GR1010842B - Συστημα και μεθοδος διαχειρισης και εξοικονομησης ενεργειας με ελεγχομενη αποκοπη τροφοδοσιας εξυπνων κομβων αισθητηρων και ενσωματωμενων συστηματων - Google Patents

Abstract

Η εφεύρεση αφορά μια μέθοδο διαχείρισης ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων έξυπνων κόμβων αισθητήρων (smart sensor nodes). Πρόκειται για μέθοδο εξοικονόμησης ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα μέσω της δυναμικής διαχείρισης για την παροχή ή διακοπή τροφοδοσίας σε ένα ή περισσότερα συστατικά. Ο όρος «δυναμική» αναφέρεται στη διακοπή της τροφοδοσίας μέρους των συστατικών, βάσει χαρακτηριστικών του συστήματος. Τα συστατικά τροφοδοτούνται μέσω ενός Ενσωματωμένου Κυκλώματος Διαχείρισης Ενέργειας (ΕΚΔΕ) με τη χρήση διαφορετικών γραμμών μεταφοράς ενέργειας. Το βασικό σύστημα αποτελείται από μια διάταξη που χαρακτηρίζεται από τη δυνατότητα πλήρους απενεργοποίησης συστατικών (106-2 έως 106-Ν) μέσω της διακοπής τροφοδοσίας γραμμών μεταφοράς ενέργειας (105-2 έως 105-Ν) χωρίς να είναι απαραίτητη η μεσολάβηση επεξεργαστικής μονάδας.

Description

[0001] ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

[0003] Σύστημα και μέθοδος διαχείρισης και εξοικονόμησης ενέργειας με ελεγχόμενη αποκοπή τροφοδοσίας έξυπνων κόμβων αισθητήρων και ενσωματωμένων συστημάτων

[0005] Τεχνικό πεδίο της εφεύρεσης

[0006] Η παρούσα εφεύρεση αφορά σε μια μέθοδο διαχείρισης ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων έξυπνων κόμβων αισθητήρων (smart sensor nodes).

[0007] Με τη χρήση της μεθόδου αυτής, είναι δυνατή η πλήρης απενεργοποίηση συστατικών (components) του συστήματος μέσω της αποκοπής τροφοδοσίας γραμμών μεταφοράς ενέργειας (power rails) χωρίς να είναι απαραίτητη η μεσολάβηση επεξεργαστικής μονάδας.

[0008] Η αποκοπή τροφοδοσίας πραγματοποιείται με βάση τα επίπεδα ισχύος της μονάδας συλλογής ενέργειας και τα επίπεδα αποθηκευμένης ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας του συστήματος καθώς και με βάση σημάτων ελέγχου από συστατικά του συστήματος.

[0009] Μέσω της αποκοπής τροφοδοσίας αυτής, καθίσταται δυνατή η έναρξη και λειτουργία του συστήματος ακόμα και για πολύ χαμηλά επίπεδα διαθέσιμης ενέργειας.

[0010] Στάθμη της τεχνικής

[0011] Με την ταχεία ανάπτυξη των εφαρμογών του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things - ΙοΤ), η χρήση έξυπνων κόμβων αισθητήρων, αυτόνομων ενσωματωμένων συσκευών οι οποίες περιλαμβάνουν πολλαπλά συστατικά και είναι δυνατόν να εγκατασταθούν σε απομακρυσμένες τοποθεσίες με σκοπό τη συλλογή, επεξεργασία και αποστολή δεδομένων, γίνεται ολοένα και πιο δημοφιλής.

[0012] Η τροφοδοσία των κόμβων από διαφορετικές πηγές ενέργειας, συμπεριλαμβανομένης της συλλογής ενέργειας (energy harvesting) με τη χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων, επιτρέπει τη λειτουργία τους χωρίς να είναι αναγκαία η σύνδεσή τους με υφιστάμενο δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ή η αντικατάσταση των μονάδων αποθήκευσης ενέργειας με τις οποίες είναι εξοπλισμένα σε τακτά χρονικά διαστήματα.

[0013] Τέτοιοι κόμβοι συχνά συνδυάζουν τη λήψη δεδομένων μέσω της χρήσης αισθητήρων, τη συγχώνευσή και την ευφυή επεξεργασία τους μέσω της χρήσης επεξεργαστικής μονάδας καθώς και την ασύρματη αποστολή δεδομένων σε κοντινή και μακρινή απόσταση.

[0014] Η διαχείριση ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα συχνά πραγματοποιείται από ένα Ενσωματωμένο Κύκλωμα Διαχείρισης Ενέργειας (Power Management Integrated Circuit - ΕΚΔΕ). To σύστημα αυτό είναι υπεύθυνο για τη ρύθμιση και μετατροπή, τον έλεγχο καθώς και τη βελτιστοποίηση της ροής ισχύος μεταξύ των διαφόρων συστατικών του συστήματος, συμπεριλαμβανομένων της μονάδας αποθήκευσης ενέργειας, της επεξεργαστικής μονάδας, της μονάδας συλλογής ενέργειας καθώς και των αισθητήρων και μονάδων ασύρματης επικοινωνίας.

