用于傳感器節(jié)點的能量收集和控制的制作方法
【專利說明】用于傳感器節(jié)點的能量收集和控制
[0001]優(yōu)先權(quán)的要求
[000引 在此要求化化oun等人于2012年2月17日提交的題為"Batte巧-less化ergy Harvesting Sensor Node SoC and Related Method thereof"的美國臨時專利申請序列 號61/600, 467(代理人檔案號01918-01)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，在此通過引用將其全部內(nèi)容（包 括其標記有"附錄A"至"附錄H"的部分）合并于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 嵌入式系統(tǒng)可W用于各種各樣的應用中，包括提供監(jiān)視、傳感、控制或安全功能。 該樣的嵌入式系統(tǒng)通常根據(jù)對尺寸、功耗或環(huán)境生存能力的相對嚴格的約束而被適配到指 定的應用。
[0004] 特別地，一種類型的嵌入式系統(tǒng)可W包括諸如用于感測或監(jiān)視一個或多個生理參 數(shù)的傳感器節(jié)點。具有無線通信能力的傳感器節(jié)點可被稱為無線傳感器節(jié)點（WSN)。相 似地，位于對象的身體上、身體附近或身體內(nèi)的傳感器節(jié)點可被稱為身體區(qū)域傳感器節(jié)點 炬ASN)或身體傳感器節(jié)點炬SN)。傳感器節(jié)點可W向保健提供商提供重大益處，諸如允許 對生理信息的連續(xù)監(jiān)視、激勵和記錄，促進自動的或者遠程的隨訪，或者在存在惡化的生理 狀態(tài)時提供一個或多個警告。使用傳感器節(jié)點獲得的生理信息可W被傳輸?shù)狡渌到y(tǒng)，諸 如用于幫助診斷、防止和響應諸如糖尿病、哮喘、屯、臟病或者其他疾病或病情的各種疾病。
[0005] 例如，如果傳感器節(jié)點包括諸如長期監(jiān)視能力或可穿戴性的某些特征，則傳感器 節(jié)點可W向?qū)ο蠡虮＝√峁┱咛峁┨貏e的值。由于醫(yī)療保健花費逐步上升或者由于更多的 保健提供商嘗試過渡到遠程的患者隨訪和遠距離醫(yī)療，因此傳感器節(jié)點在無需維護、替換 或手動充電的情況下的長使用壽命變得更加重要。相信通?？色@得的傳感器節(jié)點因為缺少 擴展運算能力或可穿戴性而被排除在廣泛使用之外。
[0006] 例如，包括大的一次電池或可充電電池的傳感器節(jié)點穿戴起來可能是不舒服的， 并且具有較小電池的傳感器節(jié)點由于患者或其他用戶可能不遵守所要求的充電或替換時 間間隔而仍是不合乎期望的。相似地，需要傳導性數(shù)據(jù)傳輸接口的傳感器節(jié)點通常是麻煩 的，因為穿戴者或保健提供者必須手動地將通信接口線纜連接至節(jié)點，W向節(jié)點或從節(jié)點 傳輸信息。無線通信電路可減少或消除對該樣麻煩的有線接口的需要。但是，該樣的無線 電路可消耗大量的能量，從而使得有限的能量預算負擔更重或限制通?？色@得的傳感器節(jié) 點的工作壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 諸如身體傳感器節(jié)點炬SN)的傳感器節(jié)點可W包括具有高集成度的各種系統(tǒng)功 能的一個或多個半導體裝置。該樣的半導體裝置可W被稱為"片上系統(tǒng)"或SoC。SoC可W 提供實現(xiàn)系統(tǒng)的所有主要功能的數(shù)字的或者混合的信號電路，諸如包括通用處理器電路、 專用處理器電路、模擬信號調(diào)節(jié)電路、電源控制或轉(zhuǎn)換器電路、電壓或電流參考電路或功率 管理電路中的一個或多個。
[000引本發(fā)明人已經(jīng)認識到，除了其他方面之外，可將超低功率扣L巧技術(shù)應用到被包 括在傳感器節(jié)點中的一個或多個電路。ULP技術(shù)可被用來實現(xiàn)被包括為傳感器節(jié)點的一部 分的SoC。例如，用于傳感器節(jié)點的該樣的SoC可W包括被配置用于闊下工作的一個或多個 模擬或者數(shù)字部分。
[0009] 替代闊下工作或除闊下工作外，可W使用其他技術(shù)，諸如用W禁用或暫停系統(tǒng)的 指定部分的操作的功率或時鐘選通，或者包括調(diào)整占空比、時鐘頻率（例如，時鐘節(jié)流）或 電源參數(shù)（例如，電源電壓節(jié)流）W減小功耗。
[0010] 本發(fā)明人還已認識到，可W使用從周圍能量源的能量收集來顯著增加傳感器節(jié)點 的可工作壽命。例如，可W使用熱梯度或機械震動來獲得該樣的能量。與依賴電池的傳感 器節(jié)點相比，能量收集技術(shù)可W提供延長的可工作壽命。然而，為了提供持續(xù)的操作，能量 收集傳感器節(jié)點通常必須消耗比所收集的量更少的能量。
