CN1735847A - 无线通信 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器单元(1)，这种传感器单元具有获取测量信号(9)的测量信号接收器(4)、用于数字化测量信号(9)的A/D转换器(5)、用于到环境设备(2)的无线数据传输的收发器设备(6)以及处理器(7)。处理器(7)是一个控制处理器，用于启动测量信号接收器、A/D转换器以及收发器设备。数字化的测量信号(9)通过收发器设备(6)直接传输到环境设备(2)，而在传感器(1)中不进行复杂的、功能集中并且因而代价昂贵的分析。

Description

无线通信

技术领域

本发明涉及具有获取测量信号的测量信号接收器、连接到测量信号接收器、用于数字化所获取的测量信号的A/D转换器和用于到和/或来自环境设备的无线数据传输的无线收发器设备的传感器单元。所述组件用处理器来控制。此外，本发明涉及包括多个上述类型的传感器单元以及环境设备的数据通信系统。此外，本发明还涉及用于使用至少一个上述类型的传感器单元的无线通信(包括收发器操作)的、并且其中集成了分析单元或者其可以耦合到分析单元的环境设备。

背景技术

传感器在广泛的技术环境中被使用。因此，例如特别是在自动化和加工技术中，传感器目前被用于测量诸如液位、压力、温度等过程参数。执行器，例如阀门、加热元件或其他类似装置用于改变过程参数。根据相关的技术，由传感器确定的测量值由过程控制系统进行分析，并且启动执行器以便该过程能够在预定的过程窗口中运行。由于传感器通常分布在空间上的间距很大的、制造装置的点上，所以传感器与过程控制系统以及与控制和显示单元之间的有线通信连接通常需要高昂的成本支出。

因此，已经尝试例如基于蓝牙标准以无线的方式实现传感器与过程控制系统以及与控制和显示单元的通信。

DE 100 32 774 A1描述了这样一种系统，在系统中，为了过程自动化，现场设备以无线方式连接到用于数据输入和显示的控制及显示单元。根据这个公开，该控制及显示单元被实现为独立便携式单元。而且，该公开公布了无线连接是根据蓝牙标准来制造的。根据上述DE100 32 774 A1的一个实施例，过程装置的现场设备全部以无线方式连接到一个汇合点上，这个汇合点通过数据总线链接到过程控制系统。这样，现场设备将当前的测量值无线地传输到过程控制系统，过程控制系统随后根据测量值启动不同的执行器。

从DE 199 33 814 A1中已知一种用于机器上多个传感器及/或执行器的无线信息传输系统。这个已知的系统包括多个用户，例如传感器或执行器，以及基站。基站优选地发射根据DSSS方法产生的宽带高频信号。用户位于与基站的不同距离处。用户根据SDMA方法对接收到的高频信号进行编码、调制，并且把信号反射回基站。信号相关和解调是在基站中实现的。

从相关技术领域中已知的现场设备或传感器单元的缺点在于，每个传感器单元配置有处理器，这个处理器必须承担控制测量信号接收器、A/D转换器及接口的任务，而且也要处理测量信号。可以承担这些任务的处理器的提供及运行成本是昂贵的。

发明内容

根据本发明的第一个方面，根据本发明的传感器单元包括测量信号接收器，这个信号接收器用于获取测量信号。A/D转换器连接到该测量信号接收器上，它用于将所获取的测量信号数字化。到环境设备的无线数据通信是使用收发器设备来实现的，这个收发器设备连接到A/D转换器。传感器单元中配置有处理器，处理器以这样的一种方式来启动测量信号接收器、A/D转换器以及收发器设备，使得所获取的测量信号被数字化，随后直接通过收发器设备被无线传输到环境设备上。根据第一示例性可选方案，这个传输设备具有分析单元，这个分析单元将数字化的测量信号进一步处理为测量值。第二可选方案是，分析单元耦合到环境设备上，但不是环境设备的集成部件。

