自主式住宅自动化管理技术传感器－发射器及其运行方法

专利名称：自主式住宅自动化管理技术传感器－发射器及其运行方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所定义的一种自主式传感器-发射器。本发明还涉及这种传感器-发射器的运行方法。
背景技术：
根据现有技术的已知传感器-发射器包括一个通过把某种能源提供的能量转化成电能的、自主式供电装置。该能源尤其可能是电磁类型的(太阳辐射)或机械类型的(在风或雨的作用下，某个结构的旋转或振动)。然后该电能被储存在一个通常是物理化学的存储装置中，例如蓄电池组、或最好是超级电容器、或简单电容器。
传感器-发射器包括一个通过电磁波，例如通过无线电波发射无线通信信号的装置。该发射装置容许该传感器将信息传递给住宅自动化管理技术网络的各种其它设备，尤其比如一些执行机构、控制单元，及其它传感器。传感器-发射器有时可能包括一些通信信号接收装置，以便实现该传感器-发射器与网络的某些其它设备之间的双向通信。例如在申请书EP 0 771 929或申请书EP 1 314 849中有对这种传感器-发射器的描述。
该类型的传感器-发射器所产生的问题就是安装和现场首次应用的问题。
事实上，最好是在安装传感器-发射器之后，能立即进行通信和良好运行的试验。不过，能量转换和存储装置通常是根据使用的正常限制而定制的。例如，如果传感器-发射器由一个光伏板供电，那么存储装置必须适应于长的持续时间，以便容许甚至在长期的无日光照射后(例如一夜之后的一个浓雾的上午)的良好运行。通常，对于这种应用，要求18小时的完整全自供电持续时间。当蓄电装置是蓄电池组时，该持续时间不产生任何问题。但与电容器相比，蓄电池组的寿命有限。此外，在安装之前，在商店长期存储之后，蓄电池组会放电，而重新充电必然需要较长时间，例如几十分钟、甚至好几个小时。这对一个容量足以提供所需运行持续时间的超级电容器而言也是一样的。
该问题及各种解决方案在专利申请书WO 2004/105211中有描述。因此，从该申请书中了解到一种传感器-发射器，该传感器-发射器具有这样一些装置这些装置容许借助一个附带的能源，比如干电池或汽车电池(通过使用汽车上的香烟点火器)来对存储装置进行首次快速充电。
这种方案解决了问题，但需要提供一个到这种附带能源的接入点。为了避免这种不便，可以让该附带能源集成到传感器-发射器中(例如由一个干电池构成，该干电池只被用于安装时的首次充电)，但这会导致成本过高。

发明内容
本发明的目的就是提供一种容许解决这些弊病并改进根据现有技术的已知自主式传感器-发射器的传感器-发射器。尤其，根据本发明的传感器-发射器能够在安装以后不久就发射几个通信信号，从而容许例如进行通信和良好运行的试验。本发明还涉及这种传感器-发射器的一种运行方法。
权利要求1的特征描述部分描述了根据本发明的传感器-发射器的特征。
相关权利要求2至6定义了根据本发明的传感器-发射器的各种权利要求7的特征描述部分描述了一种根据本发明的自主式传感器-发射器的运行方法的特征。
相关权利要求8至12定义了根据本发明的运行方法的各种实施方式。


作为实例，附图描述了根据本发明的一个传感器-发射器的一种实施方式和这种发射器-传感器的运行方法的一种实施方式。
图1是一个根据本发明的传感器-发射器的一种实施方式的电气接线图。
图2是一个根据本发明的传感器-发射器的一种运行方法的一种
具体实施例方式
图1描绘的传感器-发射器10包括一个小尺寸的光伏单元PVU，该光伏单元PVU由例如硅光电池板构成，并对电路的其余部分供电。该传感器-发射器主要还包括一个逻辑处理单元CPU，一个无线电信号发射装置RFU，由一个第一电容器C1和一个第二电容器C2构成的一个电能存储装置，各电容器的电容很不相同，使得它们的存储容量很不相同。例如，在11klux的照度下，光伏单元PVU能够提供1.15V电压下的6.5mA电流。
