ES2963492T3 - Nodo sensor de radio - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un nodo radiosensor (1). El nodo de sensor de radio (1) comprende una unidad de sensor (5) para detectar una variable medida y emitir una señal de sensor eléctrico analógico (S), una unidad de recolección de energía (13) para recolectar energía de la señal de sensor (S), una señal unidad de procesamiento (11) para generar una señal de transmisión (T) a partir de la señal del sensor (S) y una unidad de radio (17) para transmitir la señal de transmisión (T) como una señal de radio. La señal del sensor (S) se puede suministrar alternativamente a la unidad de recolección de energía (13) y a la unidad de procesamiento de señales (11). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Nodo sensor de radio

La invención se refiere a un nodo sensor de radio.

Un nodo sensor de radio transmite datos de medición detectados por medio de un sensor a un receptor de forma inalámbrica por medio de ondas de radio. Los nodos sensores de radio suelen estar dispuestos en lugares de difícil acceso o peligrosos, donde el cableado, la sustitución y/o el mantenimiento del sensor no son posibles o son muy costosos. Por esto se suelen exigir requisitos particulares a un nodo sensor de radio en cuanto a su robustez, durabilidad, alcance radioeléctrico y suministro de energía autosuficiente. Estos requisitos dificultan a menudo el diseño de un nodo sensor de radio de tamaño reducido. Además, el suministro de energía suele resultar problemático. Por un lado, las baterías permiten un suministro de energía autosuficiente, pero por otro, solo tienen una vida útil limitada. Especialmente en el caso de los nodos sensores de radio, a menudo resulta difícil o imposible sustituir una batería. Aunque un consumo de energía económico puede prolongar la vida útil de una batería, por otro lado, puede requerir concesiones en la potencia de transmisión y/o en los tiempos de funcionamiento del nodo sensor de radio.

Por el documento US 2007/0182362 A1 se conoce un aparato para la recolección de energía (energy harvesting) y para el almacenamiento de esta energía eléctrica. Para esto, el aparato comprende un convertidor de energía (como, por ejemplo, un convertidor solar, un convertidor vibratorio, un convertidor térmico o similar). Los dispositivos de almacenamiento de energía se cargan con la energía convertida en energía eléctrica. El aparato tiene preferiblemente el tamaño de una batería estándar, de modo que una batería convencional puede sustituirse por este aparato.

La solicitud de patente US 2010/0264906 A1 divulga un aparato para medir la energía eléctrica en un interruptor de potencia. Este aparato comprende un transformador de corriente colocado en un conducto eléctrico que conduce al interruptor de potencia. La corriente suministrada por el transformador de corriente sirve, por una parte, para determinar la potencia eléctrica y, por otra parte, para suministrar energía al aparato.

La invención se basa en el objetivo de proporcionar un nodo sensor de radio mejorado y un procedimiento para operarlo, en particular para su uso en un entorno electromagnéticamente muy cargado.

Según la invención, el objetivo se resuelve mediante un nodo sensor de radio que tiene las características de la reivindicación 1 y un procedimiento que tiene las características de la reivindicación 14.

Las configuraciones ventajosas de la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.

Un nodo sensor de radio según la invención comprende una unidad de sensor para detectar una magnitud a medir y emitir una señal de sensor eléctrica analógica, una unidad de recolección de energía para recolectar energía de la señal de sensor, una unidad de procesamiento de señal para generar una señal de transmisión a partir de la señal de sensor, y una unidad de radio para transmitir la señal de transmisión como una señal de radio. La señal del sensor puede suministrarse alternativamente a la unidad de recolección de energía y a la unidad de procesamiento de señales.

