無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)

摘 要無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種多學(xué)科多技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其可以對(duì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。本文采用巨磁阻抗傳感器為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組建無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線磁場(chǎng)傳感器 網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（wireless sensor network，WSN）是一種多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，涉及了包括傳感器技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通訊技術(shù)在內(nèi)的多種學(xué)科。因?yàn)槠鋺?yīng)用的廣泛性和技術(shù)的前沿性而受到國(guó)際和國(guó)內(nèi)的廣泛關(guān)注。自本世紀(jì)以來(lái)，大量的科研工作者投身其中，使得這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展快速推進(jìn)。

無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是WSN技術(shù)中的一個(gè)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(jī)中廣泛使用，無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)在對(duì)這些目標(biāo)的監(jiān)控方面有很大應(yīng)用前景。國(guó)際上美國(guó)在這方面工作做得較為突出，主要源自本身在實(shí)用領(lǐng)域、尤其是軍事方面的迫切需求。通過(guò)無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)控可以獲得許多珍貴的態(tài)勢(shì)情報(bào)，從而增強(qiáng)己方的戰(zhàn)斗力。美國(guó)國(guó)防部支持大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)研發(fā)名為智慧微塵（smart dust）的陸地武器裝備探測(cè)系統(tǒng)。該研究的核心磁敏感元件為磁阻元件，通過(guò)微機(jī)電技術(shù)將磁場(chǎng)傳感器和相應(yīng)電路集成化、微型化，研制小尺寸的傳感器節(jié)點(diǎn)。然后將這些節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)布置在作戰(zhàn)區(qū)域，在敵方極難察覺(jué)的情況下偵探測(cè)查敵方武器裝備。但和國(guó)外相比，起步還較晚，較多的工作還集中在理論模擬方面，實(shí)用器件方面的研究還相對(duì)較少。從無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看主要分兩個(gè)方面。首先是提高探測(cè)節(jié)點(diǎn)的分辨率和測(cè)量精度。這是決定無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量能力的最核心和最根本的問(wèn)題。只有磁性傳感器的性能提高了才能測(cè)量更加微小的磁場(chǎng)變化，從而測(cè)量更小、更遠(yuǎn)的物體。其次是減小探測(cè)節(jié)點(diǎn)的尺寸和功耗。

巨磁阻抗效應(yīng)（GMI）是指即磁性材料的交流阻抗在外加直流磁場(chǎng)的作用下發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。最經(jīng)幾年GMI效應(yīng)傳感器由于其極高的分辨率被人們寄予厚望。研究者們開(kāi)始嘗試將其引入到人體生物學(xué)測(cè)量的應(yīng)用范圍中來(lái)。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(yīng)傳感器分辨率達(dá)到了令人興奮的幾百pT的GMI傳感器。而且GMI效應(yīng)元件對(duì)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(shí)際應(yīng)用中GMI效應(yīng)傳感器的使用。

1 磁場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

本文采用GMI傳感器為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)進(jìn)入其中的車輛目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。首先各個(gè)磁場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量其周圍的磁場(chǎng)分布，其次各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息通過(guò)傳輸模塊匯聚到網(wǎng)關(guān)，之后由網(wǎng)管送入終端PC或網(wǎng)絡(luò)。在終端中，這些信息被融合成一張磁場(chǎng)地圖，實(shí)時(shí)的監(jiān)控著測(cè)量范圍之內(nèi)的磁場(chǎng)變化情況。當(dāng)有鐵磁性的目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)會(huì)被測(cè)量目標(biāo)所擾動(dòng)，從而在磁場(chǎng)地圖上反應(yīng)出相應(yīng)的變化。

應(yīng)用該傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)進(jìn)入其測(cè)量范圍的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，信號(hào)響應(yīng)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(duì)空間三軸磁感應(yīng)強(qiáng)度分量的測(cè)量結(jié)果。從圖中可以分析出當(dāng)目標(biāo)靠近某個(gè)傳感器的時(shí)候，目標(biāo)會(huì)對(duì)該傳感器所在位置的地磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。該擾動(dòng)信號(hào)就會(huì)被傳感器記錄下來(lái)并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端。以Bx1、Bx2為例，可以認(rèn)為當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)最大值的時(shí)候，目標(biāo)距離傳感器的位置最近。在數(shù)據(jù)終端中記錄了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置時(shí)的位置信息結(jié)合測(cè)量到的不同節(jié)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)間信息就可以分析出目標(biāo)的軌跡、速度等信息。

2 結(jié)論

無(wú)線磁場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)測(cè)量監(jiān)控范圍內(nèi)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)，來(lái)測(cè)量進(jìn)入其中的目標(biāo)的信息。將測(cè)量的的多節(jié)點(diǎn)的磁場(chǎng)變化信號(hào)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置信息可以對(duì)目標(biāo)的軌跡、速度等多種信息進(jìn)行檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

張清（1982-），男，上海市人。研究生學(xué)歷。工程師。研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。

作者單位

華東師范大學(xué) 上海市 200062