KR101904986B1

KR101904986B1 - Wireless sensor node with power management function

Info

Publication number: KR101904986B1
Application number: KR1020170179307A
Authority: KR
Inventors: 이상국; 구현모; 임백민; 서정일; 노영석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2018-10-08
Anticipated expiration: 2037-12-26

Abstract

Disclosed is a wireless sensor node with a power management function. According to the present invention, the wireless sensor node with a power management function comprises: a power supply unit using energy of an external energy source to produce and provide electric energy for operation of a load; and a sensor processor unit operating a plurality of sensors to measure a state of a surrounding environment and transmit measured data wirelessly, and operated by using the electric energy produced by the power supply unit. The power supply unit supplies the electric energy to the sensor processor unit through a battery while charging the produced electric energy in the battery, and supplies the electric energy charged in the battery to the sensor processor unit during a time when the electric energy is not produced. Even if electric energy production by an energy harvesting device of the power supply unit is difficult or insufficient, the electric energy stored in the battery is used as emergency (backup) power to allow a sensor node to be always operated, and accordingly, a function is fully operated as a wireless sensor node.

Description

[0001] WIRELESS SENSOR NODE WITH POWER MANAGEMENT FUNCTION WITH POWER MANAGEMENT [

본 발명은 무선 센서 노드(Wireless Sensor Node: WSN) 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자체 생산하는 전력을 효율적으로 관리할 수 있는 무선 센서 노드에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless sensor node (WSN) field, and more particularly, to a wireless sensor node capable of efficiently managing power generated by itself.

WSN은 주변 환경에 대한 정보를 감지하여 통신하는 사물 인터넷(Internet of Thing: IoT) 분야의 핵심적인 디바이스이다. WSN은 의료 및 헬스케어, 군용 서비스(Military Service), 제조업 분야 등 많은 분야에 적용되고 있다. 최근에는 빛 에너지나 열에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 소자들이 개발됨에 따라, 이를 전원으로 이용하는 WSN이 개발되고 있다. WSN is a key device in the field of Internet of Thing (IoT) which senses and communicates information about the surrounding environment. WSN is applied in many fields such as medical and healthcare, military service, and manufacturing. In recent years, as energy harvesting devices that convert light energy or heat energy into electric energy have been developed, a WSN that uses this as a power source is being developed.

에너지 하베스팅 소자들로부터 생산되는 전기에너지는 외부 환경적 조건(빛, 온도 차 등)에 크게 의존하므로 생산량이 유동적이다. 센서 정보를 읽고 전송하기에 항상 충분한 에너지를 언제든지 얻을 수 있다는 보장이 없다. 그렇기 때문에 상시적으로 동작하기에 현실적인 제한이 있다. 상시적으로 작동할 것이 요구되는 경우에 적용하기에는 한계가 있다.The electric energy produced by the energy harvesting devices depends heavily on external environmental conditions (light, temperature difference, etc.), so the production volume is variable. There is no guarantee that you always get enough energy to read and transmit sensor information at any time. Therefore, there is a practical limit to operate at all times. There is a limit to be applied when it is required to operate continuously.

본 발명의 일 목적은 에너지 하베스팅 소자들로부터 에너지가 생산되지 않는 경우에 대해서도 상시적으로 센서를 통해 정보를 감지하고 통신할 수 있도록 전력 관리를 최적화 할 수 있고, 반영구적인 수명을 갖는 WSN을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to optimize power management so that information can be continuously sensed and communicated even when energy is not generated from energy harvesting elements through a sensor, and a WSN having a semi-permanent life span is provided .

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

상기 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 무선 센서 노드는 전원부(Power Source)와 센서 프로세서부를 포함한다. 상기 전원부는 외부의 에너지원의 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하여 부하의 동작을 위해 제공한다. 상기 센서 프로세서부는 다수의 센서를 동작시켜 주변 환경의 상태를 측정하고, 측정된 데이터를 무선으로 송신하는 동작을 하며, 상기 전원부가 생산한 전기에너지를 이용하여 작동된다. 상기 전원부는 생산된 전기 에너지를 배터리에 충전하면서 상기 배터리를 통해 상기 전기에너지를 상기 센서 프로세서부로 공급하고, 전기에너지의 생산이 이루어지지 않는 시간 동안에도 상기 배터리에 충전된 전기에너지를 상기 센서 프로세서부에 공급할 수 있다.The wireless sensor node according to embodiments of the present invention includes a power source and a sensor processor unit. The power supply unit generates electric energy using energy of an external energy source and provides it for operation of the load. The sensor processor unit operates a plurality of sensors to measure the state of the surrounding environment and wirelessly transmit the measured data, and operates using electric energy produced by the power unit. Wherein the power supply unit supplies the electric energy to the sensor processor unit through the battery while charging the produced electric energy to the battery, .

