無線數(shù)字傳感器的新應(yīng)用

　　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(jiǎn)單的熱電偶到更復(fù)雜的專用系統(tǒng)。它們被用于測(cè)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?yàn)樗鼈兙哂幸恍╋@著的優(yōu)點(diǎn)，價(jià)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(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Cahners Instat的估計(jì)，到2010年，將有超過1600億個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行信號(hào)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(dòng)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(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用有80%花在布線上，而且建立這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有時(shí)是不現(xiàn)實(shí)甚至是不可能的。在汽車方面，傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用是用于遙控開鎖系統(tǒng)(RKE-Remote Keyless Entry Systems)，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(yù)測(cè)，到2010年將有超過1600億個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被賣出;而且建立包含一萬至十萬個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)也是非?？赡艿氖?。這樣，可測(cè)量性成為了一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。此外，傳感器必須可以現(xiàn)場(chǎng)編程和自行設(shè)置;網(wǎng)絡(luò)必須能夠在有一個(gè)或多個(gè)故障傳感器存在的情況下正常運(yùn)行。另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是能耗，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/無線傳感器">無線傳感器也可能被設(shè)置在偏遠(yuǎn)地區(qū)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面，一個(gè)非常有前途的無線技術(shù)是ZigBee，它是按照IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(gè)定向于無線電技術(shù)市場(chǎng)調(diào)查的公司預(yù)測(cè)，利用ZigBee 技術(shù)制作的符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的傳感器芯片組的銷售量將從今年的3100萬組上升至2012年的31200萬組，其增長(zhǎng)為稍高于100%的復(fù)合比。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 Semiconductor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(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)的潛在市場(chǎng)，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(gè)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(huì)有價(jià)值28億美元的全球市場(chǎng);相比較而言，其在2007年的市場(chǎng)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(yuǎn)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(shì)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(fèi)用中占80%。無線傳感器在惡劣環(huán)境中使用具有優(yōu)勢(shì)，在這些環(huán)境中傳感器要經(jīng)得起震動(dòng)、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(shí)、昂貴甚或是不可能的。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。無線傳感器在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)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(hù)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(gè)強(qiáng)勢(shì)領(lǐng)域是由汽車氣體力學(xué)中的輪胎壓力傳感器產(chǎn)生的。根據(jù)2001年頒發(fā)的一項(xiàng)法律，美國強(qiáng)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。The Yole Développement，一家法國市場(chǎng)分析公司預(yù)計(jì)，到2012年這種傳感器的市場(chǎng)將達(dá)到1830億美元，相對(duì)于2007年的1.68億美元，由于價(jià)格不斷下跌的緣故其復(fù)合增長(zhǎng)率僅為2%。從銷售量的角度分析，德國的Wicht Technologie公司預(yù)計(jì)，在市場(chǎng)上此類無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量將會(huì)由2011年的十萬組增加到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(chǎng)可能會(huì)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。無線傳感器的主要必備條件是一個(gè)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(hào)強(qiáng)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?jǐn)?shù)量眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)(10,000~100,000個(gè))。其另一個(gè)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(yuǎn)地區(qū)，人工介入，即使是像更換電池這樣簡(jiǎn)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(gè)電池更換周期內(nèi)可以運(yùn)行幾個(gè)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(yùn)行所需要的能量。它們通常能利用太陽能、熱能或振動(dòng)所帶來的能量。再有，傳感器必須能夠現(xiàn)場(chǎng)編程和自我設(shè)置;即使在有一個(gè)或多個(gè)故障傳感器存在的情況下，網(wǎng)絡(luò)也能正常運(yùn)行。信號(hào)發(fā)送率通常不是問題，因?yàn)樵诖蠖鄶?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)

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