無線磁場傳感器網絡

摘 要無線磁場傳感器網絡是一種多學科多技術結合的產物，其可以對進入網絡的目標進行實時檢測。本文采用巨磁阻抗傳感器為網絡節(jié)點組建無線磁場傳感器網絡，對移動目標進行了測量，并對結果進行了分析。

【關鍵詞】無線磁場傳感器 網絡

無線傳感器網絡技術（wireless sensor network，WSN）是一種多學科交叉的產物，涉及了包括傳感器技術、微機電技術、嵌入式技術、通訊技術在內的多種學科。因為其應用的廣泛性和技術的前沿性而受到國際和國內的廣泛關注。自本世紀以來，大量的科研工作者投身其中，使得這項技術的進展快速推進。

無線磁場傳感器網絡技術是WSN技術中的一個重要分支，由于鋼鐵類鐵磁性材料在各種日常生活用品、汽車、船舶、飛機中廣泛使用，無線磁場傳感器網絡在對這些目標的監(jiān)控方面有很大應用前景。國際上美國在這方面工作做得較為突出，主要源自本身在實用領域、尤其是軍事方面的迫切需求。通過無線磁場傳感器網絡技術對戰(zhàn)場實施監(jiān)控可以獲得許多珍貴的態(tài)勢情報，從而增強己方的戰(zhàn)斗力。美國國防部支持大學等研究機構研發(fā)名為智慧微塵（smart dust）的陸地武器裝備探測系統(tǒng)。該研究的核心磁敏感元件為磁阻元件，通過微機電技術將磁場傳感器和相應電路集成化、微型化，研制小尺寸的傳感器節(jié)點。然后將這些節(jié)點組成網絡布置在作戰(zhàn)區(qū)域，在敵方極難察覺的情況下偵探測查敵方武器裝備。但和國外相比，起步還較晚，較多的工作還集中在理論模擬方面，實用器件方面的研究還相對較少。從無線磁場傳感器網絡技術的發(fā)展趨勢來看主要分兩個方面。首先是提高探測節(jié)點的分辨率和測量精度。這是決定無線磁場傳感器網絡測量能力的最核心和最根本的問題。只有磁性傳感器的性能提高了才能測量更加微小的磁場變化，從而測量更小、更遠的物體。其次是減小探測節(jié)點的尺寸和功耗。

巨磁阻抗效應（GMI）是指即磁性材料的交流阻抗在外加直流磁場的作用下發(fā)生顯著變化的現象。最經幾年GMI效應傳感器由于其極高的分辨率被人們寄予厚望。研究者們開始嘗試將其引入到人體生物學測量的應用范圍中來。在T. Uchiyama、K. Mohri、N.Hamada等人的努力下，基于非晶絲材料和CMOS IC工藝的GMI效應傳感器分辨率達到了令人興奮的幾百pT的GMI傳感器。而且GMI效應元件對環(huán)境的要求不高，不需要任何屏蔽條件就能正常工作，這大大方便了在實際應用中GMI效應傳感器的使用。

1 磁場無線傳感器網絡

本文采用GMI傳感器為網絡節(jié)點布置傳感器網絡，對進入其中的車輛目標進行檢測。首先各個磁場傳感器節(jié)點測量其周圍的磁場分布，其次各個節(jié)點的信息通過傳輸模塊匯聚到網關，之后由網管送入終端PC或網絡。在終端中，這些信息被融合成一張磁場地圖，實時的監(jiān)控著測量范圍之內的磁場變化情況。當有鐵磁性的目標進入監(jiān)控區(qū)域時，區(qū)域內的磁場會被測量目標所擾動，從而在磁場地圖上反應出相應的變化。

應用該傳感器網絡對進入其測量范圍的目標進行測量，信號響應如圖1所示。Bx1、By1、Bz1、Bx2、By2、Bz2分別為布置在位置1和位置2的傳感器對空間三軸磁感應強度分量的測量結果。從圖中可以分析出當目標靠近某個傳感器的時候，目標會對該傳感器所在位置的地磁場產生擾動。該擾動信號就會被傳感器記錄下來并傳輸到數據終端。以Bx1、Bx2為例，可以認為當信號出現最大值的時候，目標距離傳感器的位置最近。在數據終端中記錄了各個網絡節(jié)點布置時的位置信息結合測量到的不同節(jié)點響應信號的時間信息就可以分析出目標的軌跡、速度等信息。

2 結論

無線磁場傳感器網絡能夠通過測量監(jiān)控范圍內地磁場的擾動，來測量進入其中的目標的信息。將測量的的多節(jié)點的磁場變化信號結合網絡節(jié)點位置信息可以對目標的軌跡、速度等多種信息進行檢測。

參考文獻

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作者簡介

張清（1982-），男，上海市人。研究生學歷。工程師。研究方向為傳感器技術。

作者單位

華東師范大學 上海市 200062