用于传感器节点的能量收集和控制的制作方法
【专利说明】用于传感器节点的能量收集和控制
[0001]优先权的要求
[000引 在此要求化化oun等人于2012年2月17日提交的题为"Batte巧-less化ergy Harvesting Sensor Node SoC and Related Method thereof"的美国临时专利申请序列 号61/600, 467(代理人档案号01918-01)的优先权权益，在此通过引用将其全部内容（包 括其标记有"附录A"至"附录H"的部分）合并于此。
【背景技术】
[0003] 嵌入式系统可W用于各种各样的应用中，包括提供监视、传感、控制或安全功能。 该样的嵌入式系统通常根据对尺寸、功耗或环境生存能力的相对严格的约束而被适配到指 定的应用。
[0004] 特别地，一种类型的嵌入式系统可W包括诸如用于感测或监视一个或多个生理参 数的传感器节点。具有无线通信能力的传感器节点可被称为无线传感器节点（WSN)。相 似地，位于对象的身体上、身体附近或身体内的传感器节点可被称为身体区域传感器节点 炬ASN)或身体传感器节点炬SN)。传感器节点可W向保健提供商提供重大益处，诸如允许 对生理信息的连续监视、激励和记录，促进自动的或者远程的随访，或者在存在恶化的生理 状态时提供一个或多个警告。使用传感器节点获得的生理信息可W被传输到其他系统，诸 如用于帮助诊断、防止和响应诸如糖尿病、哮喘、屯、脏病或者其他疾病或病情的各种疾病。
[0005] 例如，如果传感器节点包括诸如长期监视能力或可穿戴性的某些特征，则传感器 节点可W向对象或保健提供者提供特别的值。由于医疗保健花费逐步上升或者由于更多的 保健提供商尝试过渡到远程的患者随访和远距离医疗，因此传感器节点在无需维护、替换 或手动充电的情况下的长使用寿命变得更加重要。相信通常可获得的传感器节点因为缺少 扩展运算能力或可穿戴性而被排除在广泛使用之外。
[0006] 例如，包括大的一次电池或可充电电池的传感器节点穿戴起来可能是不舒服的， 并且具有较小电池的传感器节点由于患者或其他用户可能不遵守所要求的充电或替换时 间间隔而仍是不合乎期望的。相似地，需要传导性数据传输接口的传感器节点通常是麻烦 的，因为穿戴者或保健提供者必须手动地将通信接口线缆连接至节点，W向节点或从节点 传输信息。无线通信电路可减少或消除对该样麻烦的有线接口的需要。但是，该样的无线 电路可消耗大量的能量，从而使得有限的能量预算负担更重或限制通常可获得的传感器节 点的工作寿命。
【发明内容】
[0007] 诸如身体传感器节点炬SN)的传感器节点可W包括具有高集成度的各种系统功 能的一个或多个半导体装置。该样的半导体装置可W被称为"片上系统"或SoC。SoC可W 提供实现系统的所有主要功能的数字的或者混合的信号电路，诸如包括通用处理器电路、 专用处理器电路、模拟信号调节电路、电源控制或转换器电路、电压或电流参考电路或功率 管理电路中的一个或多个。
[000引本发明人已经认识到，除了其他方面之外，可将超低功率扣L巧技术应用到被包 括在传感器节点中的一个或多个电路。ULP技术可被用来实现被包括为传感器节点的一部 分的SoC。例如，用于传感器节点的该样的SoC可W包括被配置用于阔下工作的一个或多个 模拟或者数字部分。
[0009] 替代阔下工作或除阔下工作外，可W使用其他技术，诸如用W禁用或暂停系统的 指定部分的操作的功率或时钟选通，或者包括调整占空比、时钟频率（例如，时钟节流）或 电源参数（例如，电源电压节流）W减小功耗。
