发射功率受控无线电信号发射节点的制作方法

本发明涉及无线电信号发射节点，其被配置成当被埋在土壤中时以无线电发射功率发射无线电信号，所述节点包括：—天线；—被使用馈线电连接到天线的集成电子电路；以及—至少一个传感器，其用于生成测量数据；其中，所述集成电路被配置成操作天线以周期性地或在接收无线请求时发射包含所述测量数据的无线电信号。本发明还涉及一种具有所述节点中的至少一个的传感器系统。

背景技术：
无线地下无线电信号发射节点已在较长时间段内被用于监视土壤参数。所述节点通常还被称为“土壤侦察”，并且在农业应用中发现各种应用。该节点被用来使用相应传感器监视例如湿度或温度。然而，由于其被埋在地下，主要在旷野或其它农业区上，所以过去已经进行的大量的努力以适当地向在比如数月或者甚至数年内的较长时间段内以一定的时间间隔收集测量数据的无线电站或无线电单元发射传感器的测量数据。研究和开发的焦点通常是由土壤引起的高衰减及其对天线设计的影响。由于必须将节点刚好安装在耕地深度或足以对其进行保护的深度以下，所以必须采用相当大的无线电发射功率以便通过土壤且还通过空气发射测量数据以便到达收集测量数据的无线电站或任何其它无线电单元。在J.Tiusanen在BiosystemsEngineering97(2007)11/19中的研究论文“Validationandresultsofthesoilscoutradiosignalattenuationmodel”中，已考虑了农业中的土壤下监视的上述问题。认识到具有方便的操作范围的节点将需要以将违反无线电波段规则的功率进行发射。

技术实现要素：
在相当新的本技术中，本发明人已经认识到所述节点的发射功率实际上在许多情况下违反大多数国家中的当前无线电波段规则。存在此类节点在耕地动作期间被带到土壤表面的相当大的危险，在那种情况下其将在没有充分土壤衰减的情况下进行发射。即使无线电信号发射节点通常仅被采用几毫秒以便请求和发送期望的测量数据，无线电波段规则的违反也将是不可避免的。本发明的一个目的在于期望遵守在该处部署所述节点的相应国家中的当前无线电波段规则。本发明的另一目的是快速地识别已从其在土壤内的预定位置移位的无线电信号发射节点。此类节点还将不可避免地输送不正确的测量数据，因为传感器正在表面处进行测量或者因为传感器已经被损坏或从节点断开。最后，两种情况都将导致不适当的农业决策。根据本发明，一种无线电信号发射节点被配置成当被埋在土壤中时以无线电发射功率发射无线电信号，所述节点包括：—天线；—被使用馈线电连接到天线的集成电子电路；以及—至少一个传感器，用于生成测量数据；其中，所述集成电路被配置成操作天线以周期性地或在接收无线请求时发射包含所述测量数据的无线电信号。通过将无线电信号发射节点配置成当所述节点被埋在土壤中时允许土壤的周围介质影响天线的近场来达到期望目的。该无线电信号发射节点还已被配置成当所述节点被从土壤去除时在周围介质到近场上的影响被撤消的情况下减小无线电发射功率或阻止无线电信号发射。换言之，无线电信号发射节点被配置成在电磁近场中将从天线发射的无线电功率耦合到土壤，只要所述节点被埋在土壤中即可，但此外，节点被配置成减小无线电发射功率或阻止近场耦合到土壤的周围介质。用土壤，其在最一般的意义上指代土地。该土壤可包括岩石、卵石、泥土、沙子、腐殖土或有机物质或由其组成，特别地，土壤可由包括生活在其中的微生物的所述物质的混合物组成。因此，土壤还可以包括草皮、堆肥等或由其组成。所述节点的无线电发射功率必须是高的，因为当被埋在土壤中时，其必须产生可测量无线电信号，该无线电信号必须穿过土壤且然后在空气中。一旦从土壤的去除将引起空中的非常高功率的无线电信号（其一般地不遵守无线电波段规则），则减小发射功率。取决于耕地深度，无线电信号发射节点被放置在通常10cm、25cm或40cm的土壤深度处。该位置取决于相应的应用，并且当然可以不同于所述土壤深度。相应地，土壤中的操作无线电发射功率还可依赖于分配的深度而改变。天线和/或场线的近场指代由发射辐射的大约半波长定义的天线的周围区域。节点通过近场向外到周围介质，其属于土壤且可以到天线和/或场线的近场上施加影响。