JP6979121B2 - 自己給電式のモノのインターネット（ＩｏＴ）センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自己給電式のモノのインターネットセンサ装置、および自己給電式のモノのインターネットセンサ装置で物理量を測定する方法に関する。

IoT（モノのインターネット）センサ装置は広く使用されており、通常はバッテリーで構成されている。しかしながら、そのようなセンサ装置の寿命は、容量、したがってバッテリーの寿命に依存する。バッテリーにエネルギーが含まれていない場合、修理（バッテリー交換）しない限り、センサーは機能を停止する。さらに、バッテリーの寸法はセンサ装置の寸法に大きな影響を及ぼす。このようなセンサ装置は、近い将来、通常、低電力広域ネットワークLPWANの一部になるが、Bluetooth（登録商標）Low Energyなどの他の種類の無線ネットワークにおいて使用される可能性がある。センサ装置は通常、LPWANとの通信を可能にするLPWANノードを備えている。

環境上の理由とIoT（モノのインターネット）センサ装置の寿命を改善するために、専用のバッテリーなしで動作できるセンサ装置を持つことが望ましい。センサ装置においてバッテリーを避けられる場合、そのようなセンサ装置のリサイクルはより環境に優しいものになる。さらに、バッテリーのないIoTセンサーを使用すると、バッテリーの寿命が終了しても、バッテリーを備えたデバイスが所定の位置に留まることを回避できる。さらに、センサ装置の寿命も増加する。

US 2017/0147021 A1は、バッテリーを含まないIoTデバイスを持つIoT（Internet-of-Things）システムについて記載する。このIoTデバイスは、たとえばフォトダイオードを使用してエネルギーを収集するエネルギー収集デバイスを備えている。IoTデバイスは、収集されたエネルギーに基づいて動作する検出器を含むことができる。

本発明の目的は、自己給電式であり、寿命が長く、低電力動作を可能にする自己給電式モノのインターネットセンサ装置を提供することである。

本発明の態様または実施形態によれば、自己給電式のモノのインターネットセンサ装置が提供される。このセンサ装置は、第１の物理量をエネルギーに変換するエネルギー変換ユニットを備えている。センサ装置は、第1の物理量に関連し、エネルギー変換ユニットによって変換されたエネルギーを収穫するエネルギー収穫ユニットも備えている。センサ装置は、無線ネットワーク、特に低電力広域ネットワークLPWANでの通信を可能にする無線ネットワークユニットも備えている。さらに、無線ネットワークユニットを介したメッセージの送信は、エネルギー収穫ユニットによって第1の量のエネルギーが収穫されるたびに開始される。たとえば、第1のセンサーが光の強度を検出している場合、エネルギー収穫ユニットは光検出器によってエネルギーを収穫する。十分なエネルギー（第1のエネルギー量）が収穫されると、すなわち、1つの無線メッセージを送信するのに十分なエネルギーが収穫されると、無線ネットワークユニットを介してメッセージが送信される。言い換えれば、メッセージ自体がある量のエネルギーが収穫されたことを示しており、測定された物理量に直接関係している。つまり、メッセージはデータを含む必要はない。メッセージ自体が、一定量のエネルギーが収穫されたことを示している。

本発明の一態様によれば、エネルギー収穫ユニットによって収穫されたエネルギーを貯蔵するために使用されるエネルギー貯蔵ユニットが提供される。エネルギー収穫ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットに貯蔵された所定量のエネルギーを無線ネットワークユニットに供給して、無線ネットワークユニットがメッセージを送信できるようにするようにさらに適合される。

本発明の一態様によれば、エネルギー収穫ユニットは、エネルギー変換ユニットの出力における電圧レベルをエネルギー貯蔵ユニットによって必要とされる電圧レベルに変換するように構成された第１の変換ユニットを備える。エネルギー収穫ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットの電圧を閾値と比較し、スイッチを制御してエネルギーを無線ネットワークユニットに供給してメッセージの送信を可能にするように構成された比較器をさらに備える。

本発明の一態様によれば、エネルギー収穫ユニットは、エネルギー貯蔵ユニット内の電圧レベルを無線ネットワークユニットが必要とする電圧レベルに変換するように構成された第２の変換ユニットをさらに備える。

本発明の一態様によれば、無線ネットワークユニットは、送信されたメッセージのシーケンスカウンタを記憶するように構成されたマイクロプロセッサを備える。

本発明の一態様によれば、エネルギー変換ユニットは、光検出器または圧電素子として実装することができる。

ある側面によれば、自己給電式センサ装置は、第2のエネルギー貯蔵ユニット、第2の比較器、およびカウントユニットをさらに備え、エネルギー収穫ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットに保存されたエネルギーがタイマー閾値に達するたびにカウントユニットをトリガーし、第２のエネルギー貯蔵ユニットによって貯蔵されたエネルギーの量が送信閾値を超えるたびに、無線ネットワークユニットを介してメッセージの送信を開始するように構成されている。
一 態様によれば、エネルギー収穫ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットおよび第２のエネルギー貯蔵ユニットにそれぞれエネルギーを貯蔵するように構成された第１および第２のエネルギー収穫機を備え、第１のエネルギー収穫機は、無線ネットワークユニットに電力を供給するように構成され、無線ネットワークユニットは、第２のエネルギー収穫機に電力を供給するように構成される。

