KR20170101756A - 무선 신호 하베스팅 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

무선 신호 하베스팅 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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안현석
임승옥
임용석
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Abstract

본 발명은 무선 신호 하베스팅 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것으로서, 생활 주변에 존재하는 복수의 주파수 대역의 무선신호를 복수의 안테나를 이용하여, 각 대역 별로 수집하여 직류 전압으로 변환 후, 합산함으로써, 모바일 기기 및 소형 IoT 센서의 전원으로 사용함에 따라 전원 동작 시간을 기존보다 증가시킬 수 있고, 배터리 교체 주기를 감소시킬 수 있다.

Description

무선 신호 하베스팅 방법 및 이를 위한 장치{RF Harvesting Method and Apparatus therefor}
본 발명은 무선 신호 하베스팅 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 신호 하베스팅 장치가 와이파이 무선 신호 채널의 주파수 대역 별로 할당된 주파수 신호를 수집하는 복수의 안테나를 이용하여 주변의 와이파이 무선 신호를 수집하고, 상기 수집한 무선 신호를 직류 전압으로 변환하여 고효율로 전력을 수집할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시 예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
사물인터넷(IoT) 기술은 인터넷 혁명의 뒤를 잇는 차세대 혁명으로 일컬어지며, 이와 함께 최근 IoT 디바이스 시장은 급격하게 성장하는 중이다.
이러한 IoT 기술은 크게 센서, 통신, 신호처리 모듈 등으로 나눌 수 있는데, 타겟 서비스나 적용 기술에 따라서 그 구성이 달라질 수 있다.
한편, IoT 센서는 다양한 장소 및 위치에 설치되어 주변 환경 모니터링 및 제어 서비스를 해야 하는데, 원활한 전원 공급이 어려울 수 있는 환경에서는 전원 공급에 의한 제약이 발생할 수 있다.
이러한 제약을 해소하기 위하여, IoT 디바이스의 전원 공급 문제를 배터리를 이용하여 해결하려고 하고 있으나, 배터리를 이용한다 하더라도 배터리 수명의 한계가 있기 때문에 주기적으로 교체해주야 한다는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2015-0078401호 (명칭: 압전 하베스팅 시스템, 공개일: 2015.07.08)
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 생활 주변의 Wi-Fi 무선 신호를 이용해서 무선 전력을 수집하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
구체적으로 무선 신호 하베스팅 장치에 설치된 복수의 안테나가 각각 안테나 별로 할당된 와이파이 무선 신호의 주파수 대역에 부합하는 무선 신호를 각각 수집하고, 이를 직류 전압으로 변환하여, 결합함으로써, 하베스팅 기술의 효율을 높이는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 신호 하베스팅 장치는 각각 할당된 주파수 대역의 주파수 신호를 수집하는 복수의 안테나부, 상기 복수의 안테나부 각각에 연결되어, 상기 수집된 주파수 신호를 직류 전압으로 변환하는 복수의 직류 변환부, 상기 복수의 직류 변환부에서 변환된 복수의 직류 전압을 전달받아 하나의 직류 전압으로 결합하는 직류 결합부 및 상기 결합된 직류 전압을 기반으로 생성된 전력을 저장하는 전력 저장부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 복수의 안테나부는 상기 복수의 안테나부 주변의 주파수 신호를 수집하는 복수의 안테나 및 상기 복수의 안테나 각각에 연결되어, 상기 수집된 주파수 신호를 할당된 주파수 대역으로 필터링 하여 상기 필터링된 주파수 신호를 각각 연결된 복수의 직류 변환부에 전달하는 복수의 필터를 포함할 수 있고, 상기 직류 결합부에서 결합된 하나의 직류 전압을 통해 생성할 수 있는 최대 전력값을 산출하고, 상기 최대 전력값에 대응하는 직류 전압값을 추적하는 최대 전력 추적 제어부를 더 포함하고, 상기 직류 결합부는 상기 최대 전력 추적 제어부에서 추적한 직류 전압값에 대응하는 직류 전압이 생성되도록 상기 복수의 직류 변환부에서 변환한 적어도 하나의 직류 전압을 선택적으로 결합할 수 있으며, 상기 최대 전력 추적 제어부에서 추적된 직류 전압값에 따라, 상기 직류 결합부에서 생성된 직류 전압이 상기 전력 저장부에 저장될 수 있도록 제어하는 전력 관리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 안테나부는 Wi-Fi 채널 별로 주파수 대역이 할당되어, 각각 할당된 Wi-Fi 채널에 해당하는 Wi-Fi 신호를 수집할 수 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 무선 신호 하베스팅 방법은 무선 신호 하베스팅 장치가 복수의 안테나 각각에 할당된 주파수 대역의 주파수 신호를 수집하는 단계, 주파수 대역 별로 수집한 상기 주파수 신호를 각각 직류 전압으로 변환하는 단계 및 상기 변환된 복수의 직류 전압을 하나의 직류 전압으로 결합하여 직류 전력을 생성하여 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 수집하는 단계는 상기 복수의 안테나 주변의 주파수 신호를 수집하는 단계 및 상기 수집된 주파수 신호를 각각 할당된 주파수 대역으로 필터링하는 단계를 포함하고, 상기 변환하는 단계는 상기 필터링한 주파수 신호를 각각 직류 전압으로 변환할 수 있고, 상기 수집하는 단계는 Wi-Fi 채널 별로 상기 복수의 안테나 각각에 주파수 대역이 할당되어, 각각 할당된 Wi-Fi 채널에 해당하는 Wi-Fi 신호를 상기 복수의 안테나가 수집할 수 있다.
