無線數(shù)字傳感器的新用法
中心議題：
?數(shù)字傳感器的新興標(biāo)準(zhǔn)
?無線傳感器新的用途
?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的必備條件
解決方案：
?IEEEP1451.4標(biāo)準(zhǔn)極大地簡(jiǎn)化了傳感器的布線
?傳感器可以現(xiàn)場(chǎng)編程和自行設(shè)置
即使在萌芽階段，人們?nèi)匀徽J(rèn)為在不久的將來數(shù)字傳感器對(duì)電子市場(chǎng)具有重要的推動(dòng)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(duì)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(duì)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(yùn)作，Intechno咨詢公司估計(jì)它們?cè)?008年的總銷售額將會(huì)超過500億美元。
數(shù)字傳感器的新興標(biāo)準(zhǔn)
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(gè)復(fù)雜而又昂貴的體系。因此人們需要更大程度的標(biāo)準(zhǔn)化。
工程任務(wù)組(TheInternetEngineeringTaskForce-IETF)正在為以藍(lán)牙、Wi-Fi和802.15.4網(wǎng)等為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開列一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以便能將傳感器節(jié)點(diǎn)連接到更寬廣的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上。IETF的目標(biāo)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(xiàng)協(xié)議將在2009年6月制定出臺(tái)。由IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))的1451委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)于上世紀(jì)90年代中期被引入，它為連接在網(wǎng)絡(luò)中的變換器(傳感器和執(zhí)行器)之間提供了一個(gè)通用而且完全透明的界面
這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)兼容;IEEE1451.3啟動(dòng)處在多分支網(wǎng)絡(luò)中的傳感器的運(yùn)行;于2003年通過的IEEEP1451.4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(hào)、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(chǔ)器)存儲(chǔ)器中讀取，這種數(shù)據(jù)表被稱為變換器電子數(shù)據(jù)表(TEDS-TransducerElectronicDataSheet)。
IEEEP1451.4標(biāo)準(zhǔn)極大地簡(jiǎn)化了傳感器的布線以及更換故障傳感器的問題。它同時(shí)也免除了傳感器在設(shè)置和校準(zhǔn)方面的人工干預(yù)，這種干預(yù)即費(fèi)時(shí)又易出錯(cuò)。這樣傳感器就成了即插即用的裝置。在美國(guó)國(guó)家儀器網(wǎng)站中有一個(gè)有效TEDS的數(shù)據(jù)庫(kù)，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(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙或ZigBee等的連接。最近又提出了IEEE1451.6標(biāo)準(zhǔn)議案，它定義TEDS和CAN總線的接口。
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圖1IEEEP1451標(biāo)準(zhǔn)的制定為連接在網(wǎng)絡(luò)上的變換器(傳感器和執(zhí)行器)之間提供了一個(gè)通用且完全透明的界面。
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)CahnersInstat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-RemoteKeylessEntrySystems)，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)CahnersInstat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)闊o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IEEE802.15.4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、TexasInstruments、Samsung和Siemens。WestTechnology，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IEEE802.15.4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CypressSemiconductor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(smarthouse)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(guó)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。TheYoleDéveloppement，一家法國(guó)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(guó)的WichtTechnologie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(guó)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。
基于這些原因，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(yáng)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。