Así, la invención prevé utilizar la señal eléctrica del sensor procedente de la unidad de sensor de un nodo sensor de radio para suministrar energía al nodo sensor de radio. Para ello, el nodo sensor de radio comprende una unidad de recolección de energía para la recolección de energía (en particular energía eléctrica), denominada energy harvesting, a partir de la señal del sensor. La invención prevé el suministro alternativo de la señal del sensor a la unidad de procesamiento de señales para generar una señal de transmisión a partir de la señal del sensor y a la unidad de recolección de energía para la recolección de energía. La invención aprovecha el hecho de que un nodo sensor de radio no suele procesar constantemente una señal de sensor y transmitirla como señal de radio, sino que se encuentra en modo de reposo la mayor parte del tiempo para ahorrar energía. Según la invención, este modo de reposo se utiliza para recolectar energía a partir de la señal del sensor. En particular, la unidad de recolección de energía también puede denominarse unidad de recolección de energía. Así pues, la unidad de captación de energía también puede denominarse unidad de captación de energía para captar energía eléctrica de la señal del sensor; la unidad de captación de energía sirve para captar energía de la señal del sensor. En particular, se trata de energía eléctrica.

La invención prevé que la unidad de procesamiento de señales comprenda un circuito de promediado para generar la señal de transmisión como un promedio de la señal del sensor rectificada con un circuito rectificador. En esta configuración de la invención se prescinde de una evaluación compleja de la señal del sensor en el nodo sensor de radio y, en su lugar, solo se genera un valor medio de la señal del sensor rectificada como señal de transmisión. En comparación con una evaluación de la señal del sensor en el nodo sensor de radio, esta generación de una señal de transmisión particularmente ahorra energía. En este caso, la evaluación de la señal de transmisión, que consume mucha energía, tiene lugar en el caso de un usuario del nodo sensor de radio. Para la evaluación de la señal de transmisión se mide una curva de calibración, por ejemplo, en un campo de pruebas del fabricante del nodo sensor de radio, que representa la señal de transmisión en función de la magnitud a medir y se pone a disposición de un usuario del nodo sensor de radio.

La invención prevé que, alternativamente, la unidad de procesamiento de señales genere un valor eficaz de la señal del sensor como señal de transmisión. Esta configuración alternativa de la invención a la realización anteriormente mencionada se utiliza preferentemente cuando el nodo sensor de radio dispone de energía suficiente mediante la recolección de energía para calcular el valor eficaz.

En otra configuración de la invención, el nodo sensor de radio comprende una entrada de señal a la que se suministra la señal del sensor y una lógica de conmutación mediante la cual la entrada de señal es alternativamente conectable a la unidad de recolección de energía y a la unidad de procesamiento de señal. Esta configuración de la invención implementa el suministro alternativo de la señal del sensor a la unidad de procesamiento de señales y a la unidad de recolección de energía mediante una lógica de conmutación que conecta alternativamente la entrada de señal a la unidad de procesamiento de señales y a la unidad de recolección de energía.

Otra configuración de la invención proporciona una unidad limitadora de tensión para proteger la entrada de señal de sobretensiones. Esta configuración de la invención aumenta ventajosamente la robustez de la entrada de señal contra sobretensiones. Estas pueden ser causadas por acoplamientos directos o por acoplamientos inductivos (por ejemplo, de subidas bruscas de corriente en trayectorias de corriente de paso cercanas) o por acoplamientos capacitivos, que pueden ocurrir en particular en las proximidades de sistemas de alta tensión.

Otra configuración de la invención prevé que la entrada de señal comprenda contactos salidos de una carcasa de nodo sensor del nodo sensor de radio. Esto permite que la entrada de señal sea contactada desde el exterior. Además, uno de los contactos puede utilizarse para contactar con un potencial de tierra fuera del nodo sensor de radio.

En otra configuración de la invención, el nodo sensor de radio comprende una carcasa de nodo sensor moldeada en un plástico de baja permitividad. Como resultado, las señales de radio de la unidad de radio son ventajosamente apenas atenuadas por la carcasa del nodo sensor.

Otras configuraciones de la invención prevén que la unidad de radio comprende una antena, por ejemplo, una antena de anillo con uno o más bobinados, y está adaptada para transmitir alternativamente la señal de radio con la antena y para recolectar inductivamente energía de un campo magnético presente en un entorno del nodo sensor de radio y/o para detectar una intensidad de campo magnético de un campo magnético presente en un entorno del nodo sensor de radio. Estas configuraciones de la invención prevén así la antena del nodo sensor de la radio no solo para transmitir señales de radio, sino también para recolectar energía de un campo magnético y/o para detectar una intensidad de campo magnético de un campo magnético en el entorno del nodo sensor de radio. De este modo, la antena se utiliza ventajosamente también para suministrar energía al nodo sensor de radio y/o como sensor de campo magnético.