本発明の別の態様によれば、自己給電式のモノのインターネットセンサ装置を制御する方法が提供される。第１の物理量は、電気エネルギー変換ユニットによって電気エネルギーに変換される。エネルギー変換ユニットによって変換されたエネルギーは、エネルギー収穫ユニットによって収穫される。所定の量のエネルギーが収穫されるたびに、無線ネットワークユニットを介してメッセージが送信される。

本発明のさらなる態様によれば、無線ネットワークユニットにより送信されるメッセージごとにインクリメントされるシーケンスカウンタが提供される。

本発明のさらなる態様によれば、データレートは、無線ネットワークユニットによって送信されるメッセージの数を減少または増加させることにより適合される。

本発明の一態様によるセンサ装置は、低電力広域ネットワークＬＰＷＡＮまたは他の無線ネットワーク内で通信することができる無線およびバッテリレスのセンサ装置である。収穫されるエネルギーは、モニタされているエネルギーと同じタイプである。収穫されたエネルギーが閾値に対応するか、ある量のエネルギーが収穫されると、無線ネットワークユニットを介して第1のメッセージが送信される。収穫されたエネルギーが再び閾値に対応するとすぐに、無線ネットワークユニットを介して第2のメッセージが送信される。物理量の測定値は、無線ネットワーク経由で送信されるメッセージの数に対応し、つまり、物理量は、ある量のエネルギーが収穫された回数に対応する。 LPWAN（または他の無線ネットワーク）メッセージには、タイムスタンプ情報と位置情報を含めることができる。

センサ装置によって送信されるメッセージには、送信されるメッセージごとに増分されるシーケンスカウント値を含めることができる。

したがって、メッセージが失われた場合でも、受信ユニットは合計でどれだけのエネルギーが収穫されたかを認識し、正しい測定がもたらされる。したがって、この状況では、メッセージが失われたときに時間情報のみが失われるだろう。

本発明の好ましい実施形態は、従属請求項または上記の実施形態とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせでもあり得ることを理解されたい。

本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになり、解明されるであろう。

本発明の第１の態様によるセンサ装置の概略ブロック図。 本発明の一態様によるエネルギー収穫手順のタイムチャートのグラフ。 本発明の一態様によるセンサユニットの動作の概略図。 本発明の一態様によるエネルギー収穫手順の図。 本発明のさらなる実施形態によるセンサユニットの動作の概略図。 本発明のさらなる実施形態によるセンサユニットの概略図。 本発明の実施形態の動作。 本発明の実施形態の動作。

図１は、本発明の実施形態の第１の態様によるセンサ装置の概略ブロック図を示す。本発明の一態様によるセンサ装置１００は、低電力広域ネットワークＬＰＷＡＮなどの無線ネットワーク（Bluetooth Lower Energyなどの他の種類のネットワークでもよい）の一部であり得る自己給電式のモノのインターネット（ＩｏＴ）センサ装置１００である。センサ装置１００は、エネルギー収穫ユニット１１０、エネルギー貯蔵ユニット１３０、無線ネットワークユニット１４０、およびエネルギー変換ユニット１５０（すなわち、エネルギー変換器）を含む。センサ装置１００は、無線ネットワークユニット１４０を介してＬＰＷＡＮと無線通信することができる。エネルギー貯蔵ユニット１３０は、コンデンサまたは同様の電荷貯蔵デバイス、あるいは、無線ネットワークユニットの要件がそのように指示する場合、スーパーコンデンサでさえあり得る。

エネルギー収集ユニット１５０は、物理量、すなわち光、熱または運動のような現象を検出し、この物理量を電気エネルギーに変換することができる。したがって、エネルギー変換ユニットは、例えば、光検出器１５０または運動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子として実施することができる。エネルギー収穫ユニット１１０は、第１の物理量に関連するエネルギーを収穫している。例えば、エネルギー変換ユニット１５０が光検出器である場合、エネルギー収穫ユニット１１０は、光を電気エネルギーに変換することによりエネルギーを収穫する。これは、例えば、（光検出器の形の）エネルギー変換ユニット１５０によって実行され得る。

エネルギー収穫ユニット１００によって収穫されたエネルギーが第１の閾値または量に達すると、第１のメッセージが無線ネットワークユニット１４０を介して送信される。言い換えれば、このメッセージは、第1の閾値または量に対応するエネルギーがエネルギー収穫ユニット110によって収穫されたことを示す。その後、エネルギー収穫ユニット１１０が再び第１の量に達するエネルギーを収穫すると、更なるメッセージが無線ネットワークユニット１４０を介して送信される。無線ネットワークユニット１４０は、メッセージを送信するために必要なエネルギーのみを引き出し、エネルギー貯蔵ユニット１３０内の余剰エネルギーは、後続のメッセージのためにそこに残ることを理解されたい。低電力広域ネットワークＬＰＷＡＮの受信側では、受信機は、無線ネットワークユニット１４０によって無線で送信されるメッセージを受信することができる。無線ネットワーク１４０は、マイクロプロセッサ１４１および無線モジュール１４２を含むことができる。

エネルギー収穫ユニット１１０は、エネルギー収集ユニットによって収集されたエネルギーによるエネルギー貯蔵ユニットの充電を可能にし、さらにメッセージを送信するために無線ネットワークユニット１４０にエネルギーを供給する回路を備える。