[0015] Πιο συγκεκριμένα, τα ΕΚΔΕ ρυθμίζουν την τάση της τροφοδοσίας ισχύος σε διαφορετικά επίπεδα στάθμης με βάση τις ανάγκες των επιμέρους συστατικών του συστήματος, συχνά με τη χρήση μονάδων μετατροπής συνεχούς ρεύματος (DC-DC converters) ή ρυθμιστών LDO, διασφαλίζοντας σταθερή και αποδοτική παροχή ισχύος και ταυτόχρονα ελαχιστοποιώντας τα επίπεδα θορύβου της.

[0016] Επιπρόσθετα, τα ΕΚΔΕ αλληλοεπιδρούν με τη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας και διαχειρίζονται τη φόρτιση, την εκφόρτιση και την προστασία της, παρακολουθώντας μια σειρά από κρίσιμες παραμέτρους της μονάδας, όπως τα επίπεδα τάσης και ρεύματος, τη θερμοκρασία και την κατάσταση φόρτισής της (state of charge). Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνουν την ασφαλή και αποδοτική φόρτιση της, προστατεύοντάς τη μονάδα αυτή από υπερφόρτιση, υπερεκφόρτιση και υπερθέρμανση.

[0017] Τέλος, τα ΕΚΔΕ ρυθμίζουν και διαχειρίζονται την ισχύ που παράγεται από τη μονάδα συλλογής ενέργειας η οποία βρίσκεται εγκατεστημένη στο σύστημα, βελτιστοποιώντας τη είτε για αποθήκευση ή για άμεση χρήση.

[0018] Η μονάδα συλλογής ενέργειας μπορεί να περιλαμβάνει φωτοβολταϊκά πάνελ, θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες ή αντίστοιχες μεθόδους. Η διανομή της ισχύος μεταξύ των συστατικών των ενσωματωμένων συστημάτων πραγματοποιείται μέσω της χρήσης γραμμών μεταφοράς ενέργειας. Οι γραμμές αυτές δημιουργούνται με τη χρήση γραμμών χαλκού πάνω στις πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος (PCB).

[0019] Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι διαφορετικές απαιτήσεις τάσης διαφορετικών συστατικών καλύπτονται με τη χρήση ξεχωριστών γραμμών μεταφοράς ενέργειας για κάθε επίπεδο τάσης, εξασφαλίζοντας ότι κάθε συστατικό λαμβάνει το αντίστοιχο επίπεδο τάσης χωρίς παρεμβολές από άλλα συστατικά.

[0020] Συχνά, τα διαθέσιμα προς συλλογή επίπεδα ενέργειας από τη μονάδα συλλογής ενέργειας είναι πολύ χαμηλά. Επιπλέον, η χρήση των συστατικών των κόμβων αισθητήρων έχει σημαντικό αντίκτυπο στην αυτονομία τους καθώς αυτά καταναλώνουν σημαντικά ποσά ενέργειας, τόσο όταν είναι ενεργά, όσο και σε κατάσταση αναμονής με ελαφρά ή και χωρίς καθόλου φορτία, μέσω της κατανάλωσης ρεύματος σε φάση αναμονής (quiescent current).

[0021] Υπάρχουν εφευρέσεις οι οποίες αποκόπτουν την τροφοδοσία επιμέρους συστατικών με σκοπό τον έλεγχο της κατανάλωσης ενέργειάς τους, ενδεικτικά (US8825216B2). Οι εφευρέσεις αυτές όμως χρησιμοποιούν την επεξεργαστική μονάδα για τη λήψη αποφάσεων και τη διαχείριση της αποκοπής τροφοδοσίας, η οποία πρέπει και να παραμένει διαρκώς σε λειτουργία, με αποτέλεσμα την αυξημένη ενεργειακή κατανάλωσή του συστήματος.

[0022] Ο σκοπός της παρούσας εφευρέσεως είναι η βελτίωση της ενεργειακής αυτονομίας ενσωματωμένων συστημάτων και έξυπνων κόμβων αισθητήρων, προσφέροντας μια μέθοδο διαχείρισης ενέργειας η οποία επιτρέπει την εξάλειψη της κατανάλωσης ρεύματος σε φάση αναμονής, τόσο της επεξεργαστικής μονάδας όσο και της πλειονότητας των συστατικών τα οποία χρησιμοποιούνται από το σύστημα. Αυτός ο σκοπός επιτυγχάνεται με μια μέθοδο η οποία διακρίνεται από τα χαρακτηριστικά που περιγράφονται στην αξίωση 1.

[0023] Πλεονεκτήματα της εφεύρεσης αυτής είναι η αύξηση της αυτονομίας ενσωματωμένων συστημάτων και έξυπνων κόμβων αισθητήρων με τέτοιον τρόπο ώστε να είναι δυνατή η χρήση τους ακόμα και όταν τα διαθέσιμα επίπεδα της υπό συλλογή ενέργειας είναι πολύ χαμηλά, όπως προκύπτει από τις αξιώσεις και την παρακάτω περιγραφή.

