专利名称：自供电son设备网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号传输系统，更具体地，涉及具有用于中继信号的 自供电(self-powered)设备的网络。
背景技术：
自组织网络是使能在网络中的点之间单跳或多跳地传输信号的 无线信号传输网络。术语"微尘(mote)"表示能够在自组织网络中无 线地接收和传输信号的继电器。微尘和类似的设备能够可通信地链接 至传感器和其他类型的信号产生和接收部件。这些自组织网络使能灵 活地传输信号，并且可以用在处理设施以及其他设备设置(plant setting)中，以在期望的位置之间中继数据。可以利用一个或更多个 传感器来采集该数据，并经由网络传输至一个或更多个数据采集和/ 或数据处理位置。
通过减少建立信号传输网络所需要的布线量，微尘或类似设备的 网络在信号传输网络的安装方面提供了很多优点。在减少时间和技术 密集型(time-and skill-intensive)安装任务方面，成本节约是显著的。 通过消除对跨越通信布线来传递信号的需要，网络设备的无线中继能 力在这样位置是尤其有利的在该位置处对进行有线通信线路连接的 接入是受限的。然而，为这种网络设备提供电源可能仍然是困难的。 在很难硬布线(hard wiring)的位置，网络设备通常不能以传统方式 连接至输电网(electrical grid)。即使可以进行传统的输电网连接，然 而进行这种连接所需要的布线是劳动密集型的并且可能是不期望地昂 贵的。此外，以电池、燃料等形式的板上能量存储器(on-board energy storage)仅提供有限的能量供应，并且电池的替换以及能量源的补给 等是不方便的。此外，无线自组织网络的操作依赖于为网络设备提供 足够的电力。
4本发明提供了 一种具有自组织网络设备的自供电设备网络，所述 自组织网络设备能够从临近能量源获得能量以提供电力。
发明内容
一种根据本发明的网络，包括多个无线互连的自组织网络 (SON)设备，用于在自组织网络中中继信号；以及现场设备，用于
产生输出信号。传感器用于将输出信号传输至至少一个SON设备，SON 设备不产生信号而仅对外部产生的信号进行中继。至少一个SON设备 通过从临近能源获得能量而自供电。
图1A是根据本发明的无线通信网络的示意图。 图1B是无线通信网络的备选实施例的示意图。 图2是自供电的自组织网络设备和能量源的框图。
具体实施例方式
本发明提供了由一个或更多个自组织网络设备(下文中称作
"SON设备")构成的无线自组织网络，所述自组织网络设备通过从临
近能量源获得能量而自供电。如这里所使用的术语"自组织网络"是指 能够在与自组织网络可通信地连接的两个外部节点之间进行无源信号
中继的通信信号中继系统。自组织网络可以是网状、星形、簇状或其 他类型的拓扑。"SON"设备是在网络内无源地中继信号的设备，因为 这里使用该术语，所以可区别于产生信号(例如，传感器)和采集信 号(例如，数据采集和数据处理设备)的现场设备。根据本发明，通 过使用可用能量源来产生电能以为这些SON设备供电，简化了无线自 组织网络的安装。例如，这种自组织网络有利于在处理和制造设施中 使用。通过从具体设施内每个SON设备的安装位置获得可用能量，可 以为形成自组织网络的SON设备供电，从而不需要通过布线或通过替 换电池等为这些位置供电。采用本发明的潜在成本节约是很大的。 图1A和1B示出了无线通信网络的两个实施例，示出了备选配置。对于这种通信网络的可能备选配置的数目是无限的，图1A和1B所示的 那些通信网络仅仅是作为示例来提供的。图1A所示的无线通信网络包 括多个现场设备100A-100C (总体地，现场设备100)、多个SON设备 102A-102D (总体地，SON设备102)、以及采集节点/控制器104。可 以将现场设备100A-100C、 SON设备102A-102D以及采集节点/控制器 104各看作是网络的"节点"。虚线示出了节点之间可能的无线信号传输 路径。