特に、エネルギー収穫ユニット１１０は、ブースト充電器１１１、バックコンバータ１１２、比較器１１３、およびスイッチ１１４を備えてもよい。ブースト充電器１１１は、エネルギー変換ユニット１５０の出力を受け取り、エネルギー変換ユニット１５０の出力の電圧レベルをエネルギー貯蔵ユニット１３０に必要な電圧レベルに変換することができる。比較器１１３は、エネルギー貯蔵ユニット１３０における電圧レベルをモニタする。エネルギー貯蔵部１３０の電圧レベルが閾値に対応する場合、比較器は、エネルギー貯蔵部１３０からのエネルギーがバックコンバータ１１２によって無線ネットワークユニット１４０に必要な電圧レベルに変換されるようにスイッチ１１４を制御することができる。無線ネットワークにメッセージを送信するのに十分なエネルギーが供給されている場合、スイッチ114をオフにすることができる。スイッチオフは、例えば、無線ネットワークユニット140のマイクロプロセッサ141によって実行され得る。

オプションとして、エネルギー収穫ユニット１１０は、設定を受信するための入力を備えてもよい。これらの入力は、抵抗器ネットワークをエネルギー収穫ユニット110に結合するためにも使用できる。

任意選択で、更なる物理量を測定または検出するように適合させることができるセンサー170を提供することができる。

ネットワークの受信側では、タイムスタンプ情報と位置情報を生成できます。受信側はタイムスタンプを着信メッセージに関連付けることができるため、メッセージのタイムスタンプ情報を利用できる。センサ装置の位置情報は、三角測量により受信側で取得できる。複数のアンテナが同じメッセージを受信した場合、センサ装置の場所を特定できる。

図１Ｂは、本発明の一態様によるエネルギー収穫手順の時間図のグラフを示している。図１Ｂには、エネルギー貯蔵装置１３０における電圧Ｖ１、Ｖ２および無線ネットワークユニット１４０の入力における電圧Ｖ３が示されている。電圧V3は、無線ネットワークユニットの入力における電圧に対応する。電圧Ｖ１は、無線ネットワークユニット１４０がメッセージを送信することを可能にするのに十分なエネルギーがエネルギー貯蔵ユニット１３０に貯蔵されたときの電圧レベルに対応する。電圧レベルＶ２は、無線ネットワークユニット１４０によってメッセージが送信されたときのエネルギー貯蔵ユニット１３０における電圧レベルに対応する。メッセージが送信（Tx）されると、エネルギー貯蔵ユニットの電圧レベルがV1からV2に低下する。その後、エネルギー収集ユニット１５０によって収集されたエネルギーに起因して、エネルギー貯蔵ユニット１３０における電圧レベルは増加している。エネルギー貯蔵ユニット１３０の電圧レベルが電圧レベルＶ１に達するとすぐに、エネルギー収穫ユニット１１０は、メッセージを送信するために無線ネットワークユニット１４０にエネルギーを提供する。無線ネットワークユニット１４０を介したメッセージの送信中、エネルギー貯蔵ユニット１３０の電圧レベルはＶ１からＶ２に低下する。

図２は、本発明の一態様によるセンサ装置の動作の概略図を示す。図２では、センサ装置１００は２つの機能ブロック、すなわち、エネルギー収集に関連する１つのブロックと無線ネットワークユニットに関連する第２のブロックに分割されている。第１ブロックには、エネルギー収穫ユニット１１０、エネルギー貯蔵ユニット１３０、エネルギー変換ユニット１５０が設けられている。無線ネットワークユニット１４０は、低電力広域ネットワークと通信することができる。（収穫される）エネルギー２００は、エネルギー収穫ユニット１１０によって収穫される。（一例として）図2では、2つの異なるエネルギー量200a、200bが収穫される。本発明によれば、センサ装置１００は、４つのメッセージ１４１を、すなわち、第１の量のエネルギー２０１が収穫されるたびに、出力する。センサ装置は継続的にエネルギーを収集している。第２の量のエネルギー２０２が収穫されると、センサ装置は７つのメッセージ１４２を出力する。図2からわかるように、メッセージ141間の距離は、メッセージ142間の距離よりもはるかに大きい。

期間200b中のエネルギーレベルは期間200a中よりも高いため、センサ装置100はより多くのメッセージを送信する。メッセージが送信されない場合、収集できるエネルギーが無い。言い換えれば、メッセージがないことは、たとえば光や遺伝エネルギーがないことを示すため、価値ある情報に関連している可能性がある。

本発明の一態様によるセンサ装置の動作は、以下のように説明することができる：エネルギーのバケットが一杯になるとすぐに、センサ装置はメッセージを送信する。送信に起因してバケットは（部分的に）空になり、バケットが再びいっぱいになるとすぐに、更なるメッセージが送信される。より多くのエネルギーが存在する場合、（メッセージ142の場合と同様に）バケットの充填はより高速になる。しかしながら、エネルギーレベルが低い場合は、バケットの充填に時間がかかる（メッセージ141を参照）。

本発明の一態様によれば、センサ装置１００によって感知される物理量は、収穫されるエネルギーに対応するか、またはそれに関連し、逆もまた同様である。例えば、エネルギー変換ユニット１５０が光検出器である場合、光検出器は光を検出し、光を電気エネルギーに変換することができる。第１の量の電気エネルギーが光検出器によって変換されるとすぐに、センサ装置１００からメッセージが送信される。このメッセージは、光検出器によって第1の量のエネルギーが変換されたこと、つまり、第1の量の光が検出されたことを示す。このプロセスは、センサ装置100が複数のメッセージを送信できるように、反復プロセスであり得る。メッセージには値が含まれないが、時間の経過に伴うメッセージの発生（時間の経過に伴うメッセージの数）は、モニタされる物理量を示すため、これは有利である。したがって、堅牢な低複雑なセンサ装置がモノのインターネットシステム内に提供される。