节点通过包括相应形状、特别是围绕天线和/或馈线的特定外壳来允许近场与周围介质重叠。所述至少一个传感器生成测量数据，其允许关于节点附近区域中的土壤条件得出结论。所述至少一个传感器向无线电信号发射节点提供测量数据，并且所述节点将测量数据整合到其无线电信号中。因为无线电发射节点意图保持在土壤中达许多年，所以连续的耕地动作和腐蚀可导致节点位置的相当大的变化，其然后可以被监视，或者至少节点采取必要的步骤来防止无线电规则的任何违反。节点的优选实施例具有向集成电路供应功率的电池。选择具有长寿命的电池是有利的，以便减少维护努力或者甚至避免除将节点放在地下和在电池寿命结束时将其去除之外的任何维护。在节点的优选实施例中，无线电信号发射节点已适于当所述节点被从土壤去除时在周围介质到近场上的影响被撤消的情况下以被动方式减小无线电发射功率或防止无线电信号发射。节点的动作是在没有无线电发射功率增加或阻抗变化的任何主动检测的情况下采取的。土壤的周围介质的去除仅产生引起无线电发射功率的调整所需的条件。这是通过撤消周围介质到天线、馈线或集成电路或节点的任何其它部件上的影响而执行的。有利地，节点被配置成衰减无线电发射功率或者甚至完全关闭无线电信号发射，取决于在土壤内部或其之上的非期望节点位置。例如，如果节点已经由耕地动作而被带上来或者另外到达土壤表面，则在大多数情况下完全停止无线电发射是可取的。替换地，使无线电发射衰减到仍符合一般无线电波段规则的程度。而且，可以根据节点的剩余土壤覆盖程度来衰减无线电发射功率以履行空中无线电规则。有利地，已至少部分地通过利用土壤的电容率和/或磁导率对天线和/或其馈线的操作阻抗的贡献来实现发射功率的适应。还可相应地部署诸如磁导率等土壤的其它质量。在优选实施例中，从节点的掩埋状态到未掩埋状态的变化引起天线和/或其馈线的阻抗变化，其将操作阻抗变成失配阻抗。在被一层土壤覆盖时，天线和/或其馈线的操作阻抗针对无线电发射而被优化。该层土壤可在无线电信号发射节点上具有各种影响。例如，其中的一个是无线电信号的衰减，并且另一个是在天线和/或其馈线的阻抗上的可能影响，其特别地在土壤到达天线的近场区域的情况下改变。在两个情况下，可针对在土壤下面的无线电发射而关于尺寸和尺度来优化天线。一般目的是保持在土壤之上的周围空气中的可接受无线电信号强度。如果阻抗失配，则节点的标准操作的状态被放弃。在小深度处，失配阻抗可指示土壤中的错误深度，过深或过于接近表面。特别地，当到达表面时，阻抗失配而指示位移。在更大的深度，阻抗将几乎不或者根本不受到无线电发射节点的位移的影响，然而，由土壤引起的衰减首先受到影响。在优选实施例中，由于失配的阻抗，天线以低发射功率可操作，以允许的发射功率可操作或者不可操作。取决于相应的应用，可以选择最有用的措施。例如，如果不期望失配阻抗下的节点的重新收集，则停止操作是最方便的。然而，如果节点仍可能包含重要的测量数据，则允许功率水平下的继续发射可能是可取的。而且，如果节点包含污染物质，则应到其寿命结束时将其从土壤去除。因此，如果天线仍以低发射功率可操作，则使得节点的重新收集是可能的。在优选实施例中，节点包括至少一个深度控制器，并且无线电信号发射节点已适于响应于来自所述至少一个深度控制器的测量数据以主动方式在所述节点被从土壤去除时在周围介质到近场上的影响被撤消的情况下减小无线电发射功率或阻止无线电信号发射。有利地，取决于源自所述至少一个深度控制器的位置数据，所述节点以低发射功率可操作，以允许的发射功率可操作或者不可操作。用于相应措施的可能原因是相对于检测的被动方式而给出的。其也适用于主动式检测。有利地，节点、特别是深度控制器生成位置数据，该位置数据包含关于土壤内的节点的当前位置的信息。可将深度从天线和/或其馈线的阻抗或每日温度循环的变化扣除。这样，可能识别在较长时间段内参考土壤表面的节点的相对移动并相应地行动。因此，例如，用户不必等待直到节点由耕地动作而被完全带到表面。替代地，其能够决定节点的去除或替换措施，诸如仅添加更多土壤到表面上并这样修正节点的位置。