现场设备100产生数字信号，通过网络将所述数字信号传输至采 集节点/控制器104。每一个现场设备100都可以是任何类型的现场设 备，如，过程传感器、过程执行器、过程控制模块、过程警报模块、 过程诊断模块，等等。通常，现场设备100是在处理和制造设施内的过 程控制和测量应用中普遍使用的类型的、具有无线通信能力的设备。 例如，现场设备100可以是压力传感器(例如，可从Emerson Process Management,Chanhassen，MN获得的3051 S系列压力传感器)、温度传感 器(例如，可从Emerson Process Management获得的648系列温度传感 器)、震动传感器、流量传感器，等等。现场设备100A-100C可以各自 是不同类型的，或设备100A-100C之一或全部可以是相同类型的。在 一个实施例中，可以采用与以下关于SON设备所描述的相类似的方式 来使现场设备100自供电。
SON设备102用作"中继器(repeater)"，并且共同形成自组织网 络，以在网络内无源地中继信号。SON设备102可以具有任何合适的配 置。信号最初由网络部件而不是SON设备(例如，由现场设备100)产 生，SON设备102仅仅将这些信号传递和中继至网络中的其他节点。自 组织网络的组织和操作是现有技术中已知的。例如，G.Sierm和 B.karschnia的"wireless As a Hot Topic:Process and Asset Management See Wireless Innovation Through New Lens，，，/w7fec/z Magaz/"e,September 1,2005，其全部内容一并在此作为参考，解释了典型的自组织网络的 配置和操作。在自组织的情况下，在最初产生信号的发信节点 (originating node)与最后接收所述信号的目的节点(destination node) 之间具体的网络通信路径不需要是预定的。采集节点/控制器104包括通信收发器，并且可以根据需要包括其 他商业上可用的软件和硬件。采集节点/控制器104接收最初由现场设 备100产生的数据信号，可以对包含在这些信号中的数据进行存储和/ 或处理。此外，采集节点/控制器104可以产生控制信号，所述控制信 号可以用于对与网络连接的现场设备的操作加以控制。控制信号的一 个示例可以是被发送至传感器以发起自诊断例程(routine)的命令。 典型地，如图1A所示，网络将仅包括一个用于数据采集的节点，尽管 所述节点可以包括多个分立的设备，其中这些分立的设备联合工作以 对信号进行采集和处理以及对网络的操作加以控制。
网络中节点的数目和布置受到许多因素的影响。现场设备100的 位置典型地受期望的驱动，以从具体位置得到具体数据，或另外地与 设施内的具体处理位置接口。采集节点/控制器104的位置可以是中心 位置，或便于数据采集和处理的位置。SON设备102的数目和位置可以 有很大不同。因为通常在这样的设置下配置网络在该设置下设施基 础构造以及干扰源可以妨碍节点之间的无线通信，所以由SON设备102
建立的自组织网络用于保持鲁棒性和可靠的通信。例如，使用射频无 线通信的网络在信号传输范围方面具有局限性。射频传输受以下因素 的影响墙壁、管道、以及阻碍视线(line-of-sight)信号传输的其他 结构。此外，传输范围将受以下因素的影响所使用的具体射频频带， 以及所述频带上不期望的干扰效应。此外，SON设备位置可以受安装 和维护关系的影响，这是因为期望在相对容易达到的位置安装SON设 备102。所有这些因素影响SON设备安装位置选择，以及包含在网络中 的SON设备的数目。
