DE102008034279B4

DE102008034279B4 - A method for energy self-sufficient operation of a device and a self-powered device with one or more photosensitive sensor elements

Info

Publication number: DE102008034279B4
Application number: DE102008034279A
Authority: DE
Inventors: Dr. Tonner Friedemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: DE102008034279A1

Abstract

Verfahren zum energieautarken Betrieb einer Vorrichtung (11) mit einem oder mehreren in einer Matrix angeordneten lichtempfindlichen Sensorelementen (14), die durch eine Kontrolleinrichtung (16) in eiteuert werden, wobei das oder die Sensorelemente (14) zeitversetzt zur Betriebsphase zur Erfassung von Signalen in eine Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie geschaltet werden und die gesammelte Energie in zumindest einem Energiespeicher (12) gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Inbetriebnahme der energieautarken Vorrichtung (11) eine Betriebsphase zur Inbetriebnahme der energieautarken Vorrichtung (11) eingeleitet wird, bei der ein einzelnes Sensorelement (14) geschaltet wirn (14) in Serie geschaltet werden, bis eine Betriebsspannung erreicht wird, bei der die Kontrolleinrichtung (16) der Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie angesteuert wird.Method for energy self-sufficient operation of a device (11) with one or more light-sensitive sensor elements (14) arranged in a matrix, which are controlled by a control device (16), the sensor element (s) (14) being shifted in time from the operating phase for detecting signals in an operating phase for receiving light energy is switched and the collected energy is stored in at least one energy store (12), characterized in that when the self-sufficient device (11) is started up, an operating phase for starting up the self-sufficient device (11) is initiated, in which an individual sensor element (14) are switched (14) in series until an operating voltage is reached at which the control device (16) of the operating phase is activated to absorb light energy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energieautarken Betrieb einer Vorrichtung mit einem oder mehreren in einer Matrix angeordneten lichtempfindlichen Sensorelementen, die durch eine Kontrolleinrichtung in einer Betriebsphase zur Erfassung von Signalen angesteuert werden sowie eine energieautarke Vorrichtung mit einem oder mehreren lichtempfindlichen Sensorelementen.The invention relates to a method for energy self-sufficient operation of a device having one or more light-sensitive sensor elements arranged in a matrix, which are controlled by a control device in an operating phase for detecting signals and an energy self-sufficient device with one or more photosensitive sensor elements.

Die US 2008/0055443 A1 beschreibt ein Verfahren für eine Energieversorgung einer Kamera, die eine Bildaufnahmevorrichtung mit einer Solarzelle umfasst. Die Bildaufnahmevorrichtung umfasst einen photoelektrischen Wandler zum Umwandeln von einfallendem Licht in ein entsprechendes elektrisches Ladungssignal sowie eine Solarzelle. Damit die Solarzelle elektrische Energie erzeugen kann, wird die Objektivabdeckung entfernt. Die von der Solarzelle erzeugte elektrische Leistung wird einer Bildaufnahmevorrichtung oder über eine Energieversorgung der Kamerabatterie zugeführt. Hierdurch kann die Größe einer Batterie und die Anzahl von möglichen Bildaufnahmen erhöht werden. Beim Einschalten der Kamera und Drücken des Auslösers erkennt eine Spannungserkennungssteuerung die Höhe einer Ausgangsspannung der Solarzelle der Bildaufnahmevorrichtung. Wenn die Spannung eine vorbestimmte Spannungshöhe überschreitet, veranlasst die Spannungserkennungssteuerung, dass die Solarzelle der Energieversorgung elektrische Energie zuführt. Wenn die Höhe der Ausgangsspannung unterhalb des vorbestimmten Spannungswerts liegt, liefert die Spannungserkennungssteuerung die elektrische Leistung nicht an die Energieversorgung, sondern dann beliefert die Energieversorgung Kamerakomponenten mit elektrischer Leistung aus der Batteriezelle.The US 2008/0055443 A1 describes a method for powering a camera comprising an image pickup device with a solar cell. The image pickup device includes a photoelectric converter for converting incident light into a corresponding electric charge signal and a solar cell. For the solar cell to generate electrical energy, the lens cover is removed. The electric power generated by the solar cell is supplied to an image pickup device or via a power supply of the camera battery. As a result, the size of a battery and the number of possible image recordings can be increased. When the camera is turned on and the shutter button is pressed, a voltage detection controller detects the level of an output voltage of the solar cell of the image pickup device. When the voltage exceeds a predetermined voltage level, the voltage detection controller causes the solar cell to supply electric power to the power supply. When the magnitude of the output voltage is below the predetermined voltage value, the voltage detection controller does not supply the electric power to the power supply, but then the power supply supplies camera components with electric power from the battery cell.

Die US 6,774,946 B1 beschreibt eine Kamera mit einem charge-coupled device (CCD) zur Bildaufnahme, wobei der Signalausgang des CCD auch zum Aufladen einer Kamerabatterie benutzt wird. Die von der Bildaufnahmeseite abgewandte Unterseite des CCD ist einem rückwärtigen Fenster der Kamera zugewandt. Beim Fotografieren wird das rückwärtige Fenster mittels einer Lichtschutzplatte abgedeckt. Zum Aufladen der Batterie wird die Lichtschutzplatte von der elektronischen Kamera abgenommen. Dann trifft Licht auf die Unterseite des CCD, das elektrische Ladungen sammelt. Wenn der von dem CCD gelieferte Ladungsstrom größer als der verbrauchte Strom ist, wird der Ladungsstrom dem Energieversorgungsschaltkreis zugeführt und die wiederaufladbare Batterie geladen. Wenn der verbrauchte Strom kleiner ist als der Ladungsstrom des CCD, wird das Laden gestoppt.The US 6,774,946 B1 describes a camera with a charge-coupled device (CCD) for image acquisition, wherein the signal output of the CCD is also used to charge a camera battery. The side facing away from the image pickup side underside of the CCD faces a rear window of the camera. When photographing the rear window is covered by a light shield. To charge the battery, the light shield plate is removed from the electronic camera. Then light hits the bottom of the CCD, which collects electrical charges. When the charge current supplied by the CCD is larger than the consumed current, the charge current is supplied to the power supply circuit and the rechargeable battery is charged. When the consumed current is smaller than the charge current of the CCD, charging is stopped.

Die DE 60 2005 003 497 T2 beschreibt eine mobile Vorrichtung, die einen Bildsensor aufweist, wobei die Zeitgeber-/Steuerungsschaltung die Pixel selektiv steuert, so dass mehrere Pixel gleichzeitig Strom für das Batterieladegerät bereitstellen.The DE 60 2005 003 497 T2 describes a mobile device having an image sensor, wherein the timing / control circuit selectively controls the pixels so that multiple pixels simultaneously provide power to the battery charger.