第一电容器C1的两个接线端分别构成了电路的接地和电位VCC，在这两个接线端之间可以看到四个并联的电气支路。第一支路包括由光伏单元PVU和一个二级管D1构成的一个串联支路。第二支路包括由第二电容器C2和一个将其接地的受控开关TR构成的串联支路，一个高电阻值的电阻RP与该开关并联。该开关TR受该逻辑处理单元控制。该受控开关TR最好本身就被集成在该逻辑处理单元中，如图1所示。事实上，该逻辑处理单元的一个开集电极类型的逻辑输出O2可以被连接在第二电容器C2的一个电极上，从而当该受控开关TR闭合时，充电电流流入电容器C2。
第三支路包括一个滞后单元HU和被连接在其供电端子VDD和GND之间的逻辑处理单元。第四支路包括无线电信号发射装置RFU。
该逻辑处理单元的一个第一输出O1连接在无线电信号发射装置RFU的输入I11上，该无线电信号发射装置RFU的输出O11连接在一个天线ANT上。
第一电容器C1由光伏单元PUV通过二极管D1充电。该二极管避免当光伏单元的电压由于日光照射下降而变得低于第一电容器的电压时电容器C1放电。如果该光伏单元本身是不可逆的，二极管D1就没有用了。第一电容器C1容量有限，例如等于自主式传感器-发射器所要求的额定容量的十分之一。它还可以更低于或大大低于这个值。
传感器-发射器的额定(自供电)持续时间由第二电容器C2保证，该第二电容器C2例如是由一个超级电容器构成。
如果光伏板的额定电压低于各电子电路的额定电源电压，可以往电路中，例如二极管D1处，添加一个升压设备。
逻辑处理单元CPU例如是一个微控制器，其正供电端子连接在电位VCC上。该微控制器是这样运行的只有当电源电压高于第一阈值VDDH时，它才开始运行；而当该电源电压变得低于一个低于VDDH的第二阈值VDDL时，它停止运行。这两个阈值之间的差值构成了供电电压的滞后VH。根据下文中描述的传感器-发射器运行方法，一个大的滞后值，例如1伏左右，可能是有用的。如果所使用的微控制器本身具有低的滞后值VH，就通过在电位VCC和电源端子VDD之间添加一个滞后单元HU来增加该滞后值。该HU单元最好包含一个从电位VCC向端子VDD方向导通的二极管。
逻辑处理单元的模拟输入I2连接在第二电容器C2的与开关TR相连的电极上。一个模拟输入I1连接在发送测量信号MSR的传感器上。该传感器可以是冲击的、烟的、气体的、温度的、速度的、湿度的、或日光照度的传感器。在最后这种情况下，光伏单元的端子上的电压还可以用作测量信号MSR。
逻辑处理单元的逻辑输入I3通过一个开关KU(例如安装者可以启动的一个按钮)连接在电位VCC上。该按钮尤其用于激活一个编程控制，例如用于传感器-发射器与一个设施的其它设备的匹配。
参照图2描述该传感器-发射器的运行方法的一个第一实施方式。
假设受控开关TR初始时断开，并假设光伏板被光照射。在这些条件下，电容器C1被充电。被标注为VDDH的启动事件就是电压VCC往上越过电压阈值，该电压变得足以对逻辑处理单元供电。该事件决定了进入第一测试步骤T11，该第一测试步骤T11针对一个初始化指示符INIT的状态。在该逻辑处理单元CPU的内部存储器的受保护部分(EEPROM类型)中，该指示符被读取。
如果初始化指示符INIT不处于激活状态，那么进入以测试步骤T12开始的编程进程(图2的左边)。如果初始化指示符处于激活状态，那么进入以步骤E13开始的过渡运行进程(图2的右边)。
该编程进程容许调节传感器-发射器并容许将该传感器-发射器与设施中的它要与之通信的的其它设备匹配。过渡运行进程容许在传感器-发射器被调节和匹配之后、在电容器C2被永久地连接到电容器C1的端子上之前管理逻辑处理单元的供电和信号发射装置。