本发明是基于这样一种观点的，即提供一种制造和运行经济的传感器单元。特别地，尽管要运行收发器设备，但是通过“外购”对来自传感器单元的测量信号的分析，低功率的供电电源就足以给传感器供电。特别地，根据本发明的示例性实施例，电源也可以通过4-20mA的两线回路来提供。正如已经指出的那样，根据本发明，数字化的测量信号直接，即在A/D转换后没有信号处理，通过收发器设备传输给环境设备。因此，根据相关技术已知的传感器单元的功能强大的、承担控制和信号处理任务的处理器可以由更小、功能没有那么强大、并因而更经济的处理器所取代，其特别地需要更低的规律，只承担控制任务。

对从传感器单元接收到的测量信号的信号处理是在分析单元中通过功能强大的信号处理处理器来执行的，分析单元位于中央环境设备中或者是连接到中心环境设备上。在讨论信号处理处理器的时候，这当然指除了信号处理之外也可以承担控制任务的处理器。此外，也可以想到，环境设备具有单独的控制处理器和单独的信号处理处理器。结果，环境设备的这样一个分析单元因此可以承担多个传感器单元的信号处理。在这种情况下，每一个单独的传感器单元只装备有简单经济的控制处理器，、分析单元具有复杂的并且功能强大的信号处理处理器。

总而言之，通过使用功能不太强大的控制处理器，传感器单元的制造成本及其运行筹备可以被减少，例如因为这些处理器的低功耗。本发明的另外一个优点是，使用这种装置，可以更好地利用可用的计算时间。由于传感器的不同时间周期，在已经集成了信号处理的传感器单元中存在空闲时间，即其中不需要计算能力用于数据处理或控制的时间。如果信号处理由单个分析单元承担，则可以根据不同传感器单元的不同周期时间要求改变用于信号分析的处理器功率，使得因此使用几乎所有可用的完整处理器功率。

在本发明的示例性实施例中，测量信号接收器、A/D转换器以及收发器单元分别具有数据输入端、数据输出端以及控制输入端。为此，A/D转换器的数据输入端连接到测量信号接收器的数据输出端上，并且收发器单元的数据输入端连接到A/D转换器的数据输出端上。此外，收发器单元通过其数据输出端与环境设备交换数据。另外，处理器通过每一个控制输入端影响测量信号接收器、A/D转换器以及收发器设备。

为此，需要额外注意的是，例如，也可能通过环境设备传输配置数据或者类似数据到传感器单元上。因此，纯传输设备以及收发器设备在这里都将被包含在“收发器设备”中。

根据另一个示例性实施例，传感器单元是液位传感器，例如用这个传感器可以检测容器中液体的液位。

根据另一个示例性实施例，液位传感器的测量信号接收器发送和接收雷达信号、超声波信号或者例如在导线上定向的微波信号。使用定向的微波信号所具有的优点是可以局部地测量容器液位。

根据另一个示例性实施例，测量信号是传播时间信号，分析在发射参考信号与接收从液体表面反射回来的一个或多个信号之间的传播时间。

在另一个示例性实施例中，在传感器单元以及具有分析单元的环境设备之间进行双向数据传输。因此，可以想到从传感器单元到环境设备的测量信号流以及从环境设备到传感器单元的数据流，例如控制命令的形式。

根据另一个特别优选的实施例，传感器单元和具有分析单元的环境设备之间数据的无线传输是根据WLAN标准或者具有多个子标准，例如蓝牙、HiperLAN2标准、DECT、GSM标准、或UMTS标准的无线个人区域网标准来实现的。本文中将以蓝牙技术为例进行讨论。蓝牙技术是一个用于数据和语音无线传输的开放性规范。它是基于一种可以在一块微芯片上实现、并且允许固定终端和移动终端之间可靠的自组织(ad hoc)连接的、经济的短波技术。蓝牙技术是在广阔的应用平台上，是由Ericsson、Intel、Nokia、IBM和Toshiba在1998年建立为标准的。

在另一个示例性实施例中，在具有分析单元的环境设备与过程控制系统之间进行双向数据传输。因此，例如，可一想到，具有分析单元的环境设备无线地或者通过导线连接到过程控制系统。特别地，具有控制单元的环境设备到过程控制系统的无线连接使得整个系统特别灵活的设计变为可能。

在本发明的另一个实施例中，在具有分析单元的环境设备与过程控制系统之间进行双向数据传输，具有分析单元的环境设备将产生的测量值发送给过程控制系统，并且具有分析单元的环境设备从过程控制系统接收控制命令。

