KR20110078905A - 무전원 기동 센서 노드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 별도의 배터리를 구비하지 않고도 동작이 가능한 무전원 기동 센서 노드에 관한 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 센서 노드는, 주위 환경 정보를 센싱하기 위한 센서와, 외부와의 통신을 위한 송수신기 및 센서 노드의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러로 구성된 동작부; 주위 환경으로부터 에너지를 획득하여 전기 에너지를 생성하는 스캐빈저; 및 상기 스캐빈저로부터 생성된 전기 에너지를 인가받아 충전되며, 충전된 전기 에너지가 소정 기준 이상일 경우, 충전된 전기 에너지를 상기 동작부에 공급하는 커패시터;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 센서 노드가, 수집되는 주위 환경에너지를 커패시터에 임시 저장한 후, 저장되는 시간에 따라 주기적으로 센싱 기능을 수행하므로, 배터리와 같은 별도의 전원 저장수단 없이도 반영구적인 사용이 가능하다.
무선 센서 네트워크, 스캐빈징, 무전원, 커패시터, 슈미트 트리거

Description

무전원 기동 센서 노드{Powerless sensor node}
본 발명은 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 별도의 배터리를 구비하지 않고도 동작이 가능한 무전원 기동 센서 노드에 관한 것이다.
최근 유비쿼터스 기술에 대한 관심이 집중되면서, 이의 근간이 되고 있는 무선 센서 네트워크(WSN : Wireless Sensor network) 기술이 점차 발전하고 있다.
무선 센서 네트워크란, 흔히 USN(Ubiquitos Sensor Network : 유비쿼터스 센서 네트워크)로도 불리우는 것으로, 소정의 정보를 센싱하기 위한 센서와, 센싱된 정보를 가공할 수 있는 프로세서 및 이를 전송할 수 있는 무선 송수신기를 갖춘 다수의 소형장치, 즉, 센서 노드로 구성된 네트워크를 의미한다.
이와 같은 센서 네트워크는 기존의 네트워크와 다르게 의사소통의 수단이 아니라 군사나 물류, 의료 등의 다양한 목적을 위해 주위환경에 대한 정보를 수집하는 데 이용된다.
예를 들어, 센서 네트워크는 사람의 접근이 용이하지 않은 위치에 구비되어, 구비된 위치의 온도나 습도 등을 센싱함으로써, 주위 환경 상황을 보고하는 데 인 력이 일일이 동원되는 어려움을 해결할 수 있으며, u-Health Care 서비스와 같이 환자의 주변에 센서 노드를 설치함으로써 외부에서 환자의 상황을 주기적으로 모니터링할 수 있도록 하는 등과 같이 무궁무진한 활용 가능성을 갖는 기술이라 할 수 있다.
이러한 무선 센서 네트워크는 무선이라는 특성에 따라 센서 노드는 전원을 유선으로 공급받지 않고, 배터리를 이용하게 되는 것이 통상적인데, 소모성의 일회용 배터리를 이용할 경우, 센서 노드의 수가 증가할수록 배터리의 잔존 전원을 체크하고 소모된 배터리를 교환하는데 엄청난 시간과 인력이 낭비된다.
한편, 이러한 문제를 해결하기 위하여 근래에는 일회용 배터리를 이용하는 대신, 센서 노드 자체에 주위의 환경 에너지를 획득하여 전기 에너지를 공급하는 방법이 대두되고 있다.
즉, 사람 또는 사물의 움직임으로부터 발생하는 진동이나 압력, 지표면이나 사물로부터 발생하는 열, 그리고 태양광 등과 같이 통상적으로 사용되지 않던 환경에너지를 에너지원으로 하여, μW 또는 mW급의 에너지를 수집함으로써 센서 노드에 전원을 공급하는 것이다.
도 1에는 앞서 설명한 바와 같이 화학배터리를 이용하여 센서 노드의 전원을 공급하는 종래의 기술 중 하나인 국내 등록특허 제 0771708호가 개시되어 있다.
도 1에 개시된 바와 같이, 종래의 기술에 따르면, 센서 노드(60)는 RFID 태그(70)와 센서(80)로 구성된다.