在优选实施例中，通过节点测量天线和/或其馈线的相应阻抗变化来检测无线电信号发射节点的被覆盖和未覆盖状态之间的变化。一旦超过了定义的阻抗阈值，则发生状态变化，其通常在耕地动作期间发生。另外，节点可监视或存储节点的其位置数据。在优选实施例中，天线由于天线和/或其馈线的相应阻抗变化而在未覆盖状态下不可操作。这样，天线（包括其馈线）可形成控制单元的一部分或者形成控制单元本身，其用来控制和/或调整无线电发射功率。它是有利的，因为控制单元在所述集成电路内容易地可实现。匹配操作阻抗的一个可能性是相应地设定馈线的尺度，由此将馈线优选地实现为微带线。无线电功率通过馈线被馈送到天线，其操作阻抗已通过以当在馈线的近场中存在土壤时馈线阻抗与天线匹配的这样的方式来设定馈线的宽度w和与接地板的距离h而匹配。如果节点被从土壤提出，则馈线变得失调。因此，以被动方式阻止了过大的无线电发射功率。在优选实施例中，集成电路适于监视天线和/或其馈线的阻抗，并且使得其能够在超过阻抗阈值的情况下发起替换措施，优选地在无线请求时的声信号。并且可能使用其它信号来指示节点在土壤内已经移位。集成电路还可适于仍将数据记录在集成电路的集成储存器中以便使得能够在稍后的时间读出。替换措施还有荧光元件或荧光标签，其在土壤之上变得被激活，所述元件被节点或者替换地被太阳或紫外光源供电。因此，可以充分地改善节点在土壤表面上的可见性以更容易地发现移位的节点。因为节点本身在较长的使用时段之后不具有大量的电能，所以更好是使太阳用光能对已连同节点一起从地下出来的荧光元件充电，使得用户能够在夜晚期间识别节点。一个人可能使用所述紫外光源来主动地搜索贴标签的节点，所述紫外光源在其映照荧光元件的时刻向其供应能量。理想地，荧光元件包括荧光带或荧光表面涂层或由其组成。有利地，馈线的宽度w在1至2mm之间、优选地1.5mm。而且，在这里，考虑到发射条件以及用于交变电流的供应的条件。在实验中，发现馈线的所述尺度是非常有效的。在优选实施例中，馈线在天线的导电平面中遍及其全部或几乎其全部长度L而形成直线。优选地，馈线还可与多层电路板的另一导电平面相连。在此类板上，导电平面也称为层。在优选实施例中，天线是具有直径和馈线的单极天线，该馈线具有直径D的60%至80%的馈线长度L，亦即0.6*D≤L≤0.8*D。馈线具有将单极天线与放大器连接且由此能够实现无线电传输所需的单极天线内的电振荡的任务。馈线的设计还影响天线的近场内的磁场和电场，并且因此应具有如在实验中确认的理想长度L。在优选实施例中，所述至少一个传感器完全或部分地被集成到集成电路中。并且，传感器的数目可改变。理想地，该数目在一个、两个或三个传感器之间改变，其可能由于不同原因而被放置或集成在集成电路中。具有带有无线电信号发射节点的多个传感器在传感器在节点的寿命周期期间故障的情况下避免非期望的维护问题。然后，仅一个或两个其它传感器代替中断的传感器。替换地，考虑在不同传感器位置处（比如在无线电信号发射节点顶部上和/或在其下面）获取的测量数据可能是有用的。由于那个原因，不将所述至少一个传感器集成到节点的集成电路中而是使用电缆将其连接以便在传感器之中实现一定的距离、导致更可靠的测量数据可能是有用的。然而，在某些应用中，这可能有问题，因为电缆连接始终承担着湿气进入无线电信号发射节点的外壳并从而在较长时间段内将其毁坏的风险。因此，所述至少一个传感器到无线电信号发射节点的集成电路中的集成可能是更安全的解决方案。在优选实施例中，所述至少一个传感器是土壤参数传感器，例如湿度传感器、土壤传导率传感器、酸度传感器或温度传感器。传感器类型的选择取决于相应的应用或用户对相应的项目进行决策的需要。可取决于其至少一个传感器而使用无线电信号发射节点。可将具有湿度传感器的节点用于建筑物地板、基础和/或农业场地的湿度监视或者用于防洪堤或河流侵蚀的底切的检测。具有酸度传感器的节点可能被用来监视化学制品或医药制品工厂的工业区以监视土壤的非期望污染。取决于所述至少一个传感器的类型的其它技术或非技术领域中的更多应用也是可能的。在优选实施例中，无线电信号发射节点具有用于源自所述至少一个传感器的测量数据的储存器。