본 발명에 따르면, 생활 주변에 존재하는 복수의 주파수 대역의 무선신호를 복수의 안테나를 이용하여, 각 대역 별로 수집하여 직류 전압으로 변환 후, 합산함으로써, 모바일 기기 및 소형 IoT 센서의 전원으로 사용함에 따라 전원 동작 시간을 기존보다 증가시킬 수 있고, 배터리 교체 주기를 감소시킬 수 있다.
아울러, 상술한 효과 이외의 다양한 효과들이 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 무선 신호 하베스팅 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도2는 본 발명에 따른 무선 신호 하베스팅 장치의 구성 중, 안테나 부의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 신호 하베스팅 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 과제 해결 수단의 특징 및 이점을 보다 명확히 하기 위하여, 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 특정 실시 예를 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하의 설명 및 도면에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
이하의 설명 및 특허청구범위에서 본 발명에 따른 무선 신호 하베스팅 장치는 주변의 Wi-Fi 신호를 활용하여 무선 전력을 수집하는 것을 가정하고 설명한다.
이 때, Wi-Fi 신호의 주파수 대역은 2.4Ghz~5Ghz 일 수 있다.
다만, 본 발명의 무선 신호 하베스팅 방법이 Wi-Fi 신호 및 상기 설명된 주파수 대역에 한정되는 것은 아니며, 복수의 주파수 대역을 활용하여 무선 신호를 송출할 수 있는 무선 통신 방식이라면, 어떠한 방식을 사용하더라도 본 발명의 무선신호 하베스팅 장치를 적용할 수 있다.
그러면 이제, 본 발명에 따른 무선 신호 하베스팅 장치에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도1 내지 도2는 본 발명에 따른 무선 신호 하베스팅 장치의 주요 구성을 나타내는 도면이다.
우선, 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 신호 하베스팅 장치는 복수의 안테나부(100), 복수의 직류 변환부(200), 직류 결합부(300), 최대 전력 추적 제어부(400), 전력 관리부(500) 및 전력 저장부(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
복수의 안테나부(100)는 복수의 안테나부(100)에 포함되는 복수의 안테나 각각에 할당된 주파수 대역의 주파수 신호를 수집하여, 상기 수집된 주파수 신호를 복수의 직류 변환부(200)로 전달한다.
이때, 복수의 안테나부(100)에 포함된 복수의 안테나 각각에 할당되는 주파수 대역은 Wi-Fi 채널 별로 할당될 수 있고, 이렇게 할당된 Wi-Fi 채널의 무선 신호를 수집하여, 직류 변환부(200)로 전달할 수 있다.
Wi-Fi 무선 신호는 2.4Ghz 주파수 영역에서 13개의 채널과 5Ghz 주파수 영역에서 28개의 채널을 통해 무선 신호를 송수신하는데, 이때, 기존의 무선 신호 하베스팅 장치와 같이, 하나의 주파수로만 Wi-Fi 무선 신호를 수집하게 되는 경우, 무선 신호 수집 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
즉, 넓은 대역의 주파수 신호를 수집하는 안테나, 즉, 다수의 채널 영역의 주파수 신호를 수집하는 안테나를 통해 하베스팅 장치를 구현하는 경우, 수집하는 에너지 효율이 떨어지게 되며, 좁은 대역의 주파수 신호를 수집하는 안테나, 즉, 1~2개 정도의 채널의 주파수 신호를 수집하는 안테나를 통해 하베스팅 장치를 구현하는 경우, 수집하는 에너지의 효율은 높지만, 결과적으로 수집되는 에너지의 총량은 많지 않은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명에서는 각 채널 별 무선신호를 각각 수집하는 안테나를 복수개 사용하여, 수집되는 무선신호 에너지의 총량도 높이면서, 에너지 효율도 높일 수 있는 방안을 제안하고자 하는 것이다.
