KR102355202B1 - 에너지 하베스팅 rfid 회로, 에너지 하베스팅 rfid 태그 및 관련 방법 - Google Patents

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렌록 홀딩스, 엘엘씨
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Abstract

무선으로 측정을 수행하기 위한 에너지 하베스팅 RFID 회로가 제공된다. 상기 RFID 회로는 안테나로부터 입력 리드에 대한 인터로게이션 신호를 수신하고, 하베스트된 전압을 생성하는 전하 저장 유닛에 저장된 에너지를 하베스트한다. 그런 다음 부스트 컨버터는 상기 하베스트된 전압을 부스트된 전압으로 승압하여 출력 전압으로 센서 출력 리드에 공급한다. 상기 부스트 컨버터를 활성화하기 위한 부스터 스위칭 유닛도 제공된다. 상기 부스터 스위칭 유닛은 상기 전하 저장 유닛에 의해 출력된 상기 전압이 제1 임계값에 도달할 때까지 상기 부스트 컨버터를 활성화시키지 않는다. 상기 출력된 전압에 기초하여, 하나 이상의 센서 입력 리드는 파이프 피팅의 스트레인과 같이 측정될 물체의 감지된 값을 반영하는 측정 입력을 수신한다.

Description

에너지 하베스팅 RFID 회로, 에너지 하베스팅 RFID 태그 및 관련 방법
본 출원은 일반적으로 수동형 무선 주파수 인식(RFID) 센서 태그 및 수동형 RFID 센서 태그를 갖는 물체를 모니터링 하는 방법에 관한 것이다.
무선 주파수 인식 (RFID)은 무선 주파수 (RF)를 통한 통신을 사용하여 "리더"(또는 "인터로게이터")와 일반적으로 식별 및 추적과 같은 목적으로 모니터링되는 물체 (OBM) (또는 "추적되는 물체")에 부착된(또는 그렇지 않다면 관련된)전자 RFID "태그"(또는 "트랜스폰더") 사이에서 데이터를 교환하는 기술이다. 태그는 추적된 물체와 관련된 센서 판독과 같은 정보를 생성하는 센서와 인터페이스 할 수 있다. RFID 태그 및 그 센서 중 하나 또는 둘 모두는 추적되는 물체에 적어도 부분적으로 내장될 수 있다.
RFID 태그는 적어도 두 부품 즉, 정보를 저장 및 처리, 무선 주파수 (RF) 신호의 변조 및 복조, 다른 특수기능을 위한 위한 집적 회로 (IC), 및 외부 리더와 같은 데(또는 인터로게이터)로부터 오는 신호를 수신 및 송수신하기 위한 안테나 (ANT)를 포함한다. 일반적으로, 태그의 적어도 IC 부분은 어떤 종류의 하우징으로 둘러싸일 수 있다.
RFID 태그에는 수동형 및 능동형의 두 가지 주요 유형이 있다. 능동형 RFID 태그는 "배터리 보조"라고도 불려진다.
수동형 RFID 태그는 전원 (배터리 없음)을 갖지 않고, 태그 전자 장치에 전력을 공급하고 신호 전송을 개시하기 위해 외부 공급원(예를 들어, 리더)로부터 전자기장을 필요로 한다. 수동형 태그와 관련하여, "전송"은 단순히 안테나를 단락시키거나 단락시키지 않는 것과 같이 안테나의 임피던스 또는 공명을 변조하는, 결과적으로 "백스캐터 (backscatter)"를 의미 할 수 있다. 이러한 안테나의 변조는 외부 리더에 의해 감지될 수 있다. 안테나는 저주파 (LF) 또는 고주파 (HF) 자기장 결합 시스템의 코일 또는 전기장 결합 시스템의 초고주파 (UHF) 다이폴일 수 있다. 수동형 RFID 태그는 외부 리더에 의해 전원이 태그에 공급될 때 센서 회로에 전원을 공급할 수도 있다. LF 또는 HF 범위의 수동형 RFID 태그는 종종 급격히 떨어지는 자기장 커플링의 전력 제한으로 인해 강력한 리더가 필요하다. 커플링은 1/r3에 해당하며, l은 신호 전력이고 r은 태그와 리더 사이의 거리이다.
한편, 배터리 보조 RFID 태그는 배터리 및 전송기를 포함하고, 신호를 외부 리더로 전송할 수 있다. 수동형 RFID 태그와 달리 배터리 보조 RFID 태그는 배터리로부터 모든 회로 전력을 끌어낸다. 수동형 RFID와 유사하게, 전술한 백스캐터 방법을 사용하여 통신은 여전히 달성된다. 리더에서 필요한 전력은 통신 링크에 필요한 것이므로 배터리 보조 RFID의 범위는 일반적으로 수동형 RFID의 범위를 초과한다. 배터리 전원은 또한 센서 샘플링을 위한 안정적인 공급을 제공하는데 사용된다. 그러므로, RFID를 지원하는 배터리 보조 장치는 리더와 독립적으로 온도와 같은 측정을 수행할 수 있다. 근처에 외부 리더가 있는지(리더는 능동형 회로에 전력을 공급할 필요가 없기 때문에)와 독립적으로, 전송은 주기적 간격으로 발생할 수 있거나 태그는 외부 리더에 의한 문의(태그의 전송 요청)에 응답하여 전송할 수 있다.
다양한 응용 분야에서, 매일, 매주, 매월, 분기별, 2년마다 또는 매년과 같은 주기적 간격으로 측정될 물체(OBM)에 대한 측정 수행이 유용하다. 이는 파이프라인, 교량, 선박, 항공기, 석유 굴착 장치, 석유 저장 탱크, 건물 등과 같은 여러 유형의 구조물의 상태를 모니터링 하는 경우이다.
종종, OBM의 일부는 설치 후 (예를 들어, 매장된 토대, 수중, 탱크 내부 등) 쉽게 접근할 수 없거나 달리 측정하기 어렵거나 불편하다. 따라서, 측정 센서 회로와 무선 인터페이스를 제공하는 것이 바람직하다. 이를 통해 센서와의 물리적 접촉 없이 OBM의 위치 또는 접근성으로 인해 불가능할 수 있는 측정이 수행될 수 있다.
그러나, 감지된 측정이 무선으로 전송되는 응용 분야에서, OBM의 전체 수명 동안 센서 및 트랜스폰더와 같은 그 관련 회로에 전력을 공급할 수 있는 온-보드 전원 공급 장치를 제공하는 것 어렵다는 것이 입증되었다. 이에 대한 첫 번째 이유는 결함이 있거나 고갈된 전원 공급 장치를 재충전 또는 교체하기 위해 센서 및/또는 트랜스폰더 회로에 액세스할 수 없기 때문이다. 이에 대한 두 번째 이유는 OBM이 콤팩트하거나 평평한 프로파일을 가질 수 있기 때문이고, 따라서 콤팩트한 센서 회로에 부피가 큰 전원을 추가하는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 이러한 유형의 응용 분야를 위한 배터리의 다른 단점도 알려져 있다; 예를 들어, 전원이 공급되지 않는 "다운 타임"의 간격이 긴 배터리를 주기적으로 사용하면 특정 유형의 배터리 성능이 크게 저하 될 수 있다.
결과적으로, 수동적으로 전력이 공급되는 RFID 센서와 같은 무선 센서를 제공하는 것이 알려져 있다. 수동형 RFID 태그는 근처 RFID 리더의 인터로게이팅 전파로부터 에너지를 수집한다. RFID 태그는 센서로부터 측정 수행 및 이러한 측정을 외부 RFID 리더로 전송하는 것과 같은 동작을 수행하기 위해 수집된 에너지를 사용한다. 이러한 방식으로, 온-보드 배터리를 필요로 하지 않는 RFID 센서가 제공 될 수 있어, 배터리와 관련된 단점이 회피 될 수 있다.