[0024] Σύντομη περιγραφή της εφεύρεσης

[0025] Η εφεύρεση αφορά μια διάταξη για τη διαχείριση ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα και συστήματα έξυπνων κόμβων αισθητήρων (100) η οποία χαρακτηρίζεται από τη δυνατότητα πλήρους απενεργοποίησης συστατικών (106-2 έως 106-Ν) μέσω της διακοπής τροφοδοσίας γραμμών μεταφοράς ενέργειας (105-2 έως 105-Ν) χωρίς να είναι απαραίτητη η μεσολάβηση επεξεργαστικής μονάδας, και η οποία αποτελείται από:

[0026] · Σύστημα συλλογής - αποθήκευσης ενέργειας (101).

[0027] • Ομάδα βασικών συστατικών (106-1) τα οποίο είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα με το σύστημα συλλογής - αποθήκευσης ενέργειας (101) διαμέσου γραμμής μεταφοράς ενέργειας (105-1) και τα οποία μπορούν να αποστείλουν σήματα ελέγχου μέσω γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1).

[0028] Στη διάταξη αυτή, το σύστημα συλλογής - αποθήκευσης ενέργειας (101) περιλαμβάνει τουλάχιστον μία μονάδα συλλογής ενέργειας (102), τουλάχιστον μία μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (103) και τουλάχιστον ένα Ενσωματωμένο Κύκλωμα Διαχείρισης Ενέργειας (104).

[0029] Η μονάδα συλλογής ενέργειας (102) αποτελείται από ένα ή περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία, ηλεκτρικά συνδεδεμένα με το Ενσωματωμένο Κύκλωμα Διαχείρισης Ενέργειας (104).

[0030] Η βασική ομάδα συστατικών (106-1) αποτελείται από συστατικό μέτρησης χρόνου (402) και αισθητήρα αφής (403). Το συστατικό μέτρησης χρόνου (402) είναι ένα οποιοδήποτε ψηφιακό χρονόμετρο, από αυτά που διατίθενται στο εμπόριο. Ο αισθητήρας αφής είναι ένα ψηφιακό κύκλωμα που ενεργοποιείται όταν τον ακουμπάει ο χρήστης και δίνει σήμα να ανοίξει ή να κλείσει το ΕΚΔΕ (405), μέσω του διακόπτη (411). Μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοσδήποτε αισθητήρας αφής, από αυτούς που διατίθενται στο εμπόριο.

[0031] Τα βασικά συστατικά (106-1) περιλαμβάνουν κύκλωμα κλείστρου (404). Το κύκλωμα κλείστρου (404) είναι ένα ψηφιακό κύκλωμα το οποίο επιτρέπει την αποθήκευση μιας ψηφιακής τιμής ακόμα και όταν η τιμή αυτή παύει να είναι πλέον διαθέσιμη. Στην παρούσα εφεύρεση, το κύκλωμα κλείστρου (404) επιτρέπει την προσωρινή αποθήκευση της τιμής της κατάστασης λειτουργίας των συστατικών της βασικής ομάδας συστατικών (106-1), μέχρις αυτή να αλλάξει εκ νέου, είτε περιοδικά, είτε μέσω νέας μετάβασης του εκάστοτε συστατικού σε νέα κατάσταση λειτουργίας ή με τη χρήση σήματος μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου (410).

[0032] Η βασική αρχή της εφεύρεσης στηρίζεται σε μέθοδο διαχείρισης και εξοικονόμησης ενέργειας με την αποκοπή τροφοδοσίας στις γραμμές μεταφοράς ενέργειας (105-2 έως 105-Ν) σε ενσωματωμένα συστήματα και συστήματα έξυπνων κόμβων αισθητήρων (100) χωρίς τη μεσολάβηση επεξεργαστικής μονάδας (401) με τη χρήση της διάταξης της αξίωσης 1 που αποτελείται από τα εξής βήματα:

[0033] • Με την έναρξη (300) του συστήματος σε εξαντλημένη κατάσταση (301) πραγματοποιείται έλεγχος (302) για την παροχή ενέργειας από τη μονάδα συλλογής ενέργειας (102).

[0034] · Εάν η μονάδα συλλογής ενέργειας (102) παρέχει ενέργεια, ενεργοποιείται (303) το ΕΚΔΕ (104) και το σύστημα μεταβαίνει σε κατάσταση φόρτισης (304).

[0035] • Σε κατάσταση φόρτισης (304), πραγματοποιείται έλεγχος (305) για την ύπαρξη επιπέδων ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (103) τα οποία υπερβαίνουν προκαθορισμένο όριο.

[0036] • Εάν υπάρχουν επαρκή επίπεδα ενέργειας (308) στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (103), πραγματοποιείται ενεργοποίηση (306) των βασικών συστατικών του συστήματος (106-1) και το σύστημα μεταβαίνει στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας (307).

[0037] · Στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας (307) πραγματοποιείται έλεγχος (309) για την ύπαρξη σήματος ελέγχου από ένα εκ των βασικών συστατικών του συστήματος (106-1) μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1).

[0038] • Εάν υπάρχει σήμα ελέγχου μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1), ενεργοποιούνται επιπρόσθετα συστατικά (106-2 έως 106-Ν) και το σύστημα μεταβαίνει στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας (311).

