阅读说明：本技术 紧凑型模块化无线传感器 (compact modular wireless sensor ) 是由 詹姆斯·菲利普斯 唐·瑞楚皮道 内森·弗罗斯特 兰迪·斯科特·布朗 于 2018-02-16 设计创作，主要内容包括：无线传感器组件包括壳体、无线电源和电子设备。壳体限定内部空间和至少一个开口,该至少一个开口的尺寸设计成容纳至少一个外部传感器。无线电源安装在壳体内。电子设备安装在壳体内,并配置为从无线电源接收功率并与外部传感器进行电通信。电子设备包括无线通信部件,以及配置为用于管理从无线通信部件到外部设备的数据传输的速率的固件,以使无线通信部件的功耗小于约0.5mW。电子设备仅由无线电源供电,并且无线传感器组件的体积小于约2in<Sup>3</Sup>。(The wireless sensor assembly includes a housing, a wireless power supply, and electronics. The housing defines an interior space and at least one opening sized to receive at least one external sensor. The wireless power supply is installed in the shell. An electronic device is mounted within the housing and configured to receive power from the wireless power source and to electrically communicate with an external sensor. The electronic device includes a wireless communication component, and firmware configured to manage a rate of data transfer from the wireless communication component to an external device such that a power consumption of the wireless communication component is less than about 0.5 mW. The electronic device is powered by the wireless power source only, and the volume of the wireless sensor assembly is less than about 2in 3 。)

紧凑型模块化无线传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年2月16日提交的美国临时申请No.62/459,698的优先权和权益。上述申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开一般涉及传感器组件，更具体地，涉及无线传感器组件。

背景技术

该部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

传感器用于各种操作环境中，以监测操作和环境特征。作为示例，这些传感器可以包括温度、压力、速度、位置、运动、电流、电压和阻抗传感器。传感器被放置在被监测的操作环境中，并且被设计为响应于被监测的操作或环境特征的变化而产生电信号或具有电特性的变化。传感器中的电特性的变化可以是阻抗、电压或电流的变化。

传感器通常包括探针和处理单元。探针从环境中获取数据，并将数据传输到处理单元，然后由处理单元确定测量值并向用户提供读数。在数据处理期间，处理单元通常需要来自电源的大量电能。电源可以是集成电池，也可以是通过电线连接到传感器的外部电源。带有集成电池和处理单元的传感器无法缩小其尺寸。当传感器通过电线连接到外部电源时，很难在恶劣的环境中使用传感器或将传感器正确安装到结构复杂的设备上。

尽管一些已知的处理单元包括低功率微处理器，但是这些微处理器在启动期间消耗大量电量。在一些能量收集很重要的应用中，低功率微处理器在启动时消耗的初始电量会消耗掉过多的能量，并导致启动失败。

本公开解决了功耗和收集的这些问题以及电子传感器的操作的其他问题。

发明内容

在一种形式中，提供了一种无线传感器组件，其包括壳体、无线电源和电子设备。壳体限定内部空间和至少一个开口，该至少一个开口的尺寸设计成容纳至少一个外部传感器。无线电源安装在壳体内。电子设备安装在壳体内，并配置为从无线电源接收功率并与外部传感器进行电通信。电子设备包括无线通信部件，以及配置为用于管理从无线通信部件到外部设备的数据传输的速率的固件，以使无线通信部件的功耗小于约0.5mW。电子设备仅由无线电源供电，并且，无线传感器组件的体积小于约2in³。

在另一种形式中，提供了一种低功率无线传感器系统，其包括多个无线传感器组件，以及可操作地连接每个无线传感器组件并且可操作以在每个无线传感器组件之间发送和接收数据的无线网络。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

