自主无线多变量传感器节点-AWSN的制作方法

自主无线多变量传感器节点-awsn
技术领域
1.本公开总体涉及能够自生成能量并增强节能的自主无线多变量传感器节点(awsn)。


背景技术：

2.许多iot设备由一个或多个电池供电。因此，电池维护和更换成本可非常高。在许多情况下，可需要大量人力来维护和/或更换iot设备和系统中的电池。
3.大多数iot设备也是单个传感器或仅具有几个能够收集数据参数的传感器。因此，可能会遗漏可存在异常的特征和其他参数。因此，错误的诊断可能会导致计划外的维护和灾难性故障。
4.大多数iot设备仅在异常发生时感测数据和检测异常。替代地，所采集的数据将传递到个人计算机或服务器，操作者将在其中查看和分析这些数据并预测维护时间。操作者仍然必须紧密监控数据。随着大规模的工业和工厂设置，维护数千个iot传感器边缘节点的人力将是一项非常苛刻的操作。
5.因此，需要iot设备以能够有效地生成其自身能量。此外，需要iot设备以能够感测多个数据参数并执行其自身的数据推断。


技术实现要素：

6.以下的发明内容是为了便于理解本发明所公开的实施方案的一些特征而提供的，并非旨在作为完整的描述。通过将说明书、权利要求书、附图和说明书摘要作为一个整体，能够获得对本文公开的实施方案的各个方面的全面理解。
7.所公开的实施方案的方面是提供一个或多个awsn以自动生成能量。
8.所公开的实施方案的另一方面是提供至少一个awsn，该awsn收集所生成的能量以向在至少一个awsn内配置的模块提供所生成的能量。
9.现在可如本文所述实现上述方面以及其他目标。
10.在实施方案中，配置第一悬浮磁体。悬置磁体配置在第一悬浮磁体下方。悬置磁体被配置成相对于加速度水平和振动频率以特定位移连续地振荡。磁通量被配置成贯穿定位在悬置磁体上方或下方的电线圈绕组。由于贯穿电线圈绕组的磁通量而生成能量，以为一个或多个模块供电。第二悬浮磁体定位在悬置磁体和第一悬浮磁体下方。悬置磁体被配置成悬浮在第一悬浮磁体与第二悬浮磁体之间。
11.在系统的实施方案中，一个或多个泄压通风口被定位成在悬置磁体振荡时最小化来自悬置磁体的摩擦。
12.在实施方案中，一种方法包括将冷板定位在第一位置处。该方法还包括将热配置成通过安装金属托架流向热板，然后流向冷板和散热器，以使得能够建立热梯度。模块换能器将已建立的热梯度转换为电能。该方法还包括将至少一个模块定位在第二位置处以接收所生成的能量。
13.该方法包括将热板定位在热电发电机正下方。
14.在实施方案中，一种方法包括在辊梁支撑组件的方向上配置压电梁。该方法还包括将第一辊定位在辊梁支撑组件上方，将第二辊定位在辊梁支撑组件下方，其中，第一辊和第二辊朝向压电梁移动以增加振动频率并优化能量生成。该方法还包括使辊铰接件配置有齿条和小齿轮布置，以使第一辊和第二辊来回移动。
15.在实施方案中，一种方法包括利用所生成的能量在热电系统、压电系统或电磁系统内进行存储模块能量状态计算。该方法还包括基于存储模块能量状态计算、能量函数参数和占空比时间段优化的加载子模块功率分布管理。该方法还包括提供预测功能。预测功能基于能量状态计算和功率分布管理。预测功能包括加载子模块的存储能量消耗行为预测和消耗行为表征。该方法还包括基于预测功能的加载子系统激活决策和子系统功率需求分布。
16.该方法还包括与能量消耗分布相关的加载子系统故障识别。
17.在实施方案中，一种系统包括悬置磁体、悬浮磁体、弹簧、热梯度、冷板、热板、压电梁或辊梁支撑组件中的至少一者，其被配置成使用电磁能量收集、热电能量收集或压电能量收集来生成能量。该系统还包括接收所生成的能量的一个或多个模块。该系统进一步包括基于所接收的生成的能量提供预测功能的一个或多个子模块。预测功能基于能量状态计算和功率分布管理。预测功能包括加载子模块的存储能量消耗行为预测和消耗行为表征。该系统还包括能够基于预测功能实现子系统激活决策和子系统功率需求分布的一个或多个传感器。