[0011] 為此，本發(fā)明人還已經(jīng)認識到，可使用功率管理處理器電路來W閉環(huán)的方式使能、 禁用、節(jié)流或重新路由通過各系統(tǒng)部分的數(shù)據(jù)（諸如響應于所監(jiān)視的條件）。例如，能量收 集換能器所提供的能量的量可W隨著時間變化。功率管理處理器電路可W監(jiān)視指示由能量 收集換能器提供的能量水平的信息。使用所監(jiān)視的信息，功率管理電路可W在面對變化的 輸入能量時調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點的能量消耗水平，W提供傳感器節(jié)點的連續(xù)的（例如，持續(xù)的） 操作。
[0012] 可W根據(jù)模式或水平（諸如使用=或四個水平的能量消耗方案或者其他方案）來 指定能量消耗。傳感器節(jié)點可W在該樣的能量消耗水平之間切換W避免廢止或重啟。在重 啟的情況下，傳感器節(jié)點可W在狀態(tài)上恢復到指定工作模式，諸如重新開始監(jiān)視、通信或者 一個或多個其他功能。
[0013] 在一示例中，傳感器節(jié)點可W是無電池的，諸如在無需傳感器組件內(nèi)的機載的一 次電池或可充電電池的情況下是可操作的。在一種方法中，可W使用能夠?qū)犭姲l(fā)電機 (TEG)的諸如數(shù)十毫伏（mV)的較低電壓輸出轉(zhuǎn)換到指定用于傳感器節(jié)點電路的一個或多 個其他部分的較高電壓水平的升壓轉(zhuǎn)換器電路和調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。在一示例中，無線接收器電 路可W禪合到升壓電路或者調(diào)節(jié)器中的一個或多個，W便接收無線禪合的能量的初始突發(fā) W建立傳感器節(jié)點的操作。
[0014] 在一示例中，諸如被包括為傳感器節(jié)點的一部分的集成電路可W包括具有可禪合 到能量收集換能器的輸入的調(diào)節(jié)器電路。該集成電路可W包括無線接收器電路，無線接收 器電路被禪合到調(diào)節(jié)器電路并被配置為在無需能量收集換能器的情況下無線地接收足W 建立傳感器節(jié)點的操作的工作能量。該集成電路可W包括數(shù)字處理器電路，其被禪合到調(diào) 節(jié)器電路和功率管理處理器電路。數(shù)字處理器電路或一個或多個其他電路可W包括由功 率管理處理器電路基于所選的能量消耗水平而建立的闊下工作模式。例如，建立闊下工作 模式可包括調(diào)整或選擇電源電壓，W建立數(shù)字處理器電路或其他電路中的場效應晶體管 (陽T)的闊下工作。
[0015] 在本文的示例中所述的傳感器節(jié)點的應用不必局限于生物的或者監(jiān)視健康的應 用。例如，該樣的傳感器節(jié)點可被用于更通常設(shè)及遠程監(jiān)視或者遠程感測的各種應用中，諸 如支持工具、基礎(chǔ)設(shè)施或能量系統(tǒng)的監(jiān)督控制或自動化、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)視、監(jiān)測或諸如棲息地 監(jiān)視或野生動物管理的環(huán)境監(jiān)視。
[0016] 該概述旨在提供對本專利申請的主題的概述。并不意圖提供對發(fā)明的排他的或者 窮盡的解釋。詳細的描述被包括W提供有關(guān)本專利申請的進一步的信息。
【附圖說明】
[0017] 在不一定按比例被繪制的附圖中，相似的附圖標記在不同視圖中可描述相似的部 件。具有不同字母后綴的相似附圖標記可代表相似部件的不同實例。附圖通常W示例的方 式而不是W限制的方式示出本文件中所討論的各種實施例。
[001引圖1大體上示出可W包括調(diào)節(jié)器電路、功率管理電路、無線接收器電路或數(shù)字處 理器電路的系統(tǒng)的示例。
[0019] 圖2大體上示出可W包括被配置為獲取指示一個或多個生理信號的信息的模擬 輸入的系統(tǒng)的示例。
[0020] 圖3大體上示出可W包括模擬輸入、功率管理電路、調(diào)節(jié)器電路塊、一個或多個功 能特定的處理器電路或通用處理器電路的系統(tǒng)的說明性示例。
[0021] 圖4A大體上示出可W包括無線接收器電路或轉(zhuǎn)換器電路的系統(tǒng)的一部分的說明 性示例。
[0022] 圖4B大體上示出圖繪的說明性示例，該圖繪與向無線接收器電路提供的無線禪 合的突發(fā)脈沖、功率轉(zhuǎn)換器電路的輸出節(jié)點，W及與能量收集換能器的輸出相對應的到功 率轉(zhuǎn)換器電路的輸入相對應，諸如可W使用如圖3或4B的示例中所示的系統(tǒng)的至少一部分 根據(jù)經(jīng)驗來獲得。
