KR20210046112A - 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템, 장치 및 방법 - Google Patents

원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템, 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템, 장치 및 방법에 관한 것으로, 전력 소모를 최소화하면서 오프 상태에 있는 기능 수행부에 대한 원거리 웨이크업을 수행하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 기능 수행부가 파워 오프 상태에서 하베스팅 웨이크업부가 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅을 수행하고, 에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 적어도 하나의 중계 단말기를 통하여 원거리에 있는 사용자 단말기로부터 수신한 RF 신호로서, 파워 오프 상태에 있는 기능 수행부의 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단하고, 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우 파워 오프 상태에 있는 기능 수행부를 웨이크업 한다.

Description

원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템, 장치 및 방법{Energy harvesting system, apparatus and method for performing long distance wakeup}
본 발명은 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 소모를 최소화하면서 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다.
광범위한 분야에서 사물인터넷(IoT) 기술이 확산됨에 따라 초소형/초저전력의 IoT 디바이스 사용이 폭발적으로 증가하고, 관련 산업 또한 성장할 것으로 예상된다. 하지만 IoT 디바이스도 구동을 위해서 배터리 또는 유선 전원 연결을 통한 전원 공급 방식을 채택하고 있기 때문에, IoT 디바이스의 사용 환경 제약과 유지 보수비용이 존재하여 관련 기기 확산의 걸림돌로 작용하고 있다.
최근 기존 IoT 디바이스 활용의 문제점을 해소하기 위해서, 초저전력/초저가형으로 구현하여 제한된 통신 속도로 기본적인 기능을 수행하면서 쉽게 쓰고 버릴 수 있는 편리성을 가진 Disposable IoT 디바이스가 등장하고 있다.
IoT 디바이스의 전력 용량이 유한한 배터리 사용에 따른 문제점을 해소하기 위해서, 주변 에너지 수집/변환을 통한 전력 재생 및 전원 생존성 향상이 가능한 에너지 하베스팅 기술을 접속한 IoT 디바이스의 전원 시스템 기술도 요구되고 있다.
IoT 디바이스는 전력 소모를 줄이기 위해서, 전원을 공급받아 주어진 기능, 예컨대 통신 기능, 제어 기능, 센싱 기능 등을 수행하는 정상 상태(모드)와, 주어진 기능을 수행한 이후에 일정한 시간을 갖고 주기적으로 정상 상태로 활성화되는 대기 상태(모드)로 동작한다.
하지만 IoT 디바이스는 여전히 대기 상태에서도 전력 소모가 발생한다. 에너지 하베스팅으로 발전하는 전력량이 마이크로 또는 나노와트급인 것과 비교할 때, IoT 디바이스가 대기 상태에서 소모하는 전력은 상당히 큰 편이다.
공개특허공보 제2019-0015231호 (2019.02.13.)
따라서 본 발명의 목적은 사용자 단말기로부터 원거리에 있는 에너지 하베스팅 장치를 전력 소모를 최소화하면서 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템, 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 파워 오프 상태에 있다가 웨이크업하여 기능을 수행하는 기능 수행부; 및 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스팅부, 및 에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 적어도 하나의 중계 단말기를 통하여 원거리에 있는 사용자 단말기로부터 수신한 RF 신호로서, 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부의 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단하고, 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부를 웨이크업 시키는 웨이크업부를 구비하는 하베스팅 웨이크업부;를 포함하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호는 시간, 진폭, 주파수 및 위상 중에 적어도 하나가 변조되어 있는 신호 변조된 RF 신호이다.
상기 웨이크업부는 메시지 플러딩(message flooding) 방식을 통해 원거리에 있는 상기 사용자 단말기로부터 RF 신호를 수신할 수 있다.
상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호는 블루투스 비콘 신호일 수 있다.
상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호의 전송 프레임은 프리엠블과, 웨이크업 하려는 에너지 하베스팅 장치의 식별정보를 포함한다.
상기 웨이크업부는, 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 수신하면, 수신한 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호의 엔빌로프(envelope)를 추적하여 원거리 웨이크업 정보를 복조하고, 복조한 원거리 웨이크업 정보에 자신의 식별정보가 포함되어 있는 지를 판단하고, 자신의 식별정보를 포함하고 있는 경우 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부를 웨이크업 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치는 상기 에너지 하베스팅부로부터 변환된 전기에너지를 전달받아 저장하는 전기에너지 저장부;를 더 포함할 수 있다.