根据另一个示例性实施例，具有分析单元的环境设备是移动设备。为此，例如，可以想到，具有分析单元的环境设备被集成到便携式计算机(膝上型电脑)或者PDA中。

根据另一个示例性实施例，传感器单元无线地连接到另一个环境设备，这个另一个环境设备包括控制和显示单元。通过传感器单元与具有控制和显示单元的环境设备之间连接的无线实现，节省了两个设备之间复杂的，成本高昂的布线。此外，由于具有控制和显示单元的环境设备是移动设备，例如便携式计算机，所以操作人员可以在不同的位置具有影响。这意味着，操作人员可以与传感器单元的位置无关地移动，并通过具有控制和显示单元的环境设备从传感器加载数据及参数，并且显示和发送它们。

根据另一个示例性实施例，具有控制和显示单元的环境设备与具有分析单元的环境设备彼此无线地连接。

在另一个示例性实施例中，在具有控制和显示单元的环境设备与具有分析单元的环境设备之间进行双向数据传输。因而，例如，可以想到，从环境设备(例如具有控制和显示单元)发送到传感器单元的参数数据也被发送到具有分析单元的环境设备，具有分析单元的环境设备根据来自过程控制系统的控制命令对参数数据进行优化和修改。这样得到的优化的参数数据随后通过具有分析单元的环境设备中继到具有控制和显示单元的环境设备。

具有分析单元的环境设备和具有操作和显示单元的环境设备之间的连接所提供的另外一个可能性是，具有控制和显示单元的环境设备可以以这样一种方式影响具有分析单元的环境设备，使得可以改变、测试和优化在信号处理过程中所使用的算法。

在本发明的另一个示例性实施例中，传感器单元具有另一个收发器设备，这个收发器设备与具有控制和显示单元的环境设备通信。通过这个特征，在传感器单元与具有分析单元的环境设备以及与具有控制和显示单元的环境设备通信的每一种情况中，独立的收发器设备是可用的。

与传感器单元和具有分析单元的环境设备之间的数据无线传输相类似，传感器单元与具有控制和显示单元的环境设备之间的数据无线传输以及/或者具有控制和显示单元的环境设备与具有分析单元的环境设备之间的无线数据传输也是可取的，如果这个传输是根据上述的标准之一发生的。

在本发明的另一个示例性实施例中，分析单元以及控制和显示单元被集成进一个环境设备中。通过将不同的元件集成到一个设备中可以实现成本的减少。

此外，包括多个传感器单元，如上文所说明的，以及具有分析单元的环境设备的数据通信系统也将被置于保护之下。从而，多个传感器单元可以相互独立地被启动，并且/或者从这些传感器单元接收到的测量信号可以通过这个数据通信系统被传输到具有分析单元的环境设备上。在具有分析单元的环境设备中，传感器单元的不同测量信号在信号处理过程中被分析单元进一步处理成测量值。产生的测量值被发送给过程控制系统，比如，这个过程控制系统基于这些测量值控制生产装置的制造过程的整个工序。

在另一个实施例中，数据通信系统也包括具有控制和显示单元的环境设备。因此，使用具有控制和显示单元的环境设备，可以独立地影响不同的传感器单元，而这些传感器单元不通过导线连接到控制和显示单元。

根据本发明的另一个方面，本发明也涉及一种环境设备，这种环境设备包括用于实现与至少一个上述类型的传感器设备的无线通信的收发器设备。此外，该环境设备包括分析单元，在这个分析单元中，从传感器无线地接收到的测量信号被分析，并且最终数值，这个数值产生代表被传感器测量到的测量值，并且可以被中继到例如显示单元或甚至控制站。这个计算得到的测量值随后被用于过程控制或显示(诸如液位、温度、压力、流量等)。作为本发明这个示例性实施例的可选方案，环境设备不配备有分析单元，但是可以连接到或者耦合到外部分析单元。

