通过来自被感测系统的能量变换进行供电的无线传感节点的制作方法

专利名称：通过来自被感测系统的能量变换进行供电的无线传感节点的制作方法
通过来自被感测系统的能量变换进行供电的无线传感节点 优先权的权利要求
本发明要求于2005年1月25日提交的、题目为"Wireless Measurement of Operating Parameters"的美国临时专利申请序歹寸 号60/647，176的优先权，该专利申请因此被引用以供参考，就如在 该申请中为所有目的被完全阐述。
背景技术：
本发明总的涉及感测系统，且更具体地，涉及被使用来感测与处 理过程或事物有关的条件或特性的网络。
感测系统在包括矾土处理工厂仪表、山火检测和监视；以及天气 监视和预报的各种需求应用中被采用。这样的应用常常要求万用感 测系统，它们可以容易地提供有价值的信息来改进预测，制造技术 等等。
通用的和有效的感测系统在氧化铝(矾土 )处理应用中是特别重 要的，其中牵涉到高电压和高温的极端工作条件常常妨碍潜在地不 安全的、笨重的或麻烦的感测系统的使用。 一个示例性矾土处理工 厂包括多个铝还原单元，也称为电解槽(pot)或Hall-H6roult单元。 Hall-H6roult单元包括含有铝的电解液。电流流过在碳阳极与碳阴极 之间的溶液，引起在矾土与碳之间的化学反应，产生二氧化碳气体 和铝。
不幸地，用于测量诸如温度、单元电压、废气压力等Hall-H"oult 单元处理特性的传统的传感器系统常常需要连接传感器到一个或多 个计算机的电线。附加的电线把传感器连接到电源。在Hal1-貼roult 单元应用中实施这样的感测系统所需要的硬件会引起安全考虑，干 扰现有的硬件，需要过度的维护，以及消耗过度的功率。
因此，由于这样的问题，Hall-H6roult单元常常只配备有相当少 的传感器。从而，常常无法得到可以带来单元能效改进的感测的数 据。

发明内容
本发明的实施例提供感测系统，用于感测与处理过程或事物有关
的条件或特性，诸如，但不限于，在Hall-H"oult单元中发生的铝还 原处理过程。感测系统包括一个或多个能量变换器，所述能量变换 器可包括热电产生器。感测系统还包括至少一个传感器，所述传感 器被耦合到处理过程或事物(即，"被感测的系统，，，以便与感测 系统区分开)。与无线发射机/接收机或Mote处理器无线电有关的节 点被耦合到传感器和能量变换器。节点由来自能量变换器的输出进 行供电，所述节点也被耦合到处理过程或事物。
能量可以从被感测的系统的任何适当的性质、特性或效应得到。 例如,皮感测的系统的热、振动、化学、电的、磁的、电磁、核的、 重力或其它特性都可被用作为能源。温度、压力、电荷、酸度、通 量等等的差值可被用来得出给本发明的各种实施例中的各种部件或 功能块供电的能量。被感测的系统的一个或多个特性可被使用来为 一个或多个传感器、节点或其它部件提供电源。部件可以感测与被 使用来提供功率的特性相同的或不同的特性。
在具体实施例中，节点包括控制器，所述控制器实施一个或多个 例程，用于根据预定的条件有选择地调节加到节点的无线发射机的 功率。预定的条件可规定传感器输出值处在预定的范围内，或低于 或高于预定的阈值。替换地，预定的条件可规定从能量变换器输出 的电能低于预定的阈值。远端计算机可包括一个或多个例程，适于 处理由传感器输出的信息，并通过被包括在节点中的发射机把信息 转发到计算机。
在更具体的实施例中，系统包括设备，所述设备包括传感器， 用于感测处理过程的特性；热电产生器，具有第一和第二温度源， 其中第 一温度源是从由传感器感测的材料或对象得到的；以及无线 发射机，被耦合到热电产生器和传感器，其中无线发射机从热电产 生器得到功率，以便把感测的特性的指示从传感器发送到接收机。
另一个实施例提供用于得到传感器读数的方法，方法包括使用 热电产生器来生成电能，其中热电产生器从一个源得到热量；使用 传感器来测量源的特性；以及使用由电能供电的无线发射机来发送 测量的特性。
另一个实施例包括把热电产生器附着到(例如，用磁铁)外部单 元上的热表面，以便提供电功率到与产生器合并在一起或在它旁边 的传感器/无线发射机，并且电连接到它，传感器测量某些处理过程 变量，诸如从单元外部的热通量。
因此，本发明的实施例提供有效供电的感测系统，它避免对于有 潜在危险的电线和电源的需要。本发明的实施例可以提供相对较安 全的和成本经济的传感平台，它提供对于伴随的工厂操作最小的干 扰。而且，感测系统可以通过有效地利用来自现有处理过程的浪费 的能量而降低能耗和相关的成本。


图l是按照本发明的第一实施例的、适用于Hall-H"oult单元的 感测系统的图。
图2是说明适用于Hall-H6roult单元的、本发明的第二实施例的图。
图3是说明适用于Hal l-H6roul t电解槽系列的、本发明的第三实 施例的图。
图4是适用于图2-3的实施例的方法的流程图。
具体实施例方式
为了清晰起见，各种熟知的部件，诸如放大器、通信端口、互联 网服务供应商(ISP)等等从图上省略。然而，阅读本教导的本领域
应用的需要。
图l是按照本发明的第一实施例的、适用于Hall-H6roult单元12 的感测系统10的图。在本具体实施例中，系统10包括与计算机16通 信的传感器节点14;单元电压测量装置18;热敏电阻，热偶，或其它 温度测量装置20;以及热电产生器组件22。
传感器节点14包括节点控制器24，所述节点控制器与功率变换器 26通信，并接收来自模拟-数字转换器(ADC) 28的输入。节点控制 器24还与节点收发信机30通信。节点控制器24、收发信机30、和ADC28 由来自功率变换器26的输出供电。节点收发信机30实施无线发射机和接收机，用于发送无线信号到计算机16的计算机收发信机68和接 收来自其的无线信号。本领域技术人员可以经由组装的DC-DC转换器 实施功率变换器26。