[0039] • Στην δεύτερη κατάσταση λειτουργίας (311) πραγματοποιείται έλεγχος (313) για την ύπαρξη σήματος ελέγχου από ένα εκ των συστατικών του συστήματος (106-1 έως 106-Ν) μέσω των γραμμών μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1 έως 107-Ν).

[0040] • Εάν υπάρχει σήμα ελέγχου από ένα εκ των συστατικών του συστήματος (106-1 έως 106-Ν) μέσω των γραμμών μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1 έως 107-Ν), το σύστημα μεταβαίνει στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας (307).

[0041] Ο έλεγχος των σημάτων ελέγχου των βασικών συστατικών (106-1) πραγματοποιείται μέσω του ελέγχου της τιμής του κυκλώματος κλείστρου (404) τους.

[0042] Οποιαδήποτε στιγμή τα επίπεδα ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (103) κατέβουν κάτω από προκαθορισμένο όριο, το σύστημα μεταβαίνει στην εξαντλημένη κατάσταση (301).

[0044] Πλεονεκτήματα της εφεύρεσης

[0045] Τα πλεονεκτήματα της παρούσης εφεύρεσης είναι τα κάτωθι,

[0046] Α) Επιτρέπει την επέκταση της διάρκειας λειτουργίας ενσωματωμένων συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων έξυπνων κόμβων αισθητήρων, πριν την κατανάλωση του συνόλου της ενέργειας η οποία βρίσκεται αποθηκευμένη στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας.

[0047] Β) Επιτρέπει τη λειτουργία αντίστοιχων συστημάτων σε περιβάλλον όπου μόνο μικρά ποσά ενέργειας είναι διαθέσιμα προς συλλογή, ενδεικτικά όταν τα επίπεδα φωτεινότητας είναι πολύ χαμηλά όταν πρόκειται για τη συλλογή ενέργειας με τη χρήση φωτοβολταϊκών πάνελ.

[0048] Γ) Επιτρέπει τη σημαντική επέκταση του χρονικού διαστήματος μεταξύ διαδοχικών επαναφορτίσεων της μονάδας αποθήκευσης ενέργειας.

[0049] Δ) Επιτρέπει τη χρήση αισθητήρων ή άλλων συστατικών τα οποία χαρακτηρίζονται από μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, καθώς αυτά τροφοδοτούνται μόνο όταν χρειάζονται από το σύστημα.

[0050] Αποκάλυψη της εφεύρεσης

[0051] Η παρούσα εφεύρεση αφορά σε μια μέθοδο για την εξοικονόμηση ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα μέσω της δυναμικής διαχείρισης για την παροχή ή διακοπή τροφοδοσίας σε ένα ή περισσότερα συστατικά. Ο όρος «δυναμική» αναφέρεται στη διακοπή της τροφοδοσίας μέρους των συστατικών, βάση χαρακτηριστικών του συστήματος.

[0052] Τα συστατικά τροφοδοτούνται μέσω του ΕΚΔΕ με τη χρήση διαφορετικών γραμμών μεταφοράς ενέργειας. Επιπρόσθετα συστατικά μπορούν να τροφοδοτηθούν εμμέσως από το ΕΚΔΕ, μέσω της επεξεργαστικής μονάδας.

[0053] Η μέθοδος που αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης καθορίζει διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας ανάλογα με τα επίπεδα αποθηκευμένης ενέργειας στο σύστημα καθώς και τα σήματα ελέγχου ενός ή περισσοτέρων συστατικών.

[0054] Στην εξαντλημένη κατάσταση, η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας δεν περιέχει αποθηκευμένη ενέργεια ενώ η μονάδα συλλογής ενέργειας δεν παρέχει ενέργεια στο σύστημα.

[0055] Στην κατάσταση φόρτισης, η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας αρχικά δεν περιέχει ενέργεια ενώ η μονάδα συλλογής ενέργειας παρέχει ενέργεια στο σύστημα. Στην κατάσταση αυτή, η μονάδα συλλογής και η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας είναι ενεργά, μαζί με το ΕΚΔΕ το οποίο ρυθμίζει και ενισχύει τη συλλεγμένη ενέργεια προς τη μονάδα αποθήκευσης. Τα υπόλοιπα συστατικά παραμένουν απενεργοποιημένα. Η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας σταδιακά φορτίζει.

[0056] Όταν τα ποσά ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας ξεπεράσουν ένα προκαθορισμένο όριο, το ΕΚΔΕ τροφοδοτεί την αντίστοιχη γραμμή μεταφοράς ενέργειας ώστε να ενεργοποιηθεί η ομάδα βασικών συστατικών και το σύστημα μεταβαίνει στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας.