18.在系统的实施方案中，基于所生成的能量确定能量状态计算和功率分布管理。
附图说明
19.附图还示出了本发明，并且与本发明的具体实施方式一起用于解释本发明的原理，在附图中，类似的附图标号在整个单独的视图中是指相同的或功能上类似的元件，并且并入说明书中并形成说明书的一部分。
20.图1(a)展示了根据本发明的实施方案的电磁能量收集；
21.图1(b)展示了根据本发明的电磁能量收集的另一实施方案；
22.图1(c)展示了根据本发明的实施方案的电磁能量收集；并且
23.图2(a)展示了根据本发明的实施方案的teg能量收集系统。
24.图2(b)展示了根据本发明的实施方案的珀尔帖/热电堆teg组件。
25.图3(a)描绘了根据本发明的实施方案的热流程图。
26.图3(b)描绘了根据本发明的实施方案的另一热流程图。
27.图4(a)展示了根据本发明的实施方案的压电能量收集装置。
28.图4(b)展示了根据本发明的实施方案的频率调谐装置。
29.图4(c)展示了根据本发明的实施方案的另一频率调谐装置。
30.图5展示了根据本发明的实施方案的功率电平转变。
31.图6描绘了根据本发明的实施方案的星形拓扑和事件链接拓扑系统。
32.图7展示了根据本发明的实施方案的电流消耗分布图。
33.图8描绘了根据本发明的实施方案的系统架构。
34.图9展示了根据本发明的实施方案的awsn框图。
35.图10描绘了根据本发明的实施方案的awsn流程图。
36.除非另外指明，否则附图中的图示未必按比例绘制。
具体实施方式
37.背景和上下文
38.这些非限制性示例中讨论的具体值和配置可变化，并且被引用为仅例示一个或多个实施方案，并且不旨在限制其范围。
39.现在将在下文参考附图更充分地描述主题，这些附图构成主题的一部分并且以例示的方式示出具体示例性实施方案。然而，主题可体现为多种不同形式，因此所涵盖或要求保护的主题旨在被解释为不限于本文所阐述的任何示例性实施方案；提供示例性实施方案的目的仅仅是为了进行例示。同样，旨在要求保护或所涵盖的主题拥有适当宽泛的范围。除了别的问题以外，主题可具体体现为方法、设备、部件或系统。因此，以下具体实施方式并非旨在被解释为具有限制意义。
40.在整个说明书和权利要求书中，除了明确说明的含义之外，术语可具有上下文中提出或暗示的有细微差别的含义。同样，如本文所用的短语诸如“在一个实施方案中”或“在示例性实施方案中”及其变型可能不一定是指同一实施方案，并且如本文所用的短语“在另一个实施方案中”或“在另一个示例性实施方案中”及其变型可能或可能不一定是指不同的实施方案。例如，要求保护的主题旨在全部或部分地包括示例性实施方案的组合。
41.一般来讲，术语可至少部分地从上下文中的用法来理解。例如，如本文所用的术语诸如“和”、“或”或“和/或”可包括可至少部分地取决于使用此类术语的上下文的多种含义。一般来讲，“或”如果用于关联列表，诸如a、b或c，则旨在表示此处以包含性意义使用的a、b和c，以及此处以排他性意义使用的a、b或c。此外，如本文所用的术语“一个或多个”至少部分地取决于上下文，可用于以单数意义描述任何特征、结构或特性，或者可用于以复数意义描述特征、结构或特性的组合。类似地，术语诸如“一个”、“一种”或“该”同样至少部分地取决于上下文，可被理解为表达单数用法或表达复数用法。此外，术语“基于”可被理解为不一定旨在传达一组排他性因素，而是可至少部分地取决于上下文，允许存在不一定再次明确描述的附加因素。