예시적인 실시예에 있어서, 상기 전원부는 에너지 하베스팅부, 승압 컨버터부, 배터리부, 그리고 감압 컨버터부를 포함할 수 있다. 상기 에너지 하베스팅부는 상기 에너지원의 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다. 상기 승압 컨버터부는 상기 에너지 하베스팅부가 생산한 전압을 배터리 충전에 필요한 레벨로 승압할 수 있다. 상기 배터리부는 상기 승압 컨버터부에 의해 승압된 전압에 의해 전기에너지를 충전할 수 있다. 상기 감압 컨버터부는 상기 승압 컨버터부 또는 상기 배터리부가 공급하는 입력 전압을 상기 센서 프로세서부의 구동에 필요한 전원 전압으로 감압할 수 있다. 상기 감압 컨버터부에 제공되는 상기 입력전압은 상기 에너지 하베스팅부에서 소정 수준 이상의 전기에너지를 생산하는 동안에는 상기 승압 컨버터부가 상기 에너지 하베스팅부의 생산 전압을 변환하여 제공하는 전압일 수 있다. 또한, 상기 감압 컨버터부에 제공되는 상기 입력전압은 상기 에너지 하베스팅부에서 상기 소정 수준 이상의 전기에너지를 생산하지 못하는 동안에는 상기 배터리부에 저장된 전기에너지를 방전하여 제공하는 전압일 수 있다.In an exemplary embodiment, the power source unit may include an energy harvesting unit, a boost converter unit, a battery unit, and a reduced-pressure converter unit. The energy harvesting unit can produce electrical energy using energy of the energy source. The step-up converter unit may boost the voltage produced by the energy harvesting unit to a level necessary for charging the battery. The battery unit may charge electrical energy by a voltage boosted by the voltage-up converter unit. The reduced-pressure converter unit may reduce an input voltage supplied from the boost converter unit or the battery unit to a power supply voltage necessary for driving the sensor processor unit. The input voltage provided to the reduced-pressure converter unit may be a voltage that converts the produced voltage of the energy harvesting unit and provides the generated voltage while the electric energy harvesting unit produces electric energy of a predetermined level or higher. Also, the input voltage provided to the reduced-pressure converter unit may be a voltage for discharging and providing the electric energy stored in the battery unit while the energy harvesting unit fails to produce the electric energy of the predetermined level or higher.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 승압 컨버터부는 전원변환 스위칭부를 포함할 수 있다. 상기 배터리부가 저장된 전기에너지의 방전을 통해 상기 감압 컨버터부에 제공하는 상기 입력전압을 생성하는 과정에서, 상기 승압 컨버터부는 상기 배터리부의 충전전압을 모니터링하면서 미리 설정된 하한값에 도달하면 상기 전원변환 스위칭부를 제어하여 상기 배터리부가 더 이상 방전하지 않도록 차단할 수 있다. In an exemplary embodiment, the voltage-up converter unit may include a power-supply switching unit. The step-up converter unit monitors the charging voltage of the battery unit and generates the input voltage to be supplied to the reduced-pressure converter unit through the discharge of the stored electric energy. Thereby preventing the battery unit from further discharging.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 에너지 하베스팅부는 임의의 형상의 열원에 부착되어 상기 열원의 열에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 플렉서블 열전 발전기일 수 있다.In an exemplary embodiment, the energy harvesting unit may be a flexible thermoelectric generator attached to a heat source of any shape and producing electrical energy using thermal energy of the heat source.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 센서 프로세서부는, 무선통신부, 센서부, 그리고 제어부를 포함할 수 있다. 상기 무선 통신부는 외부와 무선 통신을 할 수 있다. 상기 센서부는 유해 가스의 검출, 온도 측정, 습도 측정을 위한 센서들을 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 센서부의 동작을 제어하면서 각 센서로부터 측정 데이터를 획득하고, 획득된 측정 데이터를 상기 무선통신부를 통해 외부에 무선 전송하도록 제어할 수 있다.In an exemplary embodiment, the sensor processor unit may include a wireless communication unit, a sensor unit, and a control unit. The wireless communication unit can perform wireless communication with the outside. The sensor unit may include sensors for detection of noxious gas, temperature measurement, and humidity measurement. The controller may control the operation of the sensor unit to acquire measurement data from each sensor and to control the wireless transmission of the measurement data to the outside through the wireless communication unit.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 전원부에서 전기 에너지가 생산되고 있는지 여부를 모니터링하고, 전기에너지가 생산되고 있는 제1상태와 생산되고 있지 않은 제2상태 각각에 맞춰 전기에너지 소모량을 최적 관리하도록 상기 센서부와 상기 무선통신부의 동작을 제어할 수 있다.In an exemplary embodiment, the control unit monitors whether or not electric energy is being produced in the power supply unit, and optimizes the amount of electric energy consumption according to each of the first state in which electric energy is produced and the second state in which no electric energy is produced The operation of the sensor unit and the wireless communication unit can be controlled.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 상태에서 생산되는 전력이 기준치를 초과하지 못하여 상기 배터리부에 저장된 전기에너지를 전원으로 사용할 때에는 미리 설정된 기본 동작만을 주기적으로 수행하도록 상기 센서부의 동작을 제어하고, 상기 기준치를 초과하여 상기 전원부에서 생산되는 전기에너지를 전원으로 사용할 때에는 상기 기본 동작 외에 상기 센서부가 추가적인 동작을 더 수행하도록 제어할 수 있다.In an exemplary embodiment, when the electric power generated in the first state does not exceed the reference value and the electric energy stored in the battery unit is used as a power source, the controller performs an operation of the sensor unit so as to periodically perform only a predetermined basic operation When the electrical energy produced by the power supply unit exceeds the reference value and is used as a power source, the sensor unit may perform additional operations in addition to the basic operation.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 센서부는 유해가스를 검출하기 위한 유해가스 센서와, 온도를 측정하기 위한 온도 센서, 그리고 습도를 측정하기 위한 습도 센서를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the sensor unit may include a noxious gas sensor for detecting noxious gas, a temperature sensor for measuring temperature, and a humidity sensor for measuring humidity.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 WSN은 에너지 하베스팅 소자를 주 전력공급원으로 사용하고, 에너지 하베스팅 소자가 생산하는 전기에너지를 저장하는 배터리를 보조 전력공급원으로 사용한다. 그러므로 에너지 하베스팅 소자에 의한 전기에너지 생산이 여의치 않거나 불충분할 때에도 배터리에 저장된 전기에너지를 비상용(백업) 전원으로 활용할 수 있어 센서 노드가 상시적으로 동작할 수 있고, 이를 통해 무선 센서 노드로서의 기능을 온전히 수행할 수 있다. 또한, 전력 관리 알고리즘에 따라 효율적인 전력 관리와 소모를 가능하게 함으로써 반영구적인 수명을 갖는 WSN을 구현할 수 있다.A WSN according to exemplary embodiments of the present invention uses an energy harvesting device as a main power source and a battery that stores electric energy produced by the energy harvesting device as an auxiliary power source. Therefore, even when electric energy production by the energy harvesting device is inadequate or insufficient, the electric energy stored in the battery can be utilized as an emergency (backup) power source, so that the sensor node can operate at all times, It can be done entirely. In addition, it enables efficient power management and consumption according to the power management algorithm, thereby realizing a WSN having a semi-permanent lifetime.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 WSN의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 WSN에서 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 전원에 따라 승압 컨버터부에서 배터리를 충, 방전시키는 동작을 나타내는 파형도이다.
도 3은 도 1에 도시된 WSN의 동작을 제어하는 전력 관리 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 WSN의 1주기 동안 전력 관리 알고리즘에 따른 기본 동작 파형을 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 WSN에 적용된 전력 관리 알고리즘에 따른 동작 파형을 나타낸다.
도 6은 측정 공간의 유해가스 농도가 급격하게 증가할 경우, 전력 관리 알고리즘의 동작 파형을 나타낸다. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a WSN according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram showing an operation of charging and discharging the battery in the step-up converter unit according to the power source of the energy harvesting device (TEG) in the WSN shown in FIG.
3 is a flow chart illustrating a power management algorithm for controlling the operation of the WSN shown in FIG.
FIG. 4 shows a basic operation waveform according to the power management algorithm for one period of the WSN shown in FIG.
FIG. 5 shows an operation waveform according to the power management algorithm applied to the WSN shown in FIG.
Fig. 6 shows the operation waveform of the power management algorithm when the concentration of noxious gas in the measurement space increases sharply.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 WSN(100)의 구성을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing a configuration of a WSN 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, WSN(100)은 크게 전원부(POWER SOURCE)(200)와 센서 프로세서부(SENSOR PROCESSOR)(300)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the WSN 100 may include a power source 200 and a sensor processor 300.

전원부(200)는 외부의 에너지원의 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하여 부하의 동작을 위해 제공할 수 있다. 센서 프로세서부(300)는 다수의 센서를 동작시켜 주변 환경의 상태를 측정하고, 측정된 데이터를 무선으로 송신하는 동작을 수행할 수 있다. 센서 프로세서부(300)는 전원부(200)가 생산한 전기에너지를 작동에 필요한 전기 에너지로 이용할 수 있다. 전원부(200)는 생산된 전기 에너지를 배터리에 충전하면서 그 배터리를 통해 상기 전기에너지를 상기 센서 프로세서부(300)로 공급할 수 있다. 또한, 전원부(200)는 전기 에너지의 생산이 이루어지지 않는 시간 동안에도 그 배터리에 충전된 전기에너지를 센서 프로세서부에 공급할 수 있다.The power supply unit 200 can generate electric energy using the energy of the external energy source and provide it for the operation of the load. The sensor processor unit 300 may operate a plurality of sensors to measure the state of the surrounding environment and transmit the measured data wirelessly. The sensor processor unit 300 can use electrical energy produced by the power source unit 200 as electric energy required for operation. The power unit 200 can supply the electric energy to the sensor processor unit 300 through the battery while charging the battery with the produced electric energy. Also, the power supply unit 200 can supply electric energy charged in the battery to the sensor processor unit during a period of time during which electric energy is not produced.