在本具体实施例中，控制器30运行各种软件和/或硬件，包括Tiny 0S(操作系统)34，所述Tiny OS支持Tiny DB (数据库)36。功率变 换器26接收来自控制器34的控制信号32，该信号可以经由各种例 程，包括Tiny DB例程36被生成，其有选择地控制从功率变换器26输 出到收发信机30、 ADC 28和各种传感器18，20的功率，正如下面更详 细地讨论的。
在本具体实施例中，节点控制器24利用在Tiny OS 34上运行的定 制的软件，Tiny OS 34实施Tiny-DB应用编程接口 (API)软件36且 进一步执行以下的动作，其也为感测系统提供多个节点，正如下面 更全面地讨论的
1) 给出组装的图形用户接口 (GUI)，用于用户选择和输入各 种变量(诸如，但不限于，采样频率等等)，和选择要监视的处理 过程参数，诸如温度。
2) 显示来自每个节点的接收数据，包括日期和时间、询问号、 每个节点的识别号、选择的处理过程参数、热电产生器功率输出信 息、和关于该节点跳过其到达计算机16的母节点的信息，正如下面 更全面地i寸论的。
3) 将接收数据以电子表格格式和/或文本文件来存储。
4) 每12小时创建新的文件，以及统计地分析以前的文件。
5) 可以运行三个分离的GUI: a)显示当前的节点统计数据，b) 显示在每个节点与中心计算机16之间的实时网络显像，以及c)允许 运营商在规定的时间间隔内监视各个节点的感测的值。
Tiny DB 36可以实施询问处理系统，用于从节点的网络提取信 息，正如下面更全面地讨论的，传感器节点14可以是该网络的一部 分。Tiny DB 36可以经由可容易得到的可编程应用被实施，可编程 应用提供各种特征，包括
1) 不需要编程员为传感器编写嵌入的C代码。
2) 呈现简单的用于提取数据的语言。
3) 提供Java API(应用编程接口)，用于简化个人计算机(PC )
应用的编码。
4) 提供把节点的特别种类自主联网以及把数据从节点经由跳跃 路由到诸如计算机16那样的中心服务器的能力。
5) 提供功率节省算法，当诸如传感器节点14的附属节点没有在 收集、发送、或接收数据时，它将该节点自动设置为低功率休眠模 式。
功率变换器26接收来自被夹心在热电产生器组件22的发热板40 与散热器42之间的热电产生器层38的输入66。发热板40、散热器42 与热电产生器层38可以由磁铁44被附着到目标或被感测的系统。为 了说明起见，功率变换器26也被显示为接收来自单元电压测量装置 18的输入52， 54。
ADC 28接收来自传感器的模拟输入50， 52， 54,包括用作为温度传 感器的温度测量装置20,和用作为电压和/或电流传感器的单元电压 测量装置18。在替换的工作情形下，单元电压测量装置18还提供电 能54到功率变换器26，以便给节点14和附属传感器20供电，如需要 的话。
ADC 28把模拟输入50， 52， 54转换成数字信号，这些数字信号被提 供到节点控制器24。节点控制器24可以存储最终得到的数字化的感 测的数据70和/或可以把感测的数据70转发到计算机16。在本具体实 施例中，模拟输入50， 52， 54包括单元电流52和在单元12的阳极导体 56与阴极导体58之间的单元电压54。模拟输入50， 52， 54还包括来自 热敏电阻20的感测的温度数据50。
热电产生器组件22的发热板40被热耦合到热传导延伸部分46，该
热传导延伸部分可以经由各种材料，诸如，但不限于铜，被构建。 延伸部分46从发热板40延伸到单元12的废气管道48内，并在它们之 间传导热。热敏电阻20被连接到热传导延伸部分46的末端，并暴露 在废气管道48的里面。关于废气管道48的里面的温度的感测的温度 数据50被转发到节点14的ADC 28。
计算机16包括用户接口60和传感器-网络软件62,该传感器-网络 软件包括单元分析例程64，用于有选择地询问传感器节点14;用于 分析来自传感器节点14的感测的数据；用于实施应用编程接口 (API);用于实施服务器功能；用于使能经由Java⑧的可编程性等等。计算机16的硬件和/或软件62的功能的精确的细节是应用特定 的，并且可以被本领域技术人员调节，而不偏离本发明的范围。
在诸如模块12， 14， 16， 22那样的模块间的精确的连接细节是应用 特定的并且可以变化以满足给定的应用的需要，而不偏离本发明的 范围。例如，来自单元电压测量装置18的输出在某些应用中可以不 输入到节点14的功率变换器26。而且，某些模块可以省略，或某些 模块的位置可以改变，而不偏离本发明的范围。例如，单元电压测 量装置18可以省略和/或功率变换器26可以与节点14分离地放置。
工作时，热电产生器组件22把来自废气管道48内的热能转换成电 能，并把该电能经由功率信号66提供到节点14的功率变换器26。对 于本讨论，电能可以是经由电流、电压差、或经由无线电磁能提供 的任何能量。发热板40和相对冷的散热器42提供足够的温度差，使 得热电产生器层38能够提供足够的输出功率来给节点14供电。由热 电产生器组件22提供的功率也可以被使用来给诸如热敏电阻46那样 的传感器供电，这些传感器可能需要附加功率输入，正如下面更全 面地讨论的。
节点控制器24运行例程，用于控制功率，即，根据从传感器18, 20报告的感测的数据被提供到节点收发信机30的电能，由热电产生 器组件22提供的功率电平，等等。当来自传感器18的感测的数据和/ 或由热电产生器组件22提供的功率电平满足预定的准则时，节点控 制器24可以运行用于仅仅接通收发信机30的例程，正如下面更全面 地讨论的。这样的准则可被调节，以便满足给定的应用的需要。