测试步骤T12针对开关KU的状态。如果开关KU未闭合，那么直接进入测试步骤T13。如果开关KU关闭了，那么进入步骤E11，在步骤E11中，发射装置发射信号的多个帧。这些帧包括例如传感器-发射器的标识符ID和一个匹配命令，以便该标识符ID被设施的其它设备知晓。可以使多个帧被发送，以便保证该传感器-发射器被良好地嵌入在该设施中。各帧还可以包含一些与传感器实施的测量有关的、并容许确认传感器良好运行的信息或采集结果。第一步骤E11还可能包括传感器的一个自测进程。该步骤包括启动一个定时TMP1。该步骤的结束引起进入测试步骤T13，在该测试步骤T13中，确定被发射的帧的数量。如果该数量大于一个预定的数量N，那么进入步骤E12，在该步骤E12中，初始化指示符INIT被激活，例如通过往逻辑处理单元的存储器EEPROM中的一个确定的地址写入一个特定的值。如果该数量小于或等于N，那么进入测试步骤T14，在测试步骤T14中测试定时TMP1是否到期。如果到期了，就进入E12。如果没有到期，就进入测试步骤T15，在该测试步骤T15中，借助逻辑处理单元的模拟输入I2测量电压URP，并将该电压URP与电压阈值U0相比较。在电压URP小于该阈值的情况下，进入步骤E12，否则返回测试步骤T11(标记RET)。同样，在步骤E12结束处，返回测试步骤T11。
在传感器-发射器装备了双向通信装置的情况下，要注意测试步骤T13可以被接收步骤代替，该接收步骤接收来自于设施的一个设备的一个接收确认信号。
总而言之，该编程进程容许通过使用第一电容器C1中的能量储备而发射学习和/或调整帧。激活初始化指示符确认已经实施了编程并确认可以退出该方式，要么是因为预定数量的帧已经被发射，要么是因为已经确保运行了一段预定的时间，要么是因为第二电容器已经可以通过RP充足地充电了，其目的在于使电压URP低于阈值U0。
可以实施该编程进程的各种变型-在一种第一变型中，实施测试步骤T13至T15中之一；-在一种第二变型中，为了进入步骤E12，所述测试步骤中的两个应该结果为正；-在一种第三变型中，为了进入步骤E12，三个测试步骤应该结果为正；-在一种第四变型中，只要开关KU未闭合，就在第二测试T12处循环，如虚线箭头所示；-在一种第五变型中，对开关KU的状态测试被一个信号接收测试取代。该变型应用于信号发射装置是双向类型的情况。在这种情况下，编程信号可以由一个已经属于设施的设备发出。
尽管值尽可能的小，电容器C1的容量可以被预见为足以容许发射一些学习和/或调整帧。电容器C1的容量例如为1F。然而，如果该学习由于设施的其它设备上的误操作而未能顺利进行，只要等待电容器C1再充电以便重新开始就行了。编程进程可以被修改，以便多次进行，而不重复某些以前已经实施过的步骤(例如自测步骤或发射帧的步骤)。电容器C2的容量例如为4F。每隔15分钟发送一些信号。这些信号中的每一个的能耗最大为145mJ，传感器-发射器具有24小时的(自供电)持续工作时间。
一旦INIT指示符被激活，过渡运行进程就被实施。在步骤E13，受控开关TR闭合。换句话说，只有当如下条件中的至少一个被满足时，该开关才被激活-学习运行结束(发射预定数量的帧)；-定时TMP1到期，该定时TMP1已经容许对电容器C1，和/或通过电阻RP对电容器C2足够的充电。该定时具有例如几十分钟的时间期间；-对电压URP的微小值的测量，表明电容器C1已经被充电到足以能够闭合受控开关TR的程度。
由于下文中所详述的原因，在步骤E13，可以就在受控开关TR闭合之前测量电压URP。
然而，完全有可能在编程进程结束时第二电容器C2很少地被充电，在没有安装电阻RP的情况下，甚至根本没有被充电。在这些情况下，当受控开关TR闭合时，第一电容器C1和电源线被短路。为了避免这种现象，在步骤E14启动一个非常短时的定时TMP2。在该定时TMP2到期时，在步骤E15，受控开关TR断开。通过选取一个足够短的定时TMP2，电容器C1的仅仅一部分的电量被提供给电容器C2。与电容器C2串联的一个低电阻值的附加电阻RS可以容许进一步限制该值。