U.S. Pat.No.9,378,448 "RFID Sensor Tag and System for Small Output Transducers, and Related Methods" 는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조되어 포함되며, 수동형 RFID 태그가 스트레인을 측정하기 위해 제공될 수 있다고 기술하고 있다. 수동형 RFID를 사용하면, 이러한 측정은 관련된 구조물의 수명과 같이, 장기간에 걸쳐 주기적으로 수행될 수 있다.
제1 양상에 따르면, 에너지 하베스팅 RFID 회로는 측정 수행을 위해 제공된다. 상기 RFID 회로는 안테나로부터 입력 리드에 대한 인터로게이션 신호를 수신하고, 전하 저장 유닛에 저장된 에너지를 하베스트한다. 그런 다음 부스트 컨버터는 상기 하베스트된 전압을 출력 전압으로 센서 출력 리드에 공급되는 부스트된 전압으로 승압한다. 상기 부스트 컨버터를 활성화하기 위해 부스터 스위칭 유닛도 제공된다. 구체적으로, 상기 부스터 스위칭 유닛은 상기 전하 저장 유닛에 의한 출력 전압이 제1 임계 값에 도달할 때까지 상기 부스트 컨버터를 활성화시키지 않는다. 상기 출력 전압에 기초하여, 하나 이상의 센서 입력 리드는 파이프 피팅의 스트레인과 같은 감지된 값을 반영하는 측정 입력을 수신한다.
다른 양상에 따르면, 에너지 하베스팅 RFID 태그는 상기 제1 양상의 에너지 하베스팅 RFID 회로가 제공된다. 상기 RFID 태그는 또한 안테나 입력을 제공하는 안테나와 에너지 하베스팅 RFID 회로의 출력 전압을 수신하고 측정 입력을 생성하는 센서를 갖는다.
다른 양상에 따르면, 물체를 모니터링하는 방법이 제공된다. 상기 방법에 따르면, 인터로게이션 신호는 RFID 태그의 안테나를 갖는 RFID 리더로부터 수신된다. 다음에, 상기 인터로게이션 신호에 의해 유도된 전류로부터 생성된 유도 전압은 공급 사이드 전압으로 변환된다. 상기 유도 전압은 전하 저장 유닛에 입력된다. 상기 전하 저장 유닛으로부터의 전하가 제1 임계 값을 초과하는 경우, 부스트된 전압을 생성하기 위해 부스트 컨버터가 선택적으로 활성화된다. 그 후, 상기 부스트된 전압 및 감지된 값에 기초하여 센서 판독값을 얻기 위해 상기 부스트된 전압은 센서에 제공된다. 마지막으로, 센서 판독값은 안테나에서 다시 RFID 리더로 전송된다.
본 발명의 앞서 말한 및 다른 양상은 첨부 도면을 참조하여 다음의 설명을 읽을 때 명백해질 것이다:
도 1은 제1 실시예에 따른 RFID 센서 태그를 포함하는 RFID 시스템의 개략도이다;
도 2a는 제2 실시예에 따른 RFID 센서 태그를 위한 예시적인 적용에 대한 맥락 제공을 위해, 파이프 결합 및 밀봉을 위한 예시적인 파이프 피팅의 단면도이다;
도 2b는 제2 실시예에 따른 RFID 센서 태그를 포함하는 구동 링과 함께 도 2a에 도시된 파이프 피팅의 일부의 확대된 절개도이다.;
도 3은 제2 실시예에 따른 스트레인 측정을 수행하기 위한 에너지 하베스팅 RFID 태그의 개략도이다;
도 4는 연속적으로 전력이 공급되는 회로에 대한 샘플링 간격과 비교한 에너지 하베스팅 레귤레이터 출력을 나타내는 그래프이다; 및
도 5는 RFID 태그가 읽혀지는 경우에만 센서에 전력을 공급하는 회로에 대한 샘플링 간격과 비교한 에너지 하베스팅 레귤레이터 출력을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 하나 이상의 양상을 포함하는 예시적인 실시예가 도면에 기술되고 도시되어있다. 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 지정하기 위해 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 "에너지 하베스팅(energy harvesting)"(전력 하베스팅 또는 에너지 스캐밴징(energy scavenging) 또는 에너지 수집(energy gathering)으로도 알려짐)은 전기 에너지가 외부 공급원으로부터 유도, 포획 및 저장되는 프로세스를 지칭할 수 있다. 에너지 하베스팅은 구체적으로 전자기 ("RF") 에너지 하베스팅을 지칭 할 수 있으며, 여기서 전송기(transmitter)에 의해 생성된 RF 필드는 수신기(receiver)에서 동조 코일(tuned coil) 또는 전기장 안테나(e-field antenna)와 커플링된다. 대안적으로, "에너지 하베스팅"은 열 또는 진동 에너지 하베스팅을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "센서"는 감지된 이벤트를 검출 및 전달하는데 필요한 완전한 어셈블리이고, "변환기(transducer)"는 이벤트의 감지만을 달성하는 어셈블리 내의 요소이다. 본 출원에서 이들 용어는 서로 바꾸어 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 예를 참조하면, 측정될 제1 물체 (object to be measured, OBM, 10)가 측정될 다른 물체들과 함께 OBM-1 (20), OBM-2 (30), OBM-n까지 도시되어있다. OBM (10)과 관련하여 설명된 바와 같이, 측정될 각각의 물체는 RFID 태그 (100)를 포함한다.
RFID 태그(RFID tag, 100)는 OBM (10) 상에, 부분적으로 내에 또는 전체 내에 위치될 수 있다. RFID 태그 (100)는 안테나(antenna, 190), 센서 회로(sensor circuitry, 110) 및 하나 이상의 센서 (180)를 포함한다. RFID 태그 (100)의 이들 구성 요소들은 센서 (180)에 의해 측정된 정보를 측정하고 선택적으로, 일시적으로 저장하기 위해 함께 기능한다. RFID 태그 (100)의 구성 요소들은 또한 측정된 정보를 OBM과 관련된 고유 식별 (ID) 번호와 함께 RFID 리더(RFID reader, 200)에 전송하기 위해 함께 기능한다. 중요하게, RFID 태그 (100)의 센서 (180)는 그 부분이 감지 될 수 있게 하는 OBM (10)의 감지된 부분에 근접하여 위치된다. 안테나 (190), 회로 (110) 및 센서 (180)는 단일 기판 상에 함께 제공되는 것이 바람직하지만, 별도의 상호 연결된 기판 상에 다양한 구성 요소의 조합을 갖는 다른 구성이 또한 고려된다.
센서 (180)는 다음 중 하나 이상: 브리지 장치(bridge device)를 포함하는 임의의 저항성(resistive) 센서 또는 변환기; 압전 센서(piezo sensor)와 같은 전압을 생성하는 장치; 써모커플(thermocouple), 마이크로폰(mircromphone), 열전 발전기(thermo-electric generator), 광전 전지(photo-electric cell) 등; 용량성(capacitive) 센서; 압력 센서; 유체 흐름(fluid flow) 센서; 유체 누출(fluid leak) 센서; 진동 센서; 및 다른 이러한 센서 또는 변환기 유형을 포함 할 수 있다. 이러한 방식으로, 빛, 온도, 자기장, 습도, 진동, 압력, 전기장, 모션 또는 소리와 같은 OBM (10) 내부 또는 주변의 하나 이상의 조건이 감지 될 수 있다. 센서 (180)는 스트레인(strain), 온도 또는 전기적 특성과 같은 OBM (10) 자체의 부분의 특성을 검출할 수 있다. 수동형(passive) 센서 태그의 RF 소스에서 사용가능한 저전력으로 인해, 전력 소비를 낮추기 위해 임피던스(impedance)가 높은 변환기를 사용하는 것이 가장 좋다. 그러나 고 임피던스 센서는 작은 신호 출력을 가지므로 전기적 노이즈에 더 민감하다.