또한, RFID 태그(70)에는 충전 배터리(74)로부터의 전원을 동작 가능 전원으 로 변환하는 파워 컨버터(72)와, 충전 노드(50)로부터 공급되는 충전 전력을 인가받아 충전하는 충전 배터리(74), 안테나(78)를 통한 특정 정보의 송수신 상태를 제어하고, 센서부(80)를 통한 센싱 상태를 제어하는 컨트롤러(76), 충전 노드(50)로부터 전송되는 RF 충전신호를 수신받는 안테나(78) 및, 안테나(78)를 통해 수신되는 RF 충전 전력을 충전 배터리(74)에 충전시키기 위한 동작을 수행하는 충전기(79)로 구성된다.
이러한 구성을 갖는 종래 기술은, 충전 노드(50)로부터 발신되는 RF신호를 에너지원으로 동작하는 것으로서, 충전 노드(50)로부터 전달되는 RF 충전 전력이 안테나(78)를 통해 수신되면, 충전기(79)는 이 RF 충전 전력을 배터리(74)에 저장하여 센서 노드(60)의 동작을 위한 전원으로 활용한다.
그러나, 이와 같은 종래의 기술은 문제점을 내포하고 있는데, 센서 노드의 동작을 위한 전원 저장수단으로 화학배터리를 이용하는 것이다.
기존에 널리 이용되고 있는 화학 배터리의 경우 충/방전에 의한 수명이 짧아 반영구적인 시스템 기동을 위한 근본적인 해결책이 될 수는 없다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 화학 배터리와 같은 별도의 전원 저장 수단을 이용하지 않고도 기동이 가능한 무전원 기동 센서 노드를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 센서 노드는, 주위 환경 정보를 센싱하기 위한 센서와, 외부와의 통신을 위한 송수신기 및 센서 노드의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러로 구성된 동작부; 주위 환경으로부터 에너지를 획득하여 전기 에너지를 생성하는 스캐빈저; 및 상기 스캐빈저로부터 생성된 전기 에너지를 인가받아 충전되며, 충전된 전기 에너지가 소정 기준 이상일 경우, 충전된 전기 에너지를 상기 동작부에 공급하는 커패시터;를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 커패시터로부터 상기 동작부로 공급되는 전기 에너지를 안정화시키기 위한 전원안정화부;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전원안정화부는, 상기 커패시터로부터 시간에 따라 변화하며(時變), 상기 동작부로 공급되는 전기 에너지의 전압을, 낮은 트리거 전압(LTP) 또 는 높은 트리거 전압(UTP) 중 하나의 전압으로 안정화시키는 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명은 상기 전원안정화부의 출력 측에, 상기 동작부로 공급되는 전기 에너지를 단속하기 위한 전원관리부;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 전원관리부는, 상기 전원안정화부를 통해 상기 높은 트리거 전압 상태의 전기 에너지가 입력될 경우, 상기 동작부로 전기 에너지를 인가하는 것이 바람직하다.
덧붙여, 상기 컨트롤러는, 상기 센서를 통해 센싱된 상기 주위 환경 정보가 상기 송수신기를 통해 외부로 송신되면, 상기 전원관리부로 동작완료 보고를 위한 피드백신호를 출력하며, 상기 전원관리부는, 상기 피드백 신호가 입력될 경우, 상기 동작부로 인가되는 전기 에너지를 차단하는 것이 더욱 바람직하다.
이와 더불어 본 발명은 상기 구동부의 동작 신뢰성을 향상시키기 위해, 상기 전원관리부를 통해 상기 동작부로 인가되는 전기 에너지의 전압을 일정범위 이내로 유지시키는 레귤레이터를 더 포함하는 것이 가능하다.
이때, 상기 레귤레이터는, LDO(Low Dropout Voltage) 레귤레이터인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 센서 노드가, 수집되는 주위 환경에너지를 커패시터에 임시 저장한 후, 저장되는 시간에 따라 주기적으로 센싱 기능을 수행하므로, 배터리와 같은 별도의 전원 저장수단 없이도 반영구적인 사용이 가능하다.