在步骤E16，借助逻辑处理单元的第二模拟输入I2测量电压URP。无论是否安装了电阻RP，都要实施该测量。该测量容许间接地获得第二电容器C2的端子之间的电压UC2的值。是这样计算该电压UC2的要么从知道电压UC1(如果逻辑处理单元的一个附加模拟输入也容许测量该电压的话)，要么最好从知道电压URP。
事实上，电压URP等于差值(UC1-UC2)，受控开关导通开始(在步骤E13处测量)与导通结束(在步骤E16处测量)之间的变化值ΔURP等于ΔURP＝ΔUC1-ΔUC2ΔUC1为电压UC1的变化值，ΔUC2为电压UC2的变化值(正如ΔUC1那样，ΔURP为负；而ΔUC2为正。用绝对值表示的话，电压URP的变化为各电容器端子上的两个变化值之和。)不过，当受控开关TR导通时，电量守恒C1×ΔUC1＝-C2×ΔUC2于是ΔURP=-ΔUC2×(1+C2C1)]]>或ΔURP=ΔUC1×(1+C1C2)]]>因此可以从电压的变化ΔURP测得电容器C2端电压的增量。UC2的初始值已知(UC2＝0)，所以电压UC2可以在任何几个循环以后被确定。
定时TMP2的时间期间决定了在第一电容器C1和第二电容器C2之间电量转移的多少。如果想要不打断逻辑处理单元的正常运行，那么该电量转移就应该引起一个低于供电电压滞后VH的电压UC1下降。因此，会希望以一个很短时的定时TMP2开始该过程，并且，如果在步骤E16注意到电压UC2本可以上升更多的话，会希望增加TMP2的时间期间。这一调整是在步骤E17中实施的。定时TMP2的时间期间的最优值就是产生两次测量之间的最大ΔURP绝对变化值。最大ΔURP值由如下公式给出ΔURPmax=VH×(1+C1C2)]]>如果当定时TMP2的时间期间大小为T2时，注意到两次测量之间的一个大小为ΔURP的差值，那么该时间期间的最优时间期间T2max差不多为T2max=T2×ΔURPmaxΔURP]]>然后进入步骤E18，在该步骤E18中经历着一个定时TMP3，该定时TMP3容许调整第二电容器C2的连续两个充电阶段之间的时间。
然后进入测试步骤T16，在该步骤T16中，电压URP与一个低值的电压阈值U0相比较。该阈值U0例如等于或小于ΔURPmax。只要电压URP高于该阈值，就返回步骤E13。反之，当电压URP变得低于该阈值时，表明第二电容器C2已经充电得足以使受控开关TR这次能永久地闭合了。于是进入步骤E19，在该步骤E19中，受控开关TR闭合，现在传感器-发射器正常运行，具有其最大(自供电)持续时间。在这种正常运行的情况下，可以无碍地周期性地发射信号。
过渡运行进程适合于各种变型。因此，在一种变型中，步骤E18不再包含一个定时，而是包含对电压URP的持续测量。事实上，由于第一电容器C1借助光伏单元逐步再充电，电压URP也象电压UC1那样升高。这一次，步骤E18的时间期间由电压URP已经重新升高一个预定的值这一条件决定。
在另一种变型中，步骤E14至E18被取消，其它步骤保持不变。这一次，一旦编程进程执行完，就没有什么限制受控开关TR的闭合时间期间了。这一次，限制来自于电位VCC处由受控开关TR闭合所引起的电压降。当电容器C2还是完全放了电时，该电压降大大高于供电滞后VH电压VDD降到阈值VDDL以下，逻辑处理单元停止运行，这就引起受控开关TR断开。因此，开关TR的闭合在一定时间后导致其断开因此存在由那条从步骤E13结束处至VDDH所表示的启动事件的虚线箭头所示意的释放现象。象在第一变型中那样，电容器C2以增量方式被充电，但这一次没有装置专门来为了控制充电而影响开关了。
过渡运行进程的这后一种变型因而很简单。然而，如果希望传感器-发射器在第二电容器C2充电期间至少部分运行，那么所述的第一变型就更好。事实上，这种变型保持了足以容许例如发射信号的电源电压，如果在进行步骤E18期间发射信号是必要的话。
因此，根据本发明的传感器-发射器及其运行方法容许极快速地将传感器-发射器置于运行条件。描述涉及的是以光为能源的传感器-发射器。但是，所描述的光伏单元PVU可以由任何能将非电能转换成电能的换能器替换，例如气流计的叶轮驱动的电磁微发电机、或这样的压电元件该压电元件将支撑它的结构的振动转换成电能。