在节点控制器24上运行的软件可以经由诸如计算机16那样的外 部计算机被编程，该计算机可被插入到节点14，或否则可以与节点 14无线地通信。Tiny OS 34和所附的Java⑧功能的使用易于实行节点 可编程性。
因此，系统10实施用于得到关于处理过程或事物的信息的系统。 在本实施例中，处理过程是经由单元12实施的Ha11-H6roult铝还原处 理过程。系统10实施第一机构22，用于利用来自Hall-貼roult铝还原 处理过程的能量，生成相应于分别由热电产生器组件22和/或单元电 压测量装置18输出的功率信号66和/或电压信号54的信号。对于本讨 论，功率信号可以是足以给电路或其它设备供电的任何信号。功率
表示每单位时间的电能。
第二机构18， 20感测关于处理过程或事物12的条件，并响应于此 提供感测的信息50，52，54。第三机构14， 16收集感测的信息。第四 机构18利用信号54， 66，给第二机构20和/或第三机构14， 16供电， 如需要的话。
第三机构14， 16包括传感器节点14。对于本讨论，传感器节点可 以是经由一个或多个链路与一个或多个其它装置通信的任何装置， 其中装置被连接到传感器。
来自Ha 1 l-H6roul t铝还原处理过程的、净皮使用来给系统l0供电的 能量，代表浪费的能量。对于本讨论，浪费的能量可以是没有被处 理过程或装置充分利用的任何能量。浪费的能量的例子包括，但不 限于，与诸如单元12那样的铝还原单元有关的过分的热、振动、和 气体压力。在本具体实施例中，被系统10利用的浪费的能量是来自 废气管道48的热能和/或如由单元电压测量装置18提供的、来自单元 12的过分的电能。其它能量类型和/或能源也可以被系统10利用，而 不偏离本发明的范围。例如，其它形式的浪费的热量，诸如通过单 元12的壁或底部传导的热量，可被利用来生成电能。
除了温度传感器，即热敏电阻20，和电压传感器18以外，可以包 括各种传感器，正如下面更全面地讨论的。附加传感器的例子包括 化学传感器、气体流传感器、电压传感器、和/或电流传感器。
节点控制器24运行软件34， 36，所述软件适于根据一个或多个预 定的条件有选择地调节加到无线收发信机30的功率。在本具体实施 例中，预定的条件包括与低于预定的阈值的功率信号66有关的功率 电平。当这种情形发生时，被提供到节点收发信机30的功率被减小 或被关断。预定的条件还可包括传感器输出状态。对于本讨论，传 感器输出状态可包括关于传感器的输出的信息，包括感测的数据值 的大小、感测的数据的存在、感测的数据值与特定的阈值的比较等 等。
例如，在本工作情形下，如果由热敏电阻20报告的温度超出想要 的范围，则控制器34可以调节或校准节点14和/或附属传感器18， 20 的各种工作条件或参数，使得温度测量值在范围内。参数的例子包 括发送功率、数据报告时间、温度值、报告的数据的类型等等。
本实施例解决在许多矾土还原工厂中各种流行的关系。这样的关
系要求使得对于每个单元的每个感测系统的成本最小化，因为给 定的工厂可以具有多个单元；使得安全性最大化，因为在单元的内 部和周围存在危险的高温以及因为与放置连线栽送信号有关的问题 可以潜在地导致接近l千伏的危险的电压；由放置连线有关的劳动力 和成本应当被最小化；以及笨重的电池和墙壁插座电源的使用应当 被最小化，因为这样的电源的使用当考虑大量单元和感测系统时会 呈现基本的操作麻烦和花费。图1的感测系统10通过提供由浪费的能 量或在矾土还原处理过程中固有的其它能量有效地供电的、成本经 济的和相对较安全的无线感测系统10而解决这些问题。
感测系统10的使用可以提供各种附加好处。例如，通过由可被看 作为热通量传感器的热敏电阻20提供的热通量测量可以得出在单元 12内的电解液边缘厚度(未示出)。在单元12内形成的电解液边缘 的厚度的精确的确定可以易于预测单元12的故障。
本领域技术人员可以容易利用现有的基本的射频和处理模块 (MPR)，以便于实施节点14。示例性MPR是由Crossbow Technology, Inc.供应的标准mica2 mote，型号# MPR400 (图la ) 。 MPR400达到 标准，IO比特ADC转换器(约3mV精度)、数字输入/输出、通用异步 接收机和发射机(UART) 、 3发光二极管(LED)、调频(FM)可调 谐无线电、快闪数据记录装置存储器(FDLM)、以及基本鞭状天线。 没有阻挡时，mica2s标称地可以发送数据到500英尺远处。对于本发 明的实施例，与mica2s伴随的标准2AA电池和电池架可以被去除。
不同于mica2s的其它类型的mote或节点可被利用来实施本发明 的实施例，而不偏离本发明的范围。例如，本领域技术人员可以定 制构建节点14，满足给定的应用的需要。
可被利用来易于实施本发明的实施例的附加的传感器网络细节 在以下的论文中描述，由此这些论文整体地被引用以供参考，就如
在该申请中为所有目的被完全阐述
1. "Design and Implementation of a Thermoelectrically-powered Wireless Sensor Network for Monitoring the Hall-H6roult Process, ，， (53页)Michael H. Schneider, 2003;
2. "Experiments on Wireless Instrumentation of Potlines，"
(6页)Schneider, Evans， Ziegler， Wright, Steingart， 2005; 以 及
3. "Wireless Measurement of Operating Parameters of Hall Cells," (2页).