RFID 태그 (100)는 고유 ID 번호를 갖는다. 대부분의 RFID 프로토콜에 의해 제공되는 충돌-방지 기능은 많은 RFID 태그 (100)가 "무선 영역(radio field) 내에"있고 하나의 RFID 리더 (200)에 의해 읽혀질 수 있게 한다. 이는 많은 RFID 태그 (100)가 작은 영역에 설치되고 자동화된 모니터링을 위한 단일 RFID 리더 (200)에 의해 동시에 읽혀질 수 있게 한다.
몇몇 실시예들에서, RFID 태그 (100)는 센서 (180) 없이 제공 될 수 있어서, 태그는 물체 또는 구조물의 특성을 측정하기 위한 목적이 아닌 구조물 또는 물체의 식별과 같은 대안적인 목적으로 사용된다.
RFID 태그 (100)는 바람직하게는 먼지 입자, 공기, 액체 및/또는 부식성 화학 물질의 침입을 방지하고 또한 선택적으로 단열 정도를 제공하기 위해 완전히 밀봉된 하우징과 같은 하우징 내에 제공된다. 상기 하우징은 OBM (10)에 부착되거나 OBM (10) 내에 부분적으로 또는 완전히 내장될 수 있다. 선택적으로, 상기 하우징은 프로브(probe)와 같은 센서 (180)의 일부를 위한 개구부(opening)를 가질 수 있다. 상기 개구부는 상기 프로브 리드(lead) 주위에 밀봉될 수 있다.
도 1은 또한 RFID 태그 (100)가 고주파 근거리 통신 (high-frequency near field communication, HF-NFC) 시스템으로 알려진, 능동적으로 전력 공급되는 RFID 리더 (200)와 무선 RFID 인터페이스 (160)를 통해 통신하는 것을 도시한다. RFID 리더 (200)는, 예를 들어 915 MHz에서 작동 할 수 있고, RFID 리더 (200)와 RFID 태그 (100) 사이의 거리 및 상대 위치와 같은 요인에 기초하여 에너지를 다양하게 공급하는 50개의 채널을 가질 수 있다. 대안적으로, 13.56MHz와 같은 다른 주파수 또는 주파수 대역에서 작동하는 다른 알려진 HF-NFC가 사용될 수 있다. 어떠한 경우든, RFID 리더 (200)는 인터페이스 (160)를 통해 인터로게이터(interrogator) 신호를 전송하고 RFID 태그 (100)로부터 인증 응답(authentication replies)을 수신한다. 구체적으로, RFID 태그 (100)는 RFID 리더 (200)로부터 인터로게이터 신호(interrogator signal)를 수신하고 에너지를 하베스트 하기 위해 및 무선 인터페이스 (160)를 통해 RFID 리더 (200)로 응답을 전송하기 위해 안테나 (190)를 사용한다.
마지막으로, 도 1에 도시된 바와 같이, RFID 리더 (200)는 PC 또는 데이터 센터와 같은 하나 이상의 시스템 감독 장치(system supervisory device, 300)에 간헐적으로(intermittently) 또는 연속적으로 연결될 수 있다. 하나의 가능한 구현에 따르면, 시스템 감독 장치 (300)는 특정 장치 또는 프로세서에 연결되지 않을 수 있지만, 클라우드 컴퓨팅 또는 다른 분산 처리 서비스로 구현 될 수 있다. RFID 리더 (200)와 시스템 감독 장치 (300) 사이의 연결은 와이파이(Wi-Fi) 또는 블루투스(Bluetooth)와 같은 무선 연결, 또는 예를 들어 이더넷(ethernet) 또는 동축 케이블(coaxial cable)을 통해 알려진 IP 프로토콜에서 구현되는 유선 연결일 수 있다.
동작 시에, RFID 리더 (200)는 RFID 태그 (100)를 인터로게이트(interrogate)한다. 안테나 (190)를 통해, RFID 태그 (100)는 측정을 수행하기 위해 에너지를 하베스트하고, 그 회로 (110)를 활성화시킨다. 회로 (110)는 차례로 하나 이상의 측정 데이터를 생성하는 센서 (180)를 활성화시킨다. 측정 데이터는 RFID 인터페이스 (160)를 통해 RFID 태그 (100)의 회로 (110) 및 안테나 (190)를 통해 일시적으로 측정 데이터를 저장하거나 처리를 위해 시스템 감독 장치 (300)로 직접 전달할 수 있는 RFID 리더 (200)로 전달된다.
RFID 태그 (100)가 RFID 리더 (200)에 의해 읽혀진 후, RFID 태그 (100)를 식별하기 위한 ID 정보뿐만 아니라 센서 데이터와 동시에 샘플링된 임의의 제어 신호와 함께 실시간(real-time) 센서 데이터는 RFID 리더 (200) 및 궁극적으로는 시스템 감독 장치 (300)에 전송된다. 시스템 감독 장치 (300)는 감지된 파라미터의 실제 값을 계산하기 위해 이러한 데이터를 사용한다. 시스템 감독 장치 (300)는 측정 데이터에 대한 후 처리를 수행 할 수 있다. 측정 데이터는 또한 추가적인 데이터 분석 및/또는 데이터 편집 목적을 위해 시스템 감독 장치 (300)에 로(raw) 또는 처리된 형태로 저장될 수 있다.
실제로, RFID 리더 (200)는 시스템 감독 장치 (300)에 속하는 것으로 본 명세서에 설명된 기능 중 몇몇을 수행할 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다. 실제로, RFID 리더 (200) 및 시스템 감독 장치는 일부 경우에 단일 유닛 또는 둘 이상의 장치에 분산된 이들 장치 중 하나 또는 둘 모두와 관련된 기능을 갖는 설명된 2개 이상의 유닛으로서 구현될 수 있다.
도 2a-2b는 제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 RFID 태그 (100A)에 대한 적용을 도시한다. 본 출원은 U.S. Patent Application Publication number 2017/0089496 A1, "Pipe Fitting with Sensor" 에 설명 된 바와 같이 파이프의 섹션들을 기계적으로 부착 및 밀봉하기 위한 파이프 피팅이며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 파이프 (16)는 천연 가스, 석유, 공기, 물 또는 다른 액체 또는 기체 조성물 또는 혼합물과 같은 공정 유체의 수송을 위해 제공된다. 특히, 프로세스 유체는 탄소강 파이프 라인에 손상을 주는 것으로 알려져 있는 황화수소와 같은 부식성 원소를 함유 할 수 있다. 파이프 (16)는 강철 또는 다른 금속으로 제조되는 것이 바람직하지만, 대안적인 실시예는 파이프 (16)를 PVC 또는 다른 폴리머와 같은 순수한 또는 복합 형태의 다른 재료 또는 화합물로 제공할 수 있다.
파이프 (16)를 파이프의 추가 섹션에 결합시키기 위해, 파이프 피팅 (12)이 제공된다. 도 2b에 도시 된 바와 같이, 밀봉 리지(sealing ridge)들 (12A, 12B, 12C)이 제공된 파이프 피팅의 내부 프로파일. 밀봉 리지 (12A, 12B, 12C)들은 파이프 (16)의 단부의 외부 부분에 접해있다. 파이프 피팅 (12)의 외부 프로파일은 파이프 피팅 (12)의 상대적으로 더 얇은 부분을 파이프 피팅 (12)의 상대적으로 더 두꺼운 부분에 결합시키는 숄더 (shoulder)를 가질 수 있다. 파이프 피팅 (12)은 강철, 구리 또는 다른 금속과 같은 고강도 소성(plastically) 변형 가능한 재료로 제조될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 구동 링(drive ring, 14)이 또한 제공된다. 파이프 (16)를 파이프 피팅 (12)에 결합시키기 위해, 구동 링 (14)은, 예를 들어 유압 프레스에 의해 파이프 피팅 (12) 상에 축 방향으로 최종 설치 위치로 구동된다. 파이프 (16)에 구동 링 (14)을 설치하는 것은 파이프 (16)와 파이프 피팅 (12) 사이에 금속-금속 밀봉(metal-to-metal seal)을 제공하여 파이프 (16)에 영구적이고 돌이킬 수 없는 변형을 유발한다. 파이프 (16)가 수용된 상태에서 구동 링 (14)이 파이프 피팅 (12) 상으로 축 방향으로 강제될 때, 파이프 피팅의 밀봉 리지 (12A, 12B, 12C)는 비-누출 방식(non-leaking manner)으로 파이프 (16)에 기계적으로 연결되고 밀봉된다. 구동 링 (14)은 밀봉 리지 (12A, 12B, 12C)를 밀봉할 파이프 (16)에 강제로 물리고 파이프 피팅 (12)을 파이프 (16)와 기계적으로 연결하기 위해 파이프 피팅 (12)의 외주를 따라 축 방향으로 강제되고 환형으로 수용되도록 크기가 설정된다.