예시적인 실시예에 따르면, 전원부(200)는, 에너지 하베스팅부(210), 승압 컨버터부(Boost Converter)(220), 배터리부(240), 그리고 감압 컨버터부(Buck Converter)(250)를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the power source unit 200 includes an energy harvesting unit 210, a booster converter 220, a battery unit 240, and a Buck converter 250 can do.

전원부(200)는 외부의 에너지원 예를 들어 태양광 또는 열원의 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 일반적으로 에너지 하베스팅 소자로는 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 솔라셀(Solar cell)과 온도 차를 이용하여 전기를 생산하는 열전 발전기가 있다. 솔라셀의 경우는 낮 시간 동안 야외에서만 에너지를 축적할 수 있는 환경이 제공된다는 한계가 있어 장소와 시간에 크게 제약을 받을 수 있다. 열전 발전기는 열원이 확보될 수 있다면 언제든지 전기를 생산할 수 있는 점에서 유리하다. 예시적인 실시예에 따르면 WSN(100)의 열원은 공장 실내에 있는 원통형이고 그 내부를 지나는 고온 유체에 의해 고열을 발산할 수 있는 가스파이프일 수 있다. The power source unit 200 can generate electric energy using energy of an external energy source such as sunlight or a heat source. Generally, energy harvesting devices include solar cells that produce electricity using solar light and thermoelectric generators that produce electricity using temperature difference. In the case of the solar cell, there is a limitation in providing an environment in which the energy can be accumulated only in the daytime during the daytime, which may be greatly restricted in place and time. Thermoelectric generators are advantageous in that they can produce electricity whenever a heat source can be secured. According to an exemplary embodiment, the heat source of the WSN 100 may be a gas pipe which is cylindrical in the factory room and can radiate high heat by the high temperature fluid passing through it.

실시예에 따르면, 에너지 하베스팅부(210)는 열원에서 발생하는 열에너지를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있는 열전 발전기(Thermoelectric Generator)일 수 있다. 그 경우, 열전 발전기는 통형 가스파이프에 밀착될 수 있는 플렉서블 열전 발전기(Flexible Thermoelectric Generator)로 구현되어 가스파이프에 부착되어, 온도 차에 따라 전기를 생산할 수 있다. 플랫형(Flat type) 열전 발전기는 열원이 곡면인 경우 효율이 크게 감소할 수 있다. According to the embodiment, the energy harvesting unit 210 may be a thermoelectric generator capable of producing electric energy using heat energy generated from a heat source. In this case, the thermoelectric generator is implemented as a flexible thermoelectric generator that can be closely attached to the tubular gas pipe, and is attached to the gas pipe to produce electricity according to the temperature difference. Flat type thermoelectric generators can greatly reduce efficiency when the heat source is curved.

승압 컨버터부(220)는 에너지 하베스팅부(210)가 생산하는 전압을 배터리부(240)의 충전에 필요한 전압 레벨로 승압시킬 수 있다. 그 승압된 전압으로 배터리부(240)가 충전될 수 있다. 배터리부(240)가 만충된 상태에서는, 승압 컨버터부(220)에 의해 승압된 전압은 감압 컨버터부(250)로 제공될 수 있다. 에너지 하베스팅부(210)가 전기를 생산하지 못하는 동안에는 배터리부(240)에 저장된 충전 전기는 비상 전원으로 사용될 수 있다. The boost converter 220 can boost the voltage generated by the energy harvesting unit 210 to a voltage level necessary for charging the battery unit 240. [ The battery unit 240 can be charged with the boosted voltage. In a state where the battery unit 240 is fully charged, the voltage boosted by the voltage-up converter unit 220 may be provided to the reduced-voltage converter unit 250. [ While the energy harvesting unit 210 can not produce electricity, the charging electricity stored in the battery unit 240 can be used as an emergency power source.

승압 컨버터부(220)는 제1출력단자를 통해 감압 컨버터부(250)의 전압입력단자(V_IN)와 연결되고, 제2 출력단자를 통해 감압 컨버터부(250)의 인에이블단자(EN)에 연결될 수 있다. 승압 컨버터부(220)는 제1 출력단자를 통해 감압 컨버터(250)에 필요한 입력전압을 제공하며, 제2 출력단자를 통해 배터리 오케이 신호를 제공할 수 있다. The boost converter 220 is connected to the voltage input terminal V _IN of the decompression converter 250 through the first output terminal and is connected to the enable terminal EN of the decompression converter 250 through the second output terminal. Lt; / RTI > The boost converter 220 provides the necessary input voltage to the reduced voltage converter 250 through the first output terminal and can provide the battery OK signal through the second output terminal.

예시적인 실시예에 따르면, 승압 컨버터부(220)는 배터리부(240)의 방전을 허락하거나 불허하기 위한 전원교체 스위칭부(230)를 포함할 수 있다. 승압 컨버터부(220)는 배터리부(240)의 충전전압을 모니터링할 수 있다. 승압 컨버터부(220)는 에너지 하베스팅부(210)가 전기를 생산하는 동안에는 전원교체 스위칭부(230)를 온(ON) 상태로 유지시킬 수 있다. 이 상태에서는 에너지 하베스팅부(210)가 생산하는 전기 에너지는 승압 컨버터부(220)를 통해 승압되고 배터리부(240)를 거쳐서 감압 컨버터부(250)에 제공된다. 에너지 하베스팅부(210)가 전기 에너지를 생산하지 못하면, 배터리부(240)가 충전된 전기에너지를 방전하여 감압 컨버터부(250)에 입력전압을 제공할 수 있다. 배터리부(240)가 방전하는 동안에, 승압 컨버터부(220)는 모니터링을 통해 배터리부(240)의 충전전압이 미리 설정된 하한값에 도달하는지를 검출할 수 있다. 컨버터부(220)는 배터리부(240)가 장시간 방전하여 충전전압이 하한값에 도달하면, 더 이상 방전하지 못하도록 전원교체 스위칭부(230)를 오프(OFF)시킬 수 있다. 배터리부(240)의 수명 단축에 영향을 미치는 과방전을 막기 위함이다. 배터리부(240)는 감압 컨버터(250)로 더 이상 방전하지 못하게 된다. 그런 상태에서 에너지 하베스팅부(210)가 전기 에너지 생산을 재개하면, 배터리부(240)는 다시 충전될 수 있다. 그에 따라 배터리부(240)의 충전전압이 미리 설정된 상한값을 넘어서게 되면, 컨버터부(220)는 전원교체 스위칭부(230)를 다시 턴온(Turn-ON)시킬 수 있다. 이에 의해, 에너지 하베스팅부(210)가 생산하는 전기가 승압 컨버터부(220)를 통해 감압 컨버터부(240)로 제공될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the voltage-up converter unit 220 may include a power-supply switching unit 230 for allowing or disallowing discharging of the battery unit 240. The boost converter 220 can monitor the charging voltage of the battery 240. The boost converter 220 can maintain the power supply switching unit 230 in an ON state while the energy harvesting unit 210 produces electricity. In this state, the electric energy produced by the energy harvesting unit 210 is stepped up through the step-up converter unit 220 and provided to the reduced-pressure converter unit 250 through the battery unit 240. [ When the energy harvesting unit 210 does not produce the electric energy, the battery unit 240 discharges the charged electric energy to provide the input voltage to the reduced-pressure converter unit 250. During the discharge of the battery unit 240, the voltage-up converter unit 220 can detect whether the charge voltage of the battery unit 240 reaches a preset lower limit value through monitoring. The converter unit 220 may turn off the power supply switching unit 230 so that the battery unit 240 is discharged for a long time and the charging voltage reaches the lower limit value. This is to prevent over discharge which affects the life span of the battery unit 240. The battery unit 240 is no longer discharged to the decompression converter 250. In this state, when the energy harvesting unit 210 resumes electric energy production, the battery unit 240 can be charged again. Accordingly, when the charging voltage of the battery unit 240 exceeds the predetermined upper limit value, the converter unit 220 can turn on the power supply switching unit 230 again. Accordingly, electricity generated by the energy harvesting unit 210 can be supplied to the reduced-pressure converter unit 240 through the boost converter unit 220. [