상기 하베스팅 웨이크업부는, 상기 전기에너지 저장부와 상기 기능 수행부의 연결을 온/오프하는 스위치부;를 더 포함할 수 있다.
상기 웨이크업부는 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우 상기 스위치부를 온하여 상기 전기에너지 저장부의 전기에너지를 상기 기능 수행부에 공급하여 파워 오프된 상기 기능 수행부를 웨이크업 할 수 있다.
상기 웨이크업부는 수십 nW 전력으로 대기(stand-by) 상태를 유지하다가 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 인가되면 데이터 복조 기능을 수행하는 동작 상태로 변환할 수 있다.
상기 기능 수행부는 제어기, 센서, RF 통신모듈 및 IoT 디바이스 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 에너지 하베스팅 장치는 기능 수행부가 파워 오프된 상태에서 하베스팅 웨이크업부를 통해서 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 수행하는 단계; 상기 에너지 하베스팅 장치는 에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 적어도 하나의 중계 단말기를 통하여 원거리에 있는 사용자 단말기로부터 수신한 RF 신호로서, 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부의 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단하는 단계; 및 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우, 상기 에너지 하베스팅 장치는 상기 에너지 하베스팅 웨이크업부를 통해서 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부를 웨이크업 시키는 단계;를 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 원거리 웨이크업 방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 원거리에 있는 에너지 하베스팅 장치의 파워 오프된 기능 수행부를 웨이크업 하기 위한 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 전송하는 사용자 단말기; 상기 사용자 단말기로부터 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 수신하여 이웃하는 다른 중계 단말기 또는 상기 에너지 하베스팅 장치로 전달하는 적어도 하나의 중계 단말기; 및 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅을 수행하고, 에너지 하베스팅 중 상기 적어도 하나의 중계 단말기를 통하여 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 수신하여 파워 오프된 상기 기능 수행부를 웨이크업 하는 상기 에너지 하베스팅 장치;를 포함하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 에너지 하베스팅 장치는 정상 상태가 아닌 경우 IoT 디바이스에 해당되는 기능 수행부로의 전원 공급을 차단하는 파워 오프 상태로 운용하기 때문에, 기능 수행부의 대기 상태에 따른 전력 소모를 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 파워 오프 상태의 기능 수행부의 원거리 웨이크업을 하베스팅 웨이크업부에서 수행하도록 함으로써, 기능 수행부를 대기 상태로 운용하는 것과 비교하여 전력 소모를 줄일 수 있다. 즉 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 기능 수행부가 파워 오프 상태에서 하베스팅 웨이크업부가 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅 중에 중계 단말기를 경유하여 원거리에 있는 사용자 단말기로부터 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 감지하면, 파워 오프 상태의 디바이스부를 웨이크업 시킬 수 있다. 에너지 하베스팅과 원거리 웨이크업을 수행하는 하베스팅 웨이크업부는 기능 수행부와 비교하여 전력 소모가 작다. 그리고 하베스팅 웨이크업부가 에너지 하베스팅을 수행하기 위해서 정상 상태 또는 대기 상태에서 운용되기 때문에, 파워 오프 상태의 기능 수행부의 원거리 웨이크업을 제어함으로써, 기능 수행부를 대기 상태로 운영하는 것과 비교해서 전력 소모를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치를 보여주는 블록도이다.
도 3은 신호 변조된 RF 신호의 인코딩 데이터 구조를 보여주는 예시도이다.
도 4는 신호 변조된 RF 신호의 전송 프레임을 보여주는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 원거리 웨이크업 방법에 따른 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 원거리 웨이크업 방법에 따른 흐름도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(100)은 사용자 단말기(10), 적어도 하나의 중계 단말기(90) 및 에너지 하베스팅 장치(20)를 포함한다. 사용자 단말기(10)는 원거리에 있는 에너지 하베스팅 장치(20)의 파워 오프된 기능 수행부(50)를 웨이크업 하기 위한 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 전송한다. 적어도 하나의 중계 단말기(90)는 사용자 단말기(10)로부터 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 수신하여 이웃하는 다른 중계 단말기 또는 에너지 하베스팅 장치(20)로 전달한다. 그리고 에너지 하베스팅 장치(20)는 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅을 수행하고, 에너지 하베스팅 중 적어도 하나의 중계 단말기(90)를 통하여 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 수신하여 파워 오프된 기능 수행부(50)를 웨이크업 한다.