因此，图1说明由来自废气管道48的浪费的热量供电的温度传感 器20和相关的发射机30的基本结构。热电产生器层38被放置在发热 板40和散热器42之间。发热板40被热耦合到废气管道48的外部和延 伸部分46。延伸部分46延伸到废气管道48的内部中。废气管道48被 使用来传送在电化学铝生产过程期间产生的热气体。因此，热电产 生器层38被耦合在由被传导到发热板40的热造成的温度梯度与由于 散热器42造成的较冷的温度之间。正如在技术上已知的，热电产生 器层38使用温度差来产生电能。
将热敏电阻20附着到延伸部分46的末端，并用来测量管道48内部 的气体的温度。可使用该温度测量来改进铝生产过程的效率，检测 有害条件，或用于其它目的。热电产生器层38的电输出52， 54和热 敏电阻20的信号50输出被提供到节点14。节点14包括无线通信电子 装置30,把测量值从热敏电阻20传送到计算机系统16,用于进一步 分析。诸如由热敏电阻20提供的温度测量值那样的传感器读数的输 送，可以由任何适当的装置，有线或无线地进行。而且，可以使用
这里没有公开的其它类型的传感器，诸如，黑体辐射传感器。
图2是说明适于被使用于Hall-H"oult单元(见图4的12)的本发 明的第二实施例80的图，其废气管道48的截面在图2中示出。感测系 统80包括替换的传感器节点82，传感器节点82包括替换的多功能控 制器84和收发信机86。多功能控制器84由替换的热电产生器组件88 供电。弯曲的发热板92遵从废气管道48的外表面的形状。
热电产生器组件88还包括被夹心在弯曲的发热板92与专门的散 热器96之间的替换的热电产生器层94。为了说明起见，专门的散热 器96被显示为包括横割冷却片98。热电产生器层94利用在加热板92 与散热器96之间的温度差，生成功率信号IOO，功率信号把功率提供 到多功能节点控制器84。多功能节点控制器84包括DC/DC功率变换 器，DC/DC功率变换器接收变化的功率信号100且响应于此提供稳定 的功率给控制器84供电。
为了说明起见，多功能控制器84被显示为把功率和控制信号 (pwr./ctrl. ) 102-110分别有选择地提供到热敏电阻插头112，流 传感器114,化学传感器116，振动传感器/换能器118，以及压力传 感器120。传感器112-120被连接到和/或插入到废气管道48，正如对 于进行诸如化学、气体流、热通量测量、振动、和压力测量那样的 传感器测量需要的。多功能控制器84接收感测的数据，诸如分别从 传感器112-120分别接收化学、气体流、温度、振动、和压力测量值 122-130。热敏电阻112除了温度测量以外还提供热通量测量。替换 地，热通量测量值通过TEG层94被提供到多功能节点控制器84。
工作时，多功能控制器84响应于由节点82从计算机16接收的和被 转发到传感器112-120的询问/控制信号123，对于所需要的感测的数 据有选择地询问传感器112-120。计算机16也可以把控制信号123转 发到多功能控制器84，引导多功能控制器84调节被提供到一个或多 个传感器112的功率。
多功能控制器84在相应的感测的数据需要被节点82接收时，诸如 响应于来自计算机16的询问，或响应于预定的准则，有选择地提供 功率到传感器112-120。例如，多功能控制器84可被配置成周期地接 通一个或多个传感器112-120,以接收相应的感测的数据。对于本讨 论，感测的数据可以是相应于由诸如一个或多个传感器112-120那样 的传感器进行的测量的任何信息。
多功能控制器84和传感器112-120可被配置成使得多功能控制器 84不断地从传感器112-120接收感测的数据，不仅仅周期地还响应于 询问，而不偏离本发明的范围。而且，多功能控制器84可以实施一 个或多个例程，所述例程使得来自 一个或多个传感器112-120的感测 的数据仅仅被节点82存储和/或当某些准则满足时被转发到计算机 16。例如，如果如由多功能控制器84确定的，感测的数据超过预定 的阈值或处在预定的阈值内，则可以收集数据以及表示测量值何时 被多功能控制器84接收的时间戳。
多功能控制器84和例程的精确的配置及与其相关的功能是应用 特定的。多功能控制器84的功能可以由阅读本教导的本领域技术人 员调节，以满足给定的应用的要求而不用过多的经验。例如，在一 个实施方案中，多功能控制器84可被配置成当在废气管道48内的温
度超过预定的最大温度阈值时把报警信号无线地传送到计算机16。
多功能控制器84还可被配置成当由热电产生器组件88输出的功率电
平不足以给所有的传感器112-120供电时关断某些传感器112-120。
在替换的工作情形下，各种传感器，诸如振动传感器118和压力 传感器120,可以提供有关处理过程的运行数据，该运行数据然后被 链接到多功能控制器84。这样的传感器可以由传统的电池供电。在 其它情形下，从热量、振动或压力差值的能量回收可被使用来给各 种传感器供电。因此，各种传感器112-120可以通过回收来自在 Hall-H"oult单元12内发生的矾土还原处理过程的浪费的热量或振 动而被供电(见图l)。
