecta electricamente a la antena (20, 39) usando una lmea de alimentacion (15, 17, 18); y

   al menos un sensor (30) para generar unos datos de medicion (31);

   mientras que el circuito integrado (22) se configura para operar la antena (20, 39) para emitir la senal radioelectrica que contiene dichos datos de medicion (31) de forma periodica o tras recibir una solicitud inalambrica (32); caracterizado por que: el nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) se ha configurado para permitir que un medio circundante del suelo (10) influya en el campo cercano de la antena (20, 39), cuando dicho nodo (25, 38) esta enterrado en el suelo (10), el nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) se ha configurado ademas para disminuir la potencia de emision radioelectrica o para impedir la emision de senales radioelectricas en el caso de que se retire la influencia del medio circundante sobre el campo cercano, cuando dicho nodo (25, 38) se retira del suelo (10).
2. 2. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con la reivindicacion 1, y en el que:

   el nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) se ha adaptado para disminuir la potencia de emision radioelectrica o para impedir la emision de senales radioelectricas en el caso de que se retire la influencia del medio circundante sobre el campo cercano, cuando dicho nodo (25, 38) se retira del suelo (10), de una forma pasiva.
3. 3. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con la reivindicacion 2, y en el que:

   la adaptacion se ha implementado, al menos en parte, mediante la utilizacion de la contribucion de permitividad y/o permeabilidad del suelo (10) a la impedancia de operacion de la antena (20, 39) y/o su lmea de alimentacion (15, 17, 18).
4. 4. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con la reivindicacion 3, y en el que:

   un cambio del estado enterrado a un estado desenterrado del nodo (25, 38) da lugar a un cambio de impedancia de la antena (20, 39) y/o su lmea de alimentacion (15, 17, 18), convirtiendo la impedancia operacional en una impedancia no adaptada.
5. 5. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con la reivindicacion 4, y en el que:

   debido a la impedancia no adaptada, la antena (20, 39) es operable con una baja potencia de emision, es operable con una potencia de emision permitida o no es operable.
6. 6. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con la reivindicacion 1, y en el que:

   el nodo (25, 38) comprende al menos un controlador de profundidad (35), y el nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) se ha configurado ademas para disminuir la potencia de emision radioelectrica o para impedir la emision de senales radioelectricas en el caso de que se retire la influencia del medio circundante sobre el campo cercano, cuando dicho nodo (25, 38) se retira del suelo (10), de una forma activa en respuesta a unos datos de medicion (31) procedentes de dicho al menos un controlador de profundidad (35).
7. 7. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con la reivindicacion 6, y en el que:

   dependiendo de unos datos de posicion (34) originados a partir de dicho al menos un controlador de profundidad (35), dicho nodo (25, 38) es operable con una baja potencia de emision, es operable con una potencia de emision permitida o no es operable.
8. 8. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en el que:

   el ancho (w) de la lmea de alimentacion (15, 17, 18) es de entre 1 y 2 mm, preferiblemente 1,5 mm.

   5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45
9. 9. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en el que:

   la lmea de alimentacion (15, 17, 18) forma una lmea recta a traves de toda o casi toda su longitud (L) en el plano conductor de la antena (20, 39).
10. 10. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en el que:

    la antena (20, 39) es una antena de monopolo (20, 39) con un diametro (D) y la lmea de alimentacion (15, 17, 18) que tiene una longitud (L) de lmea de alimentacion de un 60 % a un 80 % del diametro (D),

    0,6 * D < L < 0,8 * D.
11. 11. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en el que:

    el al menos un sensor (30) esta completa o parcialmente integrado en el circuito integrado (22).
12. 12. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en el que:

    el al menos un sensor (30) es un sensor de parametros del suelo (30), por ejemplo, un sensor de humedad (30), un sensor de conductividad del suelo, un sensor de acidez o un sensor de temperatura.
13. 13. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en el que:

    dicho nodo (25, 38) tiene un almacenamiento para los datos de medicion (31) que se originan a partir del al menos un sensor (30).
14. 14. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, con una placa de base no conductora (16), y en el que:

    la antena (20, 39) y las partes de circuito del circuito integrado (22) se colocan sobre lados opuestos de una placa de circuito de multiples capas (11).
15. 15. Nodo emisor de senales radioelectricas (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en el que:

    el nodo (25, 38) comprende un revestimiento y/o una cubierta para definir una distancia minima entre el suelo (10) y la antena (20, 39) y/o la lmea de alimentacion (15, 17, 18) en el estado enterrado, siendo el revestimiento y/o la cubierta, preferiblemente, una parte integrante de un alojamiento de dicho nodo (25, 38).
16. 16. Sistema de sensor con al menos un nodo (25, 38) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes y una unidad radioelectrica (33) para solicitar (33) y/u obtener unos datos de medicion (31) a partir del nodo (25, 38).