通常，SON设备102通过形成多个可能的通信路径来为网络提供 灵活性，网络可以在任何特定场合根据需要来使用所述通信路径。该 类型操作的示例可以如以下所述。信号最初可以由第一现场设备100A 产生，并最终递送至采集节点/控制器104。该信号首先传输至第一SON 设备102A。从第一SON设备102A到采集节点/控制器104的最短路径经 由第二SON设备102B。然而，备选路径可以包括从第一SON设备102A 到第三SON设备102C、然后到第四SON设备102D、最终到采集节点/控制器104的信号传输。在由于信号干扰使得较短的路径不可用的情况 下，可以使用这样的备选路径。
应理解，网络中SON设备102的具体数目和布置将根据具体应用 而变化。通常，包括更多的SON设备以及临近SON设备间更小的空间 距离将通过增大可能传输路径的数目而提高网络可靠性。然而，包括 相对大量的SON设备以提供备选或冗余信号传输路径仅仅是可选的。
图lB所示的无线通信网络包括多个现场设备200A-2001、多个 SON设备202A-202D、以及采集节点/控制器204。通常图1A的网络与 参考图1B而示出和描述的网络相类似，采用节点的备选布置。图1B中 的网络示出了网络如何以单跳(现场设备200D至采集节点/控制器204) 或多跳方式(例如，现场设备200A到SON设备202A到SON设备202B 到采集节点/控制器204)将信号从现场设备传输至采集节点/控制器。
图2是自供电SON设备302以及处于与SON设备302临近位置的能 量源306的示例实施例的框图。SON设备302包括能量获得子配件308、 电容器310、通信电路312、以及天线314。
通信电路312与天线314连接，并实现双向无线通信。通信电路312 可以包括易失性或非易失性存储器以及适于实现双向无线通信的其他 子部件(未示出)。使用通信电路312和天线314， SON设备302能够在 自组织网络(如参考图1A和1B而示出和描述的自组织网络)内通信， 以中继信号。通信电路312的具体配置可以不同。例如，信号中继传输 的频率可以不同。SON设备302可以采用固定的间隔在自组织网络内进 行操作，如，以10分钟的间隔发送通信信号中继"脉冲串"。备选地， SON设备302可以在连续的基础上中继传输。在另外的备选配置中， SON设备302可以采用事件(on-event)方式来进行通信，其中由触发 自组织网络内的通信的具体事件来发起通信信号中继脉冲串。此外， 在自组织网络中传输(即，中继)信号的具体频带可以不同。所选择 的频带将影响设施装置中的信号传输，典型地，根据诸如临近的可通 信链接的SON设备之间的距离以及潜在的信号干扰风险来选择所使用 的具体传输频率。合适的信号传输频率包括约900MHz和约2.4GHz的 工业科学医学(ISM)射频频带。
8在典型的实施例中，通信电路312在约3伏(V)上吸取(draw) 约250微安(pA)，这意味着必须提供约l毫瓦(mW)的功率来操作通 信电路。然而，通信电路312的具体功率需求将根据具体应用而不同。 例如，发送通信信号中继脉冲串的功率需求可以比其他操作期间的功 率需求大。
能量获得子配件308能从能量源306获得能量，以产生电功率。将 所产生的电能发送和存储至电容器310中。可以从电容器310将电力提 供至通信电路312。应理解，图2所示的框图是简化的图示，SON设备 302可以包括未具体示出的附加部件。例如，可以包括电压乘法器或其 他部件，以将能量获得子配件308所产生的电能转换成适于存储在电容 器310中并且适于供通信电路312使用的形式。
电容器310可以是任何合适类型的电容器，并且便于从能量获得 子配件308以及长期能量存储器提供基本连续的供电。在一些实施例 中，能量获得子配件308所产生的电功率可以随时间波动，使得期望电 容器310提供相对长期的电力存储以减轻电力产生中的任何波动的影 响。在一个实施例中，电容器310可以是可再充电的电解电容器，以提 供基本上恒定可用的供电。在备选实施例中，可以提供可再充电的电 池来代替可再充电的电解电容器。