Die US 6,803,553 B1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Bildsensors mit wenigstens einem Fotoelement, das folgende Schritte umfasst: Erzeugen von Ladung mittels des Fotoelements und Verwenden wenigstens eines ersten Teils der Ladung, die mittels des Fotoelements einem anderen Schaltkreis zum Verringern eines Energieverbrauchs einer Energieversorgung zugeführt wird. Jeder Rücksetzschritt im Normalbetrieb und im Bereitschaftsmodus kann eine erste Phase aufweisen, in der wenigstens ein Teil der Ladung von dem Photoelement zu einer Kapazität übertragen wird. Nach wenigen Millisekunden beginnt eine zweite Phase des Rücksetzschritts, währenddessen der Rest der in dem Photoelement gesammelten Ladung zur Spannungsversorgung abgeleitet wird.The US Pat. No. 6,803,553 B1 describes a method of operating an image sensor having at least one photoelement, comprising the steps of: generating charge by the photoelement and using at least a first portion of the charge supplied by the photoelement to another circuit for reducing power consumption of a power supply. Each reset step in normal and standby mode may have a first phase in which at least a portion of the charge is transferred from the photoelement to a capacitor. After a few milliseconds, a second phase of the reset step begins, during which time the remainder of the charge accumulated in the photovoltaic cell is dissipated to the power supply.

Die JP 2007-281144 A beschreibt eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Bildern und zur Energieerzeugung. Die Bündelung des Lichts durch die Abbildungslinsen ermöglicht eine effiziente Energiesammlung, so dass Solarzellen mit kleiner Oberfläche gewählt werden können.The JP 2007-281144 A describes a device for taking pictures and for generating energy. The bundling of the light through the imaging lenses allows efficient energy collection, so that solar cells with a small surface can be selected.

Aus der US 2006/0268979 A1 geht eine kabellose Überwachungskamera hervor, die einen CMOS-Bildsensor umfasst, der die Erfassung eines Bild- oder Videosignals ermöglicht. Das Bildsignal wird über einen Prozessor umgewandelt und kann als JPEG-Datei ausgegeben und beispielsweise auch drahtlos übermittelt werden. Diese kabellose Überwachungskamera weist darüber hinaus Solarzellen auf, die dazu geeignet sind, Sonnenlicht aufzunehmen und daraus eine fotoelektrische Energie zu generieren. Diese Energie wird einer Stromversorgungseinheit zugeführt, welche wiederum die gespeicherte Energie für den betrieb des Bildsensors zur Verfügung stellt. Diese Überwachungseinrichtung ermöglicht den Betrieb ohne einen Kabelanschluss zum Zuführen von Fremdenergie, da die Energie aus den Solarzellen gewonnen wird. Diese energieautarke Kamera weist jedoch den Nachteil auf, dass der apparative Aufbau aufwändig ist, um solche Bildsignale zu erfassen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Darüber hinaus muss beim Einsatz solcher Überwachungskameras immer die Anordnung und Lage zur Sonne berücksichtigt werden, damit die Solarzellen die Überwachungskamera mit hinreichender Energie versorgen können.From the US 2006/0268979 A1 Outlines a wireless surveillance camera that includes a CMOS image sensor that allows the capture of an image or video signal. The image signal is converted by a processor and can be output as a JPEG file and transmitted, for example, wirelessly. This wireless surveillance camera also has solar cells that are capable of absorbing sunlight and generating photoelectric energy. This energy is supplied to a power supply unit, which in turn provides the stored energy for the operation of the image sensor. This monitoring device enables operation without a cable connection for supplying external energy, since the energy is obtained from the solar cells. However, this energy self-sufficient camera has the disadvantage that the apparatus construction is complex to capture such image signals to process and forward. In addition, when using such surveillance cameras, the arrangement and position to the sun must always be taken into account, so that the solar cells can supply the surveillance camera with sufficient energy.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum energieautarken Betrieb, insbesondere energieautarken Inbetriebnahme, einer Vorrichtung sowie eine energieautarke Vorrichtung zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau und einen standortunabhängigen Betrieb ermöglicht.The invention is therefore based on the object, a method for energy self-sufficient operation, in particular self-sufficient startup, a device and an energy self-sufficient To provide device which allows a simple structure and a location-independent operation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass bei Inbetriebnahme der energieautarken Vorrichtung eine Betriebsphase zur Inbetriebnahme der energieautarken Vorrichtung eingeleitet wird, bei der ein einzelnes Sensorelement geschaltet wird oder eine vorbestimmte Anzahl von Sensorelementen in Serie geschaltet werden, bis eine Betriebsspannung erreicht wird, bei der die Kontrolleinrichtung der Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie angesteuert wird, ist auch bei der Inbetriebnahme ein energieautarker Betrieb der Vorrichtung mit einer Kontrolleinheit möglich, die eine Betriebsspannung benötigt, die höher ist als die von einzelnen fotoempfindlichen Sensorelementen typischerweise bereitgestellte Spannung.This object is achieved by the features of claim 1. Characterized in that when commissioning the self-powered device an operating phase for commissioning the self-powered device is initiated, in which a single sensor element is switched or a predetermined number of sensor elements are connected in series until an operating voltage is reached at which the control device of the operating phase for recording is controlled by light energy, an energy-autonomous operation of the device with a control unit is also possible during commissioning, which requires an operating voltage which is higher than the voltage typically provided by individual photosensitive sensor elements.

Die insbesondere als Photodioden ausgebildeten Sensorelemente können für die Betriebsphase zur Inbetriebnahme solange in Serie geschaltet werden, bis die Startenergie zur Ansteuerung der Kontrolleinrichtung gesammelt wurde. Alternativ kann auch nur ein einzelnes Sensorelement vorgesehen sein. Dadurch können die Spannungen der einzelnen Sensorelemente addiert werden. Alternativ zur zeitweisen Schaltung der Sensorelemente in Reihe kann auch eine Parallelschaltung vorgesehen sein. Darüber hinaus kann auch eine dauerhafte Schaltung von einem Teil einer Zeile oder Spalte oder ganze Bereiche der Matrix in Serie geschaltet werden, um Energie zu sammeln. Der verbleibende Teil der Matrix kann zur Erfassung von Signalen durch die lichtempfindlichen Sensorelemente verwendet werden. Somit kann eine dauerhafte Versorgung mit Energie sichergestellt werden. Zur Ansteuerung der temporär in Reihe geschalteten Sensorelemente, insbesondere der Photodioden, ist bevorzugt ein selbstleitender Schalter vorgesehen, der später ausgeschaltet wird. Hierfür können Transistoren verwendet werden, die ohne Spannung einen leitenden Kanal aufweisen (JFETs oder Depletion-MOSFETs).The sensor elements designed in particular as photodiodes can be connected in series for the operating phase for commissioning until the starting energy for controlling the control device has been collected. Alternatively, only a single sensor element can be provided. As a result, the voltages of the individual sensor elements can be added. As an alternative to the temporary switching of the sensor elements in series, a parallel connection can also be provided. In addition, a permanent circuit may be connected in series from a portion of a row or column, or entire areas of the matrix to collect energy. The remaining part of the matrix can be used to detect signals through the photosensitive sensor elements. Thus, a permanent supply of energy can be ensured. To control the sensor elements which are temporarily connected in series, in particular the photodiodes, a normally-on switch is preferably provided, which is later switched off. For this purpose, it is possible to use transistors which have a conducting channel without voltage (JFETs or depletion MOSFETs).