[0057] Ενδεικτικά, η ομάδα βασικών συστατικών μπορεί να συμπεριλαμβάνει συστατικό μέτρησης χρόνου (402) (real time clock), αισθητήρα αφής (403) για αλληλεπίδραση με το χρήστη καθώς και περιβαλλοντικό αισθητήρα. Το συστατικό μέτρησης χρόνου (402) είναι ένα οποιοδήποτε ψηφιακό χρονόμετρο, από αυτά που διατίθενται στο εμπόριο. Ο αισθητήρας αφής (403) είναι ένα ψηφιακό κύκλωμα που ενεργοποιείται όταν τον ακουμπάει ο χρήστης και δίνει σήμα να ανοίξει ή να κλείσει το ΕΚΔΕ (405), μέσω του διακόπτη (411). Μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοσδήποτε αισθητήρας αφής (403), από αυτούς που διατίθενται στο εμπόριο. Τα υπόλοιπα συστατικά του συστήματος παραμένουν απενεργοποιημένα, μέσω της διακοπής τροφοδοσίας από το ΕΚΔΕ των γραμμών μεταφοράς ενέργειας με τις οποίες είναι συνδεδεμένα. Με τη διακοπή τροφοδοσίας των συστατικών, η κατανάλωσης ρεύματος σε φάση αναμονής τους είναι μηδενική.

[0058] Όταν τουλάχιστον ένα από τα βασικά συστατικά δώσει κατάλληλο σήμα ελέγχου στο ΕΚΔΕ, το ΕΚΔΕ τροφοδοτεί επόμενη γραμμή μεταφοράς ενέργειας ενεργοποιώντας την, ηλεκτρικά συνδεδεμένη με τη γραμμή, ομάδα συστατικών και το σύστημα μεταβαίνει σε δεύτερη κατάσταση λειτουργίας.

[0059] Ένα ή περισσότερα από τα βασικά συστατικά μπορούν να περιέχουν κύκλωμα κλείστρου (404) (latch), σειριακό κύκλωμα λογικής που μπορεί να διατηρήσει την κατάστασή του, αποθηκεύοντας την προσωρινά μέχρι αυτή να αλλάξει ρητά. Για βασικά συστατικά που παρέχουν το σήμα ελέγχου προς το ΕΚΔΕ κατόπιν αλληλεπίδρασης με χρήστη, η παροχή του σήματος αυτού και κατ' επέκταση η παραμονή του συστήματος στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας, δύναται να συνεχιστεί ακόμα και μετά το πέρας της αλληλεπίδρασης με το χρήση, μέσω της χρήσης του κυκλώματος κλείστρου (404).

[0060] Για βασικά συστατικά που ενεργοποιούνται περιοδικά για να παρέχουν σήματα ελέγχου προς το ΕΚΔΕ, η χρήση του κυκλώματος κλείστρου (404) επιτρέπει την παραμονή του συστήματος στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας ακόμα και όταν τα συστατικά αυτά απενεργοποιηθούν.

[0061] Το σύστημα μπορεί να επιστρέφει στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας με βάση αντίστοιχο σήμα ελέγχου ενός ή περισσοτέρων ενεργοποιημένων συστατικών ή προαιρετικά μέσω σήματος από την επεξεργαστική μονάδα.

[0062] Σε περίπτωση που το σύστημα δεν έχει επαρκή επίπεδα ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας και βρίσκεται σε οποιαδήποτε κατάσταση λειτουργίας, επιστρέφει πίσω στην εξαντλημένη κατάσταση.

[0063] Περιγραφή των σχεδίων

[0064] Το σχήμα 1 απεικονίζει μια ρύθμιση της διάταξης για τη διαχείριση ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα βάση μιας πτυχής της παρούσας εφεύρεσης. Το σύστημα 100 αποτελεί τμήμα ενσωματωμένου συστήματος εναλλακτικά συστήματος έξυπνου κόμβου αισθητήρων. Ο κόμβος συμπεριλαμβάνει σύστημα συλλογής - αποθήκευσης ενέργειας 101, το οποίο αποτελείται από μονάδα συλλογής ενέργειας 102, μονάδα αποθήκευσης ενέργειας 103 καθώς και ΕΚΔΕ 104. Επιπρόσθετα, αποτελείται από ομάδα βασικών συστατικών του συστήματος 106-1 καθώς και από μια ή περισσότερες ομάδες συστατικών του συστήματος, 106-2 έως 106-Ν οι οποίες μπορούν να συμπεριλαμβάνουν αισθητήρες, επεξεργαστική μονάδα και μονάδες ασύρματης επικοινωνίας. Τα συστατικά του συστήματος 106-1 έως 106-Ν είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα με το ΕΚΔΕ 104 και τροφοδοτούνται μέσω γραμμών μεταφοράς ενέργειας 105-1 έως 105-Ν. Τα συστατικά του συστήματος 106-1 έως 106-Ν μπορούν να παρέχουν σήματα ελέγχου στο ΕΚΔΕ 104 μέσω γραμμών μεταφοράς σημάτων ελέγχου 107-1 έως 107-Ν.

[0065] Η μονάδα συλλογής ενέργειας 102 συμπεριλαμβάνει πλήθος ηλεκτρικών και ηλεκτρομηχανικών συσκευών συλλογής ενέργειας. Η κάθε μια από τις συσκευές είναι διατεταγμένες με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικές ενέργειας από διαφορετικές πηγές, μεταξύ άλλων από την ενέργεια του ήλιου με τη χρήση φωτο βολταϊκών στοιχείων, με τη χρήση μηχανικής ενέργειας (για παράδειγμα μέσω κραδασμών ή ακουστικών κυμάτων) και τη μετατροπή ενέργειας ραδιοσυχνοτήτων.