無線ネットワークユニット１４０は、マイクロプロセッサ１４１および無線モジュール１４２を備えることができる。エネルギー収穫ユニット１１０が十分なエネルギーを収穫するとすぐに、無線ネットワークユニット１４０のマイクロプロセッサ１４１および無線モジュール１４２が起動されて、第１の無線周波数ＲＦメッセージを送信する。言い換えれば、エネルギー収穫ユニット１１０は、無線ネットワークユニット１４０がＲＦメッセージを送信するのに十分なエネルギーを提供する。マイクロプロセッサ１４１は、十分なエネルギーが提供されるとすぐに１つのＲＦメッセージを送信するアルゴリズムを処理するように適合され得る。次に、制御ユニット１２０は、無線ネットワークユニット１４０のディープスリープを開始することができる。

本発明の一態様によれば、１ＲＦメッセージのサイズは、不必要な電力消費を防ぐために最小化される。

本発明の一態様によれば、ＲＦメッセージの送信に必要なエネルギーよりも多くのエネルギーが収穫される場合、追加の物理量を測定するために余分なエネルギー量を使用することができる。したがって、センサ装置１００には更なるセンサ１７０が存在し得る。たとえば、エネルギーを収集するために光が使用される場合、余分な量の収穫されたエネルギーで紫外線が検出されることができる。

本発明のさらなる態様によれば、エネルギー収穫ユニット１１０によって十分なエネルギーが収穫された場合、無線ネットワークユニット内のマイクロプロセッサの不揮発性メモリにエネルギービットを書き込むことにより、さらなる精度を提供することができる。これは、特に、エネルギー収穫ユニット110によって収穫されたエネルギー量がRFメッセージの送信を可能にするのに十分でない場合に実行されることができる。エネルギー収穫ユニットによって十分なエネルギーが収穫されると、収穫されたビット数が無線で通信されることができる。

図３は、本発明の一態様によるエネルギー収穫手順の図を示す。図3は、さまざまな用途に合わせてさまざまなエネルギー源を収穫できることを示す。第１のエネルギー収穫手順１０１は、運動エネルギーから電気エネルギーを抽出することができる。したがって、図１Ａによるセンサ装置１００を使用することができる。したがって、第１のエネルギー収穫手順１０１は、収穫された運動エネルギーの量に対応するいくつかのメッセージ１０１ａを送信することができる。送信されたメッセージ１０１ａの数は、ユーザのアクティビティを決定するために、アクティビティユニット３１０によって使用されることができる。

第２のエネルギー収穫手順１０２は、図２によるセンサ装置１００を使用することができる。第２のエネルギー収穫手順１０２は、利用可能な光２０２を使用して、エネルギー収穫ユニット１１０によってエネルギーを収穫し、無線ネットワークユニット１４０を介していくつかのメッセージ１０２ａを送信する。第２のエネルギー収穫手順１０２からのメッセージ１０２ａの数の情報は、オプションとして第１のセンサ装置１０１からのメッセージ数とともに、睡眠ユニット３２０によって使用されて、ユーザの睡眠の質を判定することができる。

さらに、メッセージの数および対応するタイムスタンプに関する情報は、入力として受け取った日光の量を有するうつ病防止アプリケーション330によって使用されてもよい。

第３のエネルギー収穫手順１０３は、エネルギー収穫ユニット１１０によって紫外線を使用してエネルギーを抽出する。第３のエネルギー収穫手順１０３は、図２によるセンサ装置１００を使用することができる。したがって、エネルギー収穫手順１０３によって送信されるメッセージ１０３ａの数は、紫外線の量に対応する。この情報は、対応するタイムスタンプとともに、紫外線保護ユニット340によって使用されて、ユーザーの紫外線保護を決定すること、言い換えれば、ユーザーが日焼けなどを避けるのに役立つことができる。オプションで、追加のセンサーが提供されることができる。センサーの情報は、紫外線保護ユニットに転送されることができる。または、第3のエネルギー収穫手順では、日光のような光を収穫し、追加のセンサーを使用してUV指標を与えることができます。送信されるメッセージには、UV指標を含めることができる。

本発明によれば、センサ装置はバッテリレスセンサ装置であり、したがって、ヘルスケアアプリケーションに組み込むことができ、ユーザーが使用または着用することができる。そのようなセンサ装置は、時計、宝石、靴などに組み込まれてもよい。たとえば、センサ装置が靴に組み込まれている場合、ユーザーの活動を測定できるだろう。あるいは、センサ装置が指輪や時計などの装身具に実装されている場合、日光または紫外線レベルが測定されることができる。

本発明の一態様によれば、運動エネルギーから電気エネルギーを抽出するために、圧電部品をエネルギー収集ユニットとして使用することができる。

本発明のさらなる態様によれば、センサー装置は、光を測定するために使用することができ、植物が十分な光を得たかどうかを判定するために、植物に埋め込むまたは取り付けることができる。オプションとして、センサ装置は、植物が十分な水を得ているかどうかを判断するために、植物の土壌の湿度を判断する湿度検出ユニットを備えていてもよい。無線ネットワークの受信側で受信される複数のメッセージにより、光レベルが正常かどうか、および/または湿度レベルが正常かどうかを判断できる。本発明によるセンサ装置は、測定装置として動作する。無線ネットワークの受信側は、受信された情報をさらに処理できる。