Durch die Ansteuerung des oder der lichtempfindlichen Sensorelemente in einer ersten Betriebsphase, in welcher durch die Sensorelemente Signale erfasst werden sowie in einer weiteren Betriebsphase, die zeitversetzt zur ersten Betriebsphase angesteuert wird, in der durch dieselben Sensorelemente Lichtenergie aufgenommen wird, können durch das oder die in der Matrix angeordneten Speicherelemente zwei unterschiedliche Betriebsphasen ermöglicht werden. Dadurch kann eine vereinfachte Schaltung vorgesehen sein, da diese Sensorelemente durch eine entsprechende Umpolung sowohl in der Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie als auch in der Betriebsphase zur Erfassung von Signalen geschaltet werden können. Dies weist des Weiteren den Vorteil auf, dass zwei getrennte elektronische Baugruppen zur Aufnahme von Energie und zur Erfassung von Signalen nicht erforderlich sind, so dass kleinere Baugrößen erzielt werden können. Dadurch wird eine vielseitige Anwendung ermöglicht.By controlling the photosensitive sensor elements or in a first operating phase, in which signals are detected by the sensor elements and in a further operating phase, which is controlled delayed to the first operating phase, is absorbed in the by the same sensor elements light energy, by the one or more in the matrix arranged memory elements are made possible two different operating phases. As a result, a simplified circuit can be provided, since these sensor elements can be switched by a corresponding polarity reversal both in the operating phase for receiving light energy and in the operating phase for detecting signals. This also has the advantage that two separate electronic assemblies are not required for receiving energy and for detecting signals, so that smaller sizes can be achieved. This allows a versatile application.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie die lichtempfindlichen Sensorelemente parallel geschaltet werden. Dadurch kann ein einfacher Schaltungsaufbau, insbesondere in der CMOS-Technologie, erfolgen.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that in the operating phase for receiving light energy, the photosensitive sensor elements are connected in parallel. As a result, a simple circuit structure, in particular in the CMOS technology, take place.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Kontrolleinrichtung mit einem Schaltwandler oder einer Ladungspumpe eine negative Spannung, die von den Sensorelementen durch die Aufnahme von Lichtenergie erzeugt wurde, invertiert und auf ein Betriebsspannungsniveau hochgewandelt wird. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass dies mittels einer geschalteten Umpolung des Energiespeichers ähnlich einer invertierenden Ladungspumpe erfolgt.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that by the control device with a switching converter or a charge pump, a negative voltage, which was generated by the sensor elements by the recording of light energy, inverted and upconverted to an operating voltage level. It is preferably provided that this is done by means of a switched polarity reversal of the energy storage device similar to an inverting charge pump.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Kontrolleinheit die Betriebsphase zur Aufnahme der Lichtenergie durch das oder die Sensorelemente zeitabhängig oder ladungsabhängig angesteuert und der Ladungszustand des zumindest einen Energiespeichers überwacht wird. Durch die zeitabhängige Ansteuerung wird ermöglicht, dass in vorbestimmten Zeitintervallen eine Signalerfassung durchgeführt wird. Beispielsweise beim Einsatz der Vorrichtung als Überwachungskamera kann in vorbestimmten zeitlichen Abständen eine Zustandserfassung über den zu überwachenden Bereich erfolgen, wobei dazwischen liegend eine Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie geschaltet wird. Die ladungsabhängige Umschaltung kann dann erfolgen, sobald die Speicherkapazität des zumindest einen Energiespeichers erschöpft ist, so dass eine Signalerfassung erfolgt. Des Weiteren kann die ladungsabhängige Umschaltung der Betriebsphase auch zu dem Zeitpunkt eingeleitet werden, sobald die Ladung einen unteren Grenzwert einnimmt, der nicht mehr genügt, um eine hinreichende Signalerfassung zu ermöglichen. Bevorzugt wird eine Kombination der beiden Schaltkriterien erfolgen, wobei das Vorhandensein einer Mindestenergie zum Betrieb der Vorrichtung vorrangig ist.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the operating phase for receiving the light energy is controlled by the control element or the sensor elements time-dependent or charge-dependent and the charge state of the at least one energy storage is monitored. The time-dependent activation makes it possible to carry out signal detection at predetermined time intervals. For example, when using the device as a surveillance camera, a state detection can take place at predetermined time intervals over the area to be monitored, with an operating phase for receiving light energy being interposed therebetween. The charge-dependent switching can then take place as soon as the storage capacity of the at least one energy store is exhausted, so that signal detection takes place. Furthermore, the charge-dependent switching of the operating phase can also be initiated at the moment when the charge assumes a lower limit which is no longer sufficient to allow sufficient signal detection. Preferably, a combination of the two switching criteria will take place, wherein the presence of a minimum energy for the operation of the device is paramount.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Beginn und/oder das Ende der Betriebsphase zur Aufnahme der Lichtenergie zum Speichern von Energie in einem Energiespeicher, insbesondere Kondensator, durch ein optisches Signal angesteuert werden/wird. Hierbei kann ein sogenanntes optisches Triggern erfolgen und dadurch zum einen vorgesehen sein, dass ein Lichtsignal den Beginn der Betriebsphase oder das Ende der Betriebsphase ansteuert. Zum anderen kann vorgesehen sein, dass die Betriebsphase zur Aufnahme der Lichtenergie solange aufrechterhalten wird, solange ein optisches Signal von einer Lichtquelle ausgesendet wird. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere beim Einsatz als optisches Identifikationselement, welche beispielsweise durch ein künstliches Lichtsignal, insbesondere eine LED, für eine vorbestimmte Zeitdauer beleuchtet werden, um in der Betriebsphase zur Aufnahme der Lichtenergie das Identifikationselement zu laden. Sobald die Betriebsphase durch ein Lichtsignal beendet wird beziehungsweise sobald das Lichtsignal ausgeschaltet wird, wechselt die Betriebsphase zur Aufnahme der Lichtenergie in die Betriebsphase zur Erfassung und/oder Übertragung von Signalen. Das optische Identifikationselement übermittelt über die LED Identifikationsdaten wiederum zurück. Diese werden dann wiederum von einem Auslesegerät weiter verarbeitet.According to a preferred embodiment of the method, it is provided that the beginning and / or the end of the operating phase for receiving the light energy for storing energy in an energy store, in particular a capacitor, is / are actuated by an optical signal. In this case, a so-called optical triggering can take place and thereby be provided, on the one hand, that a light signal triggers the beginning of the operating phase or the end of the operating phase. To the Others can be provided that the operating phase for receiving the light energy is maintained as long as an optical signal is emitted from a light source. This embodiment is particularly suitable when used as an optical identification element, which are illuminated for example by an artificial light signal, in particular an LED, for a predetermined period of time to load the identification element in the operating phase for receiving the light energy. As soon as the operating phase is terminated by a light signal or as soon as the light signal is switched off, the operating phase for receiving the light energy changes into the operating phase for the detection and / or transmission of signals. The optical identification element transmits back via the LED identification data. These are in turn further processed by a reader.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Betriebsphase beziehungsweise die zeitliche Dauer zur Erfassung von Signalen und zum Auslesen von Signalen in Abhängigkeit der gespeicherten Energie in zumindest einem Energiespeicher angesteuert wird, wobei diese Betriebsphase dann beendet wird, sobald die gespeicherte Energie einen unteren Grenzwert erreicht. Durch eine solche Überwachung der Betriebsphasen durch die Kontrolleinrichtung kann in Abhängigkeit der vorhandenen oder zur Verfügung stehenden Energie eine Auswertung der erfassten Signale und/oder einer zu übertragenden Datenrate und/oder einer Auswahl an bestimmten zu übertragenden Daten erfolgen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Vorrichtung in einem energieautarken Betriebsmodus gehalten wird, in dem die Kontrolleinrichtung ansteuerbar und aktiv bleibt sowie eine Mindestbetriebsspannung vorherrscht.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that an operating phase or the time duration for detecting signals and reading out signals in response to the stored energy is controlled in at least one energy storage, said operating phase is then terminated as soon as the stored energy reached lower limit. By means of such monitoring of the operating phases by the control device, an evaluation of the detected signals and / or a data rate to be transmitted and / or a selection of specific data to be transmitted can take place as a function of the available or available energy. This ensures that the device is kept in an energy-autonomous operating mode in which the control device remains controllable and active and a minimum operating voltage prevails.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer geringen Menge an gespeicherter Energie in zumindest einem Energiespeicher durch die Kontrolleinrichtung nur ein Teil der Matrix der Sensorelemente ausgelesen oder nur eine geringe Datenmenge übermittelt wird. Das Auslesen von nur einzelnen Zeilen oder Spalten der Matrix stellt eine weitere mögliche Schutzmaßnahme dar, um einen energieautarken Betrieb sicherzustellen.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that with a small amount of stored energy in at least one energy storage by the control device only a part of the matrix of the sensor elements read or only a small amount of data is transmitted. Reading out only individual rows or columns of the matrix represents another possible protective measure to ensure energy-autonomous operation.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass für die Betriebsphase zur Erfassung von Signalen Photodioden eingesetzt werden, welche auf einem CMOS-Chip vorgesehen sind und vorzugsweise in einer Matrix von CMOS-Pixelzellen einen bildverarbeitenden Sensor bilden. Dadurch können sogenannte CMOS-Kameramodule sowohl zur Erfassung von einzelnen Bildern als auch zur Erzeugung von Energie eingesetzt werden. Insbesondere wird eine sogenannte Technologie für Überwachungskameras oder solche Anwendungsbereiche eingesetzt, die eine autarke Langzeitüberwachung an entfernten Stellen ohne eine Echtzeitübertragung der Signale erfordern.It is preferably provided that for the operating phase for the detection of signals photodiodes are used, which are provided on a CMOS chip and preferably form an image-processing sensor in a matrix of CMOS pixel cells. As a result, so-called CMOS camera modules can be used both for capturing individual images and for generating energy. In particular, so-called technology is used for surveillance cameras or applications which require autonomous long-term monitoring at remote locations without real-time transmission of the signals.

Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alternativ zu den Photodioden lichtempfindliche und lichtaussendende Sensorelemente, vorzugsweise Laserdioden oder LEDs, eingesetzt werden, die insbesondere in einer Betriebsphase zum Aussenden von Signalen zeitversetzt zum Empfangen von Signalen und zur Aufnahme von Lichtenergie geschaltet werden. Durch den Einsatz solcher Sensorelemente kann eine erhöhte Flexibilität in den Anwendungsbereichen der energieautarken Vorrichtung gegeben sein.According to an alternative embodiment of the invention, it is provided that, as an alternative to the photodiodes, photosensitive and light-emitting sensor elements, preferably laser diodes or LEDs, are used, which are switched in a time-delayed manner for receiving signals and for receiving light energy, in particular in an operating phase. The use of such sensor elements can increase the flexibility in the areas of application of the energy-autonomous device.

Damit ein energieautarker Betrieb einer Vorrichtung in Gang gebracht wird, ist gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass durch zumindest eine autarke Energiequelle zumindest ein Energiespeicher geladen wird, bis eine Betriebsspannung erreicht wird, bei der die Kontrolleinrichtung zumindest die Ansteuerung der Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie steuert. Bei energieautarken Systemen liegt zunächst keine Versorgungsspannung vor. Der initiale Zustand der Vorrichtung muss daher durch einen solchen Energiesammelzustand erreicht werden. Dieser benötigt anfänglich eine besondere Betriebsphase zur Inbetriebnahme, um die Energie bereitzustellen. Der Grund hierfür sind die oft zu niedrigen Spannungen an einzelnen fotoempfindlichen Sensorelementen, die typischerweise bei Silizium-Photodioden unter den Betriebsspannungen der Kontrolleinheiten liegen.In order to initiate an energy-autonomous operation of a device, according to a first embodiment of the invention, at least one energy store is charged by at least one self-sufficient energy source until an operating voltage is reached at which the control device at least activates the operating phase for receiving Light energy controls. In self-powered systems there is initially no supply voltage. The initial state of the device must therefore be achieved by such an energy-collecting state. This initially requires a special operating phase for commissioning in order to provide the energy. The reason for this is the often too low voltages on individual photosensitive sensor elements, which are typically below the operating voltages of the control units in the case of silicon photodiodes.

Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Betriebsphase zur Inbetriebnahme ist vorgesehen, dass eine oder mehrere externe Inbetriebnahme-Dioden, vorzugsweise Leuchtdioden mit einer höheren photoelektrischen Spannung gegenüber den Sensorelementen, eingesetzt werden, die zur Energiespeicherung in dem zumindest einen Energiespeicher und zur anfänglichen Ansteuerung der Kontrolleinrichtung dient. Die externe Inbetriebnahme-Diode erzeugt durch Nutzung von vorzugsweise höher energetischen Photonen bei deren Belichtung mit Lichtenergie eine gegenüber einer herkömmlichen Photodiode höhere Spannung, die auch direkt verwendet werden kann.According to a further alternative embodiment of the operating phase for commissioning is provided that one or more external start-up diodes, preferably light-emitting diodes with a higher photoelectric voltage to the sensor elements, are used, which is used for energy storage in the at least one energy storage and the initial control of the control device , The external start-up diode generates by using preferably higher energy photons in their exposure to light energy compared to a conventional photodiode higher voltage, which can also be used directly.

Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass dauerhaft mehrere Sensorelemente, insbesondere Photodioden, in Serie geschaltet werden. Ein Zwischenspeicher, insbesondere Kondensator, speichert die gesammelte Energie. Sobald die Betriebsspannung erreicht wird, die vorzugsweise über einen Spannungsmonitor überwacht wird, der beispielsweise als quasi leistungsloser Schmitt-Trigger mit Feldeffekt-Transistoren ausgebildet sein kann, wird die Kontrolleinrichtung gestartet.An alternative embodiment provides that permanently several sensor elements, in particular photodiodes, are connected in series. A buffer, in particular a capacitor, stores the collected energy. Once the operating voltage is reached, which is preferably monitored by a voltage monitor, for example, as a quasi-power Schmitt trigger with Field effect transistors can be formed, the control device is started.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung einen Spannungsmonitor umfasst, durch den ein oberer und unterer Grenzwert für die Aufrechterhaltung der Betriebsphase überwacht und vorzugsweise das aktuelle Betriebsspannungsniveau erfasst wird. Dadurch kann eine zustandsorientierte Ansteuerung erfolgen, um bei abfallendem Energieniveau eine Betriebsphase zur Aufnahme von Signalen oder zur Aussendung von Signalen abzuschalten oder abzubrechen und um eine Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie einzuleiten.According to a further preferred embodiment of the method, it is provided that the control device comprises a voltage monitor, by means of which an upper and lower limit value for the maintenance of the operating phase is monitored and preferably the current operating voltage level is detected. As a result, a state-oriented control can take place in order to switch off or abort an operating phase for recording signals or for emitting signals when energy level drops, and to initiate an operating phase for receiving light energy.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine energieautarke Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, mit einem oder mehreren Sensorelementen gelöst, die dazu ausgebildet ist, bei Inbetriebnahme der energieautarken Vorrichtung zur Inbetriebnahme der energieautarken Vorrichtung eine Betriebsphase einzuleiten, bei der ein einzelnes Sensorelement geschaltet wird oder eine vorbestimmte Anzahl von Sensorelementen in Serie geschaltet werden, bis eine Betriebsspannung erreicht wird, bei der die Kontrolleinrichtung der Betriebsphase zur Aufnahme von Lichtenergie angesteuert wird.The object is achieved by an energy self-sufficient device, in particular for carrying out the method, with one or more sensor elements, which is designed to initiate an operating phase when commissioning the self-powered device for commissioning the self-powered device in which a single sensor element is switched or one predetermined number of sensor elements are connected in series until an operating voltage is reached at which the control device of the operating phase is driven to receive light energy.

Zumindest ein Modul aus einem oder mehreren in einer Matrix angeordneten Sensorelementen ist vorgesehen, die zur Aufnahme von Signalen und zur Aufnahme von Lichtenergie zeitversetzt mit einer Kontrolleinrichtung ansteuerbar sind. Dadurch können durch dieselben Sensorelemente zwei unterschiedliche Schaltungszustände beziehungsweise Funktionen erzielt werden. Eine solche Anordnung ermöglicht eine erhöhte Flexibilität zum Einsatz einer solchen Vorrichtung. Beispielsweise können solche Vorrichtungen als Überwachungskameras oder Klingelkameras eingesetzt werden. Darüber hinaus kann eine drahtlose Kommunikation in elektrischen Bauteilen ermöglicht werden. Diese Vorrichtungen ermöglichen ebenfalls einen Einsatz als optische Identifikationseinheiten (optical IDs), Abstandssensoren, Farbsensoren, Lichtsensoren oder einen Einsatz in einem optischen Ethernet.At least one module of one or more sensor elements arranged in a matrix is provided, which can be actuated with a control device in a time-shifted manner for receiving signals and for receiving light energy. As a result, two different circuit states or functions can be achieved by the same sensor elements. Such an arrangement allows increased flexibility for use of such a device. For example, such devices can be used as surveillance cameras or bell cameras. In addition, wireless communication in electrical components can be enabled. These devices also allow use as optical identification units (ODIs), proximity sensors, color sensors, light sensors, or use in optical Ethernet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist zur Ansteuerung des oder der Speicherelemente ein Schaltkreis vorgesehen, der zumindest einen Energiespeicher, einen Spannungsmonitor und die Kontrolleinrichtung sowie vorzugsweise einen Inbetriebnahmeschaltkreis umfasst. Dadurch wird ein einfacher Aufbau einer solchen Vorrichtung mit einem energieautarken Betrieb ermöglicht.According to a further advantageous embodiment of the device, a circuit is provided for controlling the one or more memory elements, which comprises at least one energy storage, a voltage monitor and the control device and preferably a commissioning circuit. This allows a simple construction of such a device with an energy self-sufficient operation.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:The invention and further advantageous embodiments and developments thereof are described in more detail below with reference to the examples shown in the drawings and explained. The features to be taken from the description and the drawings can be applied individually according to the invention individually or in combination in any combination. Show it:

1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung für einen energieautarken Betrieb und 1 a schematic structure of a device for an energy self-sufficient operation and

2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum energieautarken Betrieb der Vorrichtung. 2 a schematic flow diagram of a method for energy self-sufficient operation of the device.

In 1 sind schematisch einzelne Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 dargestellt, welche zumindest zum energieautarken Betrieb, wie beispielsweise einer CMOS-Kamera, erforderlich sind. Die Vorrichtung 11 umfasst zumindest einen Energiespeicher 12, der mit einem oder mehreren lichtempfindlichen Sensorelementen 14 in Verbindung steht, die vorzugsweise auf einem CMOS-Chip angeordnet sind. Die Sensorelemente 14, welche sowohl natürliches als auch künstliches Licht oder Lichtsignale erfassen, können beispielsweise als Photodioden oder als lichtempfindliche und lichtaussendende Sensorelemente, wie beispielsweise Laserdioden oder Leuchtdioden, ausgebildet sein. Diese Dioden sind als Teil einer CMOS-Pixelzelle in einer Matrix angeordnet. Diese lichtempfindlichen Sensorelemente arbeiten in sichtbaren oder nicht sichtbaren (infrarot- oder ultravioletten) Wellenbereichen, insbesondere im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 50 μm. Die Ansteuerung der Sensorelemente 14 erfolgt über eine Kontrolleinrichtung 16, die wiederum mit einem Spannungsmonitor 17 in Verbindung steht. Der Spannungsmonitor 17 selbst überwacht den Zustand des zumindest einen Energiespeichers 12, so dass in Abhängigkeit dessen/deren Energieniveaus die Kontrolleinrichtung 16 entsprechend einzelne Betriebsphasen der Sensorelemente 14 ansteuert.In 1 are schematically individual components of the device according to the invention 11 shown, which are required at least for energy self-sufficient operation, such as a CMOS camera. The device 11 includes at least one energy store 12 containing one or more photosensitive sensor elements 14 is connected, which are preferably arranged on a CMOS chip. The sensor elements 14 which detect both natural and artificial light or light signals may be formed, for example, as photodiodes or as light-sensitive and light-emitting sensor elements, such as laser diodes or light-emitting diodes. These diodes are arranged as part of a CMOS pixel cell in a matrix. These photosensitive sensor elements operate in visible or invisible (infrared or ultraviolet) wavelength ranges, in particular in the wavelength range from 200 nm to 50 microns. The control of the sensor elements 14 via a control device 16 , in turn, with a voltage monitor 17 communicates. The voltage monitor 17 itself monitors the condition of the at least one energy store 12 so that, depending on its / their energy levels, the control device 16 corresponding individual operating phases of the sensor elements 14 controls.