또한, 슈미트 트리거를 이용하여 주요 구성에 전원을 공급하도록 함으로써, 전압의 크기에 큰 영향 없이 센싱 및 정보전송의 안정적인 동작이 가능한 장점이 있다.
나아가, 센싱 데이터의 전송이 완료된 후, 주요 구성으로의 전원 공급을 차단하도록 함으로써 전원 낭비를 줄이고 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무전원 기동 센서 노드를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무전원 기동 센서 노드의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무전원 기동 센서 노드(100)는 스캐빈저(110)와 커패시터(130) 및 동작부(170)를 포함하여 이루어진다.
스캐빈저(110)는 주위의 환경 에너지를 수집하여 이를 전기 에너지로 변환하는 것으로, 진동이나 열, 빛 등을 주요 에너지원으로 한다.
이러한 스캐빈저의 에너지 변환 원리나 자세한 구조는 이미 공지된 것이므로, 여기에서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
커패시터(130)는 스캐빈저(110)에서 출력되는 전기 에너지를 인가받아 충전되며, 충전이 완료될 경우, 이후에 설명될 동작부(170)의 구동을 위해 충전된 전기 에너지를 방전시킨다.
이때, 스캐빈저(110)에서 출력되는 전기 에너지는 컨트롤러(171)와 센서(172) 및 송수신기(173)를 포함한 동작부(170)를 구동시키기에는 전압 수준이 낮으므로, 충분한 전압을 생성할 수 있도록 커패시터(130)에 전기 에너지를 임시 축적하게 된다.
덧붙여, 무선 센서 네트워크에서는, 통상적으로 모든 센서 노드의 센싱 데이터가 실시간으로 전송되지 않고, 주기적으로 센싱 데이터를 전송하게 되는데, 본 발명에서는 커패시터(130)에 임시 저장된 전기 에너지가 방전될 경우에만 센서 노드가 동작하도록 하므로, 커패시터(130)의 용량에 따라 센서 노드의 동작 주기를 달리할 수 있다.
한편, 스캐빈저(110)는 통상적으로, 교류 출력을 갖게 되므로, 커패시터(130)에 전기 에너지를 충전시키기 위해서는 스캐빈저(110)의 출력단에는 정류기(120)가 구비되는 것이 바람직하다.
동작부(170)는 센서 노드의 본 기능인 환경 데이터 센싱과 센싱 데이터 전송 을 수행하기 위한 것으로, 커패시터(130)로부터 방전되는 전기 에너지에 의해 동작하게 된다.
좀 더 자세하게는, 동작부(170)는 도 2에 도시된 바와 같이 센서 노드의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러(171), 주위 환경 정보를 센싱하기 위한 센서(172) 및 외부와의 통신을 위한 송수신기(173) 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 커패시터(130)에 저장되었던 전기 에너지가 안정화되어 동작부(170)로 인가되도록 하기 위해, 커패시터(130)의 출력단 측에 전원안정화부(140)를 더 포함할 수 있다.
자세히 설명하면 전원안정화부(140)는, 커패시터(130)에서 방전되는 전기에너지를 낮은 트리거 전압(LTP) 또는 높은 트리거 전압(UTP)의 두 가지 상태 중 어느 하나로 안정화시킨다.
도 3에는 이와 같은 전원안정화부(140)로 이용될 수 있는 슈미트 트리거(Schmidt trigger)의 회로도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 구조에 따라 슈미트 트리거는 비반전 입력에 대한 양의 피드백으로 인해, 출력은 양이나 음의 방향에 관계없이 포화된다.
도 4에는 이러한 슈미트 트리거의 입출력파형(A, B)이 도시되어 있다. 도 4에 따르면 커패시터(130)가 충/방전됨에 따라 슈미트 트리거로 입력되는 전기 에너지는 시간에 따라 변화하며 톱니파 형상을 갖는데, 이러한 전압의 선형적인 변화는 동작부(170)의 안정적인 구동에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
예를 들어, 송수신기(173)가 센싱 데이터를 외부로 송신하는 도중 전압이 낮 아지면 송신도중 신호의 세기가 약해져 데이터가 올바로 수신되지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 미연에 방지할 수 있도록, 본 발명에서는 슈미트 트리거를 이용하여 도 3의 'B'와 같이 낮은 트리거 전압(LTP)과 높은 트리거 전압(UTP)의 안정된 두 가지 상태의 출력을 갖는 구형파의 출력을 나타낸다.