本発明の一態様によれば、外光を決定し、ひいては街路灯の光を制御するために、街路灯にセンサ装置を実装することができる。

本発明のさらなる態様によれば、街路灯にセンサ装置を実装して、街路灯が発光しているかどうかを判定することもできる。センサ装置がメッセージを送信しない場合、街路灯が必要に応じて機能していないことは明らかである。

本発明のさらなる態様によれば、センサ装置は、デバイスの電力消費を測定または決定するために、配電線の周りの交番磁界を検出するために使用されることができる。本発明によるセンサ装置は、交流磁場を使用して電気エネルギーを抽出し、センサ装置を動作させることができる。

本発明のさらなる態様によれば、メッセージは、メッセージが送信されるたびにインクリメントされることができるシーケンスカウンタを含むことができる。シーケンスカウンタは、マイクロプロセッサ141の不揮発性メモリに格納されてもよい。センサ装置100によって送信されるメッセージの一部が送信中に失われた場合でも、これらの後続のメッセージのいずれかで、シーケンスカウントには必要な情報が含まれるため、受信側で正しい送信レート、したがって収集されたエネルギーレベルが推測されることができるので、これは有利である。失われるメッセージの問題に対する一般的な解決策は、高出力、または、エラー訂正（メッセージの冗長性など）を伴うより複雑な送信スキームを使用することである。

本発明の別の態様によれば、無線ネットワークの受信機側で自動データレート調整を実行することができる。ネットワークの受信側は、シーケンスカウンタが連続して1を超えてインクリメントされる場合に、センサ装置にメッセージの数をある係数（たとえば2）で減らすように指示できる。これは、メッセージの転送に対応するエネルギー量が小さすぎることを示している。したがって、エネルギー貯蔵装置の電圧レベルが第1の量に2回到達した場合にのみメッセージを送信するようにセンサ装置が適合されてもよい。言い換えると、送信されるはずのメッセージの幾つかが省略されることができる。

本発明のさらなる態様によれば、ダウンリンクメッセージが提供され得る。これらのダウンリンクメッセージは、アップリンクメッセージを送信するよりも多くのエネルギーを必要とする場合がある。

本発明のさらなる態様によれば、ＲＦメッセージが送信されるかどうかにかかわらず、シーケンスカウンタをインクリメントすることができる。

図４は、本発明の別の実施形態の動作を表す。前述のように、エネルギー収集ユニット150は、エネルギー収穫および貯蔵ユニット400にエネルギーを提供する。エネルギー収穫および貯蔵ユニット４００は、前述のエネルギー収穫ユニット１００の要素、第１のエネルギー貯蔵器１３０および第２のエネルギー貯蔵器４０１を有する。エネルギー収穫および貯蔵ユニット４００は、実施形態による無線ネットワークユニット４１０への入力を提供する。エネルギー収穫および貯蔵ユニットは、カウントユニット402への入力も提供する。次に、カウントユニット４０２は、無線ネットワークユニット４４０のマイクロプロセッサ１４１に入力を提供する。カウントユニット４０２は、エネルギー収穫および貯蔵ユニット４００から入力が受信されたとき（またはトリガーされたとき）を記録するリアルタイムクロック（ＲＴＣ）などの時間を記録する手段を備えてもよい。次に、カウントユニット４０２は、この情報をマイクロプロセッサ１４１に提供する。

図５ａは、図４の実施形態の追加の特徴を持たない本発明の実施形態によるセンサ装置の動作を表す。曲線４１は、エネルギー収集ユニット１５０に入射する（または利用可能な）エネルギーのレベルを表し、パルス４２、４４、および４４は、無線ネットワークユニット１４０によって行われた無線送信を表す。パルス42と43は、その期間のエネルギーの総量が比較的高かったため、比較的近くにある。次に、曲線41が示すように、エネルギーレベルの低下があり、送信に必要なエネルギーを収集する時間が長くなるため、パルス44が送信される前により長い時間が発生している。パルスの受信機が受信された情報から曲線41の形を推定することは不可能である。パルスの頻度は、パルス間の期間にわたって積分または合計されたエネルギーレベルを表す。

図４に戻ると、第１のエネルギー貯蔵部１３０は、カウントユニット４０２に電力を供給しトリガーするために使用される。ここでの「トリガー」とは、「あるアクションを発生させる」ことを意味し、機能を実行するためにデバイスを起動することも含まれる。前述のような態様で、第１のエネルギー貯蔵部１３０によって貯蔵されたエネルギーが第１の閾値に達すると（例えば、エネルギー貯蔵部１３０の電圧レベルが閾値に達すると）、カウントユニット４０２は、エネルギー収穫および貯蔵ユニット４００からの入力によってトリガーされる。これにより、カウントユニット４０２は、トリガーを記録、特にトリガーが発生した時間を記録する。これは、「カウントイベント」または「タイミングイベント」と呼ばれる。カウントユニット４０２は、マイクロプロセッサ４４１の一部として、または独立型のユニットとして実装され得る。カウントユニット４０２がマイクロプロセッサ４４１の一部を形成する場合、トリガーされるのはマイクロプロセッサ４４１である。この場合、「トリガー」とは、マイクロプロセッサーに電力（および必要なイネーブル）が供給されることでマイクロプロセッサーが起動され、カウントユニット402からタイミングまたはカウント情報を読み取らせて保存させることを意味する。一般に、「カウントユニットのトリガー」が言及される場合、これは適切な場合「マイクロプロセッサのトリガー」を意味すると理解されるべきである。エネルギー貯蔵部４０１内の（例えば、電圧レベルとして測定される）エネルギーレベルが別の第２の閾値に達すると、エネルギー収穫および貯蔵ユニット４００はエネルギーを無線ネットワークユニット４１０に提供する。無線ネットワークユニット４００のマイクロプロセッサ４４１は、カウントユニット４０２からカウントイベントの記録を取得し、それらをメッセージのペイロードの一部としてエンコードする。次に、メッセージは無線モジュール142によって送信される。便宜上、第1の閾値はタイマー閾値と呼ばれ、第2の閾値は送信閾値と呼ばれる。この２つの閾値は同じレベルに設定される必要はなく、実際、これは２つのエネルギー貯蔵部１３０および４０１の容量と、カウントユニット４０２および無線ネットワークユニット４１０に必要なエネルギーに依存する。送信閾値は、図1の実施形態のものと同じであってもよい。