이러한 본원 발명의 기술적 특징을 구현하기 위해, 복수의 안테나부(100)와 이러한 복수의 안테나부(100) 각각에 연결된 복수의 직류 변환부(200)의 상세한 구조에 대하여 도2를 통해서 살펴보도록 한다.
도2를 살펴보면, 복수의 안테나부(100)는 복수의 안테나부(100) 주변의 주파수 신호를 수집하는 복수의 안테나(110) 및 복수의 안테나 각각에 연결되어, 상기 복수의 안테나(110)가 수집한 주파수 신호를 할당된 주파수 대역으로 필터링하고, 상기 필터링된 주파수 신호를 각각 연결된 직류 변환부(200)에 전달하는 복수의 필터(130)로 구성될 수 있다.
즉, 복수의 필터(130) 각각에 연결된 안테나(110)들은 안테나(100) 주변에 존재하는 주파수 신호를 수집하여, 복수의 필터(130)로 전송하고, 복수의 필터(130)는 각각 할당된 대역에 따라 주파수 신호를 필터링하는데, 예를 들어, 제1 필터는 1번 채널인 2.412Ghz 대역의 주파수 신호를 필터링하고, 제2 필터는 2번 채널인 2.417Ghz 대역의 주파수 신호를 필터링하며, 제n필터는 48번 채널인 5.240Ghz 대역의 주파수 신호를 필터링하도록 필터의 필터링 주파수 대역을 할당할 수 있다.
복수의 필터(130)에서 할당된 주파수 대역에 부합하게 필터링된 무선 신호는 복수의 필터(130) 각각에 연결된 직류 변환부(200)에 전달된다.
이때, 복수의 필터(130)는 EMC 필터일 수 있다.
다시 도1을 보면, 상기 복수의 안테나부(100)로부터 주파수 신호를 전달 받은 복수의 직류 변환부(200)는 각각 전달받은 주파수 신호를 직류 전압으로 변환하고, 상기 각각의 직류 변환부(200)에서 변환된 직류 전압은 직류 결합부(300)로 전달된다.
직류 결합부(300)는 복수의 직류 변환부(200)에서 변환된 직류 전압을 하나의 직류 전압으로 결합하고, 이렇게 결합된 직류 전압을 기반으로 생성된 전력을 전력 저장부(600)에 저장한다.
이때, 직류 결합부(300)와 전력 저장부(600) 사이에는 최대전력 추적 제어부(400)와 전력 관리부(500)가 포함될 수 있는데, 최대 전력 추적 제어부(400)는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 회로로서, 직류 결합부(300)에서 결합된 하나의 직류 접압을 통해 생성할 수 있는 최대 전력값을 산출하고, 상기 최대 전력값에 대응하는 직류 전압값을 추적한다.
이후, 직류 결합부(300)는 최대 전력 추적 제어부(400)에서 추적한 직류 전압값을 피드백 받아, 상기 추적한 직류 전압값에 대응하는 직류 전압이 생성되도록 복수의 직류 변환부(200)에서 변환된 적어도 하나의 직류 전압을 선택적으로 결합하게 된다.
전력 관리부(500)는 상기 최대 전력 추적 제어부(400)에서 추적한 결과에 따라, 직류 결합부(300)에서 생성된 직류 전압이 전력 저장부(600)에 저장될 수 있도록 제어한다.
이상으로 본 발명에 따른 무선 신호 하베스팅 장치의 구성에 대해서 설명하였다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 신호 하베스팅 장치의 동작과정에 대해서 설명하도록 한다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 신호 하베스팅 장치의 동작과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도3을 참조하면, 무선 신호 하베스팅 장치의 복수의 안테나(110)는 무선 신호 하베스팅 장치 주변에 존재하는 주파수 신호를 복수의 안테나(110) 각각에 할당된 주파수 대역 별로 수집한다.
즉, 복수의 안테나(110)가 복수의 안테나(110) 주변의 주파수 신호를 수집하면(S101), 이를 각각의 안테나(110)에 연결된 복수의 필터(130)로 전달하고, 복수의 필터(130)는 각각의 필터에 할당된 주파수 대역에 맞춰, 수집된 주파수 신호를 필터링한다(S103).
한편, 상기 복수의 안테나(110)가 수집하는 주파수 신호는 Wi-Fi 신호일 수 있으며, 복수의 필터(130)가 필터링하기 위해 할당된 대역은 Wi-Fi 채널 별로 각 채널에 대응하는 주파수 대역을 할당하여, 각각 할당된 Wi-Fi 채널에 해당하는 Wi-Fi 신호를 수집하고 필터링할 수 있다.
각 필터에서 필터링된 주파수 신호를 각각 직류 전압으로 변환 시킨 후(S105), 변환된 복수의 직류 전압을 하나의 직류 전압으로 결합하여 직류 전력을 생성하여 저장한다(S107~S109).