도 2b에 도시 된 바와 같이, 하나 이상의 에너지 하베스팅 RFID 태그 (100A)는 구동 링 (14) 상에 설치된다. 이는 예를 들어 파이프 피팅의 설치 동안뿐만 아니라 그 유효 수명에 걸쳐 구동 링 내의 스트레인이 모니터링될 수 있게 한다. 에너지 하베스팅 RFID 태그 (100A)는 구동 링 (14) 위에 설치되거나, 구동 링 (14)의 외부 표면에 부분적으로 내장되거나 완전히 내장 될 수 있다. RFID 리더에 의해 인터로게이트될 때, 에너지 하베스팅 RFID 태그 (100A)는 구동 링 (14) 내에서의 스트레인의 측정을 제공한다.
스트레인 측정이 하한 및 상한 임계 값에 의한 그려지는 특정 범위 내에 있는 경우, 이는 구동 링 (14)이 양호한 상태임을 나타낼 수 있다. 그러나, 스트레인 측정이 범위를 벗어난 경우, 이는 구동 링 (14) 및 피팅 (12)이 점검 또는 교체되어야 한다는 지표로 작용할 수 있다. 따라서, RFID 리더(200)에 의한 인터로게이션은 규칙적 또는 불규칙적인 간격으로 수행 될 수 있다. 예를 들어, 인터로게이션은 정상적인 유지 보수의 일부로 주기적으로 수행될 수 있다. 추가 인터로게이션은 파이프 라인이 다운되었을 때뿐만 아니라 작동 시작 시, 또는 스트레스 또는 비정상적인 작동 조건 전, 동안 또는 후 시스템 검사 동안 수행될 수 있다.
제2 실시예의 RFID 태그 (100A)의 개발은 신뢰할 수 있는 스트레인 측정을 생성하기 위해 RFID 태그 (100A)에 의해 매우 안정적이고 상대적으로 높은 전압이 생성되어야 한다는 엔지니어링 문제를 제시했다. 금속 구조물용 스트레인 변환기는 일반적으로 금속 필름 저항 장치이며 입력 전압의 변화에 매우 민감하다. 이러한 변환기는 일반적으로 부착된 구조물의 움직임(스트레인)에 따라 작은 전기적 저항 변화를 생성하고 수십 마이크로볼트 정도의 매우 작은 출력 신호를 생성한다. 구체적으로, 구동 링 (14)은 일반적으로 고강도 재료로 만들어지고, 따라서 감지되는 스트레인 값은 전형적으로 0.001 % 내지 0.01 % 정도의 매우 작은 값이며 따라서 저항 변화 또한 매우 작다. 결과적으로, 근처의 RFID 리더로부터의 인터로게이션 신호와의 간섭으로 인해 입력 전압에서 매우 작은 흔들림(oscillation)이 신뢰할 수 없는 스트레인 측정으로 이어질 수 있다. 다시 말해, 스트레인 게이지(strain gauge)에 입력된 전압이 약간의 흔들림을 포함하면, 이는 스트레인 측정이 배경 노이즈(background noise)와 구분되지 않게 유발한다.
RFID 태그 (100)는 RFID 리더 (200)에 의해 제공되는 인터로게이션 신호로부터 실행하기 위해 사용하는 모든 에너지를 하베스트해야 하기 때문에, 수동적으로 전력을 받는 RFID 태그는 전형적으로 저전압으로 구동된다는 사실에 의해 전술한 문제점이 심화된다. 따라서, 센서 (180)에 지속적으로 전원이 공급되면, 하베스트된 에너지는 빠르게 배출(drain)된다. 이는 새로운 측정 사이클이 시작되기 전에 RFID 태그 (100) 내에 저장된 에너지가 RFID 리더 (200)에 의해 먼저 보충되어야 하기 때문에, 측정 사이에 지연 시간이 길어지게 할 수 있다. 이것은 도 4에 도시되어있고, 이는 센서 (180)에 지속적으로 전력을 공급하도록 허용된 회로에서 측정되었다. 상단 트레이스(trace)는 에너지 하베스팅 회로의 출력을 보여준다. 하단 트레이스(trace)는 측정 또는 센서 판독을 수행하기 위한 활성화(activation) 신호를 보여준다. 도 4의 시간축은 2 초/구간이며, 하베스터 회로의 통전 사이에 최대 6 초의 충전 시간이 있음을 알 수 있다.
최종 고려 사항은 하베스트된 신호가 RFID 태그 (100)에 의해 정류된 후에도, 전형적으로 정류된 전압(rectified voltage)은 여전히 근처의 RFID 리더 (200)에 의해 출력된 고출력 신호로부터의 간섭으로 인해 상당한 흔들림을 포함한다는 것이다. RFID 리더 (200)는 50개의 채널 대역에서 동작한다. RFID 태그 안테나 (190)는 모든 채널에서 에너지를 수집하는데 효율적이지 않다. 이로 인해 정류된 전압에 노이즈가 발생하여 센서 측정이 신뢰할 수 없게 된다. 다시 말해서, RFID 리더 (200)에 의해 센서 태그에서 발해진(beamed) RF 에너지는 센서 (180A)의 작은 신호 변화를 검출하는 것을 더욱 어렵게 만드는 원하지 않는 흔들림 (전기 노이즈)을 생성하는 RFID 태그 (100)의 회로 트레이스 및 구성 요소에 추가적인 전류를 유도한다. 센서 (180A)에 입력되는 전압에서 이러한 약간의 흔들림조차도 신뢰할 수 없는 스트레인 측정으로 이어질 수 있다. 또한, RFID 리더 (200)와 RFID 태그 (100) 사이의 거리의 변화는 정류된 공급 수준의 변화를 야기할 수 있고, 이는 올바르게 설명되지 않으면 추가 측정 에러를 야기할 수 있다.
제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 RFID 태그 (100A)는 전술한 문제에 응답하여 설계되었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 RFID 태그 (100A)는 안테나 (190), 에너지 하베스팅 RFID 회로 (110A), 및 스트레인 게이지로도 알려진 스트레인 센서 (180A)를 포함한다는 점에서 제1 실시예와 대체로 일치한다. 에너지 하베스팅 RFID 회로 (110A)는 정확한 스트레인 측정을 위해 필요한 매우 안정된 부스트된 전압(boosted voltage) VREG를 제공한다.
스트레인 센서 (180A)는 바람직하게는 구동 링 (14) 또는 측정될 다른 물체에 예를 들어, 스트레인 센서 (180A)의 스트레인 감지 패턴(strain sensitive pattern)을 구동 링 (14) 또는 측정될 다른 물체 내에 부분적으로 또는 완전히 박음으로써 안정적으로 부착된다.
에너지 하베스팅 RFID 회로 (110A) 및 안테나 (190)는 바람직하게는 스트레인 센서 (180A)에 근접하여 제공되고 RFID 회로 (110A)는 도 3에 도시된 바와 같이 스트레인 센서 (180A)에 배선된다. 제1 실시예와 관련하여 설명된 바와 같이, RFID 태그 (100A)의 요소들은 바람직하게는 측정될 물체에 부착되거나 부분적으로 또는 완전히 내장된 하우징 내에 제공된다.