因此，图2的感测系统80实施用于得到关于处理过程或事物，诸 如在图l的Hall-H"oult单元12内发生的铝还原处理过程的信息的系 统。感测系统80包括由热电产生器组件88和一个或多个传感器112-120实施的一个或多个能量变换器。对于本讨论，能量变换器可以是 适于把来自处理过程或事物，诸如来自被测量的处理过程或装置的 能量转换成适合于由电路或相关的设备，诸如分别由节点82和一个 或多个传感器112-120使用的能量的任何装置。
感测系统80还包括传感器，诸如一个或多个传感器112-120，被 耦合到处理过程或事物48。节点82被耦合到传感器112-120和能量变 换器88，其中节点82由来自能量变换器88的输出供电。
多功能控制器84实施一个或多个例程，用于响应于预定的条件， 诸如从传感器112-120输出的值处在预定的范围内或低于或超过预 定的阔值，有选择地调节加到节点82的无线发射机86的功率。远端 计算机16可包括一个或多个例程64,适于处理由传感器112-120输出 的信息。
图3是说明适用于Hall-H"oult电解槽系列142的、本发明的第三 实施例140的图。电解槽系列142包括互相串联连接的多个Hall-H"oult单元144-148。多个传感器节点14， 82， 154被连接来或否则被 配置来分别从相应的传感器得到与单元144-148有关的感测的数据 (见图1和2)。感测的数据可以直接无线地转发到计算机16。替换 地，诸如第二节点82和笫三节点154那样的某些节点可以用作为中继 器，用来转发信令信息，诸如但不限于，来自诸如第一节点14和/或
第二节点82那样的其它节点的感测的数据。
在某些工作情形下，第一节点14可以发送信息到第三节点154， 由此跳过第二节点82。替换地，第二节点82可以直接发送到计算机 16，由此跳过第三节点154。替换地，第一节点14可以直接与计算机 16通信，由此跳过第二节点82和第三节点154。关于哪些节点被跳过 的精确的细节和条件是应用特定的。对于实施节点跳过所需要的功 能在本领域中是已知的，它可以由阅读本教导的本领域技术人员容 易地利用到节点14，82，154,而不用过多的经验。
不需要分开的笨重的电池块或墙壁插座延长线的无线节点 14， 82, 154的使用，大大地便利了电解槽系列142的测量装置。感测 系统140的使用可以提高矾土还原工厂安全地和精确地监视Hall-H6roult单元处理过程的能力， 由此提供可被使用来改进铝制造的宝 贵的信息。
图4是适用于图2-3的实施例的方法160的流程图。方法160包括初 始环境确定步骤162，在其中确定被感测的处理过程、设备或目标的 特性。
如果环境确定步骤162确定被感测的处理过程或事物产生或造成 热的形式的浪费的能量，则在热电产生器选择步骤164,选择热电产 生器，诸如图2的热电产生器88，在相关的感测系统中使用。
如果环境确定步骤162确定被感测的处理过程或事物产生或造成 过分的压力，则在换能器选择步骤166，选择压力换能器，诸如图2 的换能器120,在相关的感测系统中使用。
如果环境确定步骤162确定被感测的处理过程或事物产生或造成 过分的振动，则在振动变换步骤170,选择振动换能器，诸如图2的 振动换能器118，在相关的感测系统中使用。
如果环境确定步骤162确定被感测的处理过程或事物产生或造成 过分的电能，则在功率变换器选择步骤168，选择电功率变换器，诸 如图1的单元电压测量装置18和转换器26，在相关的感测系统中使 用。
在选择步骤164-168中选择适当的功率提供模块后，然后执行能 量利用步骤172。能量利用步骤172牵涉到使用来自在选择步骤164-168选择的热电产生器、压力换能器、和/或功率变换器的功率和/或
电能，给适于感测有关被感测的处理过程或事物的条件或特性的一
个或多个传感器供电。能量利用步骤172还牵涉到使用给诸如节点那 样的电路供电的功率和/或电能，用于收集和/或协调从传感器输出 的感测的数据的传输。能量利用步骤172还牵涉到使用给诸如图2的 节点收发信机80那样的通信模块供电的功率和/或电能，用于有选择 地发送感测的数据到另一个节点和/或远端计算机，诸如图l-3的计 算机17。
参照图l-4，虽然本发明的实施例是参照传感器、节点和计算机 的具体的安排进行讨论的，但本发明的实施例不限于此。传感器、 节点、散热器、热电产生器和其它部件可以在不同的安排中被使用。 例如，各种传感器可被安装在不同于废气管道48的、单元12的不同 的部分。而且，本发明可修改用于工作在不同于铝还原的其它处理 过程。
通常，电能生成可以经由不同于热电产生器、压力换能器等等的 各种类型的能量变换器而完成。而且，无线传输可被使用来监视任 何适当的处理过程或条件。例如，本发明的实施例可被修改用于工 作在包括铝还原处理过程的修改例的其它电化学处理过程。