図５ｂは、図４の実施形態によるセンサ装置の動作を表す。図5aと同様に、曲線41は入射したまたは利用可能なエネルギーのレベルを表す。また、前述のように、無線送信はパルス42、43、44で示される時間に行われる。さらに、パルス列45および46は、カウントユニット402のトリガーを表す。見て分かるように、パルス列45は、カウントユニットの頻繁なトリガーを示し、一連の比較的狭い間隔の時間が記録されることを意味する。それに対応して、図1と同様に、無線送信42と43は比較的近接している。送信４３と４４との間の期間の初期部分では、利用可能なエネルギーが低下するため、パルス列４６によって示されるように、カウントユニット４０２のトリガーはあまり頻繁に発生しない。この期間の終わりに向かって、利用可能なエネルギーレベルが上昇し、カウントユニット402のトリガーが再び頻繁になる。見てわかるように、パルス列46のトリガーのパターンは、利用可能なエネルギーレベル41の変動を表す。したがって、この実施形態によるメッセージの受信機は、より高い時間分解能でエネルギーレベルの変動を推定することができる。

時間の記録は、メッセージ内の時間値によって時間分解能が提供されるため、無線ネットワークユニット410からの送信の頻度を減らすことができる。ただし、送信頻度が少ないということは、各メッセージに含まれる情報が多くなり、メッセージが長くなる傾向があり、送信するためにより多くのエネルギーが必要になることを意味する。したがって、送信頻度とメッセージ長の間にはトレードオフがある。情報をメッセージにエンコードする方法を選択することにより、メッセージの長さを短縮できる場合がある。

時間を記録し、メッセージをエンコードするためのさまざまなアプローチが存在する。1つは、各時間レコードの絶対値を順番に配置することである。しかしながら、絶対値には時刻と日付が含まれ、広範囲の値に対して割り当て（ビット単位）が必要になるため、相対値をエンコードすることでビットを節約できる場合がある。一方、相対値の範囲ははるかに狭いため、より少ないビットで表現できる。そのような相対値の実装の一例は、最初のタイムレコードのみ絶対形式でエンコードされ、問題の送信の時刻までの後続のタイムレコードは最初のタイムレコードとの差分としてエンコードされる。もう1つは、問題の送信の時間に相対的な（負の）値としてである可能性がある。これは受信時間に非常に近いため、受信機自身で送信時間を決定できる。カウントユニット４０２をトリガーしてメッセージを送信するのに必要なエネルギー間の関係が一定に保たれている場合、送信間で常に同じ数のタイマー記録が存在する。これは、メッセージが常に同じ長さになるため、受信側でのデコードがより簡単になることを意味する。関係の動的適応を実装することは可能ですが、これには、メッセージ内のメッセージ長の表示や適応デコードなど、何らかの更なる複雑性が必要になる。

別のアプローチでは、カウンタ/RTCから記録される値は、前のカウントイベントと現在のカウントイベントの間の時計の刻みのカウントである。この場合、カウンターはカウントイベントのトリガーごとにリセットされることができる。送信されるメッセージのペイロードは、一連のカウント値になる。受信器は、メッセージの受信時間を使用して、カウントイベントの実際の時間に戻って計算し、入射エネルギーのサンプリングされた曲線を再構築する。

図６は、図４の機能による別の実施形態を表す。エネルギー収集ユニット１５０は、第１のエネルギー収穫機１１０にエネルギーを供給する。この第1のエネルギーハーベスタ110は、図1に関して説明したものと同様であり、第1のエネルギー貯蔵ユニット130に結合されている。第１のエネルギー貯蔵ユニット１３０は、第１のエネルギー収穫機１１０の充電出力６２１と基準電圧との間に結合されたコンデンサとして実装されてもよい。また、第１のエネルギー収穫機１１０の充電出力６２１には、カウンタＲＴＣ６０２が結合されている。第１のエネルギー収穫機１１０は、無線ネットワークユニット４１０の入力に結合された１つ以上の電圧／信号出力６２２を有する。カウンタＲＴＣは、無線ネットワークユニット４１０内の不揮発性メモリ（ＮＶＭ）６１１に結合されている。ＮＶＭは、無線ネットワークユニット４１０内のマイクロプロセッサ１４１に結合されている。カウンタRTC 602はさまざまな構成が可能であり、すなわち、独立型の回路としての場合があり、または、オプションの点線結合で示されるように、機能の一部はマイクロプロセッサ441内にある（たとえば、カウンター部分）。独立型の場合は、NVMに結合されることができる。機能がマイクロプロセッサ441と共有される場合、カウンタRTCは、NVMではなくマイクロプロセッサ441と結合されてもよい。独自のRTCを持つマイクロプロセッサ441を使用することもできる。第２のエネルギー収穫機４２０は、第２のエネルギー貯蔵ユニット４０１に結合されている。第２のエネルギー貯蔵ユニット４０１は、第１のエネルギー収穫機４２０の充電出力６２３と基準電圧との間に結合されたコンデンサとして実装されてもよい。第２のエネルギー収穫機４２０は、無線ネットワークユニット４１０の第２の入力に結合された１つ以上の電圧／信号出力６２３を有する。無線ネットワークユニット４１０の第２の入力は、第１のエネルギー収穫機１３０に結合されたものと同じ入力であってもよい。無線ネットワークユニットは、第２のエネルギー収穫機４２０の電力入力に結合された電力出力６２５を有する。エネルギー貯蔵器１３０は、第２のエネルギー貯蔵ユニット４０１よりも低い貯蔵容量を有し得る。

