PT109779A

PT109779A - Sistema de nó sensor passivo e respetiva rede de sensores alimentados por transmissão de energia sem fios

Info

Publication number: PT109779A
Application number: PT109779A
Authority: PT
Inventors: João Luís Marques Correia Ricardo; Borges De Carvalho Nuno
Original assignee: Univ Aveiro; Inst De Telecomunicacoes
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2018-06-05
Also published as: US10867137B2; EP3549273A1; WO2018104865A1; US20190347450A1; EP3549273B1

Abstract

DESCREVE-SE NÓ SENSOR PASSIVO E RESPETIVA REDE DE SENSORES CONSTITUÍDA POR UM LEITOR (5), EMISSORES DE ENERGIA SEM FIOS (2), E SENSORES TOTALMENTE PASSIVOS (1). OS SENSORES PASSIVOS PERMITEM A RECOLHA DE DADOS E A TRANSFERÊNCIA DOS MESMOS SEMPRE QUE SOLICITADOS PELO LEITOR, ATRAVÉS DE BACKSCATTER NUMA FREQUÊNCIA (4), E EM PARALELO A RECEPÇÃO DE ENERGIA PROVENIENTE DOS TRANSMISSORES (3). CADA SENSOR INTEGRA UMA ANTENA, DUAS MALHAS DE ADAPTAÇÃO, UM SEMICONDUTOR, UM MICROCONTROLADOR E UM OU MAIS SENSORES QUE NÃO REQUEREM DO USO DE FONTE DE ENERGIA PRÓPRIA. O LEITOR (UNIDADE REMOTA) INICIA O PROCESSO DE COMUNICAÇÃO. ESTA COMUNICAÇÃO É CONSEGUIDA ATRAVÉS DO ENVIO DE COMANDOS DE RÁDIO FREQUÊNCIA RECONHECIDOS PELOS SENSORES PASSIVOS. ESTES SENSORES, AO RECEBEREM OS COMANDOS PROVENIENTES DO LEITOR, INICIAM A TRANSMISSÃO DE DADOS DE VOLTA CONFORME O COMANDO RECEBIDO. OS TRANSMISSORES DE ENERGIA SÃO USADOS PARA POSSIBILITAR DE MODO CONTÍNUO A ALIMENTAÇÃO DOS SENSORES PASSIVOS.

Description

DESCRIÇÃO

SISTEMA DE SENSORES PASSIVOS ALIMENTADOS POR TRANSMISSÃO DE ENERGIA SEM FIOS

Dominio técnico [0001] A presente divulgação diz respeito a uma rede de sensores passivos que comunicam com o leitor através de retrodifusão, em inglês backscatter, e, simultaneamente, podem ser alimentados por emissores de energia, permitindo o registo dos dados dos sensores em modo continuo.

Antecedentes [0002] O documento US6100790 divulga um sistema que usa dois circuitos, um para comunicação de dados e outro para recepção de potência. Este sistema tem uma distribuição seletiva para comunicação ou para recepção de potência. A seleção de qual sistema a usar é feita com base no nivel de potência do sinal de rádio frequência (RF) . Dependendo do nivel é feita a distribuição para o circuito de recepção de potência ou para o sistema de comunicação de dados.

[0003] O documento US6084530 divulga um sistema de comunicações rádio que inclui um interrogador que gera e transmite um sinal de RF. O sistema inclui uma ou mais etiquetas identificadoras, em inglês tags, que através de backscatter, modulam a onda transmitida formando uma onda modulada reflectida que é posteriormente desmodulada no interrogador.

[0004] O documento US8552597 divulga um esquema para um sensor sem fios passivo através de recolha de energia de RF do ambiente. A referida patente refere-se a um esquema que pode incluir uma fonte de energia local e que pode incluir um sistema de rádio. A energia coletada através das ondas de RF pode ser armazenada num super-condensador e dependendo do nivel de energia recolhida, pode usar a fonte de energia local ou ativar um estado de baixo consumo para transmitir dados.