注意到，设备和系统的具体的数目、类型、排列和其它特性可以 由这里描述的那些而变化。通常，本发明的实施例的特征可以工作 在任何合适类型的网络设备、拓朴、协议、物理链路等等。可被利 用来便利在节点与计算机之间的无线通信的通信标准的例子包括， 但不限于，电气与电子工程师协会(IEEE)标准802. llx(其中"x" 可以是"b，， ， "g"等等)、802. 16、和蓝牙。节点可被使用来把信息 中继到其它节点，并最后到中央处理站，诸如计算机16(或其它处 理系统)，如在所附的论文中描述的。
传感器可以具有各种类型、尺寸、装配或其它特性。例如，位置、 温度、湿度、气体压力、外力、光和其它传感器都可以使用。单个 节点可以具有多个传感器，并且不同的节点可以使用与其它节点数 目和类型不同的传感器，取决于应用的类型，可能比起其它更想要 不同的类型的感测，并且诸如灵敏度、坚固度、采样速率、功率消 耗、发送/接收范围等等那样的传感器特性可能是比起其它更关键。
节点可以具有预编程特性，以使得减小对于发送命令到节点的需
要。另一个选择是允许每个节点重新编程，以使得诸如传感器采样 速率、发送范围、通信中继能力等等的节点性能可以从控制中心进 行调节。节点固件和软件可以从控制中心、服务器或其它设备被下 载到每个节点。
本发明的 一个实施例可以使用基站在节点的网络之间发送和接 收信号。基站可被配置成执行诸如聚集和关联数据、滤波数据、监
视节点等等的不同的功能。基站可以经由图1和2的计算机16被实 施，可以用作为中心射频接收机/发射机，并把信息中继到其它处理 系统服务器，其它处理系统服务器接着把数据从节点提供到其它客 户计算机系统。客户系统可以自动操作或与人类操作员交互，以分 析数据、监视和报告条件，进行预测和发布命令到节点。注意到， 实际上可以使用几个或许多基站，每个具有相关的多个节点。基站 覆盖范围可以重叠，以经由冗余性提供鲁棒性。这样的重叠的覆盖 范围也可以改进与节点的往来通信的总的带宽。
节点上的传感器可被区分优先权以使得如果缺乏资源(例如，有 限的带宽)，具有最高优先权的传感器读数首先被传送。具有较低 的优先权的传感器类型的数据被緩存，并当在以后的时间有空闲带 宽时被传送，或被丢弃且根本不发送。如果节点在功率上变低，则 具有较高的优先权的传感器可以保持为工作的，而较低的优先权的 传感器被关断。
感测可以根据事件或其它准则被触发或控制或修改。例如，在传 感器读数处在预期的"正常"范围的场合下，则节点可被编程为不 频繁地报告。如果读数超过阈值，则节点可以以高的优先权发送读 数或报警消息。节点可以开始更频繁地采样，并且给予适当的传感 器更高的优先权。当条件变为安全时(即，不超过阈值)，节点和 发送操作可以回到以前的状态。
一个传感器的读数可被使用来修改其它传感器的操作和报告。例 如，如果温度增加，则可在频率、报告优先权等方面增加气体流监 视。
虽然本发明是参照其具体实施例讨论的，但这些实施例仅仅是说 明本发明而不是限制本发明。附加类型的传感器包括成像传感器(例 如，照相机)、红外传感器等等。在节点、基站、服务器和/或客户
处可以提供任何软件应用或功能。预期第三方商业软件可被使用来 执行诸如数据库贮存和检索、数据传送、数据分析、操作系统功能 等等那样的功能。
虽然本发明的实施例主要是对于电化学生产给出的，但其它使用 也是可能的。传感器、功率生成器、接收机、发射机和控制系统的 不同的配置是可能的。例如， 一种类型的有用的配置是中继系统， 它可以使用发电机和接收机/发射机节点来接收来自发起的节点的 信号且把它中继到可能离得太远而不能与发起的节点直接通信的另 一个接收机。
虽然本实施例是对于得到关于铝还原单元或处理过程的条件或 特性的测量值进行讨论的，但本发明的实施例不限于此。例如，许 多类型的环境对于可以影响传感器输出的事件和从按照本发明的实 施例实施的传感器网络与附属的感测数据收集方法获益的事件是敏 感的。
虽然本发明的处理过程或模块可被呈现为简单的实体，诸如在单 个机器上执行的软件，但这样的软件和/或模块可以容易地在多个机 器上执行。而且，本发明的多个不同模块和/或程序可以在一个或多 个机器上被实施而不偏离本发明的范围。
任何适当的编程语言可被使用来实施由各种网络实体利用的例
程或其它指令。示例的编程语言包括nesC， C++， Java，汇编语言等 等。可以利用不同的编程技术，诸如面向过程或面向对象。例程可 以在单个处理设备或多个处理器上执行。虽然步骤、操作或计算可 以以特定的次序呈现，但在不同的实施例中这个次序可以改变。在 某些实施例中，在本技术说明书中按顺序显示的多个步骤可以同时 执行。
在这里的说明中，提供多个具体的细节，诸如部件和/或方法的 例子，以提供对本发明的实施例的透彻的理解。然而，本领域技术 人员将会看到，本发明的实施例可以不用一个或多个具体的细节而 被实践，或用其它设备、系统、组件、方法、部件、材料、部分等 等被实践。在其它实例中熟知的结构、材料或操作没有专门地显示 和详细地描述，以避免遮蔽本发明的实施例的方面。