Otra configuración de la invención prevé que el nodo sensor de radio esté dispuesto sobre una superficie eléctricamente conductora y comprenda un terminal de tierra conectado eléctricamente a la superficie eléctricamente conductora. Además, el nodo sensor de radio puede incluir un blindaje electromagnético conectado a la superficie eléctricamente conductora. Esta configuración de la invención utiliza una superficie eléctricamente conductora, sobre la que se dispone el nodo sensor de radio, para la conexión potencial del nodo sensor de radio y un blindaje electromagnético del nodo sensor de radio.

En otra configuración de la invención, el nodo sensor de radio comprende una unidad de almacenamiento de energía para almacenar energía. Por ejemplo, la unidad de almacenamiento de energía comprende un supercondensador y/o un acumulador. Si la unidad de almacenamiento de energía comprende un supercondensador y un acumulador, el acumulador se carga, por ejemplo, solo cuando el supercondensador se carga a un voltaje nominal. Estas configuraciones de la invención permiten el almacenamiento de, en particular, la energía recolectada de la señal del sensor cuando la energía recolectada no se requiere momentáneamente para el suministro de energía al nodo sensor de radio. El uso de un supercondensador y un acumulador combina la rápida capacidad de carga y descarga de un supercondensador con la mayor capacidad de un acumulador. Además, los supercondensadores tienen una vida útil más larga que los acumuladores, por lo que el supercondensador puede utilizarse incluso durante más tiempo si la vida útil del acumulador ya ha transcurrido. La carga del acumulador se efectúa solo después de terminar la carga del supercondensador. Esto se consigue mediante un circuito de desacoplamiento. Si el acumulador se estropea tras unos años de funcionamiento, deja de acumular tensión. El circuito de desacoplamiento evita entonces que el acumulador defectuoso descargue el supercondensador, de modo que el nodo sensor de radio puede seguir recibiendo energía del supercondensador. La instalación en paralelo del supercondensador y del acumulador tiene la ventaja de que -dependiendo de la recolección de energía y los tiempos de ciclo- se pueden procesar significativamente más tareas de medición y cálculo en los primeros años de uso del nodo sensor de radio que con el suministro de energía únicamente desde el supercondensador.

Por consiguiente, en el procedimiento de funcionamiento de un nodo sensor de radio según la invención, la unidad del sensor detecta la magnitud a medir y emite la señal del sensor, la señal del sensor se suministra alternativamente a la unidad de recolección de energía y a la unidad de procesamiento de señales, la unidad de procesamiento de señales se utiliza para generar la señal de transmisión a partir de la señal del sensor, la unidad de radio se utiliza para transmitir la señal de transmisión como señal de radio, y la unidad de recolección de energía se utiliza para recolectar energía a partir de la señal del sensor.

Los rasgos, características y ventajas de la presente invención descritos anteriormente, así como la forma en que se consiguen, se entenderán más claramente y más obviamente en relación con la siguiente descripción de los ejemplos de realización que se explicarán con más detalle en relación con los dibujos.

La FIG 1 muestra un diagrama de bloques de un nodo sensor de radio,

La FIG 2 muestra un esquema de conexiones de un circuito rectificador y un circuito de promediado para generar una señal de transmisión,

La FIG 3 muestra un esquema de conexiones de una unidad de almacenamiento de energía.

Las partes correspondientes entre sí están marcadas con los mismos signos de referencia en las figuras.

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de realización de un nodo sensor de radio 1 según la invención. El nodo sensor de radio 1 comprende una carcasa de nodo sensor 3, una unidad de sensor 5, una entrada de señal 7, una lógica de conmutación 9, una unidad de procesamiento de señal 11, una unidad de recolección de energía 13 con una unidad de almacenamiento de energía 15, una unidad de radio 17 y un blindaje electromagnético 19.