승압 컨버터부(220)는 배터리부(240)의 충전전압(V_stor)을 모니터링하면서 그 전압이 제1 하한값(Vbat_ok_low)과 제1 상한값(Vbat_ok_high)에 도달하는지를 주기적으로 체크할 수 있다. 상기 제1 하한값은 예컨대 3.47V일 수 있고, 상기 제1 상한값은 예컨대 3.58V일 수 있다. 배터리부(240)의 전압이 bat_ok_low 레벨 (예컨대 3.47V)에 도달하였을 때, 제1 출력단자를 통해 감압 컨버터부(250)의 작동을 제어하는 신호(Vbat_ok)를 감압 컨버터부(250)에 제공할 수 있다. Up converter unit 220 may periodically check whether the voltage reaches the first lower limit value Vbat_ok_low and the first upper limit value Vbat_ok_high while monitoring the charging voltage V _stor of the battery unit 240. [ The first lower limit value may be, for example, 3.47V, and the first upper limit value may be 3.58V, for example. When the voltage of the battery unit 240 reaches the bat_ok_low level (for example, 3.47 V), the signal Vbat_ok for controlling the operation of the reduced-pressure converter unit 250 through the first output terminal is supplied to the reduced-pressure converter unit 250 can do.

일반적으로 에너지 하베스팅부(210)로부터 얻어지는 에너지는 자연이나 환경에서 수확되기 때문에 유동적일 수 있다. WSN 동작을 위한 지속적이고, 확실한 에너지 공급을 보장할 수 없는 근본적인 한계를 갖고 있다. 이에 대한 대비책으로 에너지 하베스팅부(210)가 생산하는 전기 에너지를 저장하였다가, 에너지 생산이 중단되거나 불충분한 경우 저장된 전기 에너지를 방출하여 센서 데이터를 읽고 송신하는 WSN 동작에 지장이 없도록 할 필요가 있다. 본 발명의 실시예에 따른 WSN(100)는 이런 필요에 응하여 배터리부(240)를 도입할 수 있다. Generally, the energy obtained from the energy harvesting unit 210 may be fluid because it is harvested in nature or environment. It has fundamental limitations that can not guarantee a sustained and reliable energy supply for WSN operation. It is necessary to store the electric energy produced by the energy harvesting unit 210 and to prevent the WSN operation to read and transmit the sensor data by releasing the stored electric energy when the energy production is interrupted or insufficient . The WSN 100 according to the embodiment of the present invention can introduce the battery unit 240 in response to this need.

배터리부(240)는 승압 컨버터부(220)에 의해 승압된 전압으로 전기에너지를 충전할 수 있다. 배터리부(240)는 예를 들어 리튬-폴리머 배터리를 이용할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 충전과 방전을 할 수 있는 배터리라면 모두 배터리부(240)로 사용될 수 있을 것이다. 에너지 하베스팅부(210)에서 전기를 생산하지 못해주는 동안에는, 배터리부(240)에 미리 충전해둔 전기에너지가 방전되면서 센서 프로세서부(300)의 구동 전력으로 이용될 수 있다. 그에 따라, 기존 WSN에서 한계점이었던 상시 동작이 가능해질 수 있다. 배터리부(240)의 용량은 부하의 소모 전력량을 고려하여 충분한 크기로 정할 수 있다. 예를 들어, 배터리부(240)의 예상 방전 시간을 40시간 정도가 되도록 구성할 수 있다.The battery unit 240 can charge the electric energy with the voltage boosted by the step-up converter unit 220. The battery unit 240 may be, for example, a lithium-polymer battery. However, the present invention is not limited thereto. Any battery capable of charging and discharging may be used as the battery unit 240. The electric energy previously charged in the battery unit 240 may be discharged and used as the driving power of the sensor processor unit 300 while the energy harvesting unit 210 can not produce electricity. As a result, it is possible to operate at all times, which was a limitation in the existing WSN. The capacity of the battery unit 240 can be set to a sufficient size in consideration of the amount of consumed power of the load. For example, the expected discharge time of the battery unit 240 may be about 40 hours.

감압 컨버터부(250)는 승압 컨버터부(220) 또는 배터리부(240)가 공급하는 입력 전압을 센서 프로세서부(300)의 구동에 필요한 전원 전압으로 감압하여 출력할 수 있다. The decompression converter unit 250 may reduce the input voltage supplied by the step-up converter unit 220 or the battery unit 240 to a power supply voltage necessary for driving the sensor processor unit 300 and output the same.

감압 컨버터부(250)에 제공되는 입력전압(V_IN)은 에너지 하베스팅부(210)에서 전기에너지가 생산되는 동안에는 승압 컨버터부(220)가 에너지 하베스팅부(210)의 생산 전압을 변환하여 제공하는 전압일 수 있다. 하지만, 에너지 하베스팅부(210)에서 전기에너지가 생산되지 않는 동안에는, 감압 컨버터부(250)에 제공되는 입력전압(V_IN)은 배터리부(240)가 저장된 전기에너지를 방전하여 제공하는 전압일 수 있다.The input voltage V _IN provided to the decompression converter unit 250 is supplied to the boost converter unit 220 while the electric energy is produced in the energy harvesting unit 210 by converting the produced voltage of the energy harvesting unit 210 Lt; / RTI > However, when no electric energy is produced in the energy harvesting unit 210, the input voltage V _IN provided to the reduced-pressure converter unit 250 may be a voltage that discharges and provides the electric energy stored in the battery unit 240 have.