对于本发明的实施例，"机器可读的媒体"或"计算机可读的媒
体"可以是包含、存储、通信、传播、或输送被或结合指令执行系 统、设备、系统或装置使用的程序的任何媒体。计算机可读的媒体 可以是，仅仅作为例子但不限于，电子、磁、光学、电磁、红外、 或半导体系统、设备、装置、传播媒体、或计算机存储器。
"处理器"或软件"处理"包括任何人，硬件和/或软件系统， 处理数据、信号或其它信息的机构或部件。处理器可包括具有通用 中央处理单元、多个处理单元、用于达到功能的专用电路的系统， 或其它系统。处理不一定限于地理位置或具有时间限制。例如，处 理器可以"实时"、"离线"、以"批处理模式"等等执行它的功 能。部分处理可以在不同的时间和不同的位置由不同的(或相同的) 处理系统被执行。计算机可以是与存储器通信的任何处理器。
在本技术说明书中的用语"一个实施例"或"一个具体的实施例" 是指，结合实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明 的至少一个实施例，而不一定在所有的实施例。因此，词组"在一 个实施例中"或"在一个具体的实施例中"在本技术说明书中的各个 位置的各自出现不一定是指同一个实施例。而且，本发明的任何具 体的实施例的特定的特征、结构、或特性可以以任何适当的方式与 一个或多个其它实施例相组合。应当理解，这里描述和说明的本发 明的实施例的其它改变和修改鉴于这里的教导是可能的，并且要被
看作为本发明的精神和范围的部分。
将会理解，在附图上描绘的一个或多个元素也可以以更加分离的
或集成的方式被实施，或在某些情形下甚至被去除或被呈现为不能 工作，如按照特定的应用这样是有用的。
另外，在附图上的任何信号箭头应当仅仅看作为示例的，而不是 限制，除非专门指出以外。而且，在这里使用的术语"或"通常意 在指"和/或"，除非另外表示以外。部件或步骤的组合也将被看 作为指出的，其中当分开或组合的能力 ，术语被预见。
正如在这里的说明中和在后面的权利要求中使用的，"一个"和 "这个，，包括多个引用，除非上下文明显地阐述以外。而且，正如 在这里的说明中和在后面的权利要求中使用的，"在…中"的意义包 括"在…中，，和"在…上"，除非上下文明显地阐述以外。
本发明的说明的实施例的上述的说明，包括在摘要中描述的内
容，不旨在是穷举的或限制本发明为这里公开的精确形式。虽然本 发明的具体实施例和例子在这里仅仅用于说明的目的被描述的，但 在本发明的精神和范围内的各种等价的修改方案是可能的，正如本 领域技术人员将会确认和理解的。正如所表示的，鉴于本发明的说 明性实施例的上述的说明，可以对于本发明做出这些修改方案并且 其被包括在本发明的精神和范围内。
因此，虽然本发明在这里是参照其具体实施例描述的，但在上述 的公开内容中意在有许多修改方案、各种改变和替换，并且将会理 解，在某些实例中，将利用本发明的实施例的某些特征，不用相应 地使用其它特征，而不偏离所阐述的本发明的范围和精神。所以， 可以做出许多修改，使得特定的情形或材料适于本发明的实质范围 和精神。本发明旨在不限于在以下的权利要求中使用的特定的术语 和/或作为预期用于实现本发明的最好模式的公开的特定的实施 例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的任何和所有的 实施例和等价物。
权利要求
1.用于感测系统的条件的设备，该设备包括被耦合到系统的能量变换器；被耦合到系统的传感器；被耦合到传感器和能量变换器的节点，其中节点由来自能量变换器的输出进行供电。
2. 权利要求l的设备，其中能量变换器包括热电产生器。
3. 权利要求l的设备，其中传感器包括温度传感器、电流传感器、 电压传感器、热通量传感器、化学传感器、压力传感器、和/或振动 传感器。
4. 权利要求l的设备，其中能量变换器包括压力换能器、振动换 能器、或电路。
5. 权利要求l的设备，其中节点包括无线发射机。
6. 权利要求5的设备，其中节点包括控制器，其中控制器实施一 个或多个例程，用于响应于预定的条件有选择地调节加到无线发射 机和/或接收机的功率。
7. 权利要求6的设备，其中预定的条件包括从传感器输出的值处 在预定的范围内，或低于或超过预定的阈值。
8. 权利要求6的设备，其中预定的条件包括从能量变换器输出的 电能低于预定的阈值。
9. 权利要求7的设备，其中预定的条件包括来自远端计算机的信号。
10. 权利要求5的设备，还包括远端计算机，该远端计算机经由 无线发射机和/或接收机被无线地耦合到节点。
11. 权利要求10的设备，其中远端计算机包括一个或多个例程， 适于处理由传感器输出的信息。
12. —种用于得到关于系统的信息的设备，该设备包括 第一装置，用于利用系统的能量来产生信号；第二装置，用于感测关于系统的条件并响应于此提供感测的信息；第三装置，用于收集感测的信息；以及笫四装置，用于利用第一装置给第二装置和/或第三装置供电。