La unidad de sensor 5 detecta una magnitud a medir y emite una señal de sensor eléctrica analógica S, que representa la magnitud a medir, a la entrada de señal 7. La unidad de sensor 5 tiene, por ejemplo, un sensor de temperatura para detectar una temperatura como magnitud a medir, pero también puede tener un sensor para detectar otra magnitud a medir. La señal de sensor S es una tensión eléctrica generada por la unidad de sensor 5, por ejemplo, una tensión en el rango de voltios de un solo dígito.

La lógica de conmutación 9 conecta alternativamente la entrada de señal 7 a la unidad de procesamiento de señal 11 y a la unidad de recolección de energía 13, suministrando así alternativamente la señal del sensor S a la unidad de procesamiento de señal 11 y a la unidad de recolección de energía 13. Por ejemplo, la lógica de conmutación 9 comprende con este fin conmutadores semiconductores de bajas pérdidas, por ejemplo, transistores semiconductores de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET), y una unidad de control para accionar los conmutadores semiconductores.

La unidad de procesamiento de señales 11 genera una señal de transmisión T a partir de la señal del sensor S. Por ejemplo, la unidad de procesamiento de señales 11 genera un valor medio de la señal rectificada del sensor S como señal de transmisión T; véase la figura 2.

La figura 2 muestra un ejemplo de un esquema de conexiones de un circuito rectificador 21 y un circuito de promediado 23 para generar la señal de transmisión T como un valor medio de la señal del sensor rectificada S. El circuito rectificador 21 está formado como un circuito rectificador de puente formado por cuatro diodos 25. El circuito de promediado 23 está conectado adelante del circuito rectificador 21 y tiene una inductividad 27, un condensador de promediado 29 y una resistencia de promediado 31 conectada en paralelo con el condensador de promediado 29. En la figura 2 se supone que la entrada de señal 7 está conectada a la unidad de procesamiento de señal 11 a través de la lógica de conmutación 9, aunque la lógica de conmutación 9 no se muestra en la figura 2. La entrada de señal 7 está protegida contra sobretensiones mediante una unidad limitadora de tensión 33 formada por un varistor. Por ejemplo, la unidad limitadora de tensión 33 está diseñada para limitar una subida brusca de tensión de entrada con un pico de tensión de 100 V, que decae en 5 ms, a 15 V a 20 V. La señal de transmisión T es una tensión aplicada al circuito paralelo del condensador de promediado 29 y de la resistencia de promediado 31. Para evaluar la señal de transmisión T generada de este modo, se mide una curva de calibración en un campo de pruebas del fabricante del nodo sensor de radio 1, que representa la señal de transmisión T como una función de transmisión de la magnitud a medir y se pone a disposición de un usuario del nodo sensor de radio 1. Idealmente, se selecciona un transcurso de tiempo típico para la señal medida para la determinación de la función de transferencia en el campo de prueba, que corresponde aproximadamente a la magnitud a medir esperada en el sistema.

La realización de la unidad de procesamiento de señales 11 mostrada en la figura 2 para generar la señal de transmisión T como un valor medio de la señal del sensor rectificada S no requiere ninguna evaluación compleja de la señal del sensor S en el nodo sensor de radio 1 y, por lo tanto, es particularmente ahorradora de energía. Si se dispone de suficiente energía recolectada, la unidad de procesamiento de señales 11 puede tener un diseño más elaborado. Por ejemplo, la unidad de procesamiento de señales 11 puede comprender un circuito integrado que calcule un valor eficaz (RMS) de la señal del sensor S como una señal de transmisión T. Por ejemplo, el valor eficaz se forma a lo largo de un periodo de tiempo de unos 100 ms con una frecuencia de exploración de más de 3 kHz. En nodos sensores de radio 1 más grandes, el procesamiento del valor medido también puede comprender múltiples señales, contener una memoria de valor medido e incluir un procesamiento más elaborado.

La unidad de recolección de energía 13 está configurada para recolectar energía de la señal del sensor S, que se utiliza para suministrar energía al nodo sensor de radio 1. La unidad de recolección de energía 13 comprende una unidad de almacenamiento de energía 15 configurada para almacenar energía cuando la energía recolectada no se requiere momentáneamente para suministrar energía al nodo sensor de radio 1.