附图说明

接下来，为了更好地了解和解释本发明，将参考附图对本发明的示例性实施例进行更为详细的描述。

附图1表示依据本发明的传感器单元的方框图，这个传感器单元包括具有分析单元的环境设备和具有控制和显示单元的环境设备，

附图2表示依据本发明的数据通信系统的方框图，

附图3表示对于蓝牙作为用于依据本发明的传感器和控制单元的WAP传输系统的协同能力要求的示意性流程图，

附图4表示用于依据本发明的传感器的离线和在线运行的示意性流程图，以及

附图5表示依据本发明的具有一个或多个环境设备的多个传感器A、B和C的示意框图。

具体实施方式

附图1a表示依据本发明的传感器单元1，这个传感器单元以无线方式连接到具有分析单元18的环境设备2和具有控制和显示单元26、27的环境设备3上。传感器单元1包括用于获取测量信号9的测量信号接收器4、用于数字化测量信号9的A/D转换器5以及用于传感器单元1和环境设备2和3之间无线数据传输的收发器设备6。此外，该传感器单元1具有控制处理器7，用于控制测量信号接收器4、A/D转换器5、以及收发器设备6。测量工序所必需的参数以及校准数据被存储在存储器8中。控制处理器7直接影响存储器8，并且从存储器8中调用参数和校准数据，以及/或者把参数和校准数据写入存储器8中。

在本示例性实施例中，传感器单元1是液位传感器。为此，液位传感器1的测量信号接收器4通过数据输入端31发送和接收雷达信号、超声波信号或者定向的微波信号，这些信号通常被称为测量信号9。例如，为此，在测量信号接收器4中，测量信号9可以从超声波信号转换到电信号。随后，测量信号9通过测量信号接收器4的数据输出端10输出，并由A/D转换器5的数据输入端接收，并且在A/D转换器中被数字化。随后，数字化的测量信号12通过A/D转换器5的数据输出端13输出，并由收发器设备6的数据输入端14接收。收发器设备6把数字化的测量信号12转换成无线电信号15并且通过数据输出端30输出这个无线电信号15。这个无线电信号15被具有分析单元18的环境设备2的收发器设备16接收。收发器设备16重新把无线电信号15转换成数字化的测量信号17，这个数字化的测量信号17随后在分析单元18中被进一步处理成测量值19。这个测量值19被分析单元18通过可能的其他站输出到过程控制系统20，这些站在本文中将不作讨论。这个过程控制系统20通过具有分析单元18的环境设备2从不同的传感器单元接收测量值19(在附图1a中，只有传感器单元1的测量值19被表示出来)。这些不同的测量值在过程控制系统中被进一步处理，即过程控制系统20基于这些不同的测量值19调节执行器29、29’、29”的启动，从而影响生产装置的过程与控制。

测量值接收器4的测量流程的控制以及模数转换器5的模拟信号转换，还有收发器设备6的启动都由控制处理器7来承担。为此，控制处理器7连接到测量信号接收器4、A/D转换器5以及收发器设备6的控制输入端21、22和23上。由于控制处理器7只承担测量信号接收器4、A/D转换器5以及收发器设备6的启动，而不承担测量信号9和/或12的分析，所以与信号分析处理器28相比，对控制处理器7的性能没有很高的要求。这一点导致的结果是经济地提供和运行控制处理器7。

为了在传感器单元1和具有控制和显示单元26、27的环境设备3之间交换用于控制测量流程的校准数据和参数数据以及运行状态数据，具有控制和显示单元26、27的环境设备3具有收发器设备24。收发器设备24例如通过蓝牙标准与传感器单元1的收发器设备6进行无线通信。通过这种方式，状态和参数数据25在传感器单元1和具有控制和显示单元26、27的环境设备3之间传输。

为了优化信号处理，即根据信号处理的结果来改善、检验以及优化信号处理算法的参数，在具有控制和显示单元26、27的环境设备3和具有分析单元18的环境设备2之间进行控制数据32的无线双向交换。通过这种方式，确保了可以在信号处理过程中使用具有控制和显示单元26、27的环境设备3来影响信号处理。控制数据32的交换是经由具有控制和显示单元26、27的环境设备3的收发器设备24和由具有分析单元18的环境设备2的收发器设备16发送的。

附图1b与附图1a基本上具有相同的特征，不同点在于，阐明了这样一个实施例中，其中分析单元18以及控制和显示单元26、27被集成到一个环境设备33中。环境设备33也具有收发器设备34，这个收发器设备以无线电信号的形式与传感器单元1的收发器设备6交换未分析的测量信号15以及状态和参数数据25。此外，在控制和显示单元26、27和分析单元18之间交换有线连接的控制数据35。