42.相关领域的普通技术人员将容易地认识到，可在没有一个或多个具体细节或其他方法的情况下实践本文所公开的主题。在其他情况下，未详细示出公知的结构或操作以避免模糊某些方面。本公开不受所示出的动作或事件的顺序的限制，因为某些动作可以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，并非所有示出的动作或事件都是实现根据本文公开的实施方案的方法所必需的。
43.除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与所公开的实施方案所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。描述了优选的方法、技术、设备和材料，但是与本文所述的那些类似或等效的任何方法、技术、设备或材料可以用于本发明的实践或测试。
44.尽管在本技术中已包括针对特定列举的特征组合的权利要求，但应当理解，本公开的范围还包括本文公开的任何新颖特征或任何新颖特征组合。
45.引用“实施方案”、“示例性实施方案”、“各种实施方案”、“一些实施方案”等可指示如此描述的实施方案可包括特定特征、结构或特性，但不是每个可能的实施方案必然包括该特定特征、结构或特性。
46.所提供的标题是为了方便起见，并且不应被视为以任何方式限制本公开。
47.考虑到利用该术语的上下文，本文使用的每个术语都将被赋予其最广泛的解释。
48.术语
49.以下段落提供了存在于本公开(包括权利要求书)中的术语的上下文：
50.与“包含”、“含有”或“特征在于”同义的过渡术语“包括”是包括性的或开放式的，并且不排除另外的未列举的元件或方法步骤。参见例如mars inc.v.h.j.heinz co.,377f.3d 1369,1376,71uspq2d 1837,1843(fed.cir.2004)(“像术语
‘
包括’，术语
‘
包含’和
‘
混合物’是开放式的”)。“配置成”或“可操作以用于”用于通过指示机制/单元/组件包括在操作期间执行一个或多个任务的结构来注释结构。“配置成”可包括适应制造过程以制造适于实现或执行一个或多个任务的组件。
[0051]“基于。”如本文所用，该术语用于描述影响确定的因素，而不另外排除可能影响该确定的其他因素或附加因素。更具体地，这种确定可仅“基于”那些因素或至少部分地基于那些因素。
[0052]
示例语言的所有术语(例如，包括但不限于“诸如”、“类似”、“例如”、“举例而言”、“类似于”等)不排除其他实例，并且因此意味着“以举例的方式，而不是限制
……”
。
[0053]
具有彼此通信的组件的实施方案的描述并不意味着需要所有列举的组件。
[0054]
根据本公开的范围和精神的商业具体实施可以根据特定应用的需要来配置，由此本领域技术人员可以适当地改变与本发明的任何所描述的实施方案相关的教导的任何功能。
[0055]
附图中的流程图和框图展示了根据各种实施方案的系统和方法的可能具体实施的架构、功能和操作。框中所指出的功能可按附图中所指出的顺序发生。例如，连续地所示的两个框实际上可基本上同时执行，或者这些框有时可根据所涉及的功能以相反顺序执行。
[0056]
此外，可描述的任何步骤序列不一定指示以该顺序执行步骤的条件。一些步骤可以同时执行。
[0057]
特定组件的功能和/或特征可以替代地由未明确描述为具有这种功能/特征的一个或多个其他设备体现。而且，本发明的各种实施方案不需要包括设备本身。
[0058]
更具体地，如本领域技术人员将理解的，本发明的方面可体现为系统和/或方法。此外，本发明的方面可采取多个系统的形式，以使气量计执行自检来确定其总体功能而不需要仪表操作者。
[0059]
介绍
[0060]
本发明的实施方案包括具有多种生成能量的方式的系统。在若干实施方案中，通过热电发电、电磁发电和压电发电生成能量。然后基于所生成的能量通过系统的模块和子模块提供能量管理。
[0061]
随着电磁能量的生成，悬置磁体在两个悬浮磁体和/或一个弹簧之间振荡。悬置磁体相对于加速度水平和振动频率以特定位移振荡。磁通量贯穿电线圈绕组以生成被收集并
