无线数字传感器的新应用

即使在萌芽阶段，人们仍然认为在不久的将来数字传感器对电子市场具有重要的推动作用。制作数字传感器的接口以及支持用于数字传感器网络的形式多样的通讯协议都是对技术工艺的巨大挑战。传感器的非均质特性和其操作条件的多样化也对技术工艺提出了巨大的挑战。目前在全世界有超过3000家传感器制造商正在运作，Intechno 咨询公司估计它们在2008年的总销售额将会超过500亿美元。
　　
数字传感器的新兴标准
　　
如今传感器网络使用多种技术来为不同的工业服务。用于传感器网络的各种专属协议的数量激增。这就需要在传感器网络中引入综合翻译途径，它是一个复杂而又昂贵的体系。因此人们需要更大程度的标准化。
　　
工程任务组(The Internet Engineering Task Force-IETF)正在为以蓝牙、Wi-Fi和802.15.4网等为基础的无线传感器网络开列一个标准，以便能将传感器节点连接到更宽广的互联网络上。IETF的目标是在传感器之间建立一种通讯方式，这种通讯方式不需要专属的翻译途径。这项协议将在2009年6月制定出台。由IEEE(电气和电子工程师协会)的1451委员会制定的标准于上世纪90年代中期被引入，它为连接在网络中的变换器(传感器和执行器)之间提供了一个通用而且完全透明的界面。这个标准体系包含不同的子体系：IEEE P1451.0定义了物理层面的必备条件，通讯协议和基本功能;IEEE1451.1控制信息在网络上的获取和发送;IEEE1451.2处理有线网络的界面事宜，与RS-233、ES-485和USB等标准兼容;IEEE1451.3启动处在多分支网络中的传感器的运行;于2003年通过的IEEE P1451.4规定与数字传感器相关的数据(像传感器的类别、型号、操作参数以及位置等)必须能够以电子数据表的格式从整合在传感器中的EEPROM(电可擦除只读存储器)存储器中读取，这种数据表被称为变换器电子数据表(TEDS-Transducer Electronic Data Sheet)。IEEE P1451.4标准极大地简化了传感器的布线以及更换故障传感器的问题。 它同时也免除了传感器在设置和校准方面的人工干预，这种干预即费时又易出错。这样传感器就成了即插即用的装置。在美国国家仪器网站中有一个有效TEDS的数据库，它包括了可以在IEEE P1451网络中使用的各种老式的或没有EEPROM的传感器的专门资料。IEEE 1451.5标准仍在审核阶段，它规定的是将TEDS连接到无线网络中的必要条件，如与802.11、蓝牙或ZigBee等的连接。最近又提出了IEEE 1451.6标准议案，它定义TEDS和CAN总线的接口。
 

　　
图1 IEEE P1451标准的制定为连接在网络上的变换器(传感器和执行器)之间提供了一个通用且完全透明的界面。
无线数字传感器
　　
几十亿的有线传感器被广泛地用于电子系统中，从简单的热电偶到更复杂的专用系统。它们被用于测量和监控物理参数。许多工程师正在考虑改用无线传感器，因为它们具有一些显著的优点，价格低廉、适应性好，即使在不良环境中也易于安装和使用。根据市场分析机构Cahners Instat的估计，到2010年，将有超过1600亿个无线传感器网络节点被卖出。
　　
传感器的无线网络将在一定区域内分布的各种传感器连接在一起并结合智能电路进行信号处理和数据传输。其可能的应用领域包括军事、环境及道路交通的监控、安全与警戒、家庭与工业自动化、医疗卫生系统和汽车。在工业环境中，建立一个传感器网络的费用有80%花在布线上，而且建立这样一个网络有时是不现实甚至是不可能的。在汽车方面，传感器的一个重要应用是用于遥控开锁系统(RKE-Remote Keyless Entry Systems)，以无线代替了CAN总线，这样做大大节省了成本及空间，去除了昂贵而粗大的电缆。根据Cahners Instat最近的预测，到2010年将有超过1600亿个传感器网络节点被卖出;而且建立包含一万至十万个传感器节点的网络也是非常可能的事。这样，可测量性成为了一个非常关键的因素。