通过详细描述和附图，将更加全面地理解本公开，其中：

图1是根据本公开构造的两个无线传感器组件的立体图；

图2是根据本公开的教导的电子设备和一种形式的无线电源的示意图；

图3是第一形式的无线传感器组件的另一立体图

图4是第一形式的无线传感器组件的另一变型；

图5是第一形式的无线传感器组件的又一变型；

图6是图4的无线传感器组件的另一立体图；

图7是第一形式的无线传感器组件的局部详细视图，其示出了壳体内部的部件；

图8是第一形式的无线传感器组件的壳体的下部的俯视立体图，其中传感器连接到壳体的下部；

图9是第一形式的无线传感器组件的壳体的下部的仰视立体图，其中传感器连接到壳体的下部；

图10是第一形式的无线传感器组件的立体图，其中壳体的上部被移除以示出壳体内部的部件；

图11是图10的局部放大图；

图12是根据本公开的第二形式构造的无线传感器组件的立体图；

图13是第二形式的无线传感器组件的立体图，其中壳体的上部被移除以示出壳体内部的部件；

图14是第二形式的无线传感器组件的另一立体图，其中壳体的上部被移除以示出壳体内部的部件；

图15是第二形式的无线传感器组件的又一立体图，其中壳体的上部被移除以示出壳体内部的部件；

图16是根据本公开的第三形式构造的无线传感器组件的立体图；

图17是根据本公开的第四形式构造的无线传感器组件的立体图；

图18是第四形式的无线传感器组件的局部剖视图。

图19是根据本公开的第五形式构造的无线传感器组件的立体图；

图20是第五形式的无线传感器组件的立体图，其中上部被移除以示出壳体内部的部件；

图21是根据本公开的第六形式构造的无线传感器组件的立体图；

图22是根据本公开的第六形式构造的无线传感器组件的分解图；

图23是无线传感器组件的前视图，其中盖被移除以示出第六形式的无线传感器组件内部的部件；

图24是设置在第六形式的无线传感器组件的壳体的内部的电气和电子部件的立体图；

图25是图24的电气和电子部件的另一立体图；和

图26是图24的电气和电子部件的仰视立体图。

遍及附图的若干视图，相应的附图标记指示相应的部分。

具体实施方式

本以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开、应用或使用。

第一形式

参考图1，根据本公开的第一形式构造的无线传感器组件10通常包括壳体12和传感器14。传感器14可以被***开口(图1中未示出)中并且连接到壳体12内部的电气和电子部件。可选地，根据第一形式的变型的无线传感器组件10'可以包括壳体12’、传感器14’和将传感器14’连接到壳体12’内部的电气和电子部件的导线16’。壳体12’还可以包括将壳体12’安装到相邻的安装结构(未示出)的一对突片17’。传感器14或14’例如可以是温度传感器、压力传感器、气体传感器和光学传感器。

参考图2，在其他部件中，壳体12/12’内部的示例性电子元件示意性示出。电子设备15通常包括无线通信部件16，其以这种形式示出为发射器，以及固件17，其被配置为用于管理从无线通信组件16到外部设备(未示出)的数据传输的速率。固件17以这种形式驻留在微处理器中。如进一步所示，无线电源19向电子设备15提供电能。电源19可以采用多种形式，包括下文将更详细进行描述的电池。以这种形式，电源19包括“能量收集”配置，其包括振动或热功率发生器(下面将更详细描述)、功率调节器和用于存储多余能量的存储部件。

固件17还可以被配置为用于管理在微处理器的初始启动时消耗的功率。在进入真正的低功率模式之前，低功率微处理器通常会在启动过程中消耗大约1秒或更短的初始大功率突发。在依赖于微处理器的低功率模式才能正常工作的能量收集应用中，初始启动功率突发可能证明是无法克服的，会在初始功率突发结束之前耗尽存储的能量，从而导致启动失败。为了解决初始启动涌动这个问题，可以修改固件17以随着时间的流逝扩散初始能量涌动，使得平均功耗在能量收集配置的能力之内。尽管随着时间的推移这种能量扩散会延迟微处理器的启动，但存储的能量不至于被耗尽，因此可以防止启动失败。

在另一种形式中，可以将附加电路添加到微处理器，以延迟输出逻辑信号的判断，直到存储设备上有足够的存储能量，使得能量收集组部件/模块可以通过初始功率涌动。这可以采用外部延迟元件的形式，也可以是带有功率调节芯片的微处理器的一部分。在一种形式中，当有足够的振动或热能可用时，启动就可以开始而不会扩散能量的涌动，而在振动或热能很少的情况下，能量的涌动会随着时间的流逝而扩散。换句话说，电子设备可以被配置为用于延迟输出逻辑信号的判断，直到有足够的存储能量来维持初始功率涌动为止。处理器和固件17内的这些和其他数据管理功能将在下面进行更详细地描述。

参考图3，壳体12具有相对的第一端18和第二端20，分别限定了第一开口22(如图6所示)和第二开口24。传感器14的纵向端部***第一开口22中并连接到安装在壳体12内的电气和电子部件。通信连接器26设置在第二开口24中，并配置为用于接收配对的通信连接器(未示出)。第二开口24和通信连接器26可以根据待连接的配对的通信连接器的类型而进行不同的配置。例如，通信连接器26可以配置为用于形成通用串行总线(USB)端口(图3)、USB-C端口、以太网端口(图4)、控制器局域网(CAN)总线端口(图5)，以及抽吸式(Aspirated)TIP/以太网端口等。壳体12的外轮廓可以相应地配置为适应通信连接器26的形状。配对的通信连接器是可选的，并且可以用于通过网络将由传感器14获取的原始感测数据传输到外部设备或远程设备(未示出)以进行进一步处理。可替代地，由传感器14获取的原始感测数据可以无线地传输到外部设备或远程设备，这将在下面进行更详细的描述。