도 3에 도시 된 바와 같이, 안테나 (190)에 의해 픽업된(picked up) 인터로게이션 신호는 안테나 리드(antenna lead, 191)를 통해 에너지 하베스팅 RFID 회로 (110A)에 입력된다. 안테나 (190)는 915MHz와 같은 주어진 주파수로 튜닝될 수 있고 이 주파수의 전자기장을 사용 가능한 교류 (AC) 전압으로 변환한다. 안테나 (190)로부터의 전형적인 ac 전압은 4 vac p-p 일 수 있다.
AC 전압은 임피던스 매칭 네트워크(impedance matching network, 192)를 통해 안테나 리드 (191)를 통해 공급된다. 임피던스 매칭 네트워크 (192)는 최대 전력 전달을 제공하기 위해 하나 이상의 인덕터(inductor) 및 하나 이상의 매칭 커패시터(capacitor)를 포함하는 매칭된 LC 회로를 포함 할 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크 (192)는 매칭된 입력 신호를 RFID 트랜스폰더 칩(RFID transponder chip, 120)에 제공한다. 특정 실시 예에서, 임피던스 매칭 네트워크 (192)는 생략 될 수 있어서, 안테나 리드 (191)는 RFID 트랜스폰더 칩 (120)으로 직접 공급된다.
RFID 트랜스폰더 칩 (120)은 매칭된 입력 신호를 수신하고, 안테나 (190)에 의해 수신된 인터로게이션 신호의 강도에 따라 1.2 V DC 미만과 같은 상대적으로 낮은 전압을 가질 수 있는 정류된 DC 출력 VPOS를 생성한다. 더욱이, 정류된 DC 출력 VPOS는 또한 흔들림 및/또는 불안정에 영향을 받을 수 있다. 보다 안정적이고 연속적인 전압 공급을 얻기 위해, 인터로게이션 신호로부터 하베스트된 에너지는 하베스트된 에너지를 일시적으로 저장하는 전하 저장 유닛 (130)으로 입력된다.
정류된 DC 출력 VPOS가 전하 저장 유닛 (130)에 공급되기 전에, 먼저 전하를 조정 및 고립시키는 레귤레이팅 유닛(regulating unit, 122)을 통과한다. 구체적으로, 레귤레이팅 유닛 (122)은 전류를 조정하기 위한 하나 이상의 저항기(resistor)를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 레귤레이팅 유닛 (122)은 과도한 역전류가 RFID 트랜스폰더 칩 (120)을 손상시키고 불안정한 동작을 야기할 수 있기 때문에, RFID 트랜스 폰더 칩 (120)의 VPOS 단자상의 역전류를 방지하기 위해 하나 이상의 다이오드를 포함 할 수 있다. 특정 실시예들에서, 레귤레이팅 유닛 (122)은 생략 될 수 있어서, 정류된 DC 출력 VPOS는 전하 저장 유닛 (130)으로 직접 공급된다.
전하 저장 유닛 (130)은 결합된 출력 전압 VCAP을 갖는 단일 커패시터 또는 커패시터 뱅크(capacitor bank)를 포함 할 수 있다. 커패시터 뱅크는 커패시터 네트워크의 형태일 수 있고, 커패시터는 서로 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
전하 저장 유닛 (130)이 완전히 또는 거의 완전히 충전된 상태가 될 때까지, 인터로게이션 신호가 존재하는 한, 전하는 전하 저장 유닛 (130)에 축적된다. 센서 측정으로 인해 전하 저장 유닛 (130)으로부터 전하가 배출될 때, 커패시터 뱅크는 인터로게이션 신호가 계속 존재하는 한 계속해서 재충전될 것이다. 다시 말해, 전하 저장 유닛 (130)은 작동 중 충전이 끝날 때까지 계속 충전된다.
전하 저장 유닛 (130)은 출력에서 하베스트된 전압(harvested voltage) VCAP을 생성한다. 하베스트된 전압 VCAP은 커패시터 뱅크에 충분한 전하가 남아있는 한 상대적으로 안정적이지만, 처음에 하베스트된 전압 VCAP은 스트레인 센서 판독을 수행하기에 충분히 높은 전압이 아니다. 전하 저장 유닛 (130)이 충분한 전하를 축적하면, 하베스트된 전압 VCAP은 DC/DC 부스트 컨버터(boost converter, 140)를 위한 최적의 전압으로 클램핑(clamped)된다. DC/DC 부스트 컨버터 (140)는 하베스트된 전압 VCAP을 입력으로 취하여 부스트된 전압 VBOOST 을 출력한다. 그러나, 부스트 컨버터 (140)의 전력 요구로 인해, 스트레인 측정이 수행되기 직전까지 부스트 컨버터 (140)를 오프 상태로 두는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 다시 말하면, 스트레인 측정이 수행되지 않는 경우에도, 전하 저장 유닛 (130)에 저장된 하베스트된 에너지가 부스트 컨버터 (140)의 작동에 의해 빼내지는 것을 방지하는 것이 유리하다.
따라서, 부스트 컨버터 (140)는 일반적으로 부스트 컨버터 (140)가 오프 상태로 유지되도록 하는 부스터 스위칭 유닛(booster switching unit, 132)에 의해 제어된다. 안테나 (190)를 통해 인터로게이션 요청을 전송하여 외부 RFID 리더 (200)가 RFID 태그 (100A)를 인터로게이트할 때, RFID 트랜스폰더 칩 (120)은 실행 측정 신호(execute measurement signal)를 EXC 핀에 출력한다. 이것은 전하 저장 유닛 (130)이 충분히 충전되었는지를 점검하는 부스터 스위칭 유닛 (132)을 활성화시킨다. 예를 들어, 부스터 스위칭 유닛 (132)은 VCAP을 0.9V와 같은 제1 사전 정의된 임계값(threshold)과 비교할 수 있다. VCAP이 제1 임계값에 도달할 때만, 부스터 스위칭 유닛 (132)은 부스트 컨버터 (140)가 켜지게 할 수 있다. 커패시터 뱅크가 충분히 충전되기 전에 RFID 트랜스폰더 칩 (120)이 인터로게이션 요청을 수신하면, 부스터 스위칭 유닛 (132)에 의해 부스트 컨버터 (140)는 오프 상태로 유지된다. 전하 저장 유닛 (130)이 불충분하게 충전될 때, 스트레인 측정을 시도하는 것은 단지 전하 저장 유닛 (130)을 드레인하고 도 4와 관련하여 이미 논의 된 바와 같이 신뢰할 수 있는 스트레인 측정을 초래하지 않는다.
부스트된 전압 VBOOST은 스트레인 게이지 측정과 같은 매우 정밀한 측정을 수행하기에 충분히 높다. 그러나 근처 RFID 리더로부터의 간섭으로 인해 신뢰할 수 있는 측정을 얻기에 부스트된 전압 VBOOST은 충분히 스무스(smooth)하지 않을 수 있다. 따라서, 부스트된 전압 VBOOST을 스무스하게 하기 위해 기준 레귤레이터(reference regulator, 150)가 제공된다. 그러나, 기준 레귤레이터 (150)가 불필요하게 전력을 소비하는 것을 방지하기 위해, 스트레인 측정이 수행되기 직전까지 기준 레귤레이터 (150)를 오프 상태로 두는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.
따라서, 부스트된 전압 VBOOST을 예를 들어 1.9V와 같은 미리 정의된 제2 임계값과 비교하고, 제2 임계값에 도달했을 때만 켜지는 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)이 제공된다. 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)은 부스트된 전압이 미리 정의된 제2 임계값 아래로 떨어질 때 스위치 오프 되는 트랜지스터(transistor)로서 구현될 수 있고, 이에 따라 부스트된 전압이 미리 정의된 제2 임계값 아래로 떨어질 때 부스트된 전압이 통과되어 기준 레귤레이터 (150)를 공급하는 것을 방지한다. 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)이 켜질 때, VBOOST는 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)을 통해 기준 레귤레이터 (150)로 공급된다.