[0066] Το σχήμα 2 απεικονίζει τη μονάδα συλλογής ενέργειας 102 όταν αυτή αποτελείται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία 201-1 έως 201-Ν, 202-1 έως 202-Ν και ομοίως 20Μ-1 έως 20Μ-Ν. Τα στοιχεία μπορούν να συνδεθούν σε σειρά, ενδεικτικά 201-1 έως 201-Ν. Σε αυτή τη ρύθμιση, ο θετικός πόλος ενός στοιχείου συνδέεται με τον αρνητικό πόλο του επόμενου στοιχείου, με αποτέλεσμα την αύξηση της τάσης εξόδου της μονάδας. Τα στοιχεία μπορούν να συνδεθούν επίσης παράλληλα, ενδεικτικά 201-1 έως 20Μ-1. Σε αυτή τη ρύθμιση, όλοι οι θετικοί πόλοι των στοιχείων είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους, ομοίως και όλοι οι αρνητικοί, με αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος εξόδου της μονάδας. Συχνά, οι δύο ρυθμίσεις συνδυάζονται μεταξύ τους στην ίδια μονάδα.

[0067] Η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας 103 χρησιμοποιείται στην αποθήκευση της ενέργειας η οποία παράγεται από τη μονάδα συλλογής ενέργειας 102. Η αποθηκευμένη ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία των συστατικών του συστήματος 106-1 έως 106-Ν μέσω μιας ή περισσότερων γραμμών μεταφοράς ενέργειας 105-1 έως 105-Ν. Ως μονάδα αποθήκευσης ενέργειας 103 μπορεί να χρησιμοποιηθεί πυκνωτής, υπερπυκνωτής καθώς και μπαταρία διαφορετικών τεχνολογιών (μεταξύ άλλων λεπτού φιλμ (thin film) ή στερεής κατάστασης (solid state)).

[0068] Το ΕΚΔΕ 104 διαχειρίζεται τη φόρτιση, την εκφόρτιση και την προστασία της μονάδας αποθήκευσης ενέργειας 103. Η ενέργεια της μονάδας αποθήκευσης ενέργειας 103 διοχετεύεται μέσω του ΕΚΔΕ στις διαφορετικές γραμμές μεταφοράς ενέργειας του συστήματος 105-1 έως 105-Ν και από εκεί στα συστατικά του συστήματος 106-1 έως 106-Ν.

[0069] Το σχήμα 3 απεικονίζει ένα διάγραμμα ροής το οποίο περιγράφει μια μέθοδο 300 για τη διαχείριση ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα και έξυπνους κόμβους αισθητήρων.

[0070] Η μέθοδος διαχείρισης ενέργειας βρίσκεται αρχικά σε εξαντλημένη κατάσταση 301. Στην κατάσταση αυτή δεν υπάρχει διαθέσιμη ενέργεια τόσο στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας όσο και στη μονάδα συλλογής ενέργειας.

[0071] Στην εξαντλημένη κατάσταση 301, γίνεται διαρκώς έλεγχος 302 για την ύπαρξη διαθέσιμης ενέργειας από τη μονάδα συλλογής ενέργειας.

[0072] Όταν υπάρχουν διαθέσιμα ποσά ενέργειας στη μονάδα συλλογής ενέργειας και η διαθέσιμη τάση στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας είναι μικρότερη από προκαθορισμένο όριο, ενεργοποιείται το ΕΚΔΕ 303 και το σύστημα μεταβαίνει σε κατάσταση φόρτισης 304. Στην κατάσταση φόρτισης, όλα τα συστατικά του συστήματος πέραν του ΕΚΔΕ παραμένουν απενεργοποιημένα για να είναι δυνατή η ταχύτερη πλήρωση της μονάδας αποθήκευσης ενέργειας.

[0073] Στην κατάσταση φόρτισης, γίνεται διαρκώς έλεγχος 305 για την ύπαρξη διαθέσιμης ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας πάνω από το προκαθορισμένο όριο.

[0074] Όταν η διαθέσιμη τάση στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας ξεπεράσει το προκαθορισμένο όριο, ενεργοποιείται η ομάδα των βασικών συστατικών 306 και το σύστημα μεταβαίνει στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας 307.

[0075] Οποιαδήποτε στιγμή κατά την παραμονή του συστήματος στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας διαπιστωθεί ότι η αποθηκευμένη ενέργεια στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας μειωθεί κάτω από το προκαθορισμένο όριο 308, το σύστημα επιστρέφει πίσω στην εξαντλημένη κατάσταση 301.

[0076] Εάν το σύστημα βρίσκεται στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας 307 και κάποιο από τα βασικά συστατικά δώσει κατάλληλο σήμα ελέγχου 309 στο ΕΚΔΕ, το ΕΚΔΕ τροφοδοτεί δεύτερη γραμμή μεταφοράς ενέργειας ενεργοποιώντας τα υπόλοιπα συστατικά του συστήματος 310 και το σύστημα μεταβαίνει στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας 311.

[0077] Οποιαδήποτε στιγμή κατά την παραμονή του συστήματος στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας διαπιστωθεί ότι η αποθηκευμένη ενέργεια στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας μειωθεί κάτω από το προκαθορισμένο όριο 312, το σύστημα επιστρέφει πίσω στην εξαντλημένη κατάσταση 301.