여기서 사용자 단말기(10)는 제1 안테나(11)를 통하여 적어도 하나의 중계 단말기(90)와 근거리 통신을 수행할 수 있다. 사용자 단말기(10)는 근거리 통신을 통하여 파워 오프된 기능 수행부(50)를 웨이크업 하기 위한 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 전송할 수 있다. 여기서 근거리 통신 방식은 블루투스(Bluetooth), 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy; BLE), 지그비(Zig bee), 와이파이(WiFi), LTE, 5G NR 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 이러한 사용자 단말기(10)는 근거리 통신 기능을 포함하는 통신 단말기로서, 예컨대 스마트폰, 웨어러블 기기, 태블릿PC, 노트북 등이 될 수 있다.
적어도 하나의 중계 단말기(90)는 제4 안테나(91)를 통하여 사용자 단말기(10) 또는 에너지 하베스팅 장치(20)와 근거리 통신을 수행한다. 예컨대 적어도 하나의 중계 단말기(90)는 제1 내지 제4 중계 단말기(93,95,97,99)를 포함할 수 있다. 제1, 제3 및 제4 중계 단말기(93,97,99)는 사용자 단말기(10)와 근거리에 위치하여 근거리 통신이 수행한다. 제2 중계 단말기(95)는 사용자 단말기(10)와 직접적인 근거리 통신이 가능한 범위를 벗어난 위치에 위치한다.
여기서 제1 중계 단말기(93)는 사용자 단말기(10)와 제2 중계 단말기(95) 사이에 위치하며, 사용자 단말기(10)와 제2 중계 단말기(95)와 각각 근거리 통신을 수행한다.
제2 중계 단말기(95)는 제1 중계 단말기(93)와 에너지 하베스팅 장치(20) 사이에 위치하며, 제1 중계 단말기(93)와 에너지 하베스팅 장치(20)와 각각 근거리 통신을 수행한다. 제2 중계 단말기는 제1 중계 단말기(93)을 경유하여 사용자 단말기(10)와 근거리 통신을 수행하고, 에너지 하베스팅 장치(20)와 직접 근거리 통신을 수행한다. 이로 인해 사용자 단말기(10)에서 출력된 RF 신호는 제1 및 제2 중계 단말기(93,95)를 경유하여 에너지 하베스팅 장치(20)로 전달될 수 있다. 반대로 에너지 하베스팅 장치(20)에서 전송되는 신호는 제2 중계 단말기(95) 및 제1 중계 단말기(93)를 경유하여 사용자 단말기(10)로 전달될 수 있다.
그리고 제3 및 제4 중계 단말기(97,99)는 사용자 단말기(10)와 근거리에 위치하여 근거리 통신을 수행한다. 하지만 제3 및 제4 중계 단말기(97,99)는 제1 및 제2 중계 단말기(93,95)와 근거리 통신이 불가능한 거리에 위치한다. 따라서 제3 및 제4 중계 단말기(97,99)는 사용자 단말기(10)로부터 RF 신호를 수신할 수는 있지만, 수신한 RF 신호를 제3 및 제4 중계 단말기(97,99)로부터 원거리에 위치하는 에너지 하베스팅 장치(20)로 전달하는 중계 기능을 수행하지 못한다.
여기서 사용자 단말기(10), 제1 및 제2 중계 단말기(93,95), 에너지 하베스팅 장치(20) 간에 저전력 블루투스 통신을 통하여 RF 신호를 교환하는 경우, 메시지 플러딩(message flooding) 방식을 통해 원거리에 있는 사용자 단말기(10)로부터 RF 신호가 제1 및 제2 중계 단말기(93,95)를 경유하여 에너지 하베스팅 장치(20)로 전달될 수 있다.
메시지 플러딩 방식으로 RF 신호를 전달할 때, 호핑(Hopping) 제한과 time to live(TTL) 값을 기반으로 메시지 플러딩을 수행한다. 사용자 단말기로부터 전송된 RF 신호는 적어도 하나의 중계 디바이스(90)를 경유하면서 홉(Hop) 정보가 해당 RF 신호에 누적된다. 예컨대 사용자 단말기(10)로부터 전송된 RF 신호가 제1 및 제2 중계 단말기(93,95)를 경유하여 에너지 하베스팅 장치(20)에 전달되는 경우, 에너지 하베스팅 장치(20)에 전달된 RF 신호에 제1 및 제2 중계 단말기(93,95)에 대한 홉 정보가 포함된다. 이러한 홉 정보는 RF 신호의 데이터 패킷의 페이로드에 부가될 수 있다.