Die Vorrichtung 11 umfasst des Weiteren einen Inbetriebnahmeschaltkreis 18, der dazu vorgesehen ist, die energieautarke Vorrichtung 11 vor der erstmaligen Inbetriebnahme auf ein minimales Niveau einer Betriebsspannung zu bringen, damit von diesem Zeitpunkt an die Vorrichtung 11 energieautark arbeiten kann.The device 11 further includes a startup circuit 18 which is intended to be the self-powered device 11 to bring to a minimum level of operating voltage prior to initial start-up, hence from this point on the device 11 can work energy self-sufficient.

In 1 sind die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 11 durch Pfeile mit durchgezogenen Linien sowie mit Pfeilen mit gestrichelten Linien verbunden. Die Pfeile mit durchgezogener Linie stehen für Informationsflüsse, die zwischen den einzelnen Komponenten erfolgen. Die Pfeilen mit gestrichelter Linie stehen für die Energieflüsse, um die einzelnen Komponenten zu deren Funktion anzusteuern.In 1 are the individual components of the device 11 connected by arrows with solid lines and arrows with dashed lines. The solid-line arrows represent information flows that occur between the individual components. The arrows with dashed line represent the energy flows, in order to control the individual components for their function.

Ausgehend von der Inbetriebnahmeschaltung 18 wird zunächst eine Startenergie dem zumindest einen Energiespeicher 12 zur Verfügung gestellt, so dass von diesem zumindest einen Energiespeicher 12 aus die Kontrolleinrichtung 16 angesteuert und betrieben werden kann. Gleichzeitig gibt der Inbetriebnahmeschaltkreis 18 ein Steuerimpuls an die Kontrolleinrichtung 16 ab, um diese zu aktivieren. Von dem zumindest einen Energiespeicher 12 wird eine Energie zum Spannungsmonitor 17 übermittelt, der die gespeicherte Energie des Energiespeichers 12 überwacht. Des Weiteren gibt der Spannungsmonitor 17 entsprechende Signale an die Kontrolleinrichtung 16 ab, um die Sensorelemente 14 zu aktivieren oder eine Modusänderung vorzunehmen. Nachdem die Kontrolleinrichtung 16 eine entsprechende Aktivierungsenergie oder ein Signal für eine Modusveränderung von dem Spannungsmonitor 17 erhalten hat, erfolgt über die Kontrolleinrichtung 16 eine Kontrolle über den Schaltzustand der Sensorelemente 14 bezüglich deren Betriebsphasen. Des Weiteren ist die Kontrolleinrichtung 16 für die Organisationskontrolle zur Ansteuerung der Sensorelemente als auch für die Ansteuerung von auszusendenden Informationen der Sensorelemente 14 verantwortlich. Die Sensorelemente 14 wiederum können in einem empfangenden Betriebsmodus die empfangenen Signale an die Kontrolleinrichtung 16 zur Weiterverarbeitung übergeben.Starting from the commissioning circuit 18 First, a starting energy is the at least one energy storage 12 provided so that from this at least one energy storage 12 from the control device 16 can be controlled and operated. At the same time there is the commissioning circuit 18 a control pulse to the control device 16 to activate them. Of the at least one energy storage 12 becomes an energy to the voltage monitor 17 transmitted, the stored energy of the energy storage 12 supervised. Furthermore, there is the voltage monitor 17 corresponding signals to the control device 16 off to the sensor elements 14 to activate or make a mode change. After the control device 16 a corresponding activation energy or a mode change signal from the voltage monitor 17 received via the control device 16 a control over the switching state of the sensor elements 14 regarding their operating phases. Furthermore, the control device 16 for the organization control for the control of the sensor elements as well as for the control of information to be sent out of the sensor elements 14 responsible. The sensor elements 14 in turn, in a receiving operating mode, the received signals to the control device 16 for further processing.

Zum Aussenden von Informationen über das zumindest eine Sensorelement 14 (in diesem Fall muss das zumindest eine Sensorelement 14 Licht aussenden können) wird von dem zumindest einen Energiespeicher 12 die erforderliche Energie dem zumindest einen Sensorelement 14 für dessen Betrieb bereitgestellt. In einem weiteren Betriebsmodus, in dem das zumindest eine Sensorelement 14 Energie empfängt, erfolgt eine Aufladung des zumindest einen Energiespeichers 12.To send information about the at least one sensor element 14 (In this case, this must be at least one sensor element 14 Can emit light) is from the at least one energy storage 12 the required energy to the at least one sensor element 14 provided for its operation. In a further operating mode, in which the at least one sensor element 14 Receives energy, there is a charge of the at least one energy storage 12 ,

Die vorbeschriebenen Energie- und Informationsflüsse können entsprechend den eingesetzten Komponenten modifiziert werden, um eine Energieautarke Vorrichtung 11 zu erzielen.The above-described energy and information flows can be modified according to the components used to form a self-powered device 11 to achieve.

In 2 ist schematisch ein Flussdiagramm dargestellt, welches nach der erstmaligen Inbetriebnahme der Vorrichtung 11 mögliche Abfolgen von Betriebsphasen aufzeigt.In 2 schematically a flowchart is shown, which after the initial startup of the device 11 shows possible sequences of operating phases.

Für den erstmaligen Betrieb der Vorrichtung 11 wird die Betriebsphase zur Inbetriebnahme eingeleitet, welche in Schritt 41 dargestellt ist. Diese Inbetriebnahme dient ausschließlich dazu, um anfängliche Energie zu sammeln, bis die Kontrolleinrichtung 16 betriebsbereit ist, um die weiteren Komponenten der Vorrichtung 11 anzusteuern. Nach einer ersten Ausführungsform kann eine autarke Energiequelle eingesetzt werden, welche Energie aus mechanischen Schwingungen und allgemeiner mechanischer Energie über beispielsweise Piezowandler oder elektromagnetische Wandler erzeugt. Ebenfalls kann auch Wärmeenergie über thermoelektrische Elemente oder elektromagnetische Strahlung, wie beispielsweise Radiofrequenz, UV- oder IR-Strahlung, als autarke Energiequelle verwendet werden.For the first time operation of the device 11 the operating phase for commissioning is initiated, which in step 41 is shown. This commissioning is solely to collect initial energy until the control device 16 is ready to use the other components of the device 11 head for. According to a first embodiment, a self-sufficient energy source can be used, which generates energy from mechanical vibrations and general mechanical energy via, for example, piezoelectric transducers or electromagnetic converters. Also, heat energy via thermoelectric elements or electromagnetic radiation, such as radio frequency, UV or IR radiation, can be used as a self-sufficient energy source.