事实上，可将储存器用于其它传感器的测量数据以使得能够在稍后的时间进行故障分析。该故障分析可由无线请求或者通过将无线电信号发射节点从其在土壤中的位置去除并将其连接到分析系统而发起。还可能将该储存器用于节点位置数据。这样，可以通过使所获取的测量数据与节点位置数据相关来更好地理解该测量数据。在优选实施例中，天线和集成电路的电路部分位于多层电路板的相对侧。集成电路的电路部分和天线位于多层电路板的不同导电层处，而各层相互平行。这导致在尺寸方面是小的且可以容易地放置和搬运的无线电信号发射节点。在优选实施例中，节点包括涂层和/或盖以定义在掩埋状态中的土壤与天线和/或馈线之间的最小距离，该涂层和/或盖优选地是所述节点的外壳的整体部分（integralpart）。通过定义所述最小距离，可以容易地控制土壤在操作阻抗上的影响。并且，可以使近场有利地在土壤的周围介质上通过以给出最佳耦合结果。优选实施例是具有根据本发明的至少一个无线电信号发射节点和用以从节点请求和/或获得测量数据的无线电单元的传感器系统。特别地，移动无线电单元对发现和定位无线电信号发射节点并对其进行检查以进行维护极其有用。并且，可以用移动无线电单元来取回测量数据。相反地，固定无线电单元或无线电站可能是令人感兴趣的，因为取回测量数据的过程能够在没有人员干预的情况下自动地完成，导致非常节省成本的程序且还有更加可靠的程序。在附图或从属权利要求中描述了本发明的其它有利实施例和有利实施方式。附图说明下面，参考图1至5中的附图中所示的示例来更详细地解释本发明，其中：图1示出了放置在土壤下面的无线电信号发射节点的多层电路板，图2示出了图1的无线电信号发射节点的多层电路板，图3示出了无线电信号发射节点的第二实施例的不导电基板，图4示出了图3的第二实施例的集成电路，图5示出了在天线的导电层中具有笔直馈线的无线电信号发射节点的不导电基板，以及图6示出了具有与固定无线电单元通信的外部传感器的无线电信号发射节点。在所有图中，相同的参考数字指代相同部件。具体实施方式图1示出了具有四个导电层的无线电信号发射节点25。层14是接地层（GND），并且外导电层主管天线（未示出）及其馈线15。距离h的选择对于实现具有宽度w的馈线15的期望阻抗而言是至关重要的。在其它层22中，用具有敷设天线、存储测量日期、读出传感器等的功能的各种部件来实现集成电路。多层电路板11、特别是馈线15被接近于土壤10放置。这意味着在由磁场线13所指示的近场中，土壤10对电容率以及磁化系数（susceptibility）施加影响而影响天线和/或其馈线15的阻抗。换言之，在针对某个土壤深度处的最佳无线电信号发射将土壤10的影响考虑在内的情况下设计天线和/或其馈线15以及接地导电层14。导电层7可包括集成传感器，诸如湿度传感器或温度传感器或者另外的感测元件，诸如温度相关电阻。为了节省空间，层7还可包含集成电路22的零件或部件。图2在三维透视图中示出了图1的无线电信号发射节点25的多层电路板11。单极天线20位于与馈线15相同的导电层中，其具有将天线20电连接到其它导电层中的一个、特别是在包括集成电路22的节点25的相对侧的层的任务。包括天线20的不导电基板16由玻璃纤维制成，并且不具有任何导电相关性，正如不导电层8、9一样。可由于电容和/或稳定性考虑而选择其厚度。在实施例中，不导电基板16和/或不导电层8、9由玻璃纤维FR-4制成，其是非常耐燃的材料。替换地，不导电基板16和/或不导电层8、9由聚四氟乙烯（PTFE）或任何其它隔离层压件、树脂、玻璃纤维等制成。图3示出了包括在其馈线18的形状方面不同的另一无线电信号发射节点的单极天线20和其馈线18的不导电基板16。馈线18和单极天线20是导电层的元件，其为多层电路板的最外导电层。馈线18相对于接地导电层14的位置和引导对于发射特性而言是至关重要的。在馈线18中具有可能的最小弯曲是有利的。然而，在图3的实施例中，在天线20的导电平面中仅存在一个弯曲以便到达连接点19，其建立到集成电路22的电接触。因此，馈线18是针对集成电路22的要求到一定程度可调整的。如果集成电路22位于多层电路板的平行导电层、特别是关于天线20的导电层的相对最外层，则其也是有利的。