[0010] 本发明人还已认识到，可W使用从周围能量源的能量收集来显著增加传感器节点 的可工作寿命。例如，可W使用热梯度或机械震动来获得该样的能量。与依赖电池的传感 器节点相比，能量收集技术可W提供延长的可工作寿命。然而，为了提供持续的操作，能量 收集传感器节点通常必须消耗比所收集的量更少的能量。
[0011] 为此，本发明人还已经认识到，可使用功率管理处理器电路来W闭环的方式使能、 禁用、节流或重新路由通过各系统部分的数据（诸如响应于所监视的条件）。例如，能量收 集换能器所提供的能量的量可W随着时间变化。功率管理处理器电路可W监视指示由能量 收集换能器提供的能量水平的信息。使用所监视的信息，功率管理电路可W在面对变化的 输入能量时调节传感器节点的能量消耗水平，W提供传感器节点的连续的（例如，持续的） 操作。
[0012] 可W根据模式或水平（诸如使用=或四个水平的能量消耗方案或者其他方案）来 指定能量消耗。传感器节点可W在该样的能量消耗水平之间切换W避免废止或重启。在重 启的情况下，传感器节点可W在状态上恢复到指定工作模式，诸如重新开始监视、通信或者 一个或多个其他功能。
[0013] 在一示例中，传感器节点可W是无电池的，诸如在无需传感器组件内的机载的一 次电池或可充电电池的情况下是可操作的。在一种方法中，可W使用能够将热电发电机 (TEG)的诸如数十毫伏（mV)的较低电压输出转换到指定用于传感器节点电路的一个或多 个其他部分的较高电压水平的升压转换器电路和调节器结构。在一示例中，无线接收器电 路可W禪合到升压电路或者调节器中的一个或多个，W便接收无线禪合的能量的初始突发 W建立传感器节点的操作。
[0014] 在一示例中，诸如被包括为传感器节点的一部分的集成电路可W包括具有可禪合 到能量收集换能器的输入的调节器电路。该集成电路可W包括无线接收器电路，无线接收 器电路被禪合到调节器电路并被配置为在无需能量收集换能器的情况下无线地接收足W 建立传感器节点的操作的工作能量。该集成电路可W包括数字处理器电路，其被禪合到调 节器电路和功率管理处理器电路。数字处理器电路或一个或多个其他电路可W包括由功 率管理处理器电路基于所选的能量消耗水平而建立的阔下工作模式。例如，建立阔下工作 模式可包括调整或选择电源电压，W建立数字处理器电路或其他电路中的场效应晶体管 (阳T)的阔下工作。
[0015] 在本文的示例中所述的传感器节点的应用不必局限于生物的或者监视健康的应 用。例如，该样的传感器节点可被用于更通常设及远程监视或者远程感测的各种应用中，诸 如支持工具、基础设施或能量系统的监督控制或自动化、结构健康监视、监测或诸如栖息地 监视或野生动物管理的环境监视。
[0016] 该概述旨在提供对本专利申请的主题的概述。并不意图提供对发明的排他的或者 穷尽的解释。详细的描述被包括W提供有关本专利申请的进一步的信息。
【附图说明】
[0017] 在不一定按比例被绘制的附图中，相似的附图标记在不同视图中可描述相似的部 件。具有不同字母后缀的相似附图标记可代表相似部件的不同实例。附图通常W示例的方 式而不是W限制的方式示出本文件中所讨论的各种实施例。
[001引图1大体上示出可W包括调节器电路、功率管理电路、无线接收器电路或数字处 理器电路的系统的示例。
[0019] 图2大体上示出可W包括被配置为获取指示一个或多个生理信号的信息的模拟 输入的系统的示例。
[0020] 图3大体上示出可W包括模拟输入、功率管理电路、调节器电路块、一个或多个功 能特定的处理器电路或通用处理器电路的系统的说明性示例。
[0021] 图4A大体上示出可W包括无线接收器电路或转换器电路的系统的一部分的说明 性示例。
[0022] 图4B大体上示出图绘的说明性示例，该图绘与向无线接收器电路提供的无线禪 合的突发脉冲、功率转换器电路的输出节点，W及与能量收集换能器的输出相对应的到功 率转换器电路的输入相对应，诸如可W使用如图3或4B的示例中所示的系统的至少一部分 根据经验来获得。