이때, 상술한 것과 같이, 최대 전력을 생성할 수 있는 직류 전압값을 산출하여, 상기 산출된 직류 전압값에 따라, 복수의 직류 전압을 선택적으로 결합하고, 상기 선택적으로 결합된 복수의 직류 전압을 기반으로 직류 전력을 생성하고, 저장할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.
본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 통상의 기술자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 통상의 기술자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.
따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
본 발명은 무선 신호 하베스팅 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 신호 하베스팅 장치가 와이파이 무선 신호 채널의 주파수 대역 별로 할당된 주파수 신호를 수집하는 복수의 안테나를 이용하여 주변의 와이파이 무선 신호를 수집하고, 상기 수집한 무선 신호를 직류 전압으로 변환하여 고효율로 전력을 수집할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 생활 주변에 존재하는 복수의 주파수 대역의 무선신호를 복수의 안테나를 이용하여, 각 대역 별로 수집하여 직류 전압으로 변환 후, 합산함으로써, 모바일 기기 및 소형 IoT 센서의 전원으로 사용함에 따라 전원 동작 시간을 기존보다 증가시킬 수 있고, 배터리 교체 주기를 감소시킬 수 있다.
따라서, 상기의 에너지 하베스팅 장치를 통해 에너지 하베스팅 산업 발전에 이바지 할 수 있고, 더불어, 본 발명은 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있다.
100: 안테나부 200: 직류변환부 300: 직류결합부
400: 최대전력추적제어부 500: 전력관리부 600: 전력저장부

Claims (8)

  1. 각각 할당된 주파수 대역의 주파수 신호를 수집하는 복수의 안테나부;
    상기 복수의 안테나부 각각에 연결되어, 상기 수집된 주파수 신호를 직류 전압으로 변환하는 복수의 직류 변환부;
    상기 복수의 직류 변환부에서 변환된 복수의 직류 전압을 전달받아 하나의 직류 전압으로 결합하는 직류 결합부; 및
    상기 결합된 직류 전압을 기반으로 생성된 전력을 저장하는 전력 저장부;
    를 포함하는 무선 신호 하베스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 안테나부는
    상기 복수의 안테나부 주변의 주파수 신호를 수집하는 복수의 안테나; 및
    상기 복수의 안테나 각각에 연결되어, 상기 수집된 주파수 신호를 할당된 주파수 대역으로 필터링 하여 상기 필터링된 주파수 신호를 각각 연결된 복수의 직류 변환부에 전달하는 복수의 필터;
    를 포함하는 것을 무선 신호 하베스팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 직류 결합부에서 결합된 하나의 직류 전압을 통해 생성할 수 있는 최대 전력값을 산출하고, 상기 최대 전력값에 대응하는 직류 전압값을 추적하는 최대 전력 추적 제어부;
    를 더 포함하고, 상기 직류 결합부는
    상기 최대 전력 추적 제어부에서 추적한 직류 전압값에 대응하는 직류 전압이 생성되도록 상기 복수의 직류 변환부에서 변환한 적어도 하나의 직류 전압을 선택적으로 결합하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 하베스팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 최대 전력 추적 제어부에서 추적된 직류 전압값에 따라, 상기 직류 결합부에서 생성된 직류 전압이 상기 전력 저장부에 저장될 수 있도록 제어하는 전력 관리부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 하베스팅 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 안테나부는
    Wi-Fi 채널 별로 주파수 대역이 할당되어, 각각 할당된 Wi-Fi 채널에 해당하는 Wi-Fi 신호를 수집하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 하베스팅 장치.
  6. 무선 신호 하베스팅 장치가 복수의 안테나 각각에 할당된 주파수 대역의 주파수 신호를 수집하는 단계;
    주파수 대역 별로 수집한 상기 주파수 신호를 각각 직류 전압으로 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 복수의 직류 전압을 하나의 직류 전압으로 결합하여 직류 전력을 생성하여 저장하는 단계;
    를 포함하는 무선 신호 하베스팅 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 수집하는 단계는
    상기 복수의 안테나 주변의 주파수 신호를 수집하는 단계; 및
    상기 수집된 주파수 신호를 각각 할당된 주파수 대역으로 필터링하는 단계;
    를 포함하고, 상기 변환하는 단계는
    상기 필터링한 주파수 신호를 각각 직류 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 하베스팅 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 수집하는 단계는
    Wi-Fi 채널 별로 상기 복수의 안테나 각각에 주파수 대역이 할당되어, 각각 할당된 Wi-Fi 채널에 해당하는 Wi-Fi 신호를 상기 복수의 안테나가 수집하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 하베스팅 방법.
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KR20210046112A (ko) * 2019-10-17 2021-04-28 한국전자기술연구원 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템, 장치 및 방법
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