La figura 3 muestra un esquema de conexiones de un ejemplo de realización de la unidad de almacenamiento de energía 15, en la que se supone que la unidad de almacenamiento de energía 15 está conectada a la entrada de señal 7 a través de la lógica de conmutación 9, y en la que, como en la figura 2, la lógica de conmutación 9 no se muestra. La unidad de almacenamiento de energía 15 de este ejemplo de realización comprende un supercondensador 35, un acumulador 37, una unidad de desbordamiento 39 con una protección de sobrecarga integrada y un diodo de bloqueo 41, y está conectada a la entrada de señal 7 a través de un circuito rectificador 21, en donde el circuito rectificador 21 puede coincidir con el circuito rectificador 21 mostrado en la figura 2 o diseñarse por separado. El supercondensador 35 y el acumulador 37 están desacoplados por la unidad de desbordamiento 39, pero en principio conectados en paralelo. La unidad de desbordamiento 39 conduce el exceso de energía al acumulador 37 cuando el supercondensador 35 está cargado a una tensión nominal, es decir, el acumulador 37 solo se carga cuando el supercondensador 35 ya está cargado a la tensión nominal. Cuando el acumulador 37 llega al final de su vida útil, la unidad de almacenamiento de energía 15 solo funciona con el supercondensador 35.

La unidad de radio 17 tiene una antena 43 con la que se transmite la señal de transmisión T como señal de radio. La antena 43 está formada como una antena anular con uno o más devanados. Preferiblemente, la unidad de radio 17 está configurada además para transmitir alternativamente la señal de radio con la antena 43 y recolectar inductivamente energía de un campo magnético presente en un entorno del nodo sensor de radio 1 y/o detectar una intensidad de campo magnético de un campo magnético presente en un entorno del nodo sensor de radio 1.

El blindaje electromagnético 19 está formado como un bucle conductor de baja inductancia que se extiende alrededor de los componentes eléctricos y electrónicos del nodo sensor de radio 1 para el blindaje de los campos electromagnéticos en la carcasa del nodo sensor 3.

La entrada de señal 7 tiene contactos 44, 45 que se extienden fuera de la carcasa del nodo sensor 3, a través de los cuales se puede contactar con la entrada de señal 7 desde el exterior. A través de los contactos 44, 45 puede conectarse, por ejemplo, una unidad de sensor externa 5 a la entrada de señal 7 para suministrar a la entrada de señal 7 una señal de sensor S emitida por la unidad de sensor externa 5. Un contacto de salida 45 y el blindaje electromagnético 19 están conectados a una conexión a tierra 47 que sale de la carcasa del nodo sensor 3. El terminal de tierra 47 está conectado eléctricamente a una superficie eléctricamente conductora 49 sobre la que está dispuesto el nodo sensor de radio 1.

Opcionalmente, la unidad de recolección de energía 13 puede recolectar energía a través de contactos adicionales 51, 52 que salen de la carcasa del nodo sensor 3.

La carcasa del nodo sensor 3 está moldeada en un plástico de baja permitividad para que las señales de radio de la antena 43 apenas se atenúen.

El nodo sensor de radio 1 se utiliza, por ejemplo, en un entorno electromagnéticamente muy cargado.

Aunque la invención se ha ilustrado y descrito en detalle mediante ejemplos de realización preferidos, la invención no está limitada por los ejemplos divulgados y los expertos en la materia pueden derivar otras variaciones de los mismos sin apartarse del ámbito de protección de la invención.

Lista de signos de referencia

I Nodo sensor de radio

3 Carcasa del nodo sensor

5 Unidad de sensor

7 Entrada de señal

9 Lógica de conmutación

I I Unidad de procesamiento de señales

13 Unidad de recolección de energía

15 Unidad de almacenamiento de energía

17 Unidad de radio

19 Blindaje electromagnético

21 Circuito rectificador

23 Circuito de promediado

25 Diodo

27 Inductancia

29 Condensador de promediado

31 Resistencia de promediado

33 Unidad limitadora de tensión

35 Supercondensador

37 Acumulador

39 Unidad de desbordamiento

41 Diodo de bloqueo

43 Antena

44, 45 Contacto de salida

47 Terminal de tierra

49 Superficie conductora de electricidad

51, 52 Contacto adicional

S Señal del sensor

T Señal de transmisión

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Nodo sensor de radio (1), que comprende