附图2表示一种数据通信系统，这种数据通信系统包括三个传感器单元1、1’和1”，每个传感器单元无线地连接到具有分析单元18的环境设备2以及具有控制和显示单元的环境设备3。在本示例性实施例中，无线数据传输是依照蓝牙标准由环境设备2、3来实现的。每个传感器单元1、1’和1”发射无线电信号15、15’、15”。为此，由于在具有分析单元18的环境设备2中进行分析和信号处理，所以无线电信号15、15’和15”包含传感器单元1、1’和1”的未分析测量信号。具有分析单元的环境设备2把在其分析设备18中产生的测量值19、19’、19”发送给过程控制系统20，过程控制系统根据这些测量值向执行器29、29’、29”(以及传感器)发送控制命令。

传感器单元1、1’和1”的参数化和状态查询是通过状态及参数数据25、25’和25”来实现的，这些数据在传感器单元1、1’和1”以及具有控制和显示单元26、27的环境设备3之间交换。

附图3以示意性和简化的形式表示了当主动设备是控制单元的时候，具有和没有传感器选择的控制单元中的基本流程。此外，这里还表示了使用依据本发明的传感器作为主动设备的情况。这里描述的流程涉及在使用蓝牙作为依据本发明的传感器和依据本发明的传输设备之间的WAP传输方式时的协同能力要求。

附图4阐述了当使用蓝牙时，用于依据本发明的传感器和依据本发明的环境设备之间通信的同步概况。附图4分为在线运行和离线运行。对于进一步的细节，直接参考附图4和图中所示的流程图。

最后，附图5示意性地表示了不同传感器A、B和C以及依据本发明的环境设备之间通信的方框图。因而从图中显然可知，例如，传感器A与环境设备通信，而且根据对被传送的测量信号的分析，在这个环境设备上进行显示。反之亦然，传感器A也可以通过设置在环境设备中的操作设备来操作。

在可选实施例中，传感器B或C执行测量信号，例如通过蓝牙到环境设备的短程传输。然后，这个环境设备通过调制解调器长距离地将数据发送到连接到显示器的另一个调制解调器。可能在环境设备上执行分析，或者在测量信号的长距离传输之后首先在分析单元中执行分析。然后，测量值只被相应地显示在过程控制器上以及/或者被发送到过程控制器。

附图标记列表

1、传感器单元；

2、具有分析单元的环境设备；

3、具有控制和显示单元的环境设备；

4、测量信号接收器；

5、A/D转换器；

6、收发器设备；

7、控制处理器；

8、存储器；

9、模拟的测量信号；

10、数据输出端(测量信号接收器)；

11、数据输入端(A/D转换器)；

12、数字化的测量信号；

13、数据输出端(A/D转换器)；

14、数据输入端(收发器设备)；

15、无线电信号(例如，未分析的测量信号)；

16、收发器设备(具有分析单元的环境设备)；

17、数字化的测量信号；

18、分析单元；

19、测量值；

20、过程控制系统；

21、控制输入端(测量信号接收器)；

22、控制输入端(A/D转换器)；

23、控制输入端(收发器设备)；

24、收发器设备(具有控制和显示单元的环境设备)；

25、无线电信号(状态和参数数据)；

26、操作设备；

27、显示设备；

28、分析处理器；

29、执行器；

30、数据输出端(收发器设备)；

31、数据输入端(测量信号接收器)；

32、无线电信号(控制数据)；

33、具有分析单元、控制和显示单元的环境设备；

34、收发器设备(具有分析单元、控制和显示单元的环境设备)；

35、有线信号(控制数据)；

Claims (23)

1、一种传感器单元，包含

测量信号接收器，用于获取测量信号；

A/D转换器，用于数字化所述测量信号；

收发器设备，用于到环境设备的无线数据传输；以及

处理器，用于启动所述测量信号接收器、所述A/D转换器以及所述收发器设备，并且数字化所述测量信号，随后通过所述收发器设备直接发送到所述环境设备，其中所述环境设备连接到将所述测量信号进一步处理成测量值的分析单元。