센서 프로세서부(300)는 제어부(310), 센서부(320), 그리고 무선통신부(330)를 포함할 수 있다. 제어부(310), 센서부(320), 그리고 무선통신부(330)는 전원부(200)의 감압 컨버터부(250)에 각각 연결되어 각각의 구동에 필요한 전원전압을 전원부(200)의 감압 컨버터(250)로부터 공급받을 수 있다.The sensor processor unit 300 may include a control unit 310, a sensor unit 320, and a wireless communication unit 330. The control unit 310, the sensor unit 320 and the wireless communication unit 330 are respectively connected to the decompression converter unit 250 of the power supply unit 200 to supply the power supply voltages required for the respective operations to the decompression converter 250 As shown in FIG.

센서부(320)는 유해 가스를 검출하기 위한 가스 센서(322), 온도를 측정하기 위한 온도 센서(324), 습도 측정을 위한 습도 센서(326) 등을 포함할 수 있다. 센서부(320)는 공장 내의 환경을 감시하는 센싱을 할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 가스 센서(322)는 큰 공장 내부에서 잘 발생할 수 있는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds; VOC)을 검출하기 위한 VOC 가스 센서일 수 있다. 온도 센서(324)는 가스 파이프의 온도를 측정하는 써미스터 온도 센서일 수 있다.The sensor unit 320 may include a gas sensor 322 for detecting noxious gas, a temperature sensor 324 for measuring temperature, a humidity sensor 326 for measuring humidity, and the like. The sensor unit 320 can sense the environment in the factory. According to an exemplary embodiment, the gas sensor 322 may be a VOC gas sensor for detecting Volatile Organic Compounds (VOC) that may well occur within a large plant. The temperature sensor 324 may be a thermistor temperature sensor that measures the temperature of the gas pipe.

제어부(310)는 센서부(320)의 각 센서(322, 324, 326)와 연결되어 센서부(320)의 동작을 제어하면서 각 센서(322, 324, 326)로부터 측정 데이터를 획득할 수 있다. 제어부(310)는 또한 무선 통신부(330)와 연결되어, 각 센서(322, 324, 326)에서 획득한 측정 데이터를 무선통신을 통해 외부에 전송하도록 무선통신부(330)를 제어할 수 있다. 제어부(310)는 감압 제어부(250)에 연결되어 동작 전원을 공급받을 수 있다. 제어부(310)는 예시적인 실시예에 따르면 마이크로 컨트롤 유닛(Micro Control Unit: MCU)로 구현될 수 있다. 제어부(310)는 또한 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치로 구현될 수 있다. 제어부(310)는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 제어부(310)는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. The control unit 310 is connected to the sensors 322, 324 and 326 of the sensor unit 320 and can acquire measurement data from the sensors 322, 324 and 326 while controlling the operation of the sensor unit 320 . The control unit 310 may also be connected to the wireless communication unit 330 and may control the wireless communication unit 330 to transmit measurement data acquired by the sensors 322, 324, and 326 to the outside through wireless communication. The control unit 310 may be connected to the decompression control unit 250 to receive operating power. The control unit 310 may be implemented as a micro control unit (MCU) according to an exemplary embodiment. The controller 310 may also be a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI > The control unit 310 may execute a software application. In addition, the control unit 310 may access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software.

무선 통신부(330)는 제어부(310)의 통제 하에 제어부(310)가 송신을 지시하는 데이터를 안테나(332)를 통해 정해진 통신 방식에 따라 무선으로 송신할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 무선 통신부(330)는 큰 공장의 실내 내부에서 모니터링을 위한 장거리 IoT 무선 송신기로서, 예컨대 LoRa 통신 방식을 이용할 수 있다.The wireless communication unit 330 can wirelessly transmit the data that the control unit 310 instructs to transmit through the antenna 332 under the control of the control unit 310 according to a predetermined communication method. According to an exemplary embodiment, the wireless communication unit 330 may use, for example, a LoRa communication method as a long distance IoT wireless transmitter for monitoring inside a large factory.

에너지 하베스팅부(210)의 출력단과 제어부(310)의 전압 모니터링 단자(V_monitoring)가 에너지 인식 인터페이스(Energy Aware Interface) 라인(260)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 제어부(310)는 에너지 인식 인터페이스(Energy Aware Interface) 라인(260)을 통해 전압 모니터링 단자(V_monitoring)에 인가되는 전압을 디지털신호로 변환하여 그 값을 파악함으로써 전원부(200)에서 전기 에너지가 생산되고 있는지 여부를 모니터링할 수 있다. The output terminal of the energy harvesting unit 210 and the voltage monitoring terminal V _monitoring of the control unit 310 may be electrically connected through an energy aware interface line 260. [ The control unit 310 converts the voltage applied to the voltage monitoring terminal V _monitoring to a digital signal through the energy aware interface line 260 and compares the voltage with the digital signal, Can be monitored.

그와 같은 모니터링을 통해, 제어부(310)는 전원부(200)에서 전기에너지가 생산되고 있는 제1상태와 생산되고 있지 않은 제2상태 각각에 맞춰 전기에너지 소모량을 최적 관리하도록 센서부(320)와 무선통신부(330)의 동작을 제어할 수 있다(전력 관리를 위한 제어에 관해서는 후술하기로 함). Through such monitoring, the controller 310 controls the sensor unit 320 and the sensor unit 320 to optimally manage the electric energy consumption according to the first state in which the electric energy is produced and the second state in which the electric energy is not produced, respectively The operation of the wireless communication unit 330 can be controlled (control for power management will be described later).

본 발명에 따른 WSN(100)은 에너지 하베스팅부(210)의 전기 생산량에 따라 배터리부를 충전 또는 방전시키는 동작을 최적 제어할 수 있도록 구성된다. 도 2는 도 1에 도시된 WSN(100)에서 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 전원에 따라 승압 컨버터부에서 배터리를 충, 방전시키는 동작을 나타내는 파형도이다.The WSN 100 according to the present invention is configured to optimally control the operation of charging or discharging the battery unit according to the amount of electricity produced by the energy harvesting unit 210. 2 is a waveform diagram showing an operation of charging and discharging the battery in the step-up converter unit according to the power source of the energy harvesting device (TEG) in the WSN 100 shown in FIG.

도 2를 도 1과 함께 참조하면, 먼저 에너지 하베스팅부(210)가 충분한 정도의 전기 에너지를 생산하고 있는 경우를 고려한다. 이 경우 승압 컨버터(220)에서 승압된 전압은 배터리부(240)에게 지속적으로 전달될 수 있다. 그에 따라, 배터리부(240)부는 배터리 전압 (Vbat=Vstor)이 예를 들어 4.1V로 완전히 충전된 상태가 유지될 수 있다. 이 상태에서는 전원교체 스위칭부(230)가 온(ON) 상태일 수 있다. 그리고 이 상태에서는 에너지 하베스팅부(210)가 수확하는 전압이 승압 컨버터부(220)를 거쳐 승압되어 감압 컨버터(240)로 제공될 수 있다. Referring to FIG. 2 together with FIG. 1, first consider the case where the energy harvesting unit 210 produces a sufficient amount of electric energy. In this case, the voltage boosted by the step-up converter 220 can be continuously transmitted to the battery unit 240. Accordingly, the battery unit 240 can maintain a fully charged state of the battery voltage (Vbat = Vstor), for example, 4.1V. In this state, the power supply switching unit 230 may be in the ON state. In this state, the voltage harvested by the energy harvesting unit 210 may be stepped up through the step-up converter unit 220 and supplied to the step-down converter 240.

