無線數字傳感器的新應用

Ａｎｇｅｌａ　Ｒｏｓｓｏｎｉ

摘要：伴隨著技術的成熟和進步，無線數字傳感器對電子市場具有重要的推動作用，無線數字傳感器技術的進步催生出諸多新的應用領域，并且帶動數字傳感器技術的發展。

關鍵詞：數字傳感器；無線傳感器；無線網絡；ZigBee

即使在萌芽階段，人們仍然認為在不久的將來數字傳感器對電子市場具有重要的推動作用。制作數字傳感器的接口以及支持用于數字傳感器網絡的形式多樣的通訊協議都是對技術工藝的巨大挑戰。傳感器的非均質特性和其操作條件的多樣化也對技術工藝提出了巨大的挑戰。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。

數字傳感器的新興標準

如今傳感器網絡使用多種技術來為不同的工業服務。用于傳感器網絡的各種專屬協議的數量激增，這就需要在傳感器網絡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。

工程任務組(IETF)正在為以藍牙、Wi－Fi和802.15.4等為基礎的無線傳感器網絡開列一個標準，以便能將傳感器節點連接到更寬廣的互聯網絡上。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，它為連接在網絡中的轉換器(傳感器和執行器)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、通訊協議和基本功能；IEEE1451.1控制信息在網絡上的獲取和發送；IEEE1451.2處理有線網絡的界面事宜，與RS－233、ES－485和USB等標準兼容；IEEE1451.3啟動處在多分支網絡中的傳感器的運行；于2003年通過的IEEE P1451.4規定與數字傳感器相關的數據(像傳感器的類別、型號、操作參數以及位置等)必須能夠以電子數據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，這種數據表被稱為轉換器電子數據表(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。在美國國家儀器網站中有一個有效TEDS的數據庫，它包括了可以在IEEEP1451網絡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，它規定的是將TEDS連接到無線網絡中的必要條件，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。

無線數字傳感器

幾十億的有線傳感器被廣泛地用于電子系統中，從簡單的熱電偶到更復雜的專用系統。它們被用于測量和監控物理參數。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點，價格低廉、適應性好，即使在不良環境中也易于安裝和使用。根據市場分析機構Cahners Instat的估計，到2010年，將有超過1600億個無線傳感器網絡節點被賣出。

傳感器的無線網絡將在一定區域內分布的各種傳感器連接在一起并結合智能電路進行信號處理和數據傳輸。其可能的應用領域包括軍事、環境及道路交通的監控、安全與警戒、家庭與工業自動化、醫療衛生系統和汽車。在工業環境中，建立一個傳感器網絡的費用有80％花在布線上，而且建立這樣一個網絡有時是不現實甚至是不可能的。在汽車方面，傳感器的一個重要應用是用于遙控開鎖系統(RKE，Remote Keyless EntrySystems)，以無線代替了CAN總線，這樣做大大節省了成本及空間，去除了昂貴而粗大的電纜。根據Cahners Instat最近的預測，到2010年將有超過1600億個傳感器網絡節點被賣出，而且建立包含一萬至十萬個傳感器節點的網絡也是非常可能的事。這樣，可測量性成為了一個非常關鍵的因素。此外，傳感器必須可以現場編程和自行設置；網絡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。另一個關鍵參數是能耗，因為無線傳感器也可能被設置在偏遠地區。在無線傳感器網絡方面，一個非常有前途的無線技術是ZigBee，它是按照IEEE 802.15.4標準研發的，能確保低能耗和低成本。ZigBee聯盟的發起公司有華為、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、Texas Instruments、Samsung和Siemens。West Technology，一個定向于無線電技術市場調查的公司預測，利用ZigBee技術制作的符合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％。其他應用于無線傳感器網絡的無線技術還有由cypress推出的無線USB；以及z－Wave，一種由Zensys公司研發的技術，有超過160家公司組成了一個z－Wave聯盟來共同推廣這一技術。

無線傳感器：新興的用途

應用于住宅方面的傳感器在全球具有60億個節點的潛在市場，用于以無線傳感器為基礎的監控系統，它是無線傳感器用途的一個重要體現。到2012年，用于智能住宅(smart house)的無線傳感器網絡將會有價值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、節能系統、保安模塊、娛樂系統和遠程就醫(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。這種優勢在工業領域尤為重要，電纜在其傳感器網絡安裝費用中占80％。無線傳感器在惡劣環境中使用具有優勢，在這些環境中傳感器要經得起震動、高溫和電子噪聲甚至是爆炸性氣體。在如此惡劣的環境中安裝有線傳感器是不現實、昂貴甚至是不可能的。過去阻礙無線傳感器在工業領域中使用的原因是保安問題以及工廠中不同無線電網絡之間可能存在的干擾問題。無線傳感器在其他領域中的應用經驗可以作為參照來解決其在工業環境中應用所遇到的這些問題。例如，解碼技術被用來保護無線傳感器網絡拒絕非法訪問。

無線傳感器應用的另一個強勢領域是由汽車氣體力學中的輪胎壓力傳感器產生的。根據2001年頒發的一項法律，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點的數量將會由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。

無線傳感器網絡的必備條件

無線傳感器網絡的主要組成部分是數字傳感器，必備條件是一個被降低的波形因數、低能耗以及有效工作范圍，其有效工作范圍與所發射的無線電信號強度和能耗均成正比的。無線傳感器網絡必須具備高效性、可靠性和可縮放性，它們還應該能支持數量眾多的傳感器節點(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，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可以運行幾個月甚至幾年。基于這些原因，人們已經研發出了幾種不需要電池的解決方案。它們以能量搜集技術為基礎，可以從環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，傳感器必須能夠現場編程和自我設置，即使在有一個或多個故障傳感器存在的情況下，網絡也能正常運行。信號發送率通常不是問題，因為在大多數應用中，傳感器所產生的數據量不是很大，能以非連續方式來發送。(劉力麗譯)