13.权利要求12的设备，其中第三装置包括传感器节点。
14.权利要求13的设备，其中能量包括浪费的能量。
15.权利要求13的设备，其中浪费的能量包括热能。
16.权利要求13的设备，其中浪费的能量包括电能。
17.权利要求12的设备，其中能量包括振动能量。
18.权利要求12的设备，其中传感器节点包括无线发射机/接收
19.权利要求18的设备，其中第二装置包括温度传感器、化学传感器、压力传感器、热通量传感器、气体流传感器、电压传感器、和/或电流传感器。
20. 权利要求18的设备，其中传感器节点包括节点控制器，节点 控制器适于根据一个或多个预定的条件有选择地调节加到无线发射 机的功率。
21. 权利要求20的设备，其中该一个或多个预定的条件包括与信 号有关的功率电平低于预定的阈值。
22. 权利要求20的设备，其中该一个或多个预定的条件包括传感 器输出状态。
23. 权利要求12的设备，其中由处理过程或事物输出的能量包括 热能。
24. 权利要求23的设备，其中第一装置包括热电产生器，适于把 由处理过程或事物输出的热能变换成电能。
25. 权利要求23的设备，其中由处理过程或事物输出的能量包括 电能。
26. —种用于得到关于与其有关的处理过程或事物的信息的方 法，该方法包括第一装置，用于利用来自处理过程的能量来产生信号； 第二装置，用于感测关于处理过程的条件并响应于此提供感测的 信息；第三装置，用于收集感测的信息；以及第四装置，用于利用第一装置给第二装置和/或第三装置供电。
27. —种设备，包括传感器，用于感测处理过程的特性；热电产生器，具有第一和第二温度源，其中第一温度源是从由传感器感测的处理过程得到的；以及无线发射机，被耦合到热电产生器和传感器，其中无线发射机得 到来自热电产生器的功率，以便把感测的特性的指示从传感器发送 到接收机。
28. 权利要求27的设备，其中传感器包括温度传感器。
29. 权利要求27的设备，其中传感器包括压力传感器。
30. 权利要求27的设备，其中传感器包括流动传感器。
31. 权利要求27的设备，其中传感器包括化学传感器。
32. 权利要求27的设备，其中传感器包括振动传感器。
33. 权利要求27的设备，其中传感器包括经过单元或其超结构或 者在单元或其超结构内的电流的测量。
34. 权利要求27的设备，其中传感器包括在单元或其超结构内的 电压的测量。
35. 权利要求27的设备，其中传感器包括经过单元外部的热通量 的测量。
36. 权利要求27的设备，还包括具有内部和外部的管道，其中第一温度源是从管道的内部得出 的，并且第二温度源是从管道的外部得出的。
37. 权利要求36的设备，还包括 散热器，至少部分放置在管道的外部。
38. 权利要求36的设备，还包括 发热板，被热耦合到管道的内部。
39. —种用于得到传感器读数的方法，方法包括 使用热电产生器来生成电能，其中热电产生器从源得到热量； 使用传感器测量源的特性；以及使用由电能供电的无线发射机来发送测量的特性。
40. 权利要求39的方法，其中传感器包括温度传感器。
41. 权利要求39的方法，其中传感器包括压力传感器。
42. 权利要求39的方法，其中传感器包括流动传感器。
43. 权利要求39的方法，其中传感器包括化学传感器。
44. 权利要求39的方法，其中传感器包括振动传感器。
45. 权利要求39的方法，其中传感器包括电流的测量。
46. 权利要求39的方法，其中传感器包括电压的测量。
47. 权利要求39的方法，其中传感器包括热通量的测量。
48. —种设备，包括热电产生器，具有第一和第二温度源，其中热电产生器根据在第 一和第二温度源之间的温度差来生成电功率；以及无线发射机，被耦合到热电产生器，其中无线发射机得到来自热 电产生器的功率，以便把信号中继到另一个接收机。
全文摘要
感测系统用于感测与处理过程或事物有关的条件或特性。感测系统包括一个或多个能量变换器和一个传感器，它们被耦合到处理过程或事物。节点被耦合到传感器和能量变换器，并且节点由来自能量变换器的输出进行供电。在一个具体实施例中，节点包括控制器，控制器实施一个或多个例程，用于根据预定的条件有选择地供电节点的无线发射机。预定的条件可规定传感器输出值处在预定的范围内，或低于或大于预定的阈值。替换地，预定的条件可规定从能量变换器输出的电能低于预定的阈值。远端计算机可无线地连接到节点，且可包括软件和/或硬件，软件和/或硬件适于处理由传感器输出的信息，并经由节点中继到计算机。
文档编号G01M17/00GK101175981SQ200680009657
公开日2008年5月7日 申请日期2006年1月19日 优先权日2005年1月25日
发明者D·A·斯坦加特, D·P·齐格勒, J·W·埃文斯, M·H·施奈德, P·K·赖特 申请人:加州大学评议会;阿尔科技术中心