이러한 적어도 하나의 중계 단말기(90)는 근거리 통신이 가능한 통신 단말기이다. 예컨대 적어도 하나의 중계 단말기(90)는 다른 에너지 하베스팅 장치일 수 있다. 다른 에너지 하베스팅 장치는 사용자 단말기(10)로부터 원거리 웨이크업 정보를 수신하더라도, 해당 원거리 웨이크업 정보가 자신을 웨이크업 할 정보가 아닌 경우, 이웃하는 다른 중계 단말기로부터 수신한 원거리 웨이크업 정보를 전달할 뿐 웨이크업을 수행하지 않는다.
그리고 에너지 하베스팅 장치(20)는 사용자 단말기(10)로부터 원거리에 위치한다. 여기서 원거리는 에너지 하베스팅 장치(20)와 사용자 단말기(10) 간에 직접 근거리 통신이 불가능한 거리를 의미한다.
이러한 에너지 하베스팅 장치(20)는 기능 수행부(50)와 하베스팅 웨이크업부(30)를 포함한다. 기능 수행부(50)는 파워 오프 상태에 있다가 웨이크업 하여 기능을 수행한다. 그리고 하베스팅 웨이크업부(30)는 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅을 수행하고, 에너지 하베스팅 중 사용자 단말기(10)로부터 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 적어도 하나의 중계 단말기(90)를 통하여 수신하여 파워 오프된 기능 수행부(50)를 웨이크업 한다.
여기서 하베스팅 웨이크업부(30)는 제2 안테나(31)를 통하여 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅과 기능 수행부(50)의 웨이크업을 수행한다.
그리고 기능 수행부(50)는 에너지 하베스팅 장치(20)에 부여된 기능을 수행한다. 여기서 기능은 제어 기능, 주변 환경 정보를 수집하는 센서 기능, 사용자 단말기(10)와의 통신 기능, 주변 사물과의 통신 기능 등을 포함할 수 있다. 이러한 기능 수행부(50)는 제어기, 센서, RF 통신모듈 및 IoT 디바이스 중에 적어도 하나일 수 있다. 기능 수행부(50)는 파워 오프 상태에서 웨이크업 하여 제3 안테나(51)를 통하여 사용자 단말기(10)와 통신을 수행할 수 있다.
제2 및 제3 안테나(31,51)를 통하여 수신되는 RF 신호는 동일한 주파수일 수도 있고, 서로 다른 주파수일 수 있다. 본 실시예에서는 제2 및 제3 안테나(31,51)를 별도로 구비하는 예를 개시하였지만 하나의 안테나로 구현될 수 있다. 하나의 안테나로 구현되는 경우 매칭부를 통하여 수신한 RF 신호를 하베스팅 웨이크업부(30) 또는 기능 수행부(50)로 보낼 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(20)에 대해서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치(20)를 보여주는 블록도이다.
본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(20)는, 앞서 설명한 바와 같이, 기능 수행부(50)와 하베스팅 웨이크업부(30)를 포함한다. 하베스팅 웨이크업부(30)는 에너지 하베스팅부(33)와 웨이크업부(35)를 포함한다. 그 외 에너지 하베스팅 장치(20)는 전기에너지 저장부(40) 및 스위치부(37)를 더 포함할 수 있다.
기능 수행부(50)는 정상 상태인 파워 온 상태에서 부여된 기능을 수행한다. 기능 수행부(50)는 기능을 수행하지 않을 때는 정상 상태에서 파워 오프 상태로 전환한다. 기능 수행부(50)는 파워 오프 상태에서 하베스팅 웨이크업부(30)에 의해 웨이크업 하여 정상 상태로 전환하여 주어진 기능을 수행한다. 예컨대 기능 수행부(50)가 근거리 통신 모듈인 경우, 제3 안테나(51)를 통하여 근거리에 있는 통신 기기와 근거리 통신을 수행할 수 있다.
에너지 하베스팅부(33)는 제2 안테나(31)를 통하여 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 수행한다. 에너지 하베스팅부(33)는 근거리에 있는 통신 기기로부터 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅을 수행할 수 있다. 에너지 하베스팅부(33)는 변환된 전기에너지를 전기에너지 저장부(40)에 공급하여 저장할 수 있다. 에너지 하베스팅부(33)는 변환된 전기에너지를 웨이크업부(35)에 공급할 수 있다.