그러나, 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)이 켜지기 전에, 기준 레귤레이터 (150)는 때때로 '플로팅 (floating)' 전압이라 불리는 미정의 전압을 출력한다. 기준 레귤레이터 (150)가 여전히 이 정의되지 않은 플로팅 전압을 출력하는 동안 스트레인 센서 (180A)가 쿼리되고, 스트레인 센서 (180A)의 판독이 수행되는 경우, 이는 믿을만하지만 틀린 센서 판독을 낳을 수 있다. 스트레인 센서 (180A)의 믿을만하지만 틀린 판독이 실제 판독으로 해석되는 것을 방지하기 위해, 스트레인 센서 (180A)의 판독이 유효할 때 신호를 보내는 부스트 검출 유닛(boost detect unit, 144)이 제공된다.
이것은 다음과 같이 달성된다. 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)이 기준 레귤레이터 (150)를 킬 때, 출력 전압 VREG이 제공되면, 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)은 제어 신호를 부스트 검출 유닛 (144)에 전송하여 센서 판독이 신뢰할 수 있음을 나타낸다. 부스트 검출 유닛 (144)은 RFID 트랜스폰더 칩 (120)을 통해 전달된 제어 신호를 공급한다. 전달된 제어 신호는 A/D 입력으로서 핀 EXT2에서 판독될 수 있으며, 여기서 가능한 값의 범위 내의 전달된 제어 신호의 특정 값은 기준 레귤레이터 (150)가 온임을 나타내는 역할을 한다. 이것은 차례로 출력 리드(output lead, 155)에 출력 전압 VREG이 제공되고 있고 따라서 스트레인 센서 (180A)는 유효한 판독을 생성하고 있음을 나타낸다. 이는 센서 (180A)의 신뢰할만하지만 틀린 판독이 유효한 판독으로 해석되지 않도록 보호 수단을 제공한다.
기준 레귤레이터 (150)는 정확한 스트레인 측정이 요구되는 매우 안정적이고 상대적으로 높은 출력 전압 VREG을 제공하기 위해 션트 레귤레이터(shunt regulator) 및 RC 필터를 포함할 수 있다. 스무스된 부스트된 출력 전압 VREG은 센서 출력 리드 (155)상의 RFID 회로 (110A)에 의해 스트레인 센서 (180A)에 제공된다. 일단 출력 전압 VREG이 출력 리드 (155)에 통과되면, 스트레인 센서 (180A)로부터 얻어진 측정은 실제 스트레인 측정을 반영한다.
스무스된 부스트된 전압 VREG에 기초하여, 스트레인 센서 (180A)는 센서 컨디셔닝 유닛(sensor conditioning unit, 185)에 입력되는 스트레인 측정치 VIN +, VIN-을 생성한다. 센서 컨디셔닝 유닛 (185)은 측정된 값들 VIN +, VIN- 을 증폭할 수 있고/있거나 그들에게 오프셋을 적용할 수 있다. 센서 컨디셔닝 유닛 (185)은 핀 EXT1상의 A/D 입력으로서 RFID 트랜스폰더 칩 (120)으로 판독되는 출력을 생성한다. 센서 컨디셔닝 유닛의 증폭, 증가된 동적 범위 및 트랜스폰더 칩 (120)으로의 전압 조절 입력은 A/D 범위의 중심 근처에서 작동할 수 있게 함으로써 측정 정확도를 향상시킬 수 있다. 대안적으로, 센서 컨디셔닝 유닛 (185)은 A/D 범위의 중심으로부터 오프셋된 수정된 범위와 같은 임의의 원하는 범위로 동작을 조정할 수 있다.
스트레인 측정을 나타내는 EXT1 및 측정이 유효한지 여부의 표시를 나타내는 EXT2의 디지털화된 값은 RFID 태그 (100A)와 관련된 ID와 함께 바람직하게 함께 패키징되고, 안테나 (190)를 통해 외부 RFID 리더 (200) 로 전송된다. RFID 리더 (200)는 무효한 판독을 추려내거나 처리되지 않은 데이터를 시스템 감독 장치 (300)에 직접 전달할 수 있다.
상술한 설명에 기초하여, RFID 태그 (100A)의 예시적인 동작 방법이 설명될 것이다. 외부 RFID 리더 (200)에 의해 접근될 때, 안테나 (190)는 인터로게이션 신호를 포착하고 RFID 트랜스폰더 칩 (120)은 하베스트된 에너지를 사용하여 정류된 DC 전압 VPOS을 생성하기 시작한다. 이것은 레귤레이팅 유닛 (122)을 통해 전하 축적을 시작하는 전하 저장 유닛 (130)으로 공급된다. RFID 리더 (200)와 RFID 태그 (100A)의 근접에 따라, 전하 저장 유닛 (130)은 전형적으로 1초, 몇 초 또는 몇 분 미만과 같은 기간 내에 완전히 충전될 수 있다.
측정 사이클은 안테나를 통해 수신되고 RFID 트랜스폰더 칩 (120)에 의해 처리되는 인터로게이션 요청을 전송하는 RFID 리더 (200)에 의해 개시될 수 있다. RFID 트랜스폰더 칩 (120)은 활성화 신호 EXC를 부스터 스위칭 유닛 (132)으로 출력한다. 부스터 스위칭 유닛 (132)은 전하 저장 유닛 (130)에 의해 제공되는 전압 VCAP이 제1 임계 레벨에 도달했는지를 체크한다. 그렇다면, 부스터 스위칭 유닛 (132)은 차례로 부스트된 전압 VBOOST을 생성하는 부스트 컨버터 (140)를 활성화시킨다. 부스트된 전압 VBOOST이 (제1 임계 레벨보다 높은) 제2 임계 레벨에 도달하면, 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)은 부스트 검출 유닛 (144)을 통해 RFID 트랜스폰더 칩 (120)의 EXT2 핀으로 제어 신호를 출력한다. 동시에, 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)은 부스트된 전압 VBOOST이 전압을 스무스 및 필터링하는 레귤레이터 (150)에 공급되게 한다. 그 결과로 나온 전압 VREG은 스트레인 센서 (180A)을 위한 기준 전압으로서 역할한다.
기준 전압 VREG에 기초하여, 스트레인 센서 (180A)는 스트레인 측정치들 VIN +, VIN-을 생성한다. 이들은 센서 컨디셔닝 유닛 (185)에 의해 컨디셔닝되고, 결과는 RFID 트랜스폰더 칩 (120)의 A/D 입력 핀 EXT1으로 공급된다.
RFID 트랜스폰더 칩 (120)은 입력 EXT1 및 EXT2을 샘플링하고, 이들 값을 바람직하게는 안테나 (190)를 통해 RFID 태그 (100A)와 관련된 ID와 함께 RFID 리더 (200)로 출력한다. RFID 리더 (200)는 EXT2가 범위 내에 있는지 여부를 확인하므로 EXT1의 값이 진실된 스트레인 측정을 나타내며, 믿을만하지만 틀린 값을 나타낸다. EXT2가 측정이 유효함을 나타내는 경우, EXT1은 RFID 리더 (200) 또는 시스템 감독 장치 (300)에 로컬로 저장되거나 기록된다. 타임 스탬프와 같은 주변 데이터 및 판독과 관련된 다른 정보가 또한 저장될 수 있다. 한편, EXT2의 값이 측정이 유효하지 않다는 것을 나타내면, 입력 쌍 EXT1, EXT2은 고의적인 삭제 또는 데이터의 덮어쓰기 허용에 의해 폐기될 수 있다.