그러다가, 어떤 사정으로 인해 에너지 하베스팅부(210)가 전기 에너지를 생산할 수 없는 상황으로 변할 수 있다. 그런 상황이 되면, 승압 컨버터부(220)가 로부터 제공되는 전압이 낮아지고, 그에 따라 배터리부(240)가 방전을 개시할 수 있다. 즉, 배터리부(240)가 전원으로 투입될 수 있다. 감압 컨버터(250)의 입력전압 단자(V_IN)에 연결되어 배터리(240)의 충전 전기가 감압 컨버터(250)로 방전될 수 있다. 배터리(240)의 방전 전압은 감압 컨버터(250)를 거쳐 감압되어(예컨대 3.3V) 센서 프로세서(300)에 공급될 수 있다. 이에 의해 에너지 하베스팅부(210)가 전기를 생산하지 못하는 동안에도 센서 프로세서부(300)는 전원을 공급받아 정상적인 동작을 수행할 수 있게 된다.Then, due to some circumstances, the energy harvesting unit 210 can change to a state where it can not produce electric energy. In such a situation, the voltage supplied from the voltage-up converter unit 220 is lowered, so that the battery unit 240 can start discharging. That is, the battery unit 240 can be powered on. Connected to the input voltage terminal (V _IN ) of the decompression converter (250) so that the charging electricity of the battery (240) can be discharged to the reduced-pressure converter (250). The discharge voltage of the battery 240 may be supplied to the sensor processor 300 through the reduced-pressure converter 250 (for example, 3.3 V). Accordingly, the sensor processor unit 300 can be supplied with power and can perform a normal operation while the energy harvesting unit 210 can not produce electricity.

승압 컨버터부(220)는 배터리부(240)의 전압을 모니터링하면서 그 전압이 제1 하한값(Vbat_ok_low) 레벨 (예컨대 3.47V)과 제1 상한값(Vbat_ok_high) 레벨 (예컨대 3.47V)에 도달하는지를 주기적으로 체크할 수 있다. 배터리부(240)의 방전이 진행되는 동안에, 에너지 하베스팅부(210)에서 전기 에너지의 생산이 재개되지 못하면 배터리부(240)의 전압이 낮아질 수 있다. 방전에 의해 배터리부(240)의 전압이 제1 하한값(예컨대 Vbat_ok_low=3.47)에 도달하게 되면, 도 2에 도시되어 있듯이, 승압 컨버터부(220)의 제2 출력단자를 통해 출력되는 배터리 오케이(Vbat_ok) 출력 전압이 로우(Low)로 된다. 이 배터리 오케이(Vbat_ok) 디지털 신호는 감압 컨버터부(250)의 인에이블단자(EN)를 통해 감압 컨버터부(250)로 인가되어 감압 컨버터부(250)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 배터리 오케이(Vbat_ok) 신호가 로우 신호이면, 감압 컨버터부(250)가 더 이상 동작이 불가능하게 될 수 있다. 그에 따라, 센서 프로세서부(300)에 대한 전원 공급이 정지하고, 배터리부(240)는 더 이상 방전하지 않는다. 과방전에 의한 배터리부(240)의 수명 단축을 방지하기 위함이다.Up converter unit 220 monitors the voltage of the battery unit 240 and periodically checks whether the voltage reaches a first lower limit value Vbat_ok_low level (for example, 3.47 V) and a first upper limit value Vbat_ok_igh (for example, 3.47 V) You can check. If the production of electric energy in the energy harvesting unit 210 can not be resumed while the discharge of the battery unit 240 is progressing, the voltage of the battery unit 240 may be lowered. When the voltage of the battery unit 240 reaches the first lower limit value (e.g., Vbat_ok_low = 3.47) due to the discharge, as shown in FIG. 2, the voltage of the battery OK output through the second output terminal of the voltage- Vbat_ok) Output voltage is low. The battery OK (Vbat_ok) digital signal is applied to the reduced-pressure converter unit 250 through the enable terminal EN of the reduced-pressure converter unit 250 to control the operation of the reduced-pressure converter unit 250. That is, when the battery OK (Vbat_ok) signal is a low signal, the decompression converter unit 250 may be disabled. Accordingly, power supply to the sensor processor unit 300 is stopped, and the battery unit 240 is no longer discharged. This is to prevent shortening of the service life of the battery unit 240 due to overdischarge.

이 후, 에너지 하베스팅부(210)에서 에너지 수확이 가능하게 되면, 승압 컨버터부(220)에 의해 배터리부(240)에 대한 충전이 시작될 수 있다. 충전에 의해 배터리부(240)의 전압이 제1 상한값(Vbat_ok_high=3.58)에 도달하게 되면, 배터리 오케이(Vbat_ok) 신호는 로직 하이(high)로 다시 바뀔 수 있다. 그에 따라 감압 컨버터부(250)의 인에이블단자에 인가되는 인에이블 신호가 하이가 되어 감압 컨버터부(250)가 정상적인 동작을 재개할 수 있다. 그에 따라 감압 컨버터부(250)는 입력단자(V_IN)로 인가되는 승압 컨버터부(220)의 전압(V_STOR)을 감압하여 센서 프로세서부(300)에 전원 공급을 할 수 있게 된다. Thereafter, when energy harvesting is enabled in the energy harvesting unit 210, charging of the battery unit 240 by the voltage-up converter unit 220 can be started. When the voltage of the battery unit 240 reaches the first upper limit value (Vbat_ok_high = 3.58) by charging, the battery OK (Vbat_ok) signal can be changed back to logic high. Accordingly, the enable signal applied to the enable terminal of the decompression converter unit 250 becomes high and the normal operation of the decompression converter unit 250 can be resumed. Accordingly, the decompression converter unit 250 reduces the voltage V _STOR of the voltage-up converter unit 220 applied to the input terminal V _IN to supply power to the sensor processor unit 300.

한편, 예시적인 실시예에 따르면, 센서 프로세서부(300)에 있어서 센서부(320)의 동작의 주기를 조절하는 전력 관리 알고리즘을 제어부(310)에 적용할 수 있다. 배터리부(240)에 저장되는 에너지와 센서 프로세서부(300)가 센서 데이터를 처리하는 데 필요한 에너지를 비교하여 WSN(100)의 동작을 제어하는 구조가 필요하다. WSN(100)의 반영구적인 동작을 위해 배터리부(240)의 방전을 최소로 만들어야 한다. According to an exemplary embodiment of the present invention, a power management algorithm for controlling the operation period of the sensor unit 320 in the sensor processor unit 300 may be applied to the controller 310. [ There is a need for a structure for controlling the operation of the WSN 100 by comparing the energy stored in the battery unit 240 with the energy required for the sensor processor unit 300 to process the sensor data. The discharge of the battery unit 240 must be minimized for the semi-permanent operation of the WSN 100.