应理解，图2以示例的方式而不是以限制的方式示出了电容器 310。在另外的备选实施例中，可以与SON设备302—起使用其他电气 元件，例如，变压器、电感器、DC/DC转换器，等等。应注意，还可 以除电容器310以外或代替电容器310使用任何类型的能量存储器件。 此外，本发明还实现了不采用电容器310的直接布线连接。
临近能量源306可以提供不同形式的能量，例如，动能、热能、 电磁能、以及光或太阳能。临近能量源306可以被分类为提供环境能量、 现有设施(existing utility)能量、废弃(waste)能量，等等。典型地， 临近能量源306可以是在期望的SON设备安装位置容易获得的预先存 在的源。预先存在的能量源位置的示例包括蒸汽供应管道、压縮流 体(例如，压縮空气)系统、液态或气态氮供应系统、供电系统(例 如，电缆外壳带电线、热/冷流体供应系统、液流(fluid flows),等等。自供电SON设备302能够获得可用能量，这由于不需要将电源从
供电网接线到安装位置使得可以降低安装成本，并且由于不需要对已 耗尽有限存储电荷的电池进行更换使得降低了维护需求。此外，在许
多情况下，从临近能量源306获得的能量是废弃能量，也就是说，将不 会另外使用的能量。由于不需要提供附加能量来为SON设备供电，使 用废弃能量的自供电SON设备有助于降低总体设施功率消耗。还应注 意，能量源的位置是对SON设备安装位置的选择造成很大影响的因素。 由于自组织网络的很大灵活性，所以可以采用如下方式来安装网络中 的SON设备其最高效地使用可用能量源以便为SON设备供电，同时
仍然提供在可用的自组织网络节点之间的足够的信号中继能力。
能量获得子配件308可以采用不同形式，根据临近能量源306的特
性来选择能量获得子配件的具体配置。在一些情况下，多种类型的合 适能量源可以是可用的。可以将能量获得子配件308选择并配置为根据
需要使用一个或更多个可用能量源。典型地，选择单个能量源(即， 临近能量源306)。
现有的能量获得设备可以与本发明一起使用，以用作能量获得子 酉己件308 。在Schumacher等的标题为"Pressurized Gas to Electrical Energy Conversion for Low-Power Field Devices,"的美国专禾lJ申请序歹U 号10/745,310以及在Anderson等的标题为"Steam Trap Monitoring,，，美国 专利申请序列号11/238,181中公开了合适能量获得设备的示例，它们 的全部内容一并在此作为参考。还可以使用公知的能量获得设备，如 太阳能电池和压电发生器(piezoelectric generator)。应认识到，这些 类型的能量获得子配件仅仅是作为示例而提供的，可以使用其他类型 的子配件。所使用的能量获得子配件的具体类型将依赖于所选择的具 体能量源。
可以使能量获得子配件308与标准的"实用型部件(utility type part)"相结合，所述实用型部件是典型地用在设施的实用系统中的部 件。换言之，可以将SON设备302与另一系统的部件相结合或附着到另 一系统的部件，这意味着实用型部件的安装同时安装了SON设备302， 而无需将通信线路或电源线路安装到SON设备302的任何额外工作。以
10下是一些示例。在能量源306是蒸汽(steam)系统的情况下，可以将 能量获得子配件308与汽阱(steamtrap)、阔、管道段或过滤器相结合， 以从蒸汽得到热能或动能。对于气体供应系统，如压縮空气或氮供应 系统，可以将能量获得子配件308与调节器、管道段或过滤器相结合， 以获得动能或热能。对于液流系统，可以将能量获得子配件308配置为 阀、软管(hose)段、管道段、或法兰的一部分，以获得动能。对于 热/冷流体系统，可以将能量获得子配件308与阀、软管段、管道段、 或法兰相结合，以获得热能。对于电力系统，可以将能量获得子配件 308与灯具、接线盒、导管段、按钮、或显示器(例如，LCD)相结合。