이로 인해 동작부(170)는 높은 트리거 전압(UTP) 구간에서 지속적인 전압을 인가받을 수 있으므로 높은 트리거 전압(UTP) 구간 동안 안정적인 구동이 보장된다.
더 나아가 본 발명에서는 전원안정화부(140)의 출력단 측에 전원관리부(150)를 더 포함할 수 있는데, 이러한, 전원관리부(150)는, 동작부(170)로 공급되는 전기 에너지를 단속하기 위한 것으로, 좀 더 자세히 설명하면, 전원안정화부(140)를 통해 높은 트리거 전압 상태(UTP)의 전기 에너지가 입력될 경우, 동작부(170)로 전기 에너지를 인가한다.
이러한 구성을 통해 본 발명은 구동부(170)의 구동이 불가능한 낮은 트리거 전압 상태의 전기에너지(LTP)가 공급되는 것을 방지하여 전기 에너지의 낭비를 좀 더 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 전원관리부(150)는 동작부(170)로의 전기 에너지 공급을 단속함에 있어서, 동작부(170)의 동작완료에 따라, 동작부(170)로의 전기 에너지 공급을 차단할 수 있는데, 이를 위해서는 컨트롤러(171)로부터의 피드백이 필요하다.
좀 더 자세히 설명하면, 다음과 같다.
우선, 컨트롤러(171)는, 전기 에너지를 공급받아 기동되면 센서(172)를 통해 주위 환경 정보를 센싱하도록 한다.
그리고 나서, 컨트롤러(171)는 센서(172)를 통해 센싱된 센싱 데이터를 송수신기(173)로 전달하여 센싱 데이터가 외부로 전송되도록 한다.
이렇게 센싱 데이터의 전송이 완료될 경우, 동작부(170)는 전원이 소진될 때까지 대기 상태에 놓이면서 에너지를 낭비하게 된다.
본 발명에서는 이러한 에너지의 낭비를 막기 위해, 컨트롤러(171)는 센서(172)를 통해 센싱된 상기 주위 환경 정보가 송수신기(173)를 통해 외부로 송신될 경우 전원 관리부(150) 측으로 동작완료 보고를 위한 피드백신호를 출력한다.
여기서 피드백 신호란, 앞서 컨트롤러가, 동작부(170)의 동작이 완료되었음을 전원관리부(150)에 보고하기 위한 것으로, 전압신호로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 피드백 신호를 이용한 전원 관리 원리를 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 전원관리부(150)는 바람직하게 SR래치(SR Latch)로 구현될 수 있는데, SR 래치의 동작 진리는 다음 표와 같다.
입력 출력
S(전원안정화부의 출력) R(피드백신호) Q
0 0 Q(변화없음)
0 1 0
1 0 1
1 1 사용금지
즉, 전원안정화부(140)로부터 높은 트리거 전압(상기 표의 S가 1일 경우)이 입력될 경우에는 동작부(170)로 전기에너지를 출력하는데(Q=1에 해당), 이때 피드백신호가 같이 입력되면(상기 표의 S와 R이 모두 1일 경우에 해당), 동작부(170)로출력되는 전기 에너지를 차단하는 것이다.
이러한 구성에 의해, 본 발명은 센싱 데이터의 전송이 완료된 후, 주요 구성으로의 전원 공급을 차단하도록 함으로써 전원 낭비를 줄이고 효율적으로 이용할 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에서는 전원관리부(150)에서 출력되는 전기 에너지가 동작부(170)로 인가되기 이전에 이를 일정범위 이내로 유지시키기 위한 레귤레이터(160)가 구비될 수 있다.
이러한 레귤레이터(160)는 전원관리부(150)에서 출력되는 전기 에너지의 전압이 온도나 습도 등의 요인에 의해 일정범위 이상 변하는 것을 방지함으로써 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 전원관리부(150)에서 출력되는 전기 에너지가 3V 일 경우, 2.75V 내지 3.25V 이내의 출력 전압을 갖게 할 수 있다.