Des Weiteren können sogenannte Start-Up-Photodioden beziehungsweise Inbetriebnahme-Leuchtdioden vorgesehen sein, welche eine höhere Spannung als die sonst eingesetzten Sensorelemente 14 aufweisen, die dem zumindest einen Energiespeicher 12 zugeführt werden kann. Des Weiteren können dauerhaft mehrere Sensorelemente 14 in Serie oder auch nur temporär bis zur Inbetriebnahme einzelne Sensorelemente in Reihe geschaltet sein, das heißt, dass nach dem Erreichen der Betriebsspannung die zunächst in Reihe geschalteten Sensorelemente 14 in beliebiger Reihenfolge wieder in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden werden können.Furthermore, so-called start-up photodiodes or commissioning LEDs can be provided which have a higher voltage than the sensor elements otherwise used 14 have, which the at least one energy storage 12 can be supplied. Furthermore, permanently several sensor elements 14 in series or only temporarily until commissioning individual sensor elements to be connected in series, that is, after reaching the operating voltage, the first series-connected sensor elements 14 in any order again in series or parallel connection can be connected to each other.

Nachdem die Inbetriebnahme erfolgt ist, kann in Abhängigkeit der eingesetzten Sensorelemente 14 ein Aufeinanderfolgen von mehreren Betriebsphasen erfolgen.After commissioning has taken place, depending on the sensor elements used 14 a sequence of several phases of operation take place.

Beim Einsatz von Sensorelementen 14, die ausschließlich als lichtempfindliche Elemente ausgebildet sind, erfolgt ein Wechsel zwischen der Betriebsphase zur Aufnahme von Energie gemäß Schritt 42 und zum Empfang von Signalen gemäß Schritt 43. Sofern lichtempfindliche und lichtaussendende Elemente als Sensorelemente 14 eingesetzt werden, kommt eine dritte Betriebsphase zur Aussendung von Signalen gemäß Schritt 44 hinzu. Zwischen diesen drei Betriebsphasen kann ein beliebiger oder gesteuerter Wechsel erfolgen.When using sensor elements 14 , which are designed exclusively as photosensitive elements, there is a change between the operating phase for receiving energy according to step 42 and for receiving signals according to step 43 , Provided light-sensitive and light-emitting elements as sensor elements 14 are used, a third phase of operation comes to the transmission of signals according to step 44 added. An arbitrary or controlled change can take place between these three operating phases.

Die Kontrolleinrichtung 16 schaltet beispielsweise in Schritt 42 die Sensorelemente 14 über je einen Schalter beziehungsweise Transistor parallel und sammelt die Energie in zumindest einem Kondensator als Energiespeicher 12. Im Beispielfall der energieautarken CMOS-Kamera kann der bereits in der CMOS-Pixelzelle vorhandene Transistor verwendet werden. Typischerweise liegen die Anoden der Sensorelemente auf Masse. Es wird daher eine kleine negative Spannung erzeugt. Die Kontrolleinrichtung 16 muss daher, nachdem genügend Energie im Energiespeicher vorhanden ist, diese Spannung mittels Schaltwandler oder Ladungspumpe invertieren und hochwandeln auf das Betriebsspannungsniveau. Am Einfachsten geschieht dies mittels geschalteter Umpolung des Speicherkondensators ähnlich einer invertierenden Ladungspumpe.The control device 16 switches, for example, in step 42 the sensor elements 14 via a respective switch or transistor in parallel and collects the energy in at least one capacitor as energy storage 12 , In the example of the energy-self-sufficient CMOS camera, the transistor already present in the CMOS pixel cell can be used. Typically, the anodes of the sensor elements are grounded. Therefore, a small negative voltage is generated. The control device 16 Therefore, after sufficient energy is available in the energy store, this voltage must be inverted by means of switching converter or charge pump and converted up to the operating voltage level. The easiest way to do this is by means of switched polarity reversal of the storage capacitor, similar to an inverting charge pump.

In Schritt 43 werden die Sensorelemente 14 in die Betriebsphase zum Empfang von Signalen gesetzt. Dabei ist vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung 16 die Sensorelemente 14 entsprechend ansteuert. Die Matrix der Sensorelemente 14 wird vorzugsweise im Reverse-Bias-Verfahren angesteuert. Nach einer vorbestimmten Belichtungszeit werden die Sensorelemente 14 einzeln oder gemeinsam ausgelesen. Bei einer Matrix von Sensorelementen 14 mit einer Anzahl n größer 1 können sowohl räumlich auflösende Bilder der Umgebung aufgenommen als auch Datensender (Lichtquellen) räumlich identifiziert werden. Ein Datenempfang von mehreren Datensendern ist durch die räumliche Auflösung zeitgleich und ohne Frequenzbandprobleme möglich. Die Kontrolleinrichtung 16 verarbeitet die Informationen und entscheidet, welche Daten gespeichert oder über weitere Schnittstellen weiter vermittelt werden.In step 43 become the sensor elements 14 set in the operating phase for receiving signals. It is envisaged that the control device 16 the sensor elements 14 controls accordingly. The matrix of the sensor elements 14 is preferably controlled in the reverse bias method. After a predetermined exposure time, the sensor elements 14 read out individually or together. For a matrix of sensor elements 14 with a number n greater than 1, both spatially resolving images of the environment can be recorded and data transmitters (light sources) can be spatially identified. Data reception from multiple data transmitters is possible at the same time due to the spatial resolution and without frequency band problems. The control device 16 processes the information and decides which data is to be stored or forwarded via further interfaces.

In Schritt 44 ist die Betriebsphase zum Aussenden von Signalen vorgesehen, das heißt, dass die in Schritt 43 erfassten Signale drahtlos an entfernt liegende Kommunikationssysteme übertragen werden können, so dass eine dezentrale Anordnung der Vorrichtung 11 von einer Zentrale ermöglicht ist. Hierfür werden beispielsweise lichtaussendende Sensorelemente 14 vorgesehen, die mit einer Spannung in Durchlassrichtung versorgt werden. Im Falle einer Matrix sind typischerweise die Anoden der Dioden beziehungsweise Sensorelemente 14 auf Masse gelegt. Es ist also an die Kathoden eine negative Spannung anzuschließen durch die zumeist schon für die Matrix-Schaltung vorhandenen Transistoren oder es ist der Kontakt zur Masse global für alle Dioden beziehungsweise Sensorelemente zu unterbrechen und mit einer positiven Spannung zu verbinden. Alternativ können auch weitere Übertragungselemente zur Aussendung von Signalen vorgesehen sein, beispielsweise ein Funksystem. Sofern bei der Vorrichtung 11 lichtempfindliche und lichtaussendende Sensorelemente 14 eingesetzt werden, sind grundsätzlich drei Betriebsphasen in einer beliebigen Reihenfolge ansteuerbar. Es kann ein ein- oder mehrmaliger Wechsel zwischen einzelnen Betriebsphasen erfolgen oder eine immer aufeinanderfolgende festgelegte Reihenfolge der Betriebsphasen ansteuerbar sein. Sofern eine festgelegte Reihenfolge der Betriebsphasen vorgesehen ist, kann diese immer dann unterbrochen werden, wenn der Spannungsmonitor 17 feststellt, dass ein unterer Grenzwert für die erforderliche Betriebsspannung der energieautarken Vorrichtung 11 erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine sofortige Umschaltung in die Betriebsphase zur Aufnahme der Lichtenergie, um den energieautarken Betrieb der Vorrichtung sicherzustellen.In step 44 is the operating phase for sending signals, that is, the in step 43 detected signals can be transmitted wirelessly to remote communication systems, so that a decentralized arrangement of the device 11 is possible from a central office. For this purpose, for example, light-emitting sensor elements 14 provided, which are supplied with a voltage in the forward direction. In the case of a matrix are typically the anodes of the diodes or sensor elements 14 grounded. It is therefore to connect a negative voltage to the cathodes through the transistors already present mostly for the matrix circuit or it is the contact to ground global for all diodes or sensor elements to interrupt and connect to a positive voltage. Alternatively, further transmission elements for transmitting signals may be provided, for example a radio system. Unless with the device 11 photosensitive and light-emitting sensor elements 14 can be used, basically three operating phases are controlled in any order. It can be done a single or repeated change between individual operating phases or an always consecutive fixed order of the operating phases can be controlled. If a fixed order of the operating phases is provided, this can always be interrupted when the voltage monitor 17 determines that a lower limit for the required operating voltage of the self-sufficient device 11 is reached. At this time, an immediate switch to the operating phase for receiving the light energy takes place in order to ensure the self-sufficient operation of the device.