在本实施例中，天线20具有D＝32mm的直径和L＝24mm的馈线长度。无线电信号发射频率是870MHz。由于天线20几乎表现为一个拉姆达（全波）天线，所以当土壤是湿润的时候，近场在约100mm的距离内围绕天线20。在干燥土壤中，近场小于100mm。这是以实验方式用0和10cm之间的深度方面的强阻抗相关性来确认的。针对更大的深度，阻抗并未改变很多，因为整个近场充满土壤。典型发射频率是500MHz至2GHz，由此，在1GHz周围，可以实现非常好的效率。图3至5的无线电信号发射节点是针对870MHz的载波频率配置的。在空气中，无线电信号发射节点在几毫秒的持续时间内可能具有20至25dBm（100至500mW）的发射功率，这对于大多数国家中的所述射频波段而言应该是合格的，但是对于考虑本地无线电带宽规则的其它的而言其可能太多。图4示出了指示连接点12的图3的实施例的集成电路22，其中，馈线18与集成电路22连接。连接点12被电连接到图3的连节点19。此外，存在多个电气部件，诸如电阻器、电容器和电感元件，其可以通过集成电路22的导体板相互电连接。所有图的信号发射节点25、38是在没有供电电池的情况下示出的。然而，其全部可连接到供电电池。例如，可以在节点21处将图4的信号发射节点与电池的正极连接。区域27意图主管连接端口以用于无线电信号发射节点的数据传输和编程。图5示出了具有不导电基板16的无线电信号发射节点的另一实施例，正如图1、2和3的无线电信号发射节点的不导电基板16一样，而馈线17在多层电路板的最外导电层中不具有弯曲。长度L是从具有圆形形状的天线20到连接点23的长度，其被用来将电接触向下载送到平行导电层中的一个，理想地集成电路22的层。馈线17是非常直的，并且因此对发射特性具有积极的效果。用短划线来指示相邻接地导电层14的位置且其示出了天线20到接地层14的接近度，而大部分馈线17平行于层14定位。有利地，可以在不过多地限制集成电路的情况下移动连接点19。图6示出了向节点38发送请求以用于发射包含来自湿度传感器30的测量数据31的无线电信号的固定无线电单元33。节点38请求来自湿度传感器30的数据，并获得表明土壤10的含水量的测量数据31。可使用天线39来接收请求32以及将测量数据31向外发送到固定无线电单元33。替换地，节点38根本未被配置成用于双向通信，而是仅发送而不接收任何请求32或其它无线电信号（单重传输（monoplextransmission））。可以将节点38配置成以合理或可定义的时间间隔规则地发送测量数据，诸如一天一次或一小时一次。这允许节点38具有非常基本且因此非常鲁棒（robust）的设计。深度控制器35通过例如测量温度来取回位置数据。温度的每日波动允许断定节点38仍被掩埋在土壤10中多深。测量温度被作为位置数据34传递到节点38。节点38分析该波动本身以发送警告消息或仅发射每日波动，其然后在外部在无线电站10中或别处被分析。理想地，深度控制器35和传感器30被集成到节点38中，特别是到其集成电路中。像这样，可以将节点38设计为节省成本的单个外壳设备。并且，湿气进入节点38的外壳的风险明显更低。总而言之，本发明涉及无线电信号发射节点25、38，其包括-天线，-—集成电子电路22，其被使用馈线15、17、18电连接到天线20，-至少一个传感器，而集成电路22在无线请求时操作天线20以发射包含从所述至少一个传感器获得的测量数据的无线电信号。为了符合当前无线电波段规则，本发明提议被动地调整天线20和/或其馈线15、17、18的阻抗并从而根据节点25、38的土壤覆盖程度来控制无线电发射功率。所使用的参考数字：D天线的直径h相邻导电层之间的距离L馈线的长度w馈线的宽度7导电层8不导电层9不导电层10土壤11多层电路板12连接点13磁场线14接地导电层15馈线16不导电基板17馈线18馈线19连接点20天线21接触22集成电路23连接点25无线电信号发射节点27连接区域30湿度传感器31测量数据32请求33固定无线电单元34位置数据35深度控制器38无线电信号发射节点39天线。