Descrição geral [0005] O presente documento refere-se a um sistema de sensores passivos que não requerem o uso de pilhas ou baterias. Para tal, recorre-se à implementação de sensores que possuem uma identificação única, que usam uma frequência para a transferência de dados (obtidos pelos sensores) e outra frequência para a recepção de energia por parte dos transmissores.

[0006] Quando comparado com sistemas tradicionais (sensores passivos que utilizam pilhas ou baterias), o referido sistema de sensores passivos representa inúmeras vantagens, sendo que, a principal incide na inexistência de baterias ou pilhas. Dois factores fundamentais no uso deste sistema de sensores passivos são a comodidade e poupança que se garante ao utilizador e o impacto ambiental na ausência de baterias ou pilhas.

[0007] A presente divulgação distingue-se ainda pela forma como a comunicação é efectuada (backscatter), totalmente passiva, e pela possibilidade de efetuar, simultaneamente, a comunicação numa frequência e a recepção de energia numa frequência diferente.

[0008] A presente divulgação distingue-se também por possuir um transmissor de energia para alimentar continuamente o tag (parte do sistema do sensor ou sensores) de modo a que possa transmitir dados. O tag pode incluir vários sensores de baixo consumo diferentes, dependendo da aplicação pretendida. De modo a aumentar o alcance de comunicação o tag proposto na presente divulgação pode ser produzido para vários tipos de modulações diferentes.

[0009] A presente divulgação distingue-se ainda por permitir a transmissão de dados de um modo passivo (sem bateria) e continuo, através de backscatter e emissores de energia: sensores passivos que comunicam com um leitor através de backscatter e que são alimentados continuamente por emissores de energia sem fios.

[0010] Descreve-se um sistema de sensores passivos do seguinte modo: - Cada sensor passivo possui um identificador único atribuído pelo utilizador; - O sensor possui também duas malhas de adaptação de modo a que o sensor possa trabalhar a duas frequências diferentes (uma para transferir dados e outra para recepção de energia); - Cada sensor possui um microcontrolador que recebe informação de um ou mais sensores (temperatura, humidade, pressão, etc..) e com base nessa informação controla um semicondutor que altera o coeficiente de reflexão do sensor de modo a comunicar com o leitor; - Cada sensor possui um multiplicador de tensão de N estágios, de modo a receber energia do emissor de energia suficiente para alimentar o microcontrolador e os sensores ligados a ele.

[0011] A presente invenção é útil para fazer controlo de temperatura e humidade de casas, medir humidades de solo em campos de agricultura. As aplicações podem ser variadas, dependendo dos sensores que se ligam ao sensor passivo.

[0012] A presente divulgação diz respeito a um ou vários sensores passivos que podem ser colocados num determinado espaço interior ou de ser inseridos no exterior. Cada sensor passivo pode transmitir os dados recolhidos pelo microcontrolador sempre que solicitados pelo leitor.

[0013] Os sensores não necessitam de bateria para o funcionamento, tendo um tempo de vida sem limite do ponto de vista operacional.

[0014] O sensor contém um identificador, que poderá ser um código ou um outro sistema alternativo que pode ser transmitido juntamente com os dados utilizando um sistema sem fios. Alguns exemplos incluem um código binário, uma determinada frequência ou fase, diferenças na desadaptação ou diferenças de níveis de tensão. Para cada um dos tipos de sensores, existe um leitor conveniente, capaz de analisar a sua identificação e os dados transmitidos com base nestas características.

[0015] O emissor de energia é constituído por um gerador de sinal, isto é, um oscilador local que gera uma onda continuadamente à frequência de operação. Este sinal é preferencialmente devidamente amplificado, através de um amplificador de potência de alta eficiência, que alimenta a antena transmissora. A antena transmissora apresenta preferencialmente elevada diretividade e possibilidade de beam stearing recorrendo a arrays de antenas, permitindo focar a energia na direção dos sensores passivos. 0 número de transmissores depende do número de recetores e da sua disposição. Para além do cenário de onda continua, formas de onda alternativas são exploradas por forma a otimizar a transferência de energia sem fios.