[0078] Εάν το σύστημα βρίσκεται στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας 311 και κάποιο από τα συστατικά δώσει κατάλληλο σήμα ελέγχου 313, ενδεικτικά όταν κάποια συστατικά έχουν ολοκληρώσει τη λειτουργία τους, το σύστημα μεταβαίνει πίσω στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας 307.

[0079] Το διάγραμμα 400 παρουσιάζει ενδεικτικό σύστημα μέσω του οποίου είναι δυνατή η διασύνδεση μεταξύ του ΕΚΔΕ 405, βασικών συστατικών μέτρησης χρόνου 402 και αισθητήρα αφής 403, καθώς και επεξεργαστικής μονάδας 401.

[0080] Τα βασικά συστατικά μέτρησης χρόνου 402 και αισθητήρα αφής 403 είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα με τη μονάδα μετατροπής σταθερού ρεύματος 406 του ΕΚΔΕ 405 μέσω γραμμής μεταφοράς ενέργειας 408. Η γραμμή μεταφοράς ενέργειας 408 παρέχει τροφοδοσία στα βασικά συστατικά 402 και 403 τόσο κατά την πρώτη κατάσταση λειτουργίας 307 όσο και κατά τη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας 311.

[0081] Η επεξεργαστική μονάδα 401 είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένη με το ΕΚΔΕ 405 μέσω γραμμής μεταφοράς ενέργειας 407. Η γραμμή μεταφοράς ενέργειας 407 παρέχει τροφοδοσία στην επεξεργαστική μονάδα 401 μόνο κατά τη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας 311.

[0082] Το συστατικό μέτρησης χρόνου 402 ή το συστατικό αισθητήρα αφής 403, εδώ το συστατικό αισθητήρα αφής 403, περιέχουν κύκλωμα κλείστρου 404.

[0083] Η επεξεργαστική μονάδα 401 είναι συνδεδεμένη με τα συστατικά μέτρησης χρόνου 402 και αισθητήρα αφής 403 μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου 410 μέσω της οποίας μπορούν να μεταφερθούν σήματα ελέγχου από τη μονάδα 401 στα συστατικά 402 και 403.

[0084] Τα συστατικά μέτρησης χρόνου 402 και αισθητήρα αφής 403 είναι συνδεδεμένα με το διακόπτη 411 μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου 409.

[0085] Στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας 307, ο διακόπτης 411 είναι ανοικτός, η γραμμή μεταφοράς ενέργειας 407 δεν τροφοδοτείται και το κλείστρο 404 έχει υψηλή τιμή (high).

[0086] Με την επαφή του χρήστη στον αισθητήρα αφής 403, το κύκλωμα κλείστρου 404 παίρνει χαμηλή τιμή (low), ο διακόπτης 411 κλείνει μέσω σήματος στη γραμμή μεταφοράς σημάτων ελέγχου 409 και το σύστημα μεταβαίνει στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας 311. Το ΕΚΔΕ 405 τροφοδοτεί την επεξεργαστική μονάδα 401 μέσω του σταθεροποιητή συνεχούς ρεύματος 406 και της γραμμής μεταφοράς ενέργειας 407.

[0087] Όταν ο χρήστης απομακρυνθεί από τον αισθητήρα αφής 403, το κύκλωμα κλείστρου 404 κρατάει αποθηκευμένη τη χαμηλή τιμή και ο διακόπτης 411 παραμένει κλειστός. Το σύστημα παραμένει στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας 311.

[0088] Το κύκλωμα κλείστρου 404 παίρνει υψηλή τιμή όταν ο αισθητήρας αφής 403 λάβει κατάλληλο σήμα ελέγχου από την επεξεργαστική μονάδα 401 μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου 410 ή εναλλακτικά όταν το σύστημα μεταβαίνει σε κατάσταση πρώτης λειτουργίας 307.

Claims (8)

1. ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Μια διάταξη για τη διαχείριση ενέργειας σε ενσωματωμένα συστήματα και συστήματα έξυπνων κόμβων αισθητήρων (100) η οποία χαρακτηρίζεται από τη δυνατότητα πλήρους απενεργοποίησης συστατικών (106-2 έως 106-Ν) μέσω της διακοπής τροφοδοσίας γραμμών μεταφοράς ενέργειας (105-2 έως 105-Ν) χωρίς να είναι απαραίτητη η μεσολάβηση επεξεργαστικής μονάδας, και η οποία αποτελείται από:

• Σύστημα συλλογής - αποθήκευσης ενέργειας (101).

• Ομάδα βασικών συστατικών (106-1) τα οποίο είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα με το σύστημα συλλογής - αποθήκευσης ενέργειας (101) διαμέσου γραμμής μεταφοράς ενέργειας (105-1) και τα οποία μπορούν να αποστείλουν σήματα ελέγχου μέσω γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1).

2. Η διάταξη της αξίωσης 1, που χαρακτηρίζεται από το ότι το σύστημα συλλογής - αποθήκευσης ενέργειας (101) περιλαμβάνει τουλάχιστον μία μονάδα συλλογής ενέργειας (102), τουλάχιστον μία μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (103) και τουλάχιστον ένα Ενσωματωμένο Κύκλωμα Διαχείρισης Ενέργειας (104).