如图3进一步所示，壳体12包括上部30和下部32，上部和下部各自限定配对的楔，该配对的楔在相对的端部18、20处容纳内部部件和外部特征件。壳体12的下部32可以限定第一开口22，而壳体12的上部30可以限定第二开口24，反之亦然。上部30和下部32的配对的楔沿着相对的侧壁36限定密封界面34。上部30和下部32之间的密封界面34是成角度的，使得第一开口22仅由下部32(或可选地由上部30)限定，而不是由上部30和下部32共同限定。这样，传感器14相对于壳体12的密封相对容易，这是因为与多个件(即，上部30和下部32两者)相反，传感器14仅密封至下部32。

参考图6和图7，无线传感器组件10还包括用于将传感器14安装到壳体12的安装组件36。安装组件36包括凸台(boss)38，在凸台38的自由端处的压缩密封件40，以及螺母42。将传感器14***穿过凸台38、压缩密封件40和螺母42。通过将螺母42固定在凸台38和压缩密封件40周围，传感器14被固定并密封到壳体12。螺母42可以通过螺纹连接、压配连接或推入连接而固定到凸台38。凸台38可以是***到第一开口22中的单独的部件，或者可以形成为壳体12的下部32的整体部分。

如图8所示，无线传感器组件10还包括布置在壳体12内部、特别是下部32中的防旋转机构44，以防止当传感器14受到振动时传感器14旋转。防旋转机构44包括从下部32的内表面突出的U形座46和设置在该座46中的防旋转螺母48。

无线传感器组件10还包括用于将下部32固定到上部30的固定特征件50。固定特征件50可以是如图8所示的螺钉和孔。可选地，上部和下部30和32可以通过振动焊接、滑入配合或本领域已知的任何其他结合方法来固定。上部和下部30和32还可以包括用于在组装期间对准上部和下部30和32的对准特征件。

参考图9，下部32还可以包括限定在底表面中的凹部50和容纳在凹部50中的磁体52。外部磁体52可操作以与壳体12内部的电气和电子部件通信以禁用和启用传感器14。如果在壳体12内部提供电池，则磁体52可以用于在运输期间用来打开设置在壳体12内部的簧片开关以禁用传感器14和保持电池寿命。在运输过程中，一小块胶带可以将其放置在磁体52上。为了使传感器14可操作，可以去除胶带和磁体52，以允许从电池向传感器14供电。电气和电子部件可以包括闩锁电路，用于如果其再次遇到强磁场，则可以防止传感器14被禁用。另外，凹部50周围的凹部区域可以用作可以用来显示传感器14的功能状态的指示器LED的“光导管”。该区域中的塑料壳体材料可以制成比壳体12的其他部件更薄，以使得指示器LED可以通过塑料壳体材料看到。

参考图10和图11，无线传感器组件10包括电气和电子部件，这些电气和电子部件设置在由壳体12限定的内部空间中并且连接至传感器14和通信连接器26(如图3所示)。电气和电子部件可以包括通信板60、无线电源62、无线通信部件、固件(未示出)，以及用于将传感器14连接到通信板60的传感器连接器66。通信板60为印刷电路板。无线电源62、无线通信部件和固件安装在通信板60上。

来自传感器14的信号通过传感器连接器66传输到通信板60。如图11清楚所示，传感器14的电线68直接连接至安装在通信板60上的传感器连接器66。通信板60上的无线通信部件将数据发送至外部设备(即，外部处理设备)，以用于数据处理。外部设备执行数据记录、计算或将数据重新传输到另一个远程设备以进行进一步处理的功能。传感器14仅收集原始数据，并且在休眠之前将原始数据发送到外部或远程设备。在外部或远程设备上执行所有感测计算、校准调整、错误检查等，以免耗尽设置在壳体12内的无线电源62中的任何存储的能量。这样，可以节约电池寿命。

壳体12内的电气和电子部件被配置为从无线电源62接收电力并且与传感器14电连通。无线通信部件的功耗小于约0.5mW。布置在壳体12内的电气和电子部件仅由无线电源62供电。无线电源62可以是电池或自供电设备等。自供电设备可以是热电设备或包括安装在悬臂板上的压电设备的振动设备。