그리고 웨이크업부(35)는 에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 파워 오프 상태에 있는 기능 수행부(50)의 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단한다. 즉 웨이크업부(35)는 에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 적어도 하나의 중계 단말기(90)를 통하여 원거리에 있는 사용자 단말기(10)로부터 수신한 RF 신호로서, 파워 오프 상태에 있는 기능 수행부(50)의 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단한다. 웨이크업부(35)는 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우, 파워 오프 상태에 있는 기능 수행부(50)를 웨이크업 시킨다.
웨이크업부(35)는 수신한 RF 신호 중에 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 쉽게 검출할 수 있도록, 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호는 신호 변조된 RF 신호일 수 있다. 신호 변조된 RF 신호는 시간, 진폭, 주파수 및 위상 중에 적어도 하나가 변조된 RF 신호일 수 있다.
이러한 신호 변조된 RF 신호는 2.4GHz 대역의 블루투스 비콘 신호 또는 정현파(sinusoidal wave) 신호를 활용하여 구현할 수 있다. 그 외 신호 변조된 RF 신호로는 지그비(Zig bee) 신호, 와이파이(WiFi) 신호, LTE 신호 또는 5G NR 신호가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 3 및 도 4는 신호 변조된 RF 신호가 블루투스 비콘 신호를 이용하여 구현된 예를 개시하고 있다. 여기서 도 3은 신호 변조된 RF 신호의 인코딩 데이터 구조를 보여주는 예시도이다. 그리고 도 4는 신호 변조된 RF 신호의 전송 프레임을 보여주는 예시도이다.
신호 변조된 RF 신호는 블루투스 비콘 신호의 패킷과 전송 주기를 이용해서 인코딩된다. 신호 변조된 RF 신호는 한 주기 내의 패킷의 페이로드 길이를 이용하여 데이터를 인코딩한다. 예컨대 데이터 "1"(60)일 때 패킷 길이 376㎲, 데이터"0"(70)일 때 패킷 길이 80㎲로 페이로드 길이를 조정하여 데이터를 인코닝하다.
신호 변조된 RF 신호의 데이터 패킷은, 도 3에 도시된 바와 같이, 프리엠블(61; preamble), 액세스 어드레스(62; access address), PDU(protocal data unit) 헤더(63), PDU 페이로드(64), CRC(65; cyclical redundancy check) 및 NULL_interval(66) 섹션을 포함할 수 있다.
여기서 데이터"1"(60)에 대한 데이터 패킷은 프리엠블(61), 액세스 어드레스(62), PDU 헤더(63), PDU 페이로드(64), CRC(65) 및 NULL_interval(66) 섹션을 모두 포함한다. PDU 페이로드(64)에 웨이크업을 할 에너지 하베스팅 장치(20)의 식별정보가 포함된다.
PDU 페이로드(64)에는 경유하는 적어도 하나의 중계 단말기(90)의 홉 정보가 부가될 수 있다.
데이터"0"(70)에 대한 데이터 패킷은 PDU 페이로드를 제외하고, 프리엠블(61), PDU 헤더(63), CRC(65) 및 NULL_interval(66) 섹션을 포함한다.
신호 변조된 RF 신호의 전송 프레임(80)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 프리엠블(81)과 웨이크업 하려는 에너지 하베스팅 장치(20)의 식별정보(83)를 포함한다. 예컨대 신호 변조된 RF 신호의 전송 프레임(80)의 프리엠블(81)은 데이터"1"(60)과 데이터"0"(70)로 구성된다. 신호 변조된 RF 신호의 전송 프레임(80)의 에너지 하베스팅 장치(20)의 식별정보(83)는 데이터"1"(60) 4개와 데이터"0"(70) 4개의 8bit로 구성될 수 있다. 에너지 하베스팅 장치(20)의 식별정보(83)는 웨이크업-엑세스 코드(WU-Access code)일 수 있다.
도 4에서는 에너지 하베스팅 장치(20)의 식별정보(80)를 8bit로 구성한 예를 개시하였지만, 4bit, 16bit, 32bit 등 다양하게 구성할 수 있다.