3. Το σύστημα συλλογής και αποθήκευσης ενέργειας (101) που περιγράφεται στην αξίωση 2, ως μέρος της διάταξης που περιγράφεται στην αξίωση 1, το οποίο χαρακτηρίζεται από το ότι η μονάδα συλλογής ενέργειας (102) αποτελείται από ένα ή περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία, ηλεκτρικά συνδεδεμένα με το Ενσωματωμένο Κύκλωμα Διαχείρισης Ενέργειας (104).

4. Η διάταξη της αξίωσης 1, που χαρακτηρίζεται από το ότι η βασική ομάδα συστατικών (106-1) αποτελείται από συστατικό μέτρησης χρόνου (402), δηλαδή οποιοδήποτε ψηφιακό χρονόμετρο, και αισθητήρα αφής (403), δηλαδή ένα ψηφιακό κύκλωμα που ενεργοποιείται όταν το ακουμπάει ο χρήστης και δίνει σήμα να ανοίξει ή να κλείσει το ΕΚΔΕ (405), μέσω του διακόπτη (411).

5. Η διάταξη της αξίωσης 1, που χαρακτηρίζεται από το ότι τα βασικά συστατικά (106-1) περιλαμβάνουν κύκλωμα κλείστρου (404), ένα ψηφιακό κύκλωμα το οποίο επιτρέπει την αποθήκευση μιας ψηφιακής τιμής ακόμα και όταν η τιμή αυτή παύει να είναι πλέον διαθέσιμη, ώστε να διατηρήσουν την τιμή η οποία αντιστοιχεί στην κατάσταση λειτουργίας τους, αποθηκεύοντας την προσωρινά μέχρι αυτή να αλλάξει εκ νέου, είτε περιοδικά, είτε μέσω νέας μετάβασης του συστατικού σε νέα κατάσταση λειτουργίας ή με τη χρήση σήματος μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου (410).

6. Μέθοδος διαχείρισης και εξοικονόμησης ενέργειας με την αποκοπή τροφοδοσίας στις γραμμές μεταφοράς ενέργειας (105-2 έως 105-Ν) σε ενσωματωμένα συστήματα και συστήματα έξυπνων κόμβων αισθητήρων (100) χωρίς τη μεσολάβηση επεξεργαστικής μονάδας (401) με τη χρήση της διάταξης της αξίωσης 1 που αποτελείται από τα εξής βήματα:

• Με την έναρξη (300) του συστήματος σε εξαντλημένη κατάσταση (301) πραγματοποιείται έλεγχος (302) για την παροχή ενέργειας από τη μονάδα συλλογής ενέργειας (102).

• Εάν η μονάδα συλλογής ενέργειας (102) παρέχει ενέργεια, ενεργοποιείται (303) το ΕΚΔΕ (104) και το σύστημα μεταβαίνει σε κατάσταση φόρτισης (304).

• Σε κατάσταση φόρτισης (304), πραγματοποιείται έλεγχος (305) για την ύπαρξη επιπέδων ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (103) τα οποία υπερβαίνουν προκαθορισμένο όριο.

• Εάν υπάρχουν επαρκή επίπεδα ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (103), πραγματοποιείται ενεργοποίηση (306) των βασικών συστατικών του συστήματος (106-1) και το σύστημα μεταβαίνει στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας (307).

• Στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας (307) πραγματοποιείται έλεγχος (309) για την ύπαρξη σήματος ελέγχου από ένα εκ των βασικών συστατικών του συστήματος (106-1) μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1)·

• Εάν υπάρχει σήμα ελέγχου μέσω της γραμμής μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1), ενεργοποιούνται επιπρόσθετα συστατικά (106-2 έως 106-Ν) και το σύστημα μεταβαίνει στη δεύτερη κατάσταση λειτουργίας (311).

• Στην δεύτερη κατάσταση λειτουργίας (311) πραγματοποιείται έλεγχος (313) για την ύπαρξη σήματος ελέγχου από ένα εκ των συστατικών του συστήματος (106-1 έως 106-Ν) μέσω των γραμμών μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1 έως 107-Ν).

• Εάν υπάρχει σήμα ελέγχου από ένα εκ των συστατικών του συστήματος (106-1 έως 106-Ν) μέσω των γραμμών μεταφοράς σημάτων ελέγχου (107-1 έως 107-Ν), το σύστημα μεταβαίνει στην πρώτη κατάσταση λειτουργίας (307).

7. Η μέθοδος της αξίωσης 6, που χαρακτηρίζεται από το ότι ο έλεγχος των σημάτων ελέγχου των βασικών συστατικών (106-1) πραγματοποιείται μέσω του ελέγχου της τιμής του κυκλώματος κλείστρου (404) τους.

8. Η μέθοδος της αξίωσης 6, που χαρακτηρίζεται από το ότι οποιαδήποτε στιγμή τα επίπεδα ενέργειας στη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (103) κατέβουν κάτω από προκαθορισμένο όριο, το σύστημα μεταβαίνει στην εξαντλημένη κατάσταση (301).