基于MEMS技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

崔思陽 彭泳卿 馮紅亮 劉鵬

摘要：基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的智能傳感器系統(tǒng)是體積小、能耗低、具備多功能傳感與探測(cè)、信息處理與存儲(chǔ)、雙向無線通信、能源自供給與管理等功能的集成系統(tǒng)；它既可以獨(dú)立工作也可以多系統(tǒng)協(xié)同工作。本文首先明確智能灰塵的基本概念及應(yīng)用領(lǐng)域；隨后介紹智能灰塵集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)組成；通過綜述智能灰塵技術(shù)的發(fā)展歷程與趨勢(shì)，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；最后總結(jié)智能灰塵系統(tǒng)關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)與重點(diǎn)，并明確今后MEMS的研究方向。

一、應(yīng)用范圍介紹

（1）工業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)對(duì)廣域?qū)崟r(shí)監(jiān)控的要求很高，急需一種低成本、高可靠度的實(shí)時(shí)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。智能灰塵技術(shù)可以很好地投入到這類應(yīng)用之中。例如一些遠(yuǎn)距離輸氣管道需要經(jīng)過大范圍面積的無人區(qū)域，難以采取人力監(jiān)控方法來檢查整條管道的運(yùn)行情況。如果沿管道路線部署智能灰塵系統(tǒng)，監(jiān)控中心就可以對(duì)整條輸氣管線進(jìn)行監(jiān)控，其造價(jià)和維護(hù)成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)技術(shù)。

（2）智能家居與智能電網(wǎng)

使用智能灰塵的智能家居系統(tǒng)，可以有效降低安裝和維護(hù)的成本。此外，米粒大小的智能灰塵占用空間極小且不易被發(fā)現(xiàn)，可以有效減小智能家居系統(tǒng)的體積。例如，在廚房的水閥使用智能灰塵可以監(jiān)視用水情況，如果短時(shí)間內(nèi)有大量用水情況就會(huì)發(fā)出警報(bào)；在房間地板使用智能灰塵可以用于監(jiān)測(cè)住戶的位置，并自動(dòng)控制照明裝置的開閉。

（3）醫(yī)療衛(wèi)生

智能灰塵的體積非常小、功能全、功耗低，具備人體內(nèi)工作的絕大部分條件。進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)工作。一方面，經(jīng)過生物兼容設(shè)計(jì)的智能灰塵可以制作成藥丸的形式并監(jiān)測(cè)人體的身體參數(shù)，如糖尿病患者的血糖含量監(jiān)測(cè)等；另一方面，智能灰塵可以作為便攜式體外測(cè)量?jī)x使用，用于替代傳統(tǒng)的測(cè)量裝置。

二、智能灰塵的模塊化設(shè)計(jì)及基本概念

智能灰塵（Smart Dust）系統(tǒng)是一種立方毫米尺寸的無線多功能傳感微系統(tǒng)，它具備環(huán)境傳感與探測(cè)、信息處理與存儲(chǔ)、無線通信、能源自供給與管理等功能，以單獨(dú)或者大范圍布撒工作。

根據(jù)定義智能灰塵應(yīng)該具有以下四個(gè)主要特點(diǎn)：（1）智能灰塵系統(tǒng)的功能是對(duì)目標(biāo)環(huán)境的感知—聲音、可見光與紅外光、溫度、濕度、磁場(chǎng)、震動(dòng)等信息的單一或組合探測(cè)；（2）智能灰塵系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)傳輸功能—它既可以實(shí)現(xiàn)與特定目標(biāo)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也可以若干器件同時(shí)工作構(gòu)成無線傳感、感知的通信網(wǎng)絡(luò)，使得智能灰塵系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換能力，從而保證了信息及時(shí)、快速、準(zhǔn)確的傳輸，有力支持了環(huán)境檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)的需求；（3）智能灰塵系統(tǒng)體積小、功耗低的特點(diǎn)使其攜帶便捷、安裝方便；（4）智能灰塵系統(tǒng)具有復(fù)合能源采集、能源自供給系統(tǒng)—保證其工作壽命。

首先，傳感器模塊將采集的環(huán)境信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行信號(hào)的分析；其次、經(jīng)分析的數(shù)據(jù)信息通過通信模塊與外界進(jìn)行發(fā)送與接收；最后、根據(jù)無線組網(wǎng)需求，進(jìn)行智能灰塵系統(tǒng)之間的通信協(xié)作，或者單獨(dú)對(duì)智能灰塵系統(tǒng)下達(dá)啟動(dòng)/休眠指令。智能灰塵系統(tǒng)的能源模塊由薄膜太陽能電池、固態(tài)電池和超級(jí)電容器等部件組成。為了節(jié)省能源的供給，智能灰塵系統(tǒng)還應(yīng)該具有休眠功能。

智能灰塵的模塊劃分：

一個(gè)智能灰塵作為一個(gè)綜合系統(tǒng)，智能灰塵系統(tǒng)個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮其任務(wù)功能、封裝體積、系統(tǒng)功耗、能源采集與管理策略等多方面綜合因素。考慮智能灰塵的功能，將系統(tǒng)劃分為四個(gè)部分：傳感器模塊、控制電路模塊、通信模塊與能源供給模塊。下面對(duì)四個(gè)模塊進(jìn)行分別介紹。