이때, 레귤레이터(160)의 방지범위가 본 발명을 실시하고자 하는 이는 의도에 따라 얼마든지 변경될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명에서 이용되는 레귤레이터는 LDO(Low Dropout Voltage) 레귤레이터가 이용되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 일반적인 COMMON COLLECTOR 방식의 레귤레이터는 전압이득 없이 전류이득만 존재하며, BASE전압에 대해 EMITER 출력전압은 0.7~0.8V 낮아지게 되며, 다일링턴 방식의 경우라면 2V 정도 전압이 낮아지게 되어 입력전압이 출력전압보다 적어도 2~3V 높아야 하는 문제점이 있었다.
전압을 더 상승시키기 위해서는 별도의 회로가 더 필요하므로 센서 노드의 크기가 커질 뿐만 아니라, 전기 에너지의 소모가 발생할 수 있으므로 본 발명에서는 이러한 문제점이 발생하지 않도록, 드롭 아웃전압이 낮은 LDO 레귤레이터를 이용한다.
LDO 레귤레이터의 원리 자체는 이미 상용화된 공지의 것이므로, 더 이상의 자세한 설명은 생략하도록 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무전원 기동 센서 노드의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 슈미트 트리거의 상세 회로도,
도 3은 도 2에 도시된 슈미트 트리거의 입출력 파형을 도시한 예시도이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 스캐빈저 120 : 정류기
130 : 커패시터 140 : 슈미트 트리거
150 : SR 래치 160 : LDO 레귤레이터
170 : 동작부 171 : 컨트롤러
172 : 센서 173 : 송수신기

Claims (8)

  1. 주위 환경 정보를 센싱하기 위한 센서와, 외부와의 통신을 위한 송수신기 및 센서 노드의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러로 구성된 동작부;
    주위 환경으로부터 에너지를 획득하여 전기 에너지를 생성하는 스캐빈저; 및
    상기 스캐빈저로부터 생성된 전기 에너지를 인가받아 충전되며, 충전된 전기 에너지가 소정 기준 이상일 경우, 충전된 전기 에너지를 상기 동작부에 공급하는 커패시터;
    를 포함하는 무전원 기동 센서 노드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 커패시터로부터 상기 동작부로 공급되는 전기 에너지를 안정화시키기 위한 전원안정화부;
    를 더 포함하는 무전원 기동 센서 노드.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전원안정화부는,
    상기 커패시터로부터 시간에 따라 변화하며(時變), 상기 동작부로 공급되는 전기 에너지의 전압을, 낮은 트리거 전압(LTP) 또는 높은 트리거 전압(UTP) 중 하 나의 전압으로 안정화시키는 것을 특징으로 하는 무전원 기동 센서 노드.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 전원안정화부의 출력측에,
    상기 동작부로 공급되는 전기 에너지를 단속하기 위한 전원관리부;
    를 더 포함하는 무전원 기동 센서 노드.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 전원관리부는,
    상기 전원안정화부를 통해 상기 높은 트리거 전압 상태의 전기 에너지가 입력될 경우, 상기 동작부로 전기 에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 무전원 기동 센서 노드.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 센서를 통해 센싱된 상기 주위 환경 정보가 상기 송수신기를 통해 외부로 송신되면, 상기 전원관리부로 동작완료 보고를 위한 피드백신호를 출력하며,
    상기 전원관리부는,
    상기 피드백 신호가 입력될 경우, 상기 동작부로 인가되는 전기 에너지를 차단하는 것을 특징으로 하는 무전원 기동 센서 노드.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 구동부의 동작 신뢰성을 향상시키기 위해, 상기 전원관리부를 통해 상기 동작부로 인가되는 전기 에너지의 전압을 일정범위 이내로 유지시키는 레귤레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무전원 기동 센서 노드.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 레귤레이터는,
    LDO(Low Dropout Voltage) 레귤레이터인 것을 특징으로 하는 무전원 기동 센서 노드.
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