- una unidad de sensor (5) para detectar una magnitud a medir y emitir una señal eléctrica analógica de sensor (S),

- una unidad de recolección de energía (13) para recolectar energía de la señal del sensor (S),

- una unidad de procesamiento de señales (11) para generar una señal de transmisión (T) a partir de la señal del sensor (S), y

- una unidad de radio (17) para transmitir la señal de transmisión (T) como señal de radio,

- en donde la señal del sensor (S) puede suministrarse alternativamente a la unidad de recolección de energía (13) y a la unidad de procesamiento de señales (11), y

- en donde la unidad de procesamiento de señales (11) comprende un circuito de promediado (23) para generar la señal de transmisión (T) como un valor medio de la señal del sensor (S) rectificada con un circuito rectificador (21), o en donde la unidad de procesamiento de señales (11) genera un valor efectivo de la señal del sensor (S) como señal de transmisión (T).

2. Nodo sensor de radio (1) según una de las reivindicaciones anteriores, que tiene una entrada de señal (7) a la que se suministra la señal del sensor (S), y que tiene una lógica de conmutación (9) mediante la cual la entrada de señal (7) puede conectarse alternativamente a la unidad de recolección de energía (13) y a la unidad de procesamiento de señales (11).

3. Nodo sensor de radio (1) según la reivindicación 2, que comprende una unidad limitadora de tensión (33) para proteger la entrada de señal (7) de sobretensiones.

4. Nodo sensor de radio (1) según la reivindicación 2 o 3, en el que la entrada de señal (7) tiene contactos (44, 45) que salen de una carcasa de nodo sensor (3) del nodo sensor de radio (1).

5. Nodo sensor de radio (1) según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende una carcasa de nodo sensor (3) moldeada en un plástico de baja permitividad.

6. Nodo sensor de radio (1) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de radio (17) comprende una antena (43) y está adaptada para enviar alternativamente la señal de radio con la antena (43) y recolectar inductivamente energía de un campo magnético presente en un entorno del nodo sensor de radio (1).

7. Nodo sensor de radio (1) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de radio (17) comprende una antena (43) y está adaptada para enviar alternativamente la señal de radio con la antena (43) y para detectar la intensidad de un campo magnético presente en un entorno del nodo sensor de radio (1).

8. Nodo sensor de radio (1) según una de las reivindicaciones anteriores, que está dispuesto sobre una superficie eléctricamente conductora (49) y tiene un terminal de tierra (47) conectado eléctricamente a la superficie eléctricamente conductora (49).

9. Nodo sensor de radio (1) según la reivindicación 8, que comprende un blindaje electromagnético (19) conectado a la superficie eléctricamente conductora (49).

10. Nodo sensor de radio (1) según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende una unidad de almacenamiento de energía (15) para almacenar energía, en donde la unidad de almacenamiento de energía (15) comprende un supercondensador (35) y/o un acumulador (37).

11. Nodo sensor de radio (1) según la reivindicación 10, en el que la unidad de almacenamiento de energía (15) comprende un supercondensador (35) y un acumulador (37) y el acumulador (37) solo se carga a un voltaje nominal después de que el supercondensador (35) se haya cargado completamente.

12. Procedimiento para hacer funcionar un nodo sensor de radio (1) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que

- la magnitud a medir se detecta con la unidad de sensor (5) y se emite la señal de sensor (S),

- la señal del sensor (S) se suministra alternativamente a la unidad de recolección de energía (13) y a la unidad de procesamiento de señales (11),

- la señal de transmisión (T) es generada a partir de la señal del sensor (S) por la unidad de procesamiento de señales (11), en donde la señal de transmisión (T) es generada por un circuito de promediado (23) de la unidad de procesamiento de señales (11) como un valor medio de la señal del sensor (S) rectificada por un circuito rectificador (21) o en donde un valor efectivo de la señal del sensor (S) es generado por la unidad de procesamiento de señales (11) como señal de transmisión (T),

- la señal de transmisión (T) se envía como una señal de radio con la unidad de radio (17), y

- se recolecta energía de la señal del sensor (S) con la unidad de recolección de energía (13).