웨이크업부(35)는 전술된 바와 같은 신호 변조된 RF 신호를 수신하면, 수신한 신호 변조된 RF 신호의 엔빌로프(envelope)를 추적하여 웨이크업 정보를 복조한다, 웨이크업부(35)는 복조한 웨이크업 정보에 자신의 식별정보가 포함되어 있는 지를 판단한다. 웨이크업부(35)는 자신의 식별정보를 포함하고 있는 경우 파워 오프 상태에 있는 기능 수행부(50)를 웨이크업 시킨다. 예컨대 신호 변조된 RF 신호가 진폭 변조된 RF 신호인 경우, 웨이크업부(35)는 최소 -30dBm 신호 크기의 진폭 변조된 RF 신호를 복조할 수 있다.
이러한 하베스팅 웨이크업부(30)는 나노암페어 또는 피코암페어 단위의 저전력으로 구동이 가능하기 때문에, 하베스팅 웨이크업부(30)가 기능 수행부(50)의 웨이크업을 수행함으로써 웨이크업에 따른 전력 소모를 최소화할 수 있다. 즉 웨이크업부(35)는 수십 nW 전력으로 대기(stand-by) 상태를 유지하다가 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 인가되면 데이터 복조 기능을 수행하는 동작 상태로 변환한다.
전기에너지 저장부(40)는 에너지 하베스팅부(33)로부터 변환된 전기에너지를 전달받아 저장한다. 전기에너지 저장부(40)는 웨이크업부(35)의 제어에 따라 기능 수행부(50)에 필요한 전원을 공급한다. 전기에너지 저장부(40)는 이차전지 및 슈퍼커패시터 중에 적어도 하나를 포함한다. 전기에너지 저장부(40)는 웨이크업부(35)의 구동에 필요한 전기에너지를 제공한다.
그리고 스위치부(37)는 전기에너지 저장부(40)와 기능 수행부(50)의 연결을 온/오프한다. 스위치부(37)는 웨이크업부(35)가 파워 오프 상태인 경우, 전기에너지 저장부(40)와 기능 수행부(50)의 연결을 차단하여 기능 수행부(50)로의 전력 공급을 처단한다. 웨이크업부(35)가 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 감지한 경우, 스위치부(37)를 온하여 전기에너지 저장부(40)의 전기에너지를 기능 수행부(50)에 공급하여 파워 오프된 기능 수행부(50)를 웨이크업 한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(20)는 정상 상태가 아닌 경우 IoT 디바이스에 해당되는 기능 수행부(50)로의 전원 공급을 차단하는 파워 오프 상태로 운용하기 때문에, 기능 수행부(50)의 대기 상태에 따른 전력 소모를 줄일 수 있다.
본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(20)는 파워 오프 상태의 기능 수행부(50)의 웨이크업을 하베스팅 웨이크업부(30)에서 수행하도록 함으로써, 기능 수행부(50)를 대기 상태로 운용하는 것과 비교하여 전력 소모를 줄일 수 있다. 즉 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(20)는 기능 수행부(50)가 파워 오프 상태에서 하베스팅 웨이크업부(30)가 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅 중에 웨이크업 신호가 포함된 RF 신호를 감지하면, 파워 오프 상태의 디바이스부를 웨이크업 시킬 수 있다. 에너지 하베스팅과 웨이크업을 수행하는 하베스팅 웨이크업부(30)는 기능 수행부(50)와 비교하여 전력 소모가 작다. 그리고 하베스팅 웨이크업부(30)가 에너지 하베스팅을 수행하기 위해서 정상 상태 또는 대기 상태에서 운용되기 때문에, 파워 오프 상태의 기능 수행부(50)의 웨이크업을 제어함으로써, 기능 수행부(50)를 대기 상태로 운영하는 것과 비교해서 전력 소모를 줄일 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(20)의 원거리 웨이크업 방법에 대해서 도 2 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(20)의 원거리 웨이크업 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S30단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 주변에서 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅을 수행한다. 이때 기능 수행부(50)는 파워 오프 상태에 있다. 즉 에너지 하베스팅 장치(20)는 기능 수행부(50)가 파워 오프된 상태에서 하베스팅 웨이크업부(30)를 통해서 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 수행한다.
다음으로 S40단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 에너지 하베스팅 과정에서 원거리 사용자 단말기(10)로부터 수신한 RF 신호가 있는 지를 판단한다. 즉 에너지 하베스팅 장치(20)는 에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 적어도 하나의 중계 단말기(90)를 통하여 원거리에 있는 사용자 단말기(10)로부터 수신한 RF 신호가 있는 지를 판단한다.