提供给模块和子模块的能量。
[0062]
关于热电发电，热在系统内从冷板流向散热器并流向环境以建立热梯度。然后，模块换能器将建立的热梯度转换为电能。
[0063]
在压电发电中，多个辊朝向压电梁移动。当辊朝向压电梁移动时，振动频率得到调谐，并且能量生成得到优化。辊来回移动，使得压电梁被调谐到共振频率，从而可获得最大能量。
[0064]
基于根据上文所描述的一种或多种方法所生成的能量，提供能量管理。能量管理包括监控加载子模块功率状态转变序列和存储模块能量状态计算的能量监督。加载子模块的功率分布管理还通过能量函数参数和占空比时间段优化进行监督。还提供了预测功能。预测加载子模块的存储能量消耗行为。提供与任务激活和子模块监督相关的同步和异步任务。还会发生传感器数据生成。此外，传感器数据生命周期与数据持久性、通信和进程有关。
[0065]
系统结构
[0066]
图1(a)展示了awsn 100生成能量的实施方案。awsn包括振动轴110，线圈和绕线管组件115，悬浮磁体120，泄压通风口125、135，线圈130，悬置磁体140，悬浮磁体145和频率调谐布置150。
[0067]
在图1(a)中，为了产生能量，悬置磁体140将悬浮在悬浮磁体120、145之间。随着系统振动，悬置磁体140将在悬浮磁体120、145之间振荡。悬置磁体140将相对于某些加速度水平和振动频率以特定位移振荡。当悬置磁体140振荡时，泄压通风口125、135将最小化摩擦。当悬置磁体140振荡时，磁通量然后将贯穿电线圈末端或线圈130。贯穿线圈130的磁通量生成能量。然后，awsn 100将收集所生成的能量，以为awsn100内的模块供电。振动频率调谐布置150将相应地调整在各种振动频率下的所需功率。
[0068]
图1(b)展示了awsn 100生成能量的另一实施方案。图1(b)的元件与图1(a)的元件基本上相同。磁体155定位在悬置磁体140下方，弹簧122定位在悬置磁体140上方。为了生成能量，悬置磁体140相对于加速度水平和振动频率以特定位移振荡。磁引力由此拉动悬置磁体140，并且还拉伸弹簧122。随着磁通量贯穿线圈130，然后生成能量。此外，当悬置磁体140振荡时，泄压通风口125、135可在悬置磁体140振荡时最小化悬置磁体140的摩擦。此外，振动频率调谐布置150可以在各种振动频率下调整所需功率。
[0069]
在图1(c)中，awsn 100将具有与图1(a)和图1(b)中的配置基本上相同的配置。awsn 100将包括绕线管115，磁体120，泄压通风口125、135，线圈130、悬置磁体140、弹簧142和频率调谐布置150。
[0070]
参考图1(c)，弹簧142配置在悬置磁体140的下方。悬置磁体140具有特定的质量并且通过配置在悬置磁体140下方的弹簧142悬置。磁体120配置在悬置磁体140上方。悬置磁体140被配置成相对于加速度水平和振动频率以特定位移振荡。磁引力拉动悬置磁体140，并且还拉伸弹簧142。因此，产生势能。此外，当悬置磁体140振荡时，磁通量贯穿线圈130，以生成能量。在悬置磁体140的振荡期间，泄压通风口125、135将最小化由于悬置磁体140的振荡引起的摩擦。此外，振动频率调谐布置150将在各种振动频率下调整功率。因此，然后可以收集所生成的能量以向awsn 100内的模块供电。
[0071]
参考图2(a)，展示了热电能(teg)收集模块系统或系统200。系统200配置在awsn内。系统200包括用于teg布线的孔210、热电发电机(珀尔帖/热电堆)220、铜/铝散热器230、
导热金属外壳240和夹紧金属适配器250。teg元件/模块的数量可以基于任何能量需求而增加。
[0072]