应认识到，本发明提供了许多优点和益处，这对于过程控制和测 量工业具有特殊价值。根据本发明对自供电SON设备的使用可以极大 地减少安装和维护自组织网络所需要的劳动量，这直接降低了这种网 络的建立和运行成本。这在建立新设施期间以及对于为现有设施提供 通信网络而言是有利的。此外，自供电SON设备可以使用废弃能量或 其他类型的容易获得的能量源，这使得系统在能量方面是高效的。
尽管参考优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员将认识 到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节上 的改变。例如，几乎任何类型的能量获得方案可以用于自组织网络中 的自供电SON设备。还可以与现有的传统供电的SON设备的网络一起 使用自供电SON设备。此外，可以使用几乎任何类型的自组织网络配 置。此外，尽管描述了使用射频通信信号的无线网络，然而本发明可 以使用任何形式的无线信号传输，如红外信号传输等。
权利要求
1、一种网络，包括多个无线互连的自组织网络设备，用于在自组织网络中中继信号，其中，至少一个自组织网络设备通过从临近能量源获得能量而自供电，以及自组织网络设备不产生信号而仅对外部产生的信号进行中继；以及现场设备，用于产生输出信号，其中，现场设备用于将输出信号传输至至少一个自组织网络设备。
2、 根据权利要求l所述的网络，还包括采集节点收发器，能够无线接收由至少一个自组织网络设备传输 的信号。
3、 根据权利要求2所述的网络，还包括控制系统，与采集节点收发器连接，用于使用由至少一个自组织 网络设备中继的控制信号来控制传感器的操作。
4、 根据权利要求l所述的网络，其中，所述现场设备是过程传感明.益°
5、 一种网络，包括 信号源，用于产生输出信号； 采集节点，用于接收输出信号；以及一个或更多个自组织网络设备，用于定义信号源与采集 节点之间的无线自组织网络，以在所述信号源和所述采集节 点之间中继输出信号，其中，至少一个自组织网络设备能够 从能量源获得能量以产生电功率，所述能量源是动能源、电 磁能源或热能源。
6、 根据权利要求5所述的网络，其中，所述多个自组织网络设备 定义无线自组织网络，每个自组织网络设备能够从能量源获得能量以 产生电功率。
7、 根据权利要求5所述的网络，其中，至少一个自组织网络设备仅通过获得能量而被供电。
8、 根据权利要求5所述的网络，其中，所述信号源是过程传感器。
9、 根据权利要求5所述的网络，还包括控制系统，与采集节点连接，用于利用由至少一个自组织网络设 备中继的控制信号来控制传感器的操作，其中采集节点能够接收和发 送信号。
10、 一种信号传输方法，包括 产生信号；将信号无线传输至由一个或更多个自组织网络设备建立的自组织网络；获得能量以将电力提供至至少一个自组织网络设备；以及 通过自组织网络中的至少一个自组织网络设备，将信号中继到采 集节点。
11、 根据权利要求10所述的方法，其中，所述通过自组织网络将 信号中继到采集节点的步骤包括利用多个自组织网络设备对信号进 行多跳传输。
12、 根据权利要求10所述的方法，其中，自组织网络完全利用所 获得的能量而被供电。
全文摘要
一种网络，包括多个无线互连的自组织网络(SON)设备(102A-102D)，用于在自组织网络中中继信号；以及现场设备(100A-100C)，用于产生输出信号。现场设备(100A-100C)用于将输出信号传输至至少一个SON设备(102A-102D)，SON设备(102A-102D)不产生信号而仅对外部产生的信号进行中继。至少一个SON设备(102A-102D)是通过从临近能量源获得能量而自供电的。
文档编号G05B23/02GK101501594SQ200780029027
公开日2009年8月5日 申请日期2007年7月24日 优先权日2006年8月3日
发明者克里斯托夫·阿什利·韦尔斯, 罗伯特·J·卡斯切尼亚 申请人:罗斯蒙德公司