[0016] O leitor pode ser implementado preferencialmente com recurso a duas abordagens designadas neste documento por abordagem Convencional e All-Digital: A abordagem Convencional consiste num emissor/receptor baseado numa arquitetura I/Q (em fase e em quadratura). Nesta abordagem os sinais I/Q são gerados em banda-base (BB) ou numa frequência intermédia (IF) através de uma unidade de processamento (Microprocessador, DSP, FPGA) e, na cadeia de transmissão, convertidos para RF com recurso a conversores digital para analógico (D/A) seguidos de um misturador de sinal. Na cadeia de recepção o sinal é transladado para BB ou IF através de um misturador, seguido de conversores analógico para digital (A/D). Na abordagem All-Digital o emissor/recetor é baseado numa arquitetura software-defined radio (SDR) onde as funções de processamento de sinal, tais como moduladores, desmoduladores, filtros, entre outros, são implementados em software ou hardware digital reconfigurável. Nesta abordagem, na transmissão, o sinal em BB é convertido diretamente para RF no domínio digital com recurso a serializadores de alta velocidade e com de-serializadores para a receção. Em ambas as abordagens é necessário implementar andares de amplificação e filtragem do sinal.

[0017] Descreve-se um nó passivo para rede de sensores sem fios que compreende: antena para comunicação de dados e receção de energia eletromagnética para obtenção de energia elétrica para alimentar o referido nó; duas malhas de adaptação ligadas à referida antena; e processador de dados configurado para transmitir dados e alimentado pela energia elétrica obtida; em que a referida antena e as malhas de adaptação estão configuradas para duas frequências distintas, uma malha para receção de energia eletromagnética emitida a partir de um emissor de energia eletromagnética e outra malha para comunicação por backscatter.

[0018] Uma realização compreende um semicondutor para controlo de modulação pelo referido processador de dados.

[0019] Uma realização compreende uma pluralidade de semicondutores para controlo da modulação pelo referido processador de dados em andares de impedâncias balanceadas.

[0020] Uma realização compreende uma pluralidade de semicondutores para controlo da modulação pelo referido processador de dados em ramos de impedâncias balanceadas e desfasadas.

[0021] Uma realização compreende uma pluralidade de semicondutores, para controlo da modulação pelo referido processador de dados, configurados para serem ativados a diferentes tensões para obter diferentes tipos de modulações.

[0022] Uma realização compreende um multiplicador de tensão para multiplicar a tensão da energia elétrica obtida.

[0023] Numa realização, o referido nó é um nó sensor e compreende um transdutor ligado ao referido processador de dados.

[0024] Numa realização, o referido transdutor é um transdutor de temperatura, humidade, pressão, ou suas combinações.

[0025] Numa realização, o processador de dados é microprocessador ou um microntrolador.

[0026] Numa realização, a referida antenas e malhas está configuradas para comunicar e/ou receber energia eletromagnética a 2.45 GHz ou a 5.8 GHz.

[0027] Descreve-se ainda uma rede de sensores sem fios que compreende um emissor de energia eletromagnética e uma pluralidade de nós passivos conforme um ou mais nós de qualquer ou quaisquer dos nós referidos, ou suas combinações.

[0028] Numa realização, o emissor de energia eletromagnética compreende uma antena transmissora com um perfil de transmissão direcionado.

[0029] Numa realização, a antena transmissora do emissor de energia eletromagnética também é antena de receção dos dados transmitidos nó ou nós passivos.

[0030] Numa realização, o emissor de energia eletromagnética está configurado para emitir continuadamente, ou periodicamente, ou sob um regime de transmissão predefinido.