도 3은 이를 위해 도 1에 도시된 WSN(100)의 동작을 제어하는 전력 관리 알고리즘을 나타내는 흐름도이다. 도 4는 도 1에 도시된 WSN(100)의 1주기 동안 전력 관리 알고리즘에 따른 기본 동작 파형을 나타낸다.FIG. 3 is a flow chart illustrating a power management algorithm for controlling the operation of the WSN 100 shown in FIG. 1 for this purpose. FIG. 4 shows a basic operating waveform according to the power management algorithm for one period of the WSN 100 shown in FIG.

도 3의 알고리즘은 프로그램으로 구현될 수 있다. 그 프로그램은 제어부(310)의 저장장치(비도시)에 설치되어 실행될 수 있다. 그 프로그램의 실행을 통해 제어부(310)는 이하에서 설명하는 전력 관리 제어를 수행할 수 있다. 제어부(310)에 설치되는 프로그램은 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다.The algorithm of Fig. 3 may be implemented as a program. The program may be installed and executed in a storage device (not shown) of the control unit 310. [ Through execution of the program, the control unit 310 can perform the power management control described below. The program installed in the control unit 310 may include a computer program, a code, an instruction, or a combination of one or more of them.

도 3과 4를 참조하면, 감압 컨버터부(250)의 인에이블단자(EN)에 배터리 오케이(Vbat_ok) 하이 신호가 인가되는 동안에 전원부(200)에서 센서 프로세서부(300)로 전원 공급이 이루어질 수 있다(S10). 이 상태가 지속되는 동안 제어부(310)는 다음과 같은 동작 제어를 수행할 수 있다. 3 and 4, the power supply from the power supply unit 200 to the sensor processor unit 300 can be performed while the battery OK (Vbat_ok) high signal is applied to the enable terminal EN of the reduced-pressure converter unit 250 (S10). While this state continues, the control unit 310 may perform the following operation control.

먼저, 도 4에 도시한 것처럼 한 주기 동안 기본 동작(Basic Operation)으로 수행할 수 있다. 전력을 효율적으로 사용하기 위해 제어부(310)는 기본 동작 주기(예컨대 60초)의 대부분의 시간 동안 슬립 모드 상태를 유지할 수 있다(S12). 그러다가 설정된 동작 시간에 도달 또는 다른 이벤트의 발생에 의해 엔에이블 인터럽트가 발생하면(S14), 제어부(310)는 슬립 모드에서 액티브 모드로 전환될 수 있다(S16). 제어부(310)는 내부의 타이머(비도시)를 체크하여 카운드 한 시간이 한 주기에 도달하였는지를 체크할 수 있다(S18). 한 주기에 도달한 것으로 확인되면, 제어부(310)는 가스센서(322), 습도센서(324), 온도센서(326)의 측정 데이터를 차례대로 읽은 다음(S20, S22, S24), 그 측정 데이터를 무선 통신부(330)를 통해 외부에 무선 송신할 수 있다(S26). S18단계의 한 주기는 예를 들어 60초로 설정될 수 있으며, 센서들의 측정값을 읽고 송신하는 데 걸리는 시간은 예를 들어 4.3초 정도 걸릴 수 있다. 즉, 1분에 한 번씩 가스센서(322), 습도센서(324), 온도센서(326)의 측정 데이터를 읽어서 전송할 수 있다.First, as shown in FIG. 4, a basic operation can be performed during one period. In order to use the power efficiently, the control unit 310 can maintain the sleep mode state for most of the basic operation period (e.g., 60 seconds) (S12). Then, when the enabled interruption occurs due to the arrival of the set operation time or the occurrence of another event (S14), the control unit 310 can be switched from the sleep mode to the active mode (S16). The control unit 310 checks an internal timer (not shown) to check whether the counted time has reached one cycle (S18). The control unit 310 sequentially reads the measurement data of the gas sensor 322, the humidity sensor 324 and the temperature sensor 326 (S20, S22, and S24) To the outside through the wireless communication unit 330 (S26). One period of the step S18 may be set to, for example, 60 seconds, and the time taken to read and transmit the measured values of the sensors may take, for example, 4.3 seconds. That is, the measurement data of the gas sensor 322, the humidity sensor 324, and the temperature sensor 326 can be read and transmitted once per minute.

앞에서 설명한 것처럼, 위와 같은 기본 동작은 전력 소모량을 최대한 줄이기 위해 필요 최소한의 동작만 수행하기 위한 것이다. 상기 기본 동작은 배터리부(240)의 충전 전기를 방전시켜 센서 프로세서부(300)의 전원으로 공급하는 경우에 적용할 수 있다. 즉, 에너지 하베스팅부(210)에서 생산되는 전력이 기본 주기만큼 동작시키는 데 충분치 않다면, 이 경우 배터리부(240)의 충전 에너지를 대신 센서 프로세서부(300)의 전원으로 사용하여 상시 한 주기(예: 1분)로 센서 정보를 전송할 수 있다. As described above, the basic operation is to perform only the minimum necessary operation to minimize the power consumption. The basic operation is applicable to a case where the charging electricity of the battery unit 240 is discharged and supplied to the power source of the sensor processor unit 300. That is, if the electric power generated by the energy harvesting unit 210 is not enough to operate the basic period, in this case, the charging energy of the battery unit 240 may be used as a power source of the sensor processor unit 300, : 1 minute).

도 5는 도 1에 도시된 WSN(100)의 에너지 하베스팅부(210)가 생산하는 전력에 따른 전력 관리 알고리즘의 동작 파형을 나타낸다. 도 6은 측정 공간의 유해가스 농도가 급격하게 증가할 경우, 전력 관리 알고리즘의 동작 파형을 나타낸다. FIG. 5 shows an operation waveform of a power management algorithm according to the power produced by the energy harvesting unit 210 of the WSN 100 shown in FIG. Fig. 6 shows the operation waveform of the power management algorithm when the concentration of noxious gas in the measurement space increases sharply.

도 5를 참조하면, 에너지 하베스팅부(210)에서 전기에너지를 생산이 지속되어, 그 생산되는 전기로 배터리부(240)가 완전히 충전되고 센서 프로세서부(300)의 전원으로도 공급되는 경우를 고려하자. 그런 경우, 도 4의 한 주기 동안의 기본 동작(Basic Operation)을 수행하는 데 소모하는 전력 외에 여분의 전력을 이용하여 중요한 센서의 동작을 추가적으로 더 수행할 수 있다. 5, it is considered that the production of electric energy continues in the energy harvesting unit 210, and the produced electric furnace battery unit 240 is fully charged and also supplied to the power source of the sensor processor unit 300 lets do it. In this case, it is possible to further perform the operation of the important sensor by using extra power in addition to the power consumed in performing the basic operation for one period of FIG.