在一种形式中，无线传感器组件10限定的体积小于约2in³。无线通信部件配置为将原始数据从外部传感器14传输到外部或远程设备，例如平板电脑、智能手机、个人计算机、云计算机中心或可以对从无线通信部件传输的数据进行处理的任何处理设备。无线通信部件选自蓝牙模块、WiFi模块和LiFi模块。固件配置为管理从无线通信部件传输到外部或远程设备的数据的速率。固件根据电池寿命控制从无线通信部件传输的数据的速率。固件还控制处理器时钟，以节省无线电源的功率。固件进一步监测无线电源62中的存储的能量，并根据存储的能量的量来调整来自无线通信部件的数据传输的速率。这可以类似于低功率模式以节省存储的能量。这样，可以节约电池寿命，并且此外，可以防止传感器14由于功率的损失而关闭或者至少被延迟。数据传输的速率可以返回到预定的正常速率，直到更多的热或振动能量可用于为无线电源62充电为止。

第二形式

参考图12至图15，除了壳体和传感器的结构之外，根据本公开的第二形式的无线传感器组件110具有与第一形式的无线传感器组件10相似的结构。相似的部件将由相似的附图标记表示，并且为了清楚起见在此省略其详细描述。

更具体地，无线传感器组件110包括壳体112和传感器114(在图15中示出)。壳体112包括上部130和下部132。下部132包括用于将壳体112安装到相邻的安装结构的一对突片133。传感器114是板安装传感器。容纳在壳体112内部的电气和电子部件包括通信板60和安装在通信板60上的子板166。板安装传感器114也安装在子板166上。子板166延伸穿过第一开口22，其一端延伸到壳体112的外部，另一端延伸到壳体112的内部。来自传感器114的信号通过子板166传输到通信板60。子板166由一对橡胶垫片168支撑。该对垫片168还在子板166和壳体112的下部132之间提供压缩密封。

第三形式

参考图16，根据本公开的第三形式构造的无线传感器组件210通常包括具有与第一形式的壳体12的结构相似的结构的壳体212，除了在壳体212中没有限定第二开口以接收通信连接器以形成通信端口以外。类似于第一形式和第二形式的无线传感器组件10和110，无线传感器组件210包括类似的电气和电子部件，用于与外部或远程设备进行无线通信，以及将原始数据从传感器14、114传输到外部或远程设备。因此，不需要通信端口。

第四形式

参考图17和18，根据本公开的第四形式的无线传感器组件310包括壳体312和具有一对电线68的传感器14。壳体312包括顶部壳体部316、散热器结构318，和下基部320。顶部壳体部316具有与第一形式的下部32相似的结构，但是以倒置的方式附接到散热器结构318。绝缘层322设置在散热器结构318和下基部320之间。下基部320限定一对突片321，用于将壳体312安装到相邻的安装结构。

以这种形式，无线传感器组件310不包括电池。替代地，壳体310内部的电气和电子部件以及壳体312外部的传感器14例如由设置在壳体312内的热电发电机(TEG)324自供电。TEG324也称为塞贝克(Seebeck)发电机，是一种通过称为“塞贝克效应”的现象将热量(温度差)直接转换为电能的固态设备。TEG324包括与散热器结构318相邻并布置在绝缘层322上方的第一金属板326，以及布置在绝缘层322下方的第二金属板328。绝缘层322将第一金属板326和第二金属板328分开。由电气和电子部件产生的一部分热量传导至第一金属板326，并通过散热器结构318消散。由壳体312内部的电气和电子部件产生的另一部分热量被传导至第二金属板328。第一和第二金属板326和328之间产生温差，从而产生电力以为壳体312内部的电气和电子部件以及壳体312外部的传感器14供电。

第五形式

参考图19和图20，根据本公开的第五形式构造的无线传感器组件410具有与第四形式的结构相似的结构，仅在自供电设备方面不同。以这种形式，自供电设备是压电发电机(PEG)421，其将机械应变转换为电流或电压，以为壳体内部的电气和电子部件以及壳体外部的传感器14供电。应变可能来自许多不同的来源，例如人体运动、低频地震振动和声学噪声。在本形式中，PEG421包括电力传输印刷电路板(PCB)422，金属板424和连接在金属板424的一端的配重件426。金属板424用作悬臂板，其中配重件426布置在端部，以在金属板424中引起机械应变。在金属板424中产生的机械应变被转换成功率/电，该功率/电经由功率传输PCB422而被路由至通信板(图20中未示出)。功率传输PCB422夹设在散热器结构318和金属板424之间。类似于第四形式的壳体312，本形式的壳体412包括顶部壳体部416、散热器结构418，和下基部420。然而，这种形式的散热器结构418仅用作传感器14和PEG421的安装结构，因为热量对发电没有影响。因此，在散热器结构418与下基部420之间未设置绝缘层。