[0031] Numa realização, cada um dos nós passivos compreende uma identificação única na rede de sensores.

Descrição das Figuras [0032] Para uma mais fácil compreensão, juntam-se em anexo as figuras, as quais representam realizações preferenciais que não pretendem limitar o objecto da presente descrição.

Figura 1: Diagrama ilustrativo da malha de sensores passivos.

Figura 2: Esquema dos elementos do sensor passivo.

Figura 3: Aumento da ordem de modulação do sensor passivo.

Figura 4: Diferente configuração para aumento da ordem de modulação do sensor passivo.

Descrição Detalhada [0033] As realizações aqui descritas dizem respeito a um sistema de sensores passivos, que não necessitam do uso de pilhas ou baterias. Para tal recorre-se a uma comunicação via rádio, backscatter, em que o sensor envia ao leitor o sinal recebido com menos potência e modulado de acordo com a informação recolhida pelos sensores externos (temperatura, humidade, pressão, etc..). Simultaneamente a esta comunicação, e como parte integrante desta invenção, o sistema inclui também emissores de energia que alimentam continuamente os sensores, tornando-os totalmente passivos não necessitando do uso de pilhas ou baterias.

[0034] Descreve-se a uma rede de sensores passivos constituído por um leitor (5) , emissores de energia sem fios (2), e sensores totalmente passivos (1) . Os sensores passivos permitem de um modo continuo a recolha de dados e a transferência dos mesmos sempre que solicitados pelo leitor, através de backscatter numa frequência (4), e em paralelo a recepção de energia proveniente dos transmissores (3) .

[0035] Cada sensor integra uma antena, duas malhas de adaptação, um semicondutor, um microcontrolador e um ou mais sensores que não requerem do uso de fonte de energias próprias, pilhas ou baterias.

[0036] O leitor (unidade remota) inicia o processo de comunicação. Esta comunicação é conseguida através do envio de comandos de rádio frequência reconhecidos pelos sensores passivos. Estes sensores, ao receberem os comandos provenientes do leitor, iniciam a transmissão de dados de volta conforme o comando recebido.

[0037] Os transmissores de energia são usados para possibilitar de modo continuo a alimentação dos sensores passivos.

[0038] Para a descrição seguinte, e preferencialmente, consideram-se a banda de frequências para a comunicação a 2.45 GHz e para a transferência de energia 5.8 GHz. De evidenciar que quer para a comunicação quer para a transferência de energia sem fios, qualquer outra banda de frequências adequada podia ser considerada. O sensor passivo possui antena (13) e duas malhas de adaptação (7) e (8) que podem ser optimizadas para as frequências pretendidas, possui um ou mais semicondutores (6) que permitem a comunicação de baixo consumo, backscatter. As tensões que controlam os semicondutores (12) são fornecidas pelo microcontrolador (14) e este é alimentado continuamente pelos emissores de energia. 0 sensor passivo possui um multiplicador de tensão (9) para converter a energia electromagnética em energia eléctrica, seguido de um regulador de tensão (10) de modo a manter um nivel de tensão controlado. A tensão regulada (11) alimenta o microcontrolador de um modo continuado.

[0039] De modo a aumentar a ordem de modulação da comunicação por backscatter, o sensor pode incluir mais que um semicondutor (17) que são controlados, independentemente (15), pelo microcontrolador. O sensor possui uma malha de adaptação, multiplicador de tensão e regulador de tensão (16).

[0040] O ligar e desligar em determinados tempos dos semicondutores permitem ao leitor fazer a descodificação e assim ler os dados transmitidos pelos sensores. Aplicando diferentes tensões em cada um dos semicondutores, resulta em diferentes tipos de modulações.

[0041] Esta invenção encontra aplicabilidade em cenários em que se pretenda obter a localização interior ou exterior de objetos. Pode ser utilizado em ambientes agrícolas para o controlo de humidade do solo, pode ser utilizado para controlo de acessos como por exemplo nos parques de estacionamento.