S40단계의 판단 결과 해당 RF 신호가 없는 경우, 에너지 하베스팅 장치(20)는 S30단계부터 다시 수행한다.
S40단계의 판단 결과 해당 RF 신호가 있는 경우, S50단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 해당 RF 신호 중에 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단한다. 이때 에너지 하베스팅 장치(20)는 원거리 웨이크업 정보에 자신의 식별정보가 포함되어 있는 지를 판단한다.
S50단계의 판단 결과 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 없는 경우, 에너지 하베스팅 장치(20)는 S30단계부터 다시 수행한다.
그리고 S50단계의 판단 결과 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우, S70단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 하베스팅 웨이크업부(30)를 통해서 파워 오프 상태의 기능 수행부(50)를 웨이크업 한다. 즉 에너지 하베스팅 장치(20)는 전기에너지 저장부(40)의 전기에너지를 파워 오프된 기능 수행부(50)에 공급하여 웨이크업 한다.
물론 원거리 웨이크업 정보에 자신의 식별정보가 포함되어 있는 경우, S70단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 파워 오프 상태의 기능 수행부(50)를 웨이크업 한다.
하지만 S50단계에서 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있다고 하더라도, 원거리 웨이크업 정보에 자신의 식별정보가 포함되어 있지 않는 경우, 에너지 하베스팅 장치(20)는 파워 오프 상태의 기능 수행부(50)에 대한 웨이크업을 수행하지 않는다.
이와 같은 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(100)의 원거리 웨이크업 방법에 대해서 도 1 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(100)의 원거리 웨이크업 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S10단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 기능 수행부(50)가 파워 오프된 상태이다.
다음으로 S21단계에서 사용자 단말기(10)는 근거리 통신을 통하여 이웃하는 중계 단말기(90)로 RF 신호를 전송한다.
다음으로 S23단계에서 중계 단말기(90)는 근거리 통신을 통하여 이웃하는 에너지 하베스팅 장치는 해당 RF 신호를 전달한다.
다음으로 S31단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 하베스팅 웨이크업부(30)를 통하여 중계 단말기(90)로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환한다. 그 외 에너지 하베스팅 장치(20)는 하베스팅 웨이크업부(30)를 통하여 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환할 수 있다.
다음으로 S33단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 변환된 전기에너지를 전기에너지 저장부(40)에 저장한다.
다음으로 S40단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 에너지 하베스팅 과정에서 원거리 사용자 단말기(10)로부터 수신한 RF 신호가 있는 지를 판단한다. 즉 에너지 하베스팅 장치(20)는 에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 적어도 하나의 중계 단말기(90)를 통하여 원거리에 있는 사용자 단말기(10)로부터 수신한 RF 신호가 있는 지를 판단한다.
S40단계의 판단 결과 해당 RF 신호가 없는 경우, 에너지 하베스팅 장치(20)는 S10단계부터 다시 수행할 수 있다. 즉 에너지 하베스팅 장치(20)는 기능 수행부(50)의 파워 오프 상태를 유지한다.
S40단계의 판단 결과 해당 RF 신호가 있는 경우, S50단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 해당 RF 신호 중에 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단한다. 이때 에너지 하베스팅 장치(20)는 원거리 웨이크업 정보에 자신의 식별정보가 포함되어 있는 지를 판단한다.
S50단계의 판단 결과 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 없는 경우, 에너지 하베스팅 장치(20)는 S10단계부터 다시 수행한다.
그리고 S50단계의 판단 결과 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우, S70단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 하베스팅 웨이크업부(30)를 통해서 파워 오프 상태의 기능 수행부(50)를 웨이크업 한다. 즉 에너지 하베스팅 장치(20)는 전기에너지 저장부(40)의 전기에너지를 파워 오프된 기능 수행부(50)에 공급하여 웨이크업 한다.
