無線數(shù)字傳感器的新應(yīng)用

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摘要：伴隨著技術(shù)的成熟和進步，無線數(shù)字傳感器對電子市場具有重要的推動作用，無線數(shù)字傳感器技術(shù)的進步催生出諸多新的應(yīng)用領(lǐng)域，并且?guī)訑?shù)字傳感器技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字傳感器；無線傳感器；無線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee

即使在萌芽階段，人們?nèi)匀徽J為在不久的將來數(shù)字傳感器對電子市場具有重要的推動作用。制作數(shù)字傳感器的接口以及支持用于數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)的形式多樣的通訊協(xié)議都是對技術(shù)工藝的巨大挑戰(zhàn)。傳感器的非均質(zhì)特性和其操作條件的多樣化也對技術(shù)工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。目前在全世界有超過3000家傳感器制造商正在運作，Intechno咨詢公司估計它們在2008年的總銷售額將會超過500億美元。

數(shù)字傳感器的新興標準

如今傳感器網(wǎng)絡(luò)使用多種技術(shù)來為不同的工業(yè)服務(wù)。用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種專屬協(xié)議的數(shù)量激增，這就需要在傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入綜合翻譯途徑，它是一個復雜而又昂貴的體系，因此人們需要更大程度的標準化。

工程任務(wù)組(IETF)正在為以藍牙、Wi－Fi和802.15.4等為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開列一個標準，以便能將傳感器節(jié)點連接到更寬廣的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上。IETF的目標是在傳感器之間建立一種通訊方式，這種通訊方式不需要專屬的翻譯途徑。這項協(xié)議將在2009年6月制定出臺。由IEEE的1451委員會制定的標準于上世紀90年代中期被引入，它為連接在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)換器(傳感器和執(zhí)行器)之間提供了一個通用而且完全透明的界面。這個標準體系包含不同的子體系：IEEEP1451.0定義了物理層面的必備條件、通訊協(xié)議和基本功能；IEEE1451.1控制信息在網(wǎng)絡(luò)上的獲取和發(fā)送；IEEE1451.2處理有線網(wǎng)絡(luò)的界面事宜，與RS－233、ES－485和USB等標準兼容；IEEE1451.3啟動處在多分支網(wǎng)絡(luò)中的傳感器的運行；于2003年通過的IEEE P1451.4規(guī)定與數(shù)字傳感器相關(guān)的數(shù)據(jù)(像傳感器的類別、型號、操作參數(shù)以及位置等)必須能夠以電子數(shù)據(jù)表的格式從整合在傳感器中的EEPROM(電可擦除只讀存儲器)存儲器中讀取，這種數(shù)據(jù)表被稱為轉(zhuǎn)換器電子數(shù)據(jù)表(TEDS，TransducerElectronic Data Sheet)。IEEE P1451.4標準極大地簡化了傳感器的布線以及更換故障傳感器的問題。它同時也免除了傳感器在設(shè)置和校準方面的人工干預，這種干預即費時又易出錯。這樣傳感器就成了即插即用的裝置。在美國國家儀器網(wǎng)站中有一個有效TEDS的數(shù)據(jù)庫，它包括了可以在IEEEP1451網(wǎng)絡(luò)中使用的各種老式的或沒有EEPROM的傳感器的專門資料。IEEE1451.5標準仍在審核階段，它規(guī)定的是將TEDS連接到無線網(wǎng)絡(luò)中的必要條件，如與802.11、藍牙或ZigBee等的連接。最近又提出了IEEE 1451.6標準議案，它定義TEDS和CAN總線的接日。

無線數(shù)字傳感器

幾十億的有線傳感器被廣泛地用于電子系統(tǒng)中，從簡單的熱電偶到更復雜的專用系統(tǒng)。它們被用于測量和監(jiān)控物理參數(shù)。許多工程師正在考慮改用無線傳感器，因為它們具有一些顯著的優(yōu)點，價格低廉、適應(yīng)性好，即使在不良環(huán)境中也易于安裝和使用。根據(jù)市場分析機構(gòu)Cahners Instat的估計，到2010年，將有超過1600億個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被賣出。

傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)將在一定區(qū)域內(nèi)分布的各種傳感器連接在一起并結(jié)合智能電路進行信號處理和數(shù)據(jù)傳輸。其可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事、環(huán)境及道路交通的監(jiān)控、安全與警戒、家庭與工業(yè)自動化、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)和汽車。在工業(yè)環(huán)境中，建立一個傳感器網(wǎng)絡(luò)的費用有80％花在布線上，而且建立這樣一個網(wǎng)絡(luò)有時是不現(xiàn)實甚至是不可能的。在汽車方面，傳感器的一個重要應(yīng)用是用于遙控開鎖系統(tǒng)(RKE，Remote Keyless EntrySystems)，以無線代替了CAN總線，這樣做大大節(jié)省了成本及空間，去除了昂貴而粗大的電纜。根據(jù)Cahners Instat最近的預測，到2010年將有超過1600億個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被賣出，而且建立包含一萬至十萬個傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)也是非?？赡艿氖?。這樣，可測量性成為了一個非常關(guān)鍵的因素。此外，傳感器必須可以現(xiàn)場編程和自行設(shè)置；網(wǎng)絡(luò)必須能夠在有一個或多個故障傳感器存在的情況下正常運行。另一個關(guān)鍵參數(shù)是能耗，因為無線傳感器也可能被設(shè)置在偏遠地區(qū)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面，一個非常有前途的無線技術(shù)是ZigBee，它是按照IEEE 802.15.4標準研發(fā)的，能確保低能耗和低成本。ZigBee聯(lián)盟的發(fā)起公司有華為、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、Texas Instruments、Samsung和Siemens。West Technology，一個定向于無線電技術(shù)市場調(diào)查的公司預測，利用ZigBee技術(shù)制作的符合IEEE 802.15.4標準的傳感器芯片組的銷售量將從08年的3100萬組上升至2012年的31200萬組，其復合增長率稍高于100％。其他應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線技術(shù)還有由cypress推出的無線USB；以及z－Wave，一種由Zensys公司研發(fā)的技術(shù)，有超過160家公司組成了一個z－Wave聯(lián)盟來共同推廣這一技術(shù)。

無線傳感器：新興的用途

應(yīng)用于住宅方面的傳感器在全球具有60億個節(jié)點的潛在市場，用于以無線傳感器為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)，它是無線傳感器用途的一個重要體現(xiàn)。到2012年，用于智能住宅(smart house)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會有價值28億美元的全球市場；相比較而言，其在2007年的市場只有4.7億美元。傳感器最被看好的用途有照明控制、節(jié)能系統(tǒng)、保安模塊、娛樂系統(tǒng)和遠程就醫(yī)(telemedicine)。無線傳感器比有線傳感器更易安裝并且免除了昂貴而粗大的電纜。這種優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域尤為重要，電纜在其傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝費用中占80％。無線傳感器在惡劣環(huán)境中使用具有優(yōu)勢，在這些環(huán)境中傳感器要經(jīng)得起震動、高溫和電子噪聲甚至是爆炸性氣體。在如此惡劣的環(huán)境中安裝有線傳感器是不現(xiàn)實、昂貴甚至是不可能的。過去阻礙無線傳感器在工業(yè)領(lǐng)域中使用的原因是保安問題以及工廠中不同無線電網(wǎng)絡(luò)之間可能存在的干擾問題。無線傳感器在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用經(jīng)驗可以作為參照來解決其在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用所遇到的這些問題。例如，解碼技術(shù)被用來保護無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拒絕非法訪問。

無線傳感器應(yīng)用的另一個強勢領(lǐng)域是由汽車氣體力學中的輪胎壓力傳感器產(chǎn)生的。根據(jù)2001年頒發(fā)的一項法律，美國強制性要求每一種新款汽車都必須配備這種輪胎壓力傳感器。一家法國市場分析公司預計，到2012年這種傳感器的市場將達到1830億美元，相對于2007年的1.68億美元，由于價格不斷下跌的緣故其復合年增長率僅為2％。從銷售量的角度分析，德國的Wicht Technologie公司預計，在市場上此類無線傳感器節(jié)點的數(shù)量將會由2011年的10萬組增加到2015年的超過6000萬組。如果類似美國的輪胎壓力傳感器法也在歐洲和亞洲通過的話，到2012年其市場可能會超過3億美元。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的必備條件

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分是數(shù)字傳感器，必備條件是一個被降低的波形因數(shù)、低能耗以及有效工作范圍，其有效工作范圍與所發(fā)射的無線電信號強度和能耗均成正比的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備高效性、可靠性和可縮放性，它們還應(yīng)該能支持數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點(10，000－100，000個)。其另一個必要條件是極低的維修需求，無線傳感器通常都安裝在偏遠地區(qū)，人工介入即使是像更換電池這樣簡單的事也是很困難和昂貴的。因此無線傳感器的能耗一定要極其低，以使其在一個電池更換周期內(nèi)可以運行幾個月甚至幾年?；谶@些原因，人們已經(jīng)研發(fā)出了幾種不需要電池的解決方案。它們以能量搜集技術(shù)為基礎(chǔ)，可以從環(huán)境中汲取運行所需要的能量。它們通常能利用太陽能、熱能或振動所帶來的能量。再有，傳感器必須能夠現(xiàn)場編程和自我設(shè)置，即使在有一個或多個故障傳感器存在的情況下，網(wǎng)絡(luò)也能正常運行。信號發(fā)送率通常不是問題，因為在大多數(shù)應(yīng)用中，傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不是很大，能以非連續(xù)方式來發(fā)送。(劉力麗譯)