附接至金属板424以在金属板424中引起机械应变的配重件426可以改变并适当地选择以在PEG421中以计算的频率来产生共振，以增加金属板424中的振动和机械应变，从而增加由此产生的电力。

第六形式

参考图21至图26，根据本公开的第六形式构造的无线传感器组件510可以包括壳体512和传感器(未示出)，该传感器通过电线514连接到壳体512内部的电气和电子部件。壳体512具有矩形构造。无线传感器组件510还包括：传感器连接器516，其布置在壳体512的一端；以及盖518，其布置在壳体512的另一端。与第六形式的无线传感器组件410一样，无线传感器组件510包括设置在壳体512内部的电气和电子部件。电气和电子部件可以包括通信板520、压电发电机(PEG)522形式的自供电设备。PEG522可以包括金属板524，和附接到金属板524的端部的配重件526。金属板524用作悬臂板，其中配重件526布置在端部，以在金属板524中引起机械应变。在金属板524中产生的机械应变被转换成功率/电，该功率/电被路由到通信板520以为传感器和其他电气/电子部件供电。

在本文描述的任何形式中，由传感器14获取的原始感测数据可以被传输到外部计算设备，例如笔记本电脑、智能电话或平板电脑，从而原始感测数据的处理可以在外部发生。无线传感器组件的优势在于减少了功耗，因为原始感测数据是在外部处理的。另外，由于数据的处理和计算是在外部或远程设备上执行的，可以在外部或远程设备上使用更完整的高分辨率查找表以提高准确性，与之相比，由于传感器中ROM的可用空间有限，将多项式曲线拟合存储在较小的ROM中是欠精确的。

此外，无线传感器组件的优势在于无需更改传感器的电路即可更新校准曲线和查找表。现场替换传感器分配有标识(ID)信息或代码，例如RFID标签或条形码。在安装或更换无线传感器组件期间，可以通过与无线传感器组件进行无线通信的外部设备访问外部传感器14的校准信息。通过扫描或输入ID信息，传感器14将通过网络连接而被链接到预定的校准曲线。另外，可以定期更新查找表或校准信息以解决漂移，从而在传感器14的整个使用寿命中提高传感器14的测量精度。

在本文所公开的无线传感器组件的一种形式中，壳体的尺寸大约为1.75in.L*1.25in.W*.68in.H。当使用电池时，壳体可能更大。由于作为无线部件的蓝牙部件的低功耗(在本公开的一种形式中小于0.170μW)，传感器14可以使用选定的电池运行至少2年，同时每秒传输数据。低功耗也使自供电成为可能。而且，在本文描述的任何无线传感器组件中，通信板可以检测存储或产生的能量的量，并允许传感器基于可用的或预测的功率量自动调整发送原始感测数据的速率。

根据任何形式的无线传感器组件可以是可以将数字原始数据传输到外部设备或远程设备的数字感测产品。无线传感器组件包括可互换的部件，以允许轻松地组装成多种配置，从而提供“模块化”构造。本文所述的每个无线传感器组件可以变化以提供有线或无线连接，以及变化的安装和传感器输入选项。

尽管已将任何形式的无线传感器组件描述为仅包括一个传感器14，但在不脱离本公开范围的情况下，可以将一个以上的传感器连接到壳体内部的电气和电子组件。例如，两个或更多个传感器14可以被***第一开口26中并且通过安装组件36而被安装，如图6所示，并且通过两个传感器连接器66而连接到通信板60。

第七形式

根据本公开的第七形式构造的低功率无线传感器系统可以包括多个无线传感器组件，以及可操作地连接每个无线传感器组件并且可操作以在每个无线传感器组件之间发送和接收数据的无线网络。无线传感器组件可以是在第一至第六形式中描述的任何无线传感器组件的形式，并且可以在它们之间或与诸如平板电脑、智能电话或个人计算机的外部设备通信。

应当注意，本公开不限于描述和示出为示例的形式。已经描述了各种各样的修改，并且更多的修改是本领域技术人员的知识的一部分。在不脱离本公开和本专利的保护范围的情况下，可以将这些和进一步的修改以及技术上的等同替换加入说明书和附图。