RFID 리더 (200)가 활성화 신호의 출력을 중단하면, RFID 트랜스폰더 칩 (120)은 EXC상에서 그 활성화 신호를 중단한다. 결과적으로, 부스트 컨버터 (140), 레귤레이터 스위칭 유닛 (142) 및 레귤레이터 (150)는 모두 비활성화되어, 전하 저장 유닛 (130)으로부터 전하가 불필요하게 빼내지는 것을 방지한다. 한편, 전하 저장 유닛 (130)은 전하 저장 유닛 (130)이 완전히 재충전될 때까지 인터로게이션 신호로부터 하베스트된 에너지를 사용하여 백그라운드에서 계속 충전된다. 전하 저장 유닛 (130) 내에 저장된 하베스트된 에너지가 VCAP를 제1 임계값에 도달하게 하면, 전하 저장 유닛 (130)이 완전히 충전되기 전에 새로운 측정 사이클이 시작될 수 있다.
도 2a 내지도 2b를 참조하여 도시된 제2 실시예의 적용으로 되돌아가, 파이프 피팅 (12, 14, 16)에 관련하여 RFID 태그 (100A)의 작동이 이제 설명될 것이다. 구동 링 (14)의 설치동안, RFID 리더 (200)는 매 10분의 1초 또는 매초마다 같은 짧은 간격으로 다수의 샘플을 수집 할 수 있다. RFID 태그 (100A)의 에너지 하베스팅 능력은 짧은 간격으로 다수의 판독을 달성하기 위해 충분한 전하가 수집될 수 있게 한다. OBM의 수명에 걸쳐 유지 보수 점검을 수행 할 때, 예를 들어 유지 보수 점검을 위한 평균 측정을 생성하기 위해 1회 판독, 2회 판독 또는 수회 판독과 같은 더 적은 판독이 RFID 리더 (200)에 의해 수행될 수 있다.
요약하면, 스트레인 센서 (180A)는 RFID 태그 (100A)가 판독되는 동안에만 전력이 공급된다. 이것은 도 5에 도시된 센서 샘플 이벤트 동안에만 에너지 하베스터 회로를 활성화함으로써 에너지가 절약하는 효과를 갖는다. 상단 트레이스는 에너지 하베스팅 회로의 출력을 보여준다. 하단 트레이스는 측정 또는 센서 판독 수행을 위한 활성화 신호를 보여준다. 도 5의 시간축은 20 밀리초/구간이다. 단일 측정은 완료하는데 오직 4 내지 5 밀리초가 걸린다. 에너지 절약의 결과로 새로운 측정은 25 밀리초마다 수행될 수 있다. 도 2a 및 2b를 참조하여 설명된 파이프 피팅의 구동 링 (14)의 설치 동안과 같은 일부 적용에서 빈번한 측정이 유리할 수 있기 때문에, 이것은 도 4보다 큰 개선을 나타낸다.
스트레인을 모니터링할 수 있는 것 외에도, 본 명세서에 개시된 기술은 압력 변환기와 같은 많은 상이한 유형의 변환기, RTD (저항 온도 검출기)와 같은 매우 정확한 온도 센서, 서미스터(thermistor), 근접 센서, 습도 센서, 광 검출기(광전지) 등에 적용 가능할 수 있다. 이들 실시예에서, 스트레인 변환기는 회로 및 패키징에서 약간의 변화를 갖는 다른 변환기로 대체 될 수 있다.
설명된 실시예의 변형에서, 에너지 하베스팅 RFID 태그는 주로 RFID 태그가 연관된 빌딩, 구조물 또는 아이템 식별을 위해 사용되도록 에너지 하베스팅 RFID 태그는 센서 또는 변환기 없이 제공될 수 있다. 특정 RFID 태그는 긴 판독 범위를 갖지만, RFID 태그의 판독 범위는 예를 들어, 거리에 의해 또는 RFID 태그가 예로, 고무, 콘크리트 또는 목재에 의해 하나 이상의 면에 둘러싸여 있는 구조물에 내장된 경우 제한될 수 있다. 동작하기 위해, RFID 회로는 전형적으로 인터로게이터로부터 RF 에너지를 실시간으로 수신하고 소비하며, 리더로 신호를 다시 전송하기 위해 최소 에너지를 요구할 수 있다. 그러나, 인터로게이션 신호에 의해 제공된 에너지가 RFID 태그가 신호를 전송하기에 너무 낮더라도, RFID 태그는 여전히 인터로게이션 신호로부터 에너지를 하베스트할 수 있다. 이 경우, RFID 태그는 충분한 에너지가 저장될 때까지 수동적으로 에너지를 하베스트할 수 있으며, 이 시점에서 RFID 칩은 인터로게이션 신호에 응답하여 ID를 활성화하고 전송을 시작할 수 있다. 따라서, 에너지 하베스팅으로 인해, RFID 회로는 "거짓-배터리-보조(pseudo-battery-assisted)"장치로서 역할을 할 것이다 (즉, 배터리는 없지만, 하베스트되고 저장된 전하는 일시적으로 RFID 회로에 대한 배터리처럼 역할을 할 것이다).
이러한 방식으로, 에너지 하베스팅 RFID 태그는 예를 들어 "일반"(비에너지 하베스팅) RFID 태그가 응답을 전송하기에 RFID 리더의 인터로게이션 신호가 너무 약한 경우 일반적으로 RFID 리더의 범위를 벗어난 구조물 또는 물체를 식별하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 RFID 회로는 작동하기 위해 최소 2V가 필요하며 (즉, RF 신호로부터 얻어진 정류된 전압) RF 인터로게이션 신호로부터 얻어진 전압이 이 임계값보다 낮은 때 작동하지 않을 것이다. 그러나, 본 명세서에 기술 된 에너지 하베스팅 RFID 태그를 사용하여, RFID 태그가 응답을 전송할 수 있도록 RFID 회로에 승압되고 적용될 수 있는 충분한 에너지가 있을 때까지 에너지는 여전히 인터로게이션 신호로부터 하베스트될 수 있고 전하 저장 유닛 130에 저장될 수 있다 따라서, RFID 회로가 인터로게이터로부터 RF 에너지를 실시간으로 수신 및 소비하는 대신, RFID 회로가 활성화하기에 충분한 에너지를 하베스트하기 전에 몇 초 (예를 들어, 5-10 초 또는 이상)가 걸릴 수 있다. 예를 들어, RFID 태그의 거리 또는 내장된 위치로 인해, RF 신호로부터 얻어진 정류된 전압이 1.5 볼트이면, 이는 RFID 장치를 동작시키기 위한 최소 2 볼트 임계치 아래일 것이다. 그러나, 이 1.5 정류된 전압은 여전히 본 명세서에 기술된 회로에 의해 에너지 하베스트될 수 있고 전하 저장 유닛 (130)에 저장될 수 있다. 일단 충분한 양의 에너지가 하베스트되면, 저장된 1.5 정류된 전압은 2 볼트 (또는 다른 원하는 양)로 승압될 수 있고 그 때 신호 (식별 정보 포함)를 인터로게이터로 다시 전송할 수 있도록 RFID 회로로만 공급될 수 있다. 이 대안적인 시스템은 적어도 단락 [0048] 내지 [0062]에 기재된 것과 같이 본 명세서에 기재된 회로 및 특징에 의해 달성될 수 있는 것으로 고려된다. 이 방법을 사용하면 RFID 회로는 평상시처럼 작동하며 장거리 또는 작동을 방해할 수 있는 내장된 구조물에 의해 영향을 받지 않는다.
기술된 실시예의 다른 변형에서, 에너지 하베스팅은 RF 에너지 하베스팅 이외의 수단, 예를 들어 열 또는 진동 에너지 하베스팅 수단에 의해 달성 될 수 있다. 열 에너지 하베스팅에 기초한 변형된 실시예에서, 에너지 하베스팅은 열 구배 상에 장착된 열전 발전기 (TEG) 모듈 수단에 의해 달성될 수 있다. 진동 에너지 하베스팅에 기초한 변형된 실시예에서, 에너지 하베스팅은 예를 들어 진동에 반응하여 전하를 발생시키는 압전 구성요소을 포함하는 진동 에너지 하베스팅 모듈 수단에 의해 달성 될 수 있다. 이러한 경우에, 열전 발전기 또는 진동 에너지 하베스팅 모듈은 여기에 개시된 실시예들에 통합될 수 있으며, 하베스트된 에너지는 전하 저장 유닛 (130)에 입력된다.