第１のエネルギー収穫機１１０は、エネルギーを収穫し、それを第１の貯蔵ユニット１３０に貯蔵する。貯蔵されたエネルギーが第１の、または「タイマー」閾値に達すると（例えば、充電出力６２１の電圧が閾値に達すると）、第１エネルギー収穫機１１０は信号を送り、無線ネットワークユニット４１０、特にマイクロプロセッサ１４１に電力を供給する。マイクロプロセッサ１４１は、カウンタ／ ＲＴＣ６０２の時間を読み取り、それをＮＶＭに記録する。無線ネットワークユニット410は、エネルギー貯蔵ユニット130のエネルギーレベルが第2の、または「パワーオフ」閾値を下回るまで電力を受け取り続け、この期間中、マイクロプロセッサ141は電力出力625を介して第2のエネルギー収穫機420に電力を供給する。第２エネルギー収穫機４２０は、第２エネルギー貯蔵部４０１にエネルギーを貯蔵する。次に、マイクロプロセッサ141は、第2のエネルギー収穫機回路420への電力の供給を停止する。このプロセスは、第２のエネルギー貯蔵ユニット４０１に貯蔵されたエネルギーレベルが「送信」閾値に達するまで繰り返される。この時点で、第2のエネルギー収穫機420は、無線ネットワークユニット410に信号を送り、電力を提供する。マイクロプロセッサ１４１は、ＮＶＭの記録を読み取り、無線モジュール１４２が送信するメッセージをコンパイルする。マイクロプロセッサ１４１が、第１のエネルギーハーベスタ１１０から電力を受けながら機能する「低電力」モードを有することが有利であり得る。このようにして、マイクロプロセッサ１４１が第２のエネルギー収穫回路４２０に供給することができる電力は、それだけ大きくすることができる。第１および第２のエネルギーハーベスタ１３０、４２０は、同じ回路を使用して実装されてもよい。同様の機能が必要なため、これを行うと都合がよいだろう。ただし、より経済的であることが確かめられた場合には、第2のエネルギー収穫機は別の回路で実装できる。これらの決定は実装の詳細に依存し、当業者の想定の範囲内である。

エネルギー収集回路が両方のエネルギー収穫機に電力を供給することは理論的には可能であるが、これには或る支障がある。正しいバランスを確保するために、（単に接続するのではなく）何らかの設計に従ってエネルギーを分割する手段が必要になる。図６の実施形態は、収穫されたエネルギーの共有、したがって時間記録と送信との間のバランスをプログラミングによって管理できるという利点を有する。

本発明のさらなる態様によれば、運動エネルギーは、例えば、エネルギー収集ユニットとしての圧電ユニットによって収穫されることができる。これは、人間の活動のモニタリングに使用したり、歩行や走行の経路の追跡に使用したりできる。

本発明のさらなる態様によれば、運動エネルギーを収集することによって靴の摩耗またはランニングシューズの寿命を決定することにより、靴交換手順を実施することができる。

本発明のさらなる態様によれば、光が収穫され、（オプションでの土壌湿度の検知ともに）植物の健康状態のモニタリング、および、（オプションでの土壌湿度の検知とともに）低コストの作物モニタリングに使用されることができる。

本発明のさらなる態様によれば、産業用流量モニタリングで使用するために運動エネルギーを収集することができる。

「マイクロプロセッサ」という用語は、一般にマイクロコントローラと呼ばれるものを含む、一般的な論理回路を含むと理解される。

本発明は、図面および前述の説明において詳細に例示および説明されているが、そのような例示および説明は、図解的および例示的であり、限定的ではないと見なされるべきであって、本発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態の他の変形例は、図面、開示および特許請求の範囲の検討から、請求された発明を実施する際に当業者によって理解および実施され得る。

請求項において、「含む」「有する」という用語は他の要素またはステップを除外せず、冠詞「a」または「an」は複数を除外しない。単一の要素またはユニットが、特許請求の範囲に列挙されているいくつかのアイテムの機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる独立請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。請求項において、括弧の間に置かれた参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されてはならない。

本発明は、いくつかの別個の要素を含むハードウェアによって、および適切にプログラムされたコンピュータまたは処理ユニットによって実装され得る。いくつかの手段を列挙する装置の請求項では、これらの手段のいくつかは、ハードウェアの同一のアイテムによって具現化されてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。