2、根据权利要求1所述的传感器单元，

其中所述测量信号接收器、所述A/D转换器以及所述收发器设备分别具有数据输入端、数据输出端以及控制输入端，所述A/D转换器的数据输入端连接到所述测量信号接收器的数据输出端上，并且所述收发器设备的数据输入端连接到所述A/D转换器的数据输出端上，所述收发器设备通过其数据输出端与所述环境设备交换数据，并且所述处理器通过每一个所述控制输入端影响所述测量信号接收器、所述A/D转换器以及所述收发器设备。

3、根据权利要求1或2所述的传感器单元，

其中所述传感器单元是液位传感器。

4、根据权利要求3所述的传感器单元，

其中所述液位传感器的测量信号接收器发送和接收雷达信号、超声波信号或者定向的微波信号。

5、根据权利要求1到4其中一个所述的传感器，

其中所述测量信号是传播时间信号。

6、根据权利要求1到5中任一项所述的传感器单元，

其中所述传感器单元和所述具有分析单元的环境设备之间的数据无线传输是根据WLAN(IEEE802.11)标准实现的，例如54MbpsWLAN(IEEE802.11g)标准、或具有多个子标准，例如蓝牙、HiperLAN2标准、DECT标准、GSM标准或UMTS标准，的无线个人区域网标准(IEEE802.15)。

7、根据权利要求1到5中任一项所述的传感器单元，

其中在所述传感器单元和所述具有分析单元的环境设备之间进行双向数据传输。

8、根据权利要求1到7中任一项所述的传感器单元，

其中所述具有分析单元的环境设备连接到过程控制系统。

9、根据权利要求8所述的传感器单元，

其中所述具有分析单元的环境设备无线地连接到所述过程控制系统。

10、根据权利要求8或9所述的传感器单元，

其中在所述具有分析单元的环境设备和所述过程控制系统之间进行双线数据传输。

11、根据权利要求8到10中任一项所述的传感器单元，

其中所述具有分析单元的环境设备是移动设备。

12、根据权利要求1到11中任一项所述的传感器单元，

其中所述传感器单元无线地连接到另一环境设备，所述另一环境设备包括控制和显示单元。

13、根据权利要求12所述的传感器单元，

其中所述具有控制和显示单元的环境设备是移动设备。

14、根据权利要求12或13所述的传感器单元，

其中所述具有分析单元的环境设备无线地连接到所述具有控制和显示单元的环境设备上。

15、根据权利要求12到14中任一项所述的传感器单元，

其中在所述具有控制和显示单元的环境设备以及所述具有分析单元的环境设备之间进行双向数据传输。

16、根据权利要求12到15中任一项所述的传感器单元，

其中所述传感器单元具有另一收发器设备，用于与所述具有控制和显示单元的环境设备通信。

17、根据权利要求12到16中任一项所述的传感器单元，

其中所述传感器单元和所述具有控制和显示单元的环境设备之间的数据无线传输以及/或者所述具有分析单元的环境设备和所述具有控制和显示单元的环境设备之间的数据无线传输是根据WLAN(IEEE802.11)标准实现的，例如54Mbps WLAN(IEEE802.11g)标准、或具有多个子标准，例如蓝牙、HiperLAN2标准、DECT标准、GSM标准或UMTS标准，的无线个人区域网标准(IEEE802.15)。

18、根据权利要求12到17中任一项所述的传感器单元，

其中所述传感器单元与所述具有控制和显示单元的环境设备交换参数及状态数据。

19、根据权利要求1到18中任一项所述的传感器单元，

其中所述分析单元和所述控制和显示单元被集成到一个环境设备中。

20、根据权利要求1到19中任一项所述的传感器单元，

其中在所述传感器单元上提供用于数据有线传输的接口。

21、一种数据通信系统，包括多个根据权利要求1到20中任一项的传感器单元以及与所述传感器单元无线通信的环境设备，所述环境设备耦合到分析单元。

22、根据权利要求21所述的数据通信系统，

其中所述数据通信系统包括具有控制和显示单元的环境设备。

23、一种环境设备，包括收发器设备，用于与至少一个根据权利要求1到20中任一项的传感器设备无线通信，所述分析单元被集成到所述环境设备中或者所述环境设备可连接到外部分析单元，所述分析单元将从传感器设备接收的数字测量信号进一步处理成测量值。

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