[0042] Pode também ser aplicado no interior de edifícios e interior de casas para o controlo de temperatura e humidade, permitindo regular para os níveis desejados.

[0043] O termo "compreende" ou "compreendendo" quando utilizado neste documento destina-se a indicar a presença das características, elementos, inteiros, passos e componentes mencionados, mas não impede a presença ou a adição de uma ou mais outras características, elementos, inteiros, passos e componentes, ou grupos dos mesmos. As realizações descritas são combináveis entre si. A presente descrição não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações descritas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma e de substituições de características técnicas por outras equivalentes, dependendo dos requisitos de cada situação, tal como definido nas reivindicações anexas.

[0044] As seguintes reivindicações definem realizações adicionais da presente descrição.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Nó passivo (1) para rede de sensores sem fios que compreende: antena (13) para comunicação de dados (4) e receção de energia eletromagnética (3) para obtenção de energia elétrica para alimentar o referido nó; duas malhas de adaptação (7,8) ligadas à referida antena (13); e processador de dados (14) configurado para receber e/ou transmitir dados e alimentado pela energia elétrica obtida; em que a referida antena (13) e as malhas de adaptação (7,8) estão configuradas para duas frequências distintas, uma primeira malha (8) para receção de energia eletromagnética emitida a partir de um emissor de energia eletromagnética e uma segunda malha (7) para comunicação por backscatter.
2. Nó passivo de acordo com a reivindicação anterior que compreende um semicondutor (17) para controlo de modulação pelo referido processador de dados (14).
3. Nó passivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores que compreende uma pluralidade de semicondutores (17) para controlo da modulação pelo referido processador de dados (14) em andares de impedâncias balanceadas.
4. Nó passivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores que compreende uma pluralidade de semicondutores (17) para controlo da modulação pelo referido processador de dados (14) em ramos de impedâncias balanceadas e desfasadas.
5. Nó passivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores que compreende uma pluralidade de semicondutores (17), para controlo da modulação pelo referido processador de dados (14), configurados para serem ativados a diferentes tensões (12, 15) para obter diferentes tipos de modulações.
6. Nó passivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores que compreende um multiplicador de tensão (9) para multiplicar a tensão da energia elétrica obtida.
7. Nó passivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que o referido nó (1) é um nó sensor e compreende um transdutor ligado ao referido processador de dados (14).
8. Nó passivo de acordo com a reivindicação anterior em que o referido transdutor é um transdutor de temperatura, humidade, pressão, ou suas combinações.
9. Nó passivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que o processador de dados (14) é microprocessador ou um microntrolador.
10. Nó passivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que a referida antena (13) e malhas (7,8) estão configuradas para comunicar e/ou receber energia eletromagnética a 2.45 GHz ou a 5.8 GHz .
11. Rede de sensores sem fios que compreende um emissor de energia eletromagnética (2) e um ou mais nós passivos (1) de qualquer uma das reivindicações anteriores.
12. Rede de sensores sem fios de acordo com a reivindicação anterior em que o emissor de energia eletromagnética (2) compreende uma antena transmissora com um perfil de transmissão direcionado.
13. Rede de sensores sem fios de acordo com qualquer uma das reivindicações 11-12 em que a antena transmissora do emissor de energia eletromagnética também é antena de receção (5) dos dados transmitidos pelo nó ou nós passivos.
14. Rede de sensores sem fios de acordo com qualquer uma das reivindicações 11-13 em que o emissor de energia eletromagnética (2) está configurado para emitir continuadamente, ou periodicamente, ou sob um regime de transmissão predefinido.
15. Rede de sensores sem fios de acordo com qualquer uma das reivindicações 11-14 em que cada um dos nós passivos (1) compreende uma identificação única na referida rede de sensores.