此外，传感器必须可以现场编程和自行设置;网络必须能够在有一个或多个故障传感器存在的情况下正常运行。另一个关键参数是能耗，因为无线传感器也可能被设置在偏远地区。在无线传感器网络方面，一个非常有前途的无线技术是ZigBee，它是按照IEEE 802.15.4标准研发的，能确保低能耗和低成本。ZigBee 联盟的发起公司有华为、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、Texas Instruments、Samsung 和Siemens。West Technology，一个定向于无线电技术市场调查的公司预测，利用ZigBee 技术制作的符合IEEE 802.15.4标准的传感器芯片组的销售量将从今年的3100万组上升至2012年的31200万组，其增长为稍高于100%的复合比。其他应用于无线传感器网络的无线技术还有由Cypress Semiconductor推出的无线-USB;以及z-Wave，一种由Zensys公司研发的技术，有超过160家公司组成了一个z-Wave 联盟来共同推广这一技术。
　　
无线传感器：新兴的用途
　　
应用于住宅方面的传感器在全球具有60亿个节点的潜在市场，用于以无线传感器为基础的监控系统，它是无线传感器用途的一个重要体现。到2012年，用于智能住宅(smart house)的无线传感器网络将会有价值28亿美元的全球市场;相比较而言，其在2007年的市场只有4.7亿美元。传感器最被看好的用途有照明控制、节能系统、保安模块、娱乐系统和远程就医(telemedicine)。无线传感器比有线传感器更易安装并且免除了昂贵而粗大的电缆。这种优势在工业领域尤为重要，电缆在其传感器网络安装费用中占80%。无线传感器在恶劣环境中使用具有优势，在这些环境中传感器要经得起震动、高温和电子噪声甚至是爆炸性气体。在如此恶劣的环境中安装有线传感器是不现实、昂贵甚或是不可能的。过去阻碍无线传感器在工业领域中使用的原因是保安问题以及工厂中不同无线电网络之间可能存在的干扰问题。无线传感器在其它领域中的应用经验可以作为参照来解决其在工业环境中应用所遇到的这些问题。例如，解码技术被用来保护无线传感器网络拒绝非法访问。
　　
无线传感器应用的另一个强势领域是由汽车气体力学中的轮胎压力传感器产生的。根据2001年颁发的一项法律，美国强制性要求每一种新款汽车都必须配备这种轮胎压力传感器。The Yole Développement，一家法国市场分析公司预计，到2012年这种传感器的市场将达到1830亿美元，相对于2007年的1.68亿美元，由于价格不断下跌的缘故其复合增长率仅为2%。从销售量的角度分析，德国的Wicht Technologie公司预计，在市场上此类无线传感器节点的数量将会由2011年的十万组增加到2015年的超过6000万组。如果类似美国的轮胎压力传感器法也在欧洲和亚洲通过的话，到2012年其市场可能会超过3亿美元。
　　
无线传感器网络的必备条件
　　
无线传感器网络的主要组成部分是数字传感器。无线传感器的主要必备条件是一个被降低的波形因数、低能耗以及有效工作范围，其有效工作范围与所发射的无线电信号强度和能耗均成正比的。无线传感器网络必须具备高效性、可靠性和可缩放性，它们还应该能支持数量众多的传感器节点(10,000~100,000个)。其另一个必要条件是极低的维修需求。无线传感器通常都安装在偏远地区，人工介入，即使是像更换电池这样简单的事也是很困难和昂贵的。因此无线传感器的能耗一定要极其低，以使其在一个电池更换周期内可以运行几个月甚至几年。基于这些原因，人们已经研发出了几种不需要电池的解决方案。它们以能量搜集技术为基础，可以从环境中汲取运行所需要的能量。它们通常能利用太阳能、热能或振动所带来的能量。再有，传感器必须能够现场编程和自我设置;即使在有一个或多个故障传感器存在的情况下，网络也能正常运行。信号发送率通常不是问题，因为在大多数应用中，传感器所产生的数据量不是很大，能以非连续方式来发送。刘力丽(译)