在图2(a)中，teg模块可以是珀尔帖/热电堆模块220。在系统200中，板的一个表面应使用高传导率散热膏或胶带附接到导热金属外壳240以去除气穴从而获得更好的效率。另一方面，板的另一表面附接到径向的或任何其他形状的由铜或铝制成的散热器或铜/铝散热器230。存在用于teg布线的孔210，以收集生成的电能。夹紧金属适配器240被配置成传递热以收集电力。
[0073]
在图2(b)中，展示了用于收集能量的系统260的另一侧。系统260还配置有在图1(a)至图1(c)中示出的awsn 100。系统260配置有冷板270、热板275、铜/铝散热器230和teg珀尔帖/热电堆220。还展示了热梯度265和各种模块280、285。
[0074]
关于图2(b)，径向散热器布置将附接到热板275或冷板270。接收所生成的能量的模块的数量可以基于能量需求而增加。模块也可以是teg珀尔帖/热电堆220。
[0075]
在图3(a)中，展示了正热梯度330的流程图300。可以在awsn内配置正热梯度330。还展示了冷区310、320。从正热梯度330提取电力。来自目标应用的热通过安装金属托架流向热板，然后流向冷板。此外，来自冷板的热流向散热器，然后流向环境。随着热流向模块的不同部分，在teg模块上建立了正热梯度330。因此，正热梯度330将通过teg模块换能器等转换为电能。所生成的电能将耦合到awsn内的电子电路以供收集并为awsn内的传感器和其他外围设备供电。
[0076]
参考图3(b)，展示了负热梯度350。示出了热区355、360和冷区370。然后从负热梯度350提取或获取电力。在这种情况下，来自环境的热流向散热器，并且然后流向热板、冷板，并且然后流向awsn 100内的其他teg元件/模块。冷板中的热也流向目标应用或另一散热器。随着热流向不同部分，建立了负热梯度350。此外，与正热梯度330一样，负热梯度350将通过teg模块换能器等转换为电能。此外，所生成的电能被收集并且提供给awsn内的模块和传感器。
[0077]
在图4(a)中，展示了可配置在awsn内的压电能量(peg)收集装置400。peg收集装置400包括小齿轮410，调整螺钉415，悬臂底座420，齿条(齿轮)425，辊梁支撑组件430，辊(1,2)432、435，压电梁440和质量件445。
[0078]
关于图4(a)，peg收集装置400的一端上的压电梁440附接到悬臂底座420。悬臂梁的自由端附有质量件445。辊梁支撑组件430调谐振动频率以优化awsn 100的能量生成。辊1 432和辊2 435也形成悬臂梁的支撑件。辊铰接件附有齿条(齿轮)425和小齿轮410，以使辊1 432和辊2 435来回移动。手动地来回移动的辊1 432和辊2 435可使压电梁440能够调谐到共振频率。将压电梁440调谐到共振频率可允许获得最大能量。
[0079]
图4(b)示出了逆时针的频率调谐小齿轮螺钉布置450。频率调谐小齿轮螺钉布置450包括辊1 454和辊2 456。还示出了齿条458、逆时针小齿轮460和振动轴452。
[0080]
在图4(b)中，频率调谐小齿轮螺钉布置450逆时针旋转以生成最大能量。然后，收集所生成的能量并将其分配到awsn内的各种模块。
[0081]
图4(c)示出了顺时针的频率调谐小齿轮螺钉布置470。频率调谐小齿轮螺钉布置470包括辊1 474、辊2 476、齿条478，以及顺时针的小齿轮480和振动轴472。频率调谐小齿轮螺钉布置470顺时针旋转，以生成最大能量。收集所生成的能量，以提供给awsn内的模块。
[0082]
图5展示了awsn 100内的逻辑功率电平转变。示出了活动功率状态520、不具有开关的低功率状态530和具有开关的增强的低功率状态540。还示出了活动功率状态520、低功率状态530和增强的低功率状态540之间的功率电平转变510。
