[发明专利]用于传感器节点的能量收集和控制

说明书

优先权的要求

在此要求Calhoun等人于2012年2月17日提交的题为“Battery-less Energy Harvesting Sensor Node SoC and Related Method thereof”的美国临时专利申请序列号61/600,467(代理人档案号01918-01)的优先权权益，在此通过引用将其全部内容(包括其标记有“附录A”至“附录H”的部分)合并于此。

背景技术

嵌入式系统可以用于各种各样的应用中，包括提供监视、传感、控制或安全功能。这样的嵌入式系统通常根据对尺寸、功耗或环境生存能力的相对严格的约束而被适配到指定的应用。

特别地，一种类型的嵌入式系统可以包括诸如用于感测或监视一个或多个生理参数的传感器节点。具有无线通信能力的传感器节点可被称为无线传感器节点(WSN)。相似地，位于对象的身体上、身体附近或身体内的传感器节点可被称为身体区域传感器节点(BASN)或身体传感器节点(BSN)。传感器节点可以向保健提供商提供重大益处，诸如允许对生理信息的连续监视、激励和记录，促进自动的或者远程的随访，或者在存在恶化的生理状态时提供一个或多个警告。使用传感器节点获得的生理信息可以被传输到其他系统，诸如用于帮助诊断、防止和响应诸如糖尿病、哮喘、心脏病或者其他疾病或病情的各种疾病。

例如，如果传感器节点包括诸如长期监视能力或可穿戴性的某些特征，则传感器节点可以向对象或保健提供者提供特别的值。由于医疗保健花费逐步上升或者由于更多的保健提供商尝试过渡到远程的患者随访和远距离医疗，因此传感器节点在无需维护、替换或手动充电的情况下的长使用寿命变得更加重要。相信通常可获得的传感器节点因为缺少扩展运算能力或可穿戴性而被排除在广泛使用之外。

例如，包括大的一次电池或可充电电池的传感器节点穿戴起来可能是不舒服的，并且具有较小电池的传感器节点由于患者或其他用户可能不遵守所要求的充电或替换时间间隔而仍是不合乎期望的。相似地，需要传导性数据传输接口的传感器节点通常是麻烦的，因为穿戴者或保健提供者必须手动地将通信接口线缆连接至节点，以向节点或从节点传输信息。无线通信电路可减少或消除对这样麻烦的有线接口的需要。但是，这样的无线电路可消耗大量的能量，从而使得有限的能量预算负担更重或限制通常可获得的传感器节点的工作寿命。

发明内容

诸如身体传感器节点(BSN)的传感器节点可以包括具有高集成度的各种系统功能的一个或多个半导体装置。这样的半导体装置可以被称为“片上系统”或SoC。SoC可以提供实现系统的所有主要功能的数字的或者混合的信号电路，诸如包括通用处理器电路、专用处理器电路、模拟信号调节电路、电源控制或转换器电路、电压或电流参考电路或功率管理电路中的一个或多个。

本发明人已经认识到，除了其他方面之外，可将超低功率(ULP)技术应用到被包括在传感器节点中的一个或多个电路。ULP技术可被用来实现被包括为传感器节点的一部分的SoC。例如，用于传感器节点的这样的SoC可以包括被配置用于阈下工作的一个或多个模拟或者数字部分。

替代阈下工作或除阈下工作外，可以使用其他技术，诸如用以禁用或暂停系统的指定部分的操作的功率或时钟选通，或者包括调整占空比、时钟频率(例如，时钟节流)或电源参数(例如，电源电压节流)以减小功耗。

本发明人还已认识到，可以使用从周围能量源的能量收集来显著增加传感器节点的可工作寿命。例如，可以使用热梯度或机械震动来获得这样的能量。与依赖电池的传感器节点相比，能量收集技术可以提供延长的可工作寿命。然而，为了提供持续的操作，能量收集传感器节点通常必须消耗比所收集的量更少的能量。

为此，本发明人还已经认识到，可使用功率管理处理器电路来以闭环的方式使能、禁用、节流或重新路由通过各系统部分的数据(诸如响应于所监视的条件)。例如，能量收集换能器所提供的能量的量可以随着时间变化。功率管理处理器电路可以监视指示由能量收集换能器提供的能量水平的信息。使用所监视的信息，功率管理电路可以在面对变化的输入能量时调节传感器节点的能量消耗水平，以提供传感器节点的连续的(例如，持续的)操作。

可以根据模式或水平(诸如使用三或四个水平的能量消耗方案或者其他方案)来指定能量消耗。传感器节点可以在这样的能量消耗水平之间切换以避免废止或重启。在重启的情况下，传感器节点可以在状态上恢复到指定工作模式，诸如重新开始监视、通信或者一个或多个其他功能。