구체적으로 제어부(310)가 액티브 모드로 전환된 경우(S16), 제어부(310)는 전압 모니터링 단자(V_monitoring)를 통해 에너지 하베스팅부(210)에서 전기에너지가 생산되고 있는지를 모니터링할 수 있다(S28). 전기 에너지가 생산되고 있는 것으로 확인되면 인터럽트 주기를 더 빠르게 조절할 수 있다(S30). 그에 따라, 인에이블 인트럽트(S14)가 걸려 S18 단계와 다음과 같은 후속 단계들(S32, S34)을 수행할 수 있다. Specifically, when the control unit 310 is switched to the active mode (S16), the control unit 310 can monitor whether the energy harvesting unit 210 generates electric energy through a voltage monitoring terminal (V _monitoring ) S28). If it is confirmed that electric energy is being produced, the interrupt cycle can be adjusted more quickly (S30). Accordingly, the enable interruption (S14) is executed, and the following steps S32 and S34 may be performed.

예컨대 공장의 경우, 유해 가스의 발생을 조기에 발견하여 조치를 취하는 것이 중요하다. 예시적인 실시예에 따르면, S18 단계에서 경과시간이 한 주기에 도달하지 못한 경우에라도 여분의 전력을 이용하여 가스 센서(322)를 추가적으로 동작시킬 수 있다. 제어부(310)는 가스 센서(322)를 작동시켜 그로부터 유해 가스의 농도 측정값을 읽어 들일 수 있다(S32). 제어부(310)는 읽어 들인 농도 측정값이 미리 설정된 위험 수위에 도달하였는지를 판단할 수 있다(S34). 판단 결과, 위험 수위에 미치지 못하는 것으로 판별되면, 슬립 모드로 들어가서 전력 소모를 줄일 수 있다(S12). For example, in the case of factories, it is important to detect the occurrence of harmful gas early and take measures. According to the exemplary embodiment, extra power may be used to further operate the gas sensor 322 even if the elapsed time in step S18 does not reach one period. The control unit 310 may operate the gas sensor 322 to read the concentration measurement value of the noxious gas therefrom (S32). The control unit 310 can determine whether the read density measurement value reaches a preset danger level (S34). As a result of the determination, if it is determined that the power level is below the danger level, the power consumption can be reduced by entering the sleep mode (S12).

유해 가스의 농도가 순간적으로 공장 실내 사람에게 해로운 농도만큼 다량으로 유출이 될 경우가 발생할 수도 있다. 6에 예시된 것처럼, S34 단계에서의 판단 결과 유해 가스 농도 측정값이 위험 수위를 초과한 것으로 판단되면, 기본 1분주기를 기다리지 않고, 제어부(310)는 곧바로 농도 측정값을 무선 통신부(330)를 통해 외부에 전송하여 유해 가스의 위험 수위 도달을 알릴 수 있다(S26). 이를 통해 공장 실내 안전성을 높일 수 있다. 이와 같은 추가적인 동작(Additional Operation)을 수행하는 경우라도, 기본 동작(Basic Operation)은 매 주기마다 수행할 수 있다.There may be a case where the concentration of the harmful gas is instantaneously discharged as much as the harmful concentration to the people in the factory. 6, if it is determined in step S34 that the measured value of the noxious gas concentration exceeds the danger level, the controller 310 immediately transmits the concentration measurement value to the wireless communication unit 330 without waiting for the basic 1 minute period, (S26). As a result, the danger level of the noxious gas can be notified to the outside. This makes it possible to increase safety in the factory. Even in the case of performing such additional operation, the basic operation can be performed every cycle.

본 발명은 WSN 분야에 이용될 수 있다. 특히, WSN의 상시적인 동작이 강하게 요구되는 응용분야에 유용하게 이용될 수 있다.The present invention can be used in the field of WSN. In particular, it can be usefully used in applications where constant operation of the WSN is strongly required.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It can be understood that it is possible.

100: WSN 200: 전원부
210: 에너지 하베스팅부 220: 승압 컨버터부
230: 전원교체 스위칭부 240: 배터리부
250: 감압 컨버터부 260: 에너지 인식 인터페이스 라인
300: 센서 프로세서부 310: 제어부
320: 센서부 330: 무선 통신부100: WSN 200: Power supply unit
210: energy harvesting part 220: step-up converter part
230: power supply switching part 240: battery part
250: Decompression converter section 260: Energy recognition interface line
300: sensor processor unit 310:
320: sensor unit 330: wireless communication unit

Claims

A power source for generating electric energy using the energy of an external energy source and providing the electric energy for operation of the load; And
And a sensor processor unit that operates by using a plurality of sensors to measure a state of a surrounding environment and transmit measured data wirelessly and using electric energy produced by the power unit,
Wherein the power supply unit supplies the electric energy to the sensor processor unit through the battery while charging the produced electric energy to the battery, And,
The power unit may include an energy harvesting unit that generates electric energy using energy of the energy source; A boost converter unit for boosting the voltage generated by the energy harvesting unit to a level necessary for charging the battery; A battery unit for charging electrical energy by a voltage boosted by the step-up converter unit; And a reduced-pressure converter unit for reducing an input voltage supplied to the step-up converter unit or the battery unit to a power supply voltage necessary for driving the sensor processor unit,
Wherein the input voltage provided to the reduced-pressure converter unit is a voltage that the boost converter unit converts and provides a production voltage of the energy harvesting unit while the energy harvesting unit produces electric energy of a predetermined level or higher, And a voltage for discharging and providing the electric energy stored in the battery unit while the electric energy of the predetermined level or higher is not produced,
Wherein the sensor processor unit comprises: a wireless communication unit for wirelessly communicating with the outside; A sensor unit including sensors for detection of noxious gas, temperature measurement, and humidity measurement; And a control unit for controlling the operation of the sensor unit to acquire measurement data from each sensor and controlling the wireless transmission of the obtained measurement data to the outside via the wireless communication unit,
Wherein the controller monitors whether the electric energy is produced in the electric power unit and controls the sensor unit and the wireless unit to optimally manage electric energy consumption according to a first state in which electric energy is produced and a second state in which the electric energy is not produced, Controls the operation of the communication unit,
Wherein the control unit controls the operation of the sensor unit to periodically perform only a predetermined basic operation when the electric energy stored in the battery unit is used as a power source because the electric power produced in the first state does not exceed the reference value, Wherein when the electric energy produced by the power source unit is used as a power source, the sensor unit controls to perform additional operations in addition to the basic operation.

delete

The power converter according to claim 1, wherein the step-up converter unit includes a power conversion switching unit for allowing or disallowing electric energy stored in the battery unit to be discharged to the reduced-
The boost converter unit monitors the charge voltage of the battery unit while the energy harvesting unit does not produce electric energy and the electric energy stored in the battery unit is provided to the reduced voltage converter unit, The power conversion switching unit interrupts the connection between the battery unit and the decompression converter unit to prevent the battery unit from further discharging.

The wireless sensor node according to claim 1, wherein the energy harvesting unit is a flexible thermoelectric generator attached to a heat source of an arbitrary shape to produce electric energy using heat energy of the heat source.

delete

The apparatus of claim 1, wherein the sensor unit comprises: a noxious gas sensor for detecting noxious gas; A temperature sensor for measuring temperature; And a humidity sensor for measuring humidity.