물론 원거리 웨이크업 정보에 자신의 식별정보가 포함되어 있는 경우, S70단계에서 에너지 하베스팅 장치(20)는 파워 오프 상태의 기능 수행부(50)를 웨이크업 한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 사용자 단말기
11 : 제1 안테나
20 : 에너지 하베스팅 장치
30 : 하베스팅 웨이크업부
31 : 제2 안테나
33 : 에너지 하베스팅부
35 : 웨이크업부
37 : 스위치부
40 : 전기에너지 저장부
50 : 기능 수행부
51 : 제3 안테나
60 : 데이터"1"
70 : 데이터"0"
80 : 전송 프레임
81 : 프리엠블
83 : 식별정보
90 : 중계 단말기
100 : 에너지 하베스팅 시스템

Claims (12)

  1. 파워 오프 상태에 있다가 웨이크업하여 기능을 수행하는 기능 수행부; 및
    주변으로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스팅부, 및
    에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 적어도 하나의 중계 단말기를 통하여 원거리에 있는 사용자 단말기로부터 수신한 RF 신호로서, 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부의 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단하고, 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부를 웨이크업 시키는 웨이크업부를 구비하는 하베스팅 웨이크업부;
    를 포함하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호는 시간, 진폭, 주파수 및 위상 중에 적어도 하나가 변조되어 있는 신호 변조된 RF 신호인 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 웨이크업부는 메시지 플러딩(Message Flooding) 방식을 통해 원거리에 있는 상기 사용자 단말기로부터 RF 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호는 블루투스 비콘 신호인 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호의 전송 프레임은 프리엠블과, 웨이크업 하려는 에너지 하베스팅 장치의 식별정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 웨이크업부는,
    상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 수신하면, 수신한 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호의 엔빌로프(envelope)를 추적하여 원거리 웨이크업 정보를 복조하고, 복조한 원거리 웨이크업 정보에 자신의 식별정보가 포함되어 있는 지를 판단하고, 자신의 식별정보를 포함하고 있는 경우 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부를 웨이크업 시키는 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅부로부터 변환된 전기에너지를 전달받아 저장하는 전기에너지 저장부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 하베스팅 웨이크업부는,
    상기 전기에너지 저장부와 상기 기능 수행부의 연결을 온/오프하는 스위치부;를 더 포함하고,
    상기 웨이크업부는 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우 상기 스위치부를 온하여 상기 전기에너지 저장부의 전기에너지를 상기 기능 수행부에 공급하여 파워 오프된 상기 기능 수행부를 웨이크업 하는 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 웨이크업부는 수십 nW 전력으로 대기(stand-by) 상태를 유지하다가 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 인가되면 데이터 복조 기능을 수행하는 동작 상태로 변환하는 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기능 수행부는 제어기, 센서, RF 통신모듈 및 IoT 디바이스 중에 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 장치.
  11. 에너지 하베스팅 장치는 기능 수행부가 파워 오프된 상태에서 하베스팅 웨이크업부를 통해서 주변으로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 수행하는 단계;
    상기 에너지 하베스팅 장치는 에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 적어도 하나의 중계 단말기를 통하여 원거리에 있는 사용자 단말기로부터 수신한 RF 신호로서, 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부의 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단하는 단계; 및
    상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우, 상기 에너지 하베스팅 장치는 상기 에너지 하베스팅 웨이크업부를 통해서 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부를 웨이크업 시키는 단계;
    를 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 원거리 웨이크업 방법.
  12. 원거리에 있는 에너지 하베스팅 장치의 파워 오프된 기능 수행부를 웨이크업 하기 위한 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 전송하는 사용자 단말기;
    상기 사용자 단말기로부터 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 수신하여 이웃하는 다른 중계 단말기 또는 상기 에너지 하베스팅 장치로 전달하는 적어도 하나의 중계 단말기; 및
    주변으로부터 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스팅을 수행하고, 에너지 하베스팅 중 상기 적어도 하나의 중계 단말기를 통하여 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호를 수신하여 파워 오프된 상기 기능 수행부를 웨이크업 하는 에너지 하베스팅 장치;를 포함하고,
    상기 에너지 하베스팅 장치는,
    파워 오프 상태에 있다가 웨이크업하여 기능을 수행하는 기능 수행부; 및
    주변으로부터 RF 신호를 수신하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스팅부, 및
    에너지 하베스팅 과정에서 수신한 RF 신호 중에 상기 적어도 하나의 중계 단말기를 통하여 원거리에 있는 상기 사용자 단말기로부터 수신한 RF 신호로서, 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부의 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 지를 판단하고, 상기 원거리 웨이크업 정보가 포함된 RF 신호가 있는 경우 파워 오프 상태에 있는 상기 기능 수행부를 웨이크업 시키는 웨이크업부를 구비하는 하베스팅 웨이크업부;
    를 포함하는 원거리 웨이크업을 수행하는 에너지 하베스팅 시스템.
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