[0023] 圖5大體上示出可W包括禪合到到功率管理電路的指令存儲器的系統(tǒng)的一部分 的說明性示例，其中功率管理電路可W諸如基于指定的能量消耗水平調(diào)整或控制系統(tǒng)的其 他功能塊的各種參數(shù)。
[0024] 圖6大體上示出系統(tǒng)的一部分的說明性示例，其可W包括可在通用處理器電路、 功率管理電路或諸如功能特定的處理器電路的一個或多個其他電路之間被共享的指令存 儲器。
[0025] 圖7大體上示出可W包括用于處理數(shù)據(jù)或用于無線傳輸數(shù)據(jù)的一個或多個可控 數(shù)據(jù)路徑的系統(tǒng)的一部分的說明性示例，諸如可W包括根據(jù)指定能量消耗水平建立的數(shù)據(jù) 路徑。
[0026] 圖8大體上示出系統(tǒng)的一部分的說明性示例，諸如可被包括為傳感器節(jié)點的一部 分的調(diào)節(jié)器電路的一部分。
[0027] 圖9大體上示出系統(tǒng)的一部分的說明性示例，可W包括被配置為提供指示調(diào)節(jié)器 電路輸入的信息的監(jiān)視器電路。
[002引圖10大體上示出圖繪的說明性示例，包括與不同的自動控制的能量消耗水平一 致地獲得的、諸如可W使用如圖3的示例中所示的系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗獲得的系統(tǒng)的各種參數(shù)。
[0029] 圖11A大體上示出圖繪的說明性示例，其與諸如可被系統(tǒng)（諸如傳感器節(jié)點）實 時地或近實時地傳輸?shù)耐?、電圖的實際表示W(wǎng)及重建表示相對應。
[0030] 圖11B大體上示出圖繪的說明性示例，其與向模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入提供的信息的所感 測的表示相對應，包括輸入可被切換為用W對到調(diào)節(jié)器電路的輸入進行采樣的時間期間 (諸如用于監(jiān)視到調(diào)節(jié)器電路的輸入）。
[0031] 圖12大體上示出諸如與圖3的說明性示例的系統(tǒng)的至少一部分相對應的集成電 路的注解顯微圖。
[0032] 圖13大體上示出可包括使用如圖1-9中的一個或多個的示例中所示的系統(tǒng)的諸 如方法的技術(shù)。
【具體實施方式】
[0033] 圖1大體上示出諸如傳感器節(jié)點的系統(tǒng)100的示例。系統(tǒng)100可W包括調(diào)節(jié)器電 路104、功率管理處理器電路130、無線接收器電路142或數(shù)字處理器電路132。系統(tǒng)100可 W包括天線140,天線140被配置為諸如使用例如福射禪合或感應禪合來接收電磁禪合的 能量112。該樣電磁禪合的能量112可W被稱為射頻（R巧能量，諸如對應于選自從大約數(shù) 千赫茲（kHz)的范圍到數(shù)十或數(shù)百兆赫茲（MHz)的范圍的指定頻率范圍或包括一個或多個 其他頻率范圍。無線接收器電路142可W包括調(diào)諧接收器、預選器或者一個或多個其他電 路，W便捕獲與指定頻率范圍相對應的電磁禪合的能量112或拒絕其他頻率范圍。
[0034] 系統(tǒng)100可包括能量收集換能器114或可禪合到能量收集換能器114,諸如壓電換 能器、諸如線性或者旋轉(zhuǎn)裝置的機電換能器、光伏換能器或其他光電換能器，或者熱電發(fā)電 機（TEG)中的一個或多個。至Ij調(diào)節(jié)器電路104的輸入136可W由從無線接收器電路142或 能量收集換能器114中的一個或多個接收到的能量來驅(qū)動。按該種方式，系統(tǒng)100可W使用 無線接收器電路142或能量收集換能器114接收工作能量。例如，系統(tǒng)100可W是無電池的 或者可W在無需一次電池或可充電電池的情況下工作，諸如使用電磁禪合的能量112或由 能量收集換能器114提供的能量中的一個或多個被連續(xù)地或在延長的工作時段內(nèi)被供電。
[0035] 調(diào)節(jié)器電路104可W向諸如包括電源節(jié)點198的系統(tǒng)100的一個或多個其他部分 提供一個或多個輸出，諸如一個或多個固定的或者可調(diào)的輸出電壓。如下面的示例中所示， 從能量收集換能器114獲得的能量可被諸如升壓轉(zhuǎn)換器的一個或多個其他電路調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn) 換。
[0036] 到調(diào)節(jié)器電路104的輸入可W禪合到