[0083]
在图5中，避免了不可预见的节能问题。低能量或低功率状态530被降低到开路状态。在开路状态中，加载子系统与存储模块隔离。因此，低功率状态530通过开关切换到增强的低功率状态。能量存储装置与消费者断开。微微安培开关与低功率系统设计配置的组合有助于实现低功率状态。因此，降低的低功率状态或增强的低功率状态540有助于大的操作能量裕度节省。因此，不具有开关的低功率状态530转换到具有开关的增强的低功率状态540，从而有助于大幅度的操作能量裕度和节省。许多格式具有倾向于活动功率状态520中的能耗优化而忽略低功率状态530中的可能优化的设计选择。所提出的公式扩展了设计空间能量范围：
[0084]
iii.所提出的方法
[0085]
∑i
switch
＜＜∑i
sleep
[0086]
公式1系统电流总和
[0087]
在图5中，低静态电流开关中左侧上的求和(i_switch)实现了增强的低功率状态540的设计。求和的右侧(i_sleep)指示在低功率状态530下没有功率开关方案的电流消耗的总和。根据上文所示策略的awsn的设计提供了能量效率裕度的显著增加，并且防止了超过最小可行存储能量容量的过度补偿。
[0088]
图6描绘了拓扑系统600。拓扑系统600包括事件链接拓扑610、加载子系统n 615、加载子系统1620、加载子系统2625、加载子系统3630、加载开关控制640和星形拓扑650。awsn可采用许多潜在的切换拓扑。方便的组件可以是单个控制开关或负载开关控制640，它们基于适当的决策将awsn 100内的所有能量请求路由到诸如星形拓扑650中的每个子系统(615，620，625，630)的直接链路开关。
[0089]
然而，在图6中，有效的替代方案是链接每个子系统(615，620，625，630)以诸如在事件链接拓扑610中将能量作为协调事件传播。来自主系统控制器或加载开关控制640的检查点可以在加载开关控制640在最小可能功率状态下操作的情况下产生。事件链接拓扑610是在减少控制开销和上下文切换进程方面最有效的拓扑。然而，单个链路灾难可能影响整个命令序列。返回参考星形拓扑650，建立独立的能量请求路径允许高粒度级别的功率管理。可以适应事件链接拓扑610和星形拓扑650的混合。基于混合，新的补充布置建议基于与相对分组相关的主要目标对各个加载子系统(615，620，625，630)进行逻辑分组。星形拓扑650和事件链接610混合可以用于上文所示的awsn实施方案。
[0090]
关于图7，示出了无线感测系统700。无线感测系统700示出了传感器710、无线电720、闪存730和cpu 740的图示。在图示中示出了活动功率状态750，其中感测、cpu、通信和存储分别与传感器710、cpu 740、无线电720和闪存730相关联。还示出了较低的功率状态760。与通用计算系统相比，无线感测系统700在每个比较维度上都被限制在必要的支持任务所需的水平，这些必要的支持任务共同工作以实现共同目标。无线感测系统700可以组合相对于预定时序标准同步或相对于偶发事件异步的任务。任务执行可以从活动功率状态750进入低功率状态760。
[0091]
在图7中，关于活动功率状态750，每个任务从可用容量请求某些能量单位。聚合能
量可以被定义为活动状态中的操作电压和灌电流(current sink)与持续时间的乘积的总和。聚合能量可以在下式中描述：
[0092][0093]
公式2能量消耗式
[0094]
i＝灌电流(安培) v＝电压(伏特) t＝时间(秒)
[0095]
m＝任务计数
[0096]
e＝消耗的能量(焦耳)
[0097]