Die Kontrolleinrichtung 16 ist des Weiteren derart einstellbar, dass in Abhängigkeit einer vorliegenden Energiemenge in zumindest einem Energiespeicher 12 eine Entscheidung über die Ansteuerung der Betriebsphasen zum Empfangen oder Aussenden von Signalen erfolgt. Bei einem hohen Energieniveau in zumindest einem Energiespeicher 12 kann beispielsweise eine größere Zeit mit dem Auslesen von erfassten Signalen der Sensorelemente 14 verbracht oder beispielsweise die Datenrate erhöht werden. Umgekehrt kann bei einem niedrigeren Energieniveau nur ein Teil der Matrix der Sensorelemente ausgelesen oder weniger Daten oder nur Daten mit einer hohen Priorität gesendet werden.The control device 16 is further adjustable such that, depending on a present amount of energy in at least one energy storage 12 a decision is made to control the operating phases for receiving or transmitting signals. At a high energy level in at least one energy storage 12 For example, it may take a longer time to read out detected signals from the sensor elements 14 spent or, for example, the data rate can be increased. Conversely, at a lower energy level, only a portion of the array of sensor elements may be read out or less data or only high priority data may be sent.

Dieses Verfahren und diese Vorrichtung für einen energieautarken Betrieb sind insbesondere dann von Vorteil, wenn keine Echtzeitübertragung erforderlich und nur eine geringe Datenrate beziehungsweise geringe Anzahl von Bildern pro Sekunde benötigt und Servicefreiheit gewünscht ist.This method and this device for energy self-sufficient operation are particularly advantageous if no real-time transmission required and only a low data rate or low number of images per second needed and freedom of service is desired.

Claims

Method for energy self-sufficient operation of a device ( 11 ) with one or more light-sensitive sensor elements arranged in a matrix ( 14 ), controlled by a control 16 ) in an operating phase for detecting signals, wherein the sensor element or elements ( 14 ) are shifted in time to the operating phase for detecting signals in an operating phase for receiving light energy and the collected energy in at least one energy storage ( 12 ) is stored, characterized in that when commissioning the self-powered device ( 11 ) an operating phase for putting the energy self-sufficient device into operation ( 11 ), in which a single sensor element ( 14 ) or a predetermined number of sensor elements ( 14 ) are connected in series until an operating voltage is reached at which the control device ( 16 ) is driven the operating phase for receiving light energy.

Method according to the preceding claim, characterized in that the sensor elements ( 14 ) for the operating phase for commissioning in series until a required energy for controlling the control unit ( 16 ) is collected.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the operating phase for receiving the light energy, the sensor elements ( 14 ) are connected in parallel.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that by the control device ( 16 ) with a switching converter or a charge pump one of the sensor element ( 14 ) is inverted by the recording of light energy negatively generated voltage and upconverted to an operating voltage level, wherein preferably the energy store ( 12 ) is reversed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that by the control device ( 16 ) the operating phase for receiving the light energy time-dependent or dependent on the stored energy in the energy storage ( 12 ) is driven.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the beginning and / or the end or the duration of the operating phase for receiving the light energy is controlled by an optical signal.

A method according to claim 1, characterized in that an operating phase for detecting signals and for reading signals as a function of the stored energy is driven until the stored energy reaches a lower limit for maintaining the operating phase.

A method according to claim 1, characterized in that at a small amount of stored energy in the at least one energy store ( 12 ) by the control body ( 16 ) only a part of the matrix of the sensor elements ( 14 ) in the matrix or only a small amount of data is transmitted.

A method according to claim 1, characterized in that are used for the operating phase for the detection of signals photodiodes, which are provided on a CMOS chip and preferably form an image-capturing sensor in a matrix of CMOS pixel cells.

Method according to claim 1, characterized in that as sensor elements ( 14 ) light-sensitive and light-emitting sensor elements, preferably laser diodes or light-emitting diodes, are used and an operating phase for emitting signals with a time delay for receiving signals and for receiving light energy is switched.

Method according to Claim 1, characterized in that an operating phase for starting the energy-self-sufficient device ( 11 ) is initiated, in which of at least one self-sufficient energy source an external starting energy for the at least one energy storage ( 12 ) is provided until an operating voltage for controlling the control device ( 16 ) is achieved for the operating phase for receiving light energy.

A method according to claim 1, characterized in that one or more external start-up diodes, preferably light-emitting diodes with a higher photoelectric voltage relative to the sensor elements ( 14 ), whose energy in the at least one energy store ( 12 ) and for controlling the control device ( 16 ) is used.

Method according to claim 1, characterized in that the control device ( 16 ) with a voltage monitor ( 17 ) is monitored, by which an upper and lower limit for the maintenance of the operating phase is monitored and preferably the current operating voltage is detected.

Device for energy self-sufficient operation of one or more photosensitive sensor elements ( 14 ), in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, wherein at least one module consists of one or more light-sensitive sensor elements arranged in a matrix ( 14 ) is provided, the time or time for receiving signals and for receiving light energy with a control device ( 16 ), characterized in that the energy self-sufficient device ( 11 ) is designed, when commissioning the self-powered device ( 11 ) an operating phase for putting the energy self-sufficient device into operation ( 11 ), in which a single sensor element ( 14 ) or a predetermined number of sensor elements ( 14 ) are connected in series until an operating voltage is reached at which the control device ( 16 ) is driven the operating phase for receiving light energy.

Device according to the preceding claim, characterized in that for controlling the memory element or elements ( 14 ) at least one energy store ( 12 ), a voltage monitor ( 17 ) and the control device ( 16 ) as well as a circuit ( 18 ) for putting the energy self-sufficient device into operation ( 11 ) is provided.