[0023] 图5大体上示出可W包括禪合到到功率管理电路的指令存储器的系统的一部分 的说明性示例，其中功率管理电路可W诸如基于指定的能量消耗水平调整或控制系统的其 他功能块的各种参数。
[0024] 图6大体上示出系统的一部分的说明性示例，其可W包括可在通用处理器电路、 功率管理电路或诸如功能特定的处理器电路的一个或多个其他电路之间被共享的指令存 储器。
[0025] 图7大体上示出可W包括用于处理数据或用于无线传输数据的一个或多个可控 数据路径的系统的一部分的说明性示例，诸如可W包括根据指定能量消耗水平建立的数据 路径。
[0026] 图8大体上示出系统的一部分的说明性示例，诸如可被包括为传感器节点的一部 分的调节器电路的一部分。
[0027] 图9大体上示出系统的一部分的说明性示例，可W包括被配置为提供指示调节器 电路输入的信息的监视器电路。
[002引图10大体上示出图绘的说明性示例，包括与不同的自动控制的能量消耗水平一 致地获得的、诸如可W使用如图3的示例中所示的系统根据经验获得的系统的各种参数。
[0029] 图11A大体上示出图绘的说明性示例，其与诸如可被系统（诸如传感器节点）实 时地或近实时地传输的屯、电图的实际表示W及重建表示相对应。
[0030] 图11B大体上示出图绘的说明性示例，其与向模数转换器输入提供的信息的所感 测的表示相对应，包括输入可被切换为用W对到调节器电路的输入进行采样的时间期间 (诸如用于监视到调节器电路的输入）。
[0031] 图12大体上示出诸如与图3的说明性示例的系统的至少一部分相对应的集成电 路的注解显微图。
[0032] 图13大体上示出可包括使用如图1-9中的一个或多个的示例中所示的系统的诸 如方法的技术。
【具体实施方式】
[0033] 图1大体上示出诸如传感器节点的系统100的示例。系统100可W包括调节器电 路104、功率管理处理器电路130、无线接收器电路142或数字处理器电路132。系统100可 W包括天线140,天线140被配置为诸如使用例如福射禪合或感应禪合来接收电磁禪合的 能量112。该样电磁禪合的能量112可W被称为射频（R巧能量，诸如对应于选自从大约数 千赫兹（kHz)的范围到数十或数百兆赫兹（MHz)的范围的指定频率范围或包括一个或多个 其他频率范围。无线接收器电路142可W包括调谐接收器、预选器或者一个或多个其他电 路，W便捕获与指定频率范围相对应的电磁禪合的能量112或拒绝其他频率范围。
[0034] 系统100可包括能量收集换能器114或可禪合到能量收集换能器114,诸如压电换 能器、诸如线性或者旋转装置的机电换能器、光伏换能器或其他光电换能器，或者热电发电 机（TEG)中的一个或多个。至Ij调节器电路104的输入136可W由从无线接收器电路142或 能量收集换能器114中的一个或多个接收到的能量来驱动。按该种方式，系统100可W使用 无线接收器电路142或能量收集换能器114接收工作能量。例如，系统100可W是无电池的 或者可W在无需一次电池或可充电电池的情况下工作，诸如使用电磁禪合的能量112或由 能量收集换能器114提供的能量中的一个或多个被连续地或在延长的工作时段内被供电。
[0035] 调节器电路104可W向诸如包括电源节点198的系统100的一个或多个其他部分 提供一个或多个输出，诸如一个或多个固定的或者可调的输出电压。如下面的示例中所示， 从能量收集换能器114获得的能量可被诸如升压转换器的一个或多个其他电路调节或转 换。
[0036] 到调节器电路104的输入可W禪合到