傳感器模塊：作為智能灰塵系統(tǒng)中傳感器模塊的任務(wù)是收集環(huán)境信息并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，一般包括聲音傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、紅外傳感器等。在實(shí)際工作中，單個(gè)的智能灰塵系統(tǒng)可以對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集與監(jiān)控；多個(gè)智能灰塵系統(tǒng)可以進(jìn)行協(xié)同工作，對(duì)一定范圍內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行檢測(cè)。從目前的技術(shù)看來，基于微納米制造技術(shù)和MEMS加工技術(shù)的傳感器模塊普遍存在。無論是體積還是功耗，基本符合智能灰塵系統(tǒng)的要求。

控制電路模塊：它是整個(gè)智能灰塵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算的部分，其功能包括：第一、對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行解析或存儲(chǔ)；第二、通過調(diào)整通信模塊中收發(fā)裝置對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行發(fā)射與接收（可動(dòng)反射鏡或無線）；第三、在特定情況下還可以對(duì)整個(gè)智能灰塵系統(tǒng)的休眠狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)急處理。控制電路模塊通常以微控制器作為內(nèi)核，包括核心處理器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘、存儲(chǔ)器或者閃存、硬件接口、穩(wěn)壓電路等。

目前，國(guó)外最新的智能灰塵樣機(jī)大多采用ARM構(gòu)架的芯片作為控制電路模塊的微處理器。這主要是因?yàn)锳RM架構(gòu)的自定義處理器具備功耗低、體積小、性能良好等優(yōu)點(diǎn)比較適合智能灰塵系統(tǒng)。

通訊模塊：負(fù)責(zé)智能灰塵節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)或者基站之間的信息交互，理論上至少應(yīng)該在十米到數(shù)十米范圍里保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。到目前為止，國(guó)際上所研制的智能灰塵樣機(jī)的通信模塊主要由兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)：1.基于MEMS技術(shù)的射頻通信系統(tǒng)2.基于MEMS微鏡技術(shù)的激光通信系統(tǒng)。

根據(jù)圖二中的對(duì)比，射頻通信和激光通信各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體工作環(huán)境選擇一個(gè)更優(yōu)的通信方式：射頻通信適用于絕大部分短距離組網(wǎng)應(yīng)用，而激光通信一般只用在超遠(yuǎn)距離身份識(shí)別和數(shù)據(jù)傳輸上。

能源模塊：能源模塊的主要目的是為智能灰塵系統(tǒng)供能，以維持系統(tǒng)正常的工作.為了有效延長(zhǎng)智能灰塵的工作壽命，智能灰塵系統(tǒng)應(yīng)該具備能源收集能力。微型化的燃料電池和同位素電池具有良好地發(fā)展前景，但是由于目前大量研究工作還在進(jìn)行之中。

三、智能灰塵的關(guān)鍵技術(shù)

主要包括以下三點(diǎn)：1.超小能源供給與管理技術(shù)；2.低功耗數(shù)據(jù)處理與無線電通信技術(shù)；3.MEMS一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。

對(duì)于無線傳感節(jié)點(diǎn)而言，除了需要盡可能降低功耗，改良能源供給技術(shù)也同樣重要。尤其是對(duì)于體積極端受限的智能灰塵系統(tǒng)更是如此。研究發(fā)現(xiàn)，在一定的系統(tǒng)體積限制下，即使功能部件的耗電量可以控制到亞毫瓦級(jí)別，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的電源供給仍然具有巨大的難度.因此，小體積高性能的能源模塊的實(shí)現(xiàn)，以及能源管理方法的優(yōu)化，對(duì)于智能灰塵系統(tǒng)極為重要。數(shù)據(jù)處理模塊普遍需要對(duì)功耗、體積和性能之間進(jìn)行權(quán)衡.因此研究人員需要以提升智能灰塵系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作性能。雖然智能灰塵系統(tǒng)中的每一個(gè)器件都有其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)和仿真方法。但是因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的組成部件眾多、結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，而且需要遵循“架構(gòu)層次化”、“結(jié)構(gòu)模塊化”、“接口規(guī)范化”的實(shí)用化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，有必要深入研究一體化設(shè)計(jì)與加工方法。

四、文章總結(jié)

自從1998年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究小組開始對(duì)智能灰塵技術(shù)進(jìn)行探索以來智能灰塵系統(tǒng)在科學(xué)研究，目標(biāo)定位，環(huán)境傳感等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前包括美國(guó)的密歇根大學(xué)，中國(guó)清華大學(xué)等研究單位都在開展智能灰塵系統(tǒng)技術(shù)的研究。

目前普遍提出能灰塵技術(shù)發(fā)展面臨的三個(gè)關(guān)鍵問題，包括具有實(shí)用能力的復(fù)合微能源系統(tǒng)，低功耗的數(shù)據(jù)處理和無線通信技術(shù)，以及適用于智能灰塵的一體化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)解決這些問題，將極大地促進(jìn)智能灰塵技術(shù)的進(jìn)步，并為智能灰塵的實(shí)用化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介：崔思陽，北京遙測(cè)技術(shù)研究所，天津，學(xué)歷：碩士。

（作者單位：北京遙測(cè)技術(shù)研究所）