在图7中，还可以扩展聚合能量的推导以测量每个任务的低功率状态760能量消耗。每个编程模型都经过精心设计，以优化能量损耗模式，从而实现特定的设计原理。低功率状态760中的能量消耗随着在相关联任务终止时提供能量隔离的功率开关拓扑以指数方式下降。为了维持可用能量与能量消耗的比率，由此针对每个特定任务调制能量函数的参数。任务的执行速率是主系统时钟速率的因子分解，主系统时钟速率具有表示为与操作时钟频率成比例汲取的电流的公因子的等效灌电流。频率越高，更快地执行任务所需的电流越大。因此，存在提供增强节能的方便方式的其他方面。例如，具有中间状态保留或延迟周期重复的间歇性任务在不牺牲操作目标下的可靠性的情况下提供高质量的节能。
[0098]
在图7中，随时间推移耗尽的能量比率表示原理，其中，增加时间有助于延长剩余容量的使用。同步系统将此描述为占空比，该占空比具有与能量消耗成比例的占空比值。占空比可以由以下公式表示：
[0099][0100]
t＝持续时间
[0101]
公式3占空比式
[0102]
图8展示了awsn可以是其中一部分的系统800。在系统800中，展示了awsn n 805、awsn 1810、awsn 2815、awsn 3820、awsn 4825、awsn 5830和awsn 6832。每个awsn可以与网关835、上行链路840和云845交互。还示出了桌面用户850和移动用户860。awsn的805-832安装在感兴趣的不同的感测位置处。awsn的805-832采集数据并生成它们自己的电力。awsn的805-832中的每个awsn都是自供电的，并为它们的内部模块收集能量，如前面的图中所描述。每个awsn 805-832通过网关835经由无线或有线通信将数据传递到云845。awsn的805-832通过算法执行边缘推断，并将推断的数据传递到云845。awsn的805-832使用人工智能和机器学习技术执行高级边缘推断，并将结果传递到云845。
[0103]
在图9中，更详细地展示了awsn 100的内部框图。展示了收集区段910。收集区段910可包括基于旋转的电磁收集、基于静电的能量收集、基于摩擦电的能量收集、基于静电的能量收集、基于rf的能量收集、基于光伏的能量收集、基于热电的能量收集、基于振动的压电能量收集和基于振动的电磁能收集。收集区段910连同诸如超级电容器或可充电电池920的存储元件连接到能量调节器。传感器区段930也配置在awsn内。传感器区段930包括电磁场传感器、电场传感器、3轴磁场传感器、1轴磁力计、3轴振动传感器-加速度计、陀螺仪、
光传感器、颜色传感器、超声波传感器、声学传感器、湿度传感器、温度传感器和压力传感器。
[0104]
参考图9，传感器区段930连接到微控制器940。微控制器940连接到传感器区段950。传感器区段950包括异丁烷气体传感器、丙烷气体传感器、甲烷气体传感器、乙醇气体传感器、氢气传感器和氨气体传感器。另外，传感器区段950包括二氧化氮气体传感器、一氧化碳气体传感器、室内空气质量传感器、飞行时间传感器、线性位置传感器、ir反射传感器和热图像传感器。
[0105]
图10展示了本发明的流程图1000。在1010处，展示了能量收集技术。上文在图1至图4(c)中描述了各种能量收集技术。可用于本发明的各种能量收集技术包括电磁、压电、热电发电、摩擦电、光伏和射频收集。
[0106]
在图10中，在1020处，描述了能量提取和存储缓冲器。可在基于图1(a)至图4(c)中描述的方法生成能量之后发生能量提取。能量产量将包括使用能量收集技术来补充存储元件的高效发电机制。关于超级电容器，使用上文提到的能量收集技术中的一种能量收集技术为存储元件补充所收集的能量。存储元件中缓冲的能量在活动状态期间被子系统消耗。
[0107]
参考图10，在1025处，展示了能量管理。能量管理包括能量监督和预测两者。通过能量监督，执行功率状态的转变控制序列和存储模块能量状态计算。另外，基于能量函数参数和占空比时间段优化来执行加载子模块的功率分布管理。预测包括加载子模块的存储能量消耗行为预测。此外，预测功能包括存储元件能量恢复和消耗行为表征和预测。