采用所述方法，根据本发明的传感器-发射器在15klux的光照下可以在15分钟以内运行，也可以在11klux的光照下在22分钟以内运行。
在主要和辅助元件是前文中所描述的电容器的情况下，元件的存储容量指以法拉(Farad)表示的容量。
主要和辅助元件还可以由蓄电池组构成。在这种情况下，元件的存储容量指以安培小时(Ampère heure)表示的电量。
这些元件中的其中一个可以由电容器构成，而另一个可以由蓄电池组构成。在这种情况下，元件的存储容量指在传感器-发射器运行时储存在这些元件中的能量。当两个元件都是电容器并且在不同的电压下充电时，也是一样。
在主要元件和辅助元件的容量基本相同的情况下，本发明仍然有意义，因为它容许将充电时间减少一半。
权利要求
1.一种自主式传感器-发射器(10)，包括将一种能量转换成电能的电能转换装置(PVU)和电能存储装置(C1，C2)，该存储装置对物理量检测和/或测量装置以及用于将关于该物理量的信息传递给住宅自动化管理技术设备的电磁波发射装置(RFU)供电，所述传感器-发射器(10)的特征在于所述电能存储装置包括电能存储主要元件(C2)和电能存储辅助元件(C1)，所述电能存储装置包括与所述主要元件串联的受控开关(TR)，所述开关和所述主要元件与所述辅助元件并联。
2.根据权利要求1的传感器-发射器，其特征在于它包括控制所述受控开关的逻辑处理单元(CPU)。
3.根据权利要求2的传感器-发射器，其特征在于所述逻辑处理单元集成了受控开关。
4.根据前述权利要求之一的传感器-发射器，其特征在于所述电能存储主要元件和辅助元件是电容器。
5.根据前述权利要求之一的传感器-发射器，其特征在于所述辅助元件的存储容量低于所述主要元件的存储容量。
6.根据前述权利要求的传感器-发射器，其特征在于主要元件的存储容量是辅助元件的存储容量的至少3倍。
7.一种根据权利要求1至6之一的自主式传感器-发射器的运行方法，其特征在于它包括一个编程进程，在该编程进程中，所述电磁波发射装置至少主要由所述辅助元件供电。
8.根据权利要求7的运行方法，其特征在于它包括一个编程进程在该编程进程中，所述电磁波发射装置不由所述主要元件供电。
9.根据权利要求7至8之一的运行方法，其特征在于由如下事件之一触发编程进程的结束-在编程进程期间，发送帧数达到预定数量(N)；-接收到接收确认信号；-定时(TMP1)到期；-受控开关的端电压低于预定阈值(U0)。
10.根据权利要求7至9之一的运行方法，其特征在于它包括这样一个过渡运行进程在该过渡运行进程中，主要元件至少部分地由储存在所述辅助元件中的能量经过受控开关充电。
11.根据权利要求10的运行方法，其特征在于受控开关的导通阶段的时间长度使得所述辅助元件的端电压不降到预定阈值(VDDL)以下。
12.根据权利要求10至11之一的运行方法，其特征在于受控开关的端电压(URP)向下越过预定电压阈值(U0)这一事件触发所述过渡运行进程的结束，且该过渡运行进程之后是所述受控开关永久性地闭合的进程。
全文摘要
传感器－发射器(10)包括一个将某种能量转换成电能的装置(PVU)和一个电能存储装置(C1，C2)，该存储装置对一个物理量检测和/或测量装置以及一个用于将关于该物理量的信息传递给一个住宅自动化管理技术设备的电磁波发射装置(RFU)供电。所述传感器－发射器(10)的特征在于电能存储装置包括一个电能存储主要元件(C2)和一个电能存储辅助元件(C1)，和在于电能存储装置包括一个与该主要元件串联的受控开关(TR)，该开关和该主要元件与该辅助元件并联。
文档编号H02J15/00GK1905314SQ200610106228
公开日2007年1月31日 申请日期2006年7月5日 优先权日2005年7月5日
发明者迪特尔·托马斯, 亚历山大·纽曼, 伯纳德·格雷哈特 申请人:Somfy两合公司