에너지 하베스팅 RFID 회로 (110A)의 구성요소들은 바람직하게는 아날로그 구성요소들로 구현된다. 일반적으로 디지털 구성요소는 적절하게 구현될 때 아날로그 구성요소보다 상대적으로 더 많은 전력을 소비하므로 디지털 구성요소는 수동형 RFID 적용에서 고유의 저전력 요구 사항에 적합하지 않을 수 있다. 그러나, RFID 트랜스폰더 칩 (120)과 같은 회로의 일부는 회로 설계자의 재량에 따라 디지털 로직(digital logic)으로 부분적으로 구현될 수 있다. 유사하게, 부스터 스위칭 유닛 (132) 및/또는 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)과 같은 회로의 다른 구성 요소들은 이진 출력 (ON/OFF)을 생성할 수 있다. 구체적으로, 부스터 스위칭 유닛 (132) 및/또는 레귤레이터 스위칭 유닛 (142)은 출력이 ON 또는 OFF 인 것에 대응하여 그들의 각각의 출력 전압을 단지 2 개의 미리 정의된 레벨로 한정하는 트랜지스터로 구현될 수 있다.
본 발명은 전술한 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었다. 수정 및 변경은 이 명세서를 읽고 이해함에 따라 다른 사람에게 발생할 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 양상을 포함하는 실시예는 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 그러한 수정 및 변경 모두를 포함하도록 의도된다.

Claims (18)

  1. 에너지 하베스팅(energy harvesting) RFID 회로로서,
    인터로게이션(interrogation) 신호를 수신하는 안테나 리드;
    하베스트된 에너지를 수신하고 하베스트된 전압(harvested voltage)을 생성하는 전하 저장 유닛;
    상기 하베스트된 전압을 센서 출력 리드에 출력 전압으로서 공급되는 부스트된 전압으로 승압(boost)하는 부스트 컨버터;
    상기 부스트 컨버터를 활성화하기위한 부스터 스위칭 유닛 - 상기 부스터 스위칭 유닛은 상기 하베스트된 전압이 제1 임계값에 도달할 때까지 상기 부스트 컨버터를 활성화시키지 않음 - ; 및
    상기 출력 전압 및 측정될 물체의 감지된 값에 기초한 측정 입력을 수신하는 하나 이상의 센서 입력 리드를 포함하는
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  2. 제1 항에 있어서,
    RFID 트랜스폰더 칩(RFID transponder chip)을 더 포함하는
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 RFID 트랜스폰더 칩은 상기 인터로게이션 신호 내에서 인터로게이션 요청(interrogation request)을 수신하고 상기 부스터 스위칭 유닛에 공급되는 활성화 신호(activation signal)를 생성하고; 및
    상기 부스터 스위칭 유닛은 상기 부스터 스위칭 유닛이 상기 활성화 신호를 수신하고, 및 상기 하베스트된 전압이 상기 제1 임계 값에 도달할 때까지: 상기 부스트 컨버터를 활성화하지 않는
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 RFID 트랜스폰더 칩은 상기 측정 입력을 수신하고 이를 상기 안테나 리드를 통해 전송하는
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전하 저장 유닛에 의해 수신된 상기 하베스트된 에너지는 상기 인터로게이션 신호로부터 하베스트된 에너지, 열 에너지 하베스터로부터 하베스트된 에너지, 또는 진동 에너지 하베스터로부터 하베스트된 에너지인
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 RFID 트랜스폰더 칩은 상기 인터로게이션 신호로부터 하베스트된 에너지로부터 정류된 전압(rectified voltage)을 생성하고,
    상기 전하 저장 유닛은 상기 RFID 트랜스폰더 칩으로부터 상기 정류된 전압을 수신하고 상기 하베스트된 전압을 생성하기 위해 상기 정류된 전압을 이용하는
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 부스트된 전압을 스무스(smooth)하게 하고 상기 센서 출력 리드의 조정된 출력 전압(regulated output voltage)을 생성하는 레귤레이터에 상기 부스트된 전압이 통과되게 하는 제2 임계값에 상기 부스트된 전압이 도달하는 경우 닫힘으로써 반응하는 레귤레이터 스위칭 유닛을 더 포함하는
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서 입력 리드 상에 수신된 상기 측정 입력이 유효하다는 것을 나타내는 제어 신호를 생성함으로써 상기 레귤레이터 스위칭 유닛의 상기 닫힘에 반응하는 부스트 검출기를 더 포함하는
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 측정 입력 및 상기 측정 입력의 유효 여부를 나타내는 상기 제어 신호의 전류 값을 수신하고, 상기 측정 입력을 상기 제어 신호의 상기 전류 값과 함께 등록하는 RFID 트랜스폰더 칩을 더 포함하는
    에너지 하베스팅 RFID 회로.
  10. 제1 항의 에너지 하베스팅 회로를 포함하는 에너지 하베스팅 RFID 태그로,
    상기 인터로게이션 신호를 상기 안테나 리드에 제공하는 안테나; 및
    상기 측정될 물체에 결합되는 센서를 더 포함하고,
    상기 센서는 상기 에너지 하베스팅 RFID 회로의 상기 출력 전압을 수신하고 상기 측정 입력을 생성하는
    에너지 하베스팅 RFID 태그.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 센서는 스트레인(strain) 센서인
    에너지 하베스팅 RFID 태그.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 측정될 물체는 파이프 피팅(pipe fitting)인
    에너지 하베스팅 RFID 태그.
  13. 물체를 모니터링하는 방법으로서,
    RFID 태그의 안테나를 이용하여 RFID 리더로부터 인터로게이션 신호 수신하는 단계;
    상기 인터로게이션 신호에 의해 유도된 전류로부터 생성된 유도 전압을 공급 사이드 전압(supply side voltage)으로 변환하는 단계;
    상기 공급 사이드 전압을 전하 저장 유닛에 입력하는 단계; 및
    상기 전하 저장 유닛으로부터의 전하를 제1 임계값과 비교하고,
    상기 전하 저장 유닛으로부터의 상기 전하가 상기 제1 임계값을 초과하는 경우에만:
    부스트된 전압을 생성하기 위해 부스트 컨버터 활성화하는 단계;
    상기 부스트된 전압 및 측정될 물체의 감지된 값으로부터 센서 판독(sensor reading)을 획득하기 위해 상기 부스트된 전압을 센서에 제공하는 단계; 및
    상기 센서 판독을 상기 안테나로부터 상기 RFID 리더로 전송하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 인터로게이션 신호 내에 수신된 인터로게이션 요청에 응답하여 활성화 신호를 생성하는 단계; 및
    하기의 조건이 모두 충족되는 경우에만 상기 부스트된 전압을 생성하기 위해 상기 부스트 컨버터를 선택적으로 활성화하는 단계; - 상기 전하 저장 유닛으로부터의 상기 전하가 상기 제1 임계값을 초과함; 및 상기 활성화 신호가 수신됨 -
    를 더 포함하는 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 부스트된 전압이 제2 임계값에 도달하는 경우 조정된 출력 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 조정된 전압 및 상기 감지된 값으로부터 상기 센서 판독 및 상기 측정될 물체를 얻기 위해 상기 조정된 전압을 상기 센서에 제공하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 조정된 출력 전압이 상기 센서에 제공되는 경우 상기 센서 판독이 유효함을 나타내는 제어 신호를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 감지된 값은 상기 측정될 물체의 스트레인인 방법.
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 측정될 물체는 파이프 피팅인 방법.
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