[0108]
在图10中，在1030处，发生同步和异步任务激活。可以在上文描述的能量管理之后或同时发生同步和异步任务激活。发生定期和偶发类型的激活任务成本函数计算。此外，对应于存储能量状态更新任务能量消耗。通过子模块监督，与能量消耗分布相关地执行加载子系统的电气故障识别。另外，还根据存储能量状态和功率需求分布执行加载子系统的激活决策。
[0109]
参考图10，在1035处，描述了传感器数据生成。感知维度包括多维数据源。数据源包括温度、压力、湿度、陀螺仪、加速度计、声学、亮度和颜色。数据源还包括空气质量、转速计信息、气体、磁场信息、电场信息、电磁场信息、电压和电流。自适应配置包括使用通过能量需求适应的配置进行的传感器性能定制。
[0110]
在图10中，在1040处，数据持久性包括在具有较低数据持久性能量成本的子模块上缓冲的传感器数据。通信包括原始数据缩减。原始数据缩减发生在相应子模块的源处，并在具有最短能量路径的子模块之间共享。不同的数据链路模态包括蓝牙ble、lora、wi-fi、5g和nb-iot。进程包括通过本地化统计建模和机器学习进行智能重新参数化的数据转换。基于更高阶复杂性的人工智能，使用信息衍生在云中发生数据聚合。
[0111]
本领域的技术人员将了解，示例性实施方案是非穷举性的，并且在不脱离本发明所公开的实施方案的范围和实质的情况下，可包括除本文所述的实施方案之外的实施方案。
[0112]
优点
[0113]
上文描述的awsn与当前技术不同。awsn通过能量收集技术自供电。通过上文在图1(a)至图4(c)中描述的一个或多个实施方案，能量由awsn自生成。能量可以通过热电发电、电磁发电和压电发电自生成。
[0114]
大多数iot设备是电池供电的，并且iot设备中的电池更换可能是一项巨大的维护工作。awsn不需要人力来维护和更换电池。能量收集技术消除了与更换或维护iot设备中的电池相关联的大量人力和其他维护成本的需要。
[0115]
总之，awsn可以通过多种方式从能源自生成其自身的电力，从而消除对电池维护和更换的需要。此外，awsn可使用热电能量收集、压电能量收集和电磁能收集将所生成的能量提供给awsn内的模块。通过将低能量状态降低到开路状态避免了不可预见的缺陷。此外，通过awsn使用星形拓扑、事件链接拓扑、能源功能监督和同步占空比，可以优化功率并增强节能效果。另外，基于由上文描述的方法生成的能量，对awsn内的模块和子模块进行能量管理。
[0116]
结论
[0117]
本文提及的所有的参考文献，包括所授予的专利和专利申请公布，全文以引用方式并入本文。
[0118]
除非另有明确说明，否则本说明书中公开的所有特征(包括任何随附的摘要和附图)可以由用于相同、等效或类似目的的替代特征替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列等效或类似特征的一个示例。
[0119]
上文通过说明的方式描述了本发明的各个方面，并且所公开的具体实施方案并不旨在将本发明限制为所公开的特定形式。其所提供的系统的特定具体实施可根据特定上下文或应用而变化。因此，本发明将覆盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。还应理解，并非前述说明书中公开的所有实施方案都必然满足或实现前述说明书中描述的目的、优点或改进中的每个目的、优点或改进。
[0120]
以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等效旨在包括用于与如具体要求保护的其他要求保护的元件组合执行功能的任何结构、材料或动作。