本発明の態様は、コンピュータによって実行され得るコンピュータ可読記憶装置に格納されたコンピュータプログラム命令の集まりであり得るコンピュータプログラムで実施され得る。本発明の命令は、スクリプト、解釈可能プログラム、ダイナミックリンクライブラリ（ＤＬＬ）またはＪａｖａクラスを含む（但しこれらに限定されない）、解釈可能または実行可能なコードメカニズムであり得る。命令は、完全な実行可能プログラム、部分的な実行可能プログラム、既存のプログラムへの変更（更新など）、または既存のプログラムの拡張（プラグインなど）として提供できる。さらに、本発明の処理の一部は、複数のコンピュータまたはプロセッサに分散されてもよい。

コンピュータプログラムの命令を保存するのに適した記憶媒体には、EPROM、EEPROM、フラッシュメモリデバイス、内部および外部ハードディスクドライブなどの磁気ディスク、リムーバブルディスク、CD-ROMディスクなどのあらゆる形態の不揮発性メモリが含まれる。コンピュータプログラムは、そのような記憶媒体で配布されるか、HTTP、FTP、電子メール、またはインターネットなどのネットワークに接続されたサーバーを介したダウンロード用に提供される。

請求項中の参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (13)

1. 自己給電式センサ装置であって、
   無線ネットワークでの通信を可能にするように構成された無線ネットワークユニットであって、マイクロプロセッサを有し、当該マイクロプロセッサは、メッセージが送信されるたびにインクリメントされるシーケンスカウンタを格納し、各メッセージに前記シーケンスカウンタの値を含めるように構成される、無線ネットワークユニットと、
   第1の物理量をエネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換ユニットと、
   前記エネルギー変換ユニットにより変換されたエネルギーからエネルギーを収穫するように構成されたエネルギー収穫ユニットであって、当該エネルギー収穫ユニットにより収穫されたエネルギーの量が閾値を超えるたびに前記無線ネットワークユニットを介したメッセージの送信を開始するエネルギー収穫ユニットと、
   を有する、自己給電式センサ装置。
2. 前記エネルギー収穫ユニットによって収穫されたエネルギーを貯蔵するように構成されたエネルギー貯蔵ユニットを有し、
   前記エネルギー収穫ユニットが、メッセージを送信するために、前記エネルギー貯蔵ユニットに貯蔵された所定量のエネルギーを前記無線ネットワークユニットに供給するように構成される、請求項１に記載の自己給電式センサ装置。
3. 前記エネルギー収穫ユニットが、前記エネルギー変換ユニットの出力における電圧レベルを前記エネルギー貯蔵ユニットが必要とする電圧レベルに変換するように構成された第１の変換ユニットを有し、
   比較器が、前記エネルギー貯蔵ユニットの電圧を閾値と比較し、スイッチを制御して前記無線ネットワークユニットにエネルギーを供給し、メッセージの送信を可能にするように構成される、請求項２に記載の自己給電式センサ装置。
4. 前記エネルギー収穫ユニットが、前記エネルギー貯蔵ユニットの電圧レベルを前記無線ネットワークユニットが必要とする電圧レベルに変換するように構成された第２の変換ユニットをさらに有する、請求項３に記載の自己給電式センサ装置。
5. 前記エネルギー変換ユニットが光検出器または圧電素子である、請求項１に記載の自己給電式センサ装置。
6. 第2のエネルギー貯蔵ユニット、第2の比較器およびカウントユニットを有し、
   前記エネルギー収穫ユニットが、前記エネルギー貯蔵ユニットに貯蔵されたエネルギーがタイマー閾値に達するたびに、前記カウントユニットをトリガーし、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットによって貯蔵されたエネルギー量が送信閾値を超えるたびに、前記無線ネットワークユニットを介してメッセージの送信を開始するように構成される、請求項2から請求項5のいずれか一項に記載の自己給電式センサ装置。
7. 前記エネルギー収穫ユニットが、前記エネルギー貯蔵ユニットおよび前記第2のエネルギー貯蔵ユニットにそれぞれエネルギーを貯蔵するように構成された第1のエネルギー収穫機および第2のエネルギー収穫機を有し、
   前記第１のエネルギー収穫機は、前記無線ネットワークユニットに電力を供給するように構成され、前記無線ネットワークユニットは、前記第２のエネルギー収穫機に電力を供給するように構成される、請求項6に記載の自己給電式センサ装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の少なくとも１つの自己給電式センサ装置を含むネットワークで動作するように構成された受信機であって、前記自己給電式センサ装置からメッセージを受信する受信部と、前記メッセージに含まれる前記シーケンスカウンタの値に基づいて前記自己給電式センサ装置により検出された物理量の測定値を得るプロセッサと、を有する受信機。
9. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の少なくとも１つの自己給電式センサ装置と、請求項８に記載の受信機とを含むネットワーク。
10. 物理量を測定する方法であって、
    エネルギー変換ユニットによって第1の物理量を電気エネルギーに変換し、
    前記エネルギー変換ユニットによって変換されたエネルギーからエネルギーを収穫し、
    収穫されたエネルギー量が閾値を超えるたびに、無線ネットワークユニットを介してメッセージを送信し、前記メッセージが送信されるたびにインクリメントされるシーケンスカウンタを格納し、前記メッセージが前記シーケンスカウンタの値を含む、方法。
11. 前記無線ネットワークユニットにより送信されるメッセージの数を減少させることによりデータレートを減少させることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 収穫されたエネルギーの量がメッセージの送信の合間にタイミング閾値を超えると、収穫されたエネルギーを使用して、タイミングイベントをトリガーし、送信されるメッセージが、前記タイミングイベントの記録を含む、請求項１０または１１に記載の方法。
13. プロセッサにより実行されて、前記プロセッサに請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の方法を実行させるコンピュータプログラム。

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