無(wú)線傳感器研究背景目的意義及現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1/5無(wú)線傳感器爭(zhēng)論背景目的意義及現(xiàn)狀與進(jìn)展趨勢(shì)爭(zhēng)論背景隨著無(wú)線技術(shù)的快速進(jìn)展和日趨成熟，無(wú)線通信也進(jìn)展到肯定的階段，其進(jìn)展的技術(shù)越來(lái)越成熟，方向也越來(lái)越多，越來(lái)越重要，大量的應(yīng)用方案開(kāi)頭承受無(wú)線技術(shù)進(jìn)展數(shù)據(jù)采集和通信。微機(jī)電系統(tǒng)和低功耗高集成數(shù)字設(shè)備的進(jìn)展，使得低本錢、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。這樣的節(jié)點(diǎn)協(xié)作各類型的傳感器，可組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔WSN〕。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)創(chuàng)了的應(yīng)用領(lǐng)域的興概念和技術(shù)。廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測(cè)和大區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)追蹤等領(lǐng)域。傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的爭(zhēng)論之一。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般承受電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大、更換格外困難，所以低功耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一，因此，它迫切需要對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)展更和改進(jìn)，需要細(xì)心設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)，以使其牢靠而耐用。2022年,美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志論述將來(lái)興十大技術(shù)時(shí),WSN被列為第一;WSN的應(yīng)用和進(jìn)展將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和將來(lái)戰(zhàn)斗的變革?？梢酝茰y(cè),WSN是信息感知和采集的一場(chǎng)革命,21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一[2]。低功耗無(wú)線傳感模塊，便是組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。此方面的爭(zhēng)論由來(lái)已久，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的擴(kuò)展，承受了大規(guī)模集成電路和嵌入式技術(shù)，使用智能微處理器對(duì)采集到的信息進(jìn)展處理和加工?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)建設(shè)的各個(gè)層面和人們的日常生活當(dāng)中。但過(guò)去的爭(zhēng)論有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，在無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用如此廣泛的今日，在保證無(wú)線傳感模塊性能的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)其低功耗具有肯定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。爭(zhēng)論目的及意義爭(zhēng)論目的當(dāng)前對(duì)于無(wú)線傳感技術(shù)的爭(zhēng)論仍舊處在一個(gè)高速進(jìn)展的階段，低功耗就是其進(jìn)展方向之一，而低功耗與高性能的結(jié)合實(shí)現(xiàn)還不完全。因此，為了更好的實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感模塊的功能，增加模塊的牢靠性和使用壽命，通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的硬件功耗的分析，確定無(wú)線傳感模塊各單元的根本功率消耗，并進(jìn)展相應(yīng)比較，確定需重點(diǎn)降耗的單元，在此根底上結(jié)合當(dāng)前對(duì)低功耗無(wú)線傳感模塊的爭(zhēng)論，通過(guò)比照分析選擇適宜的芯片完成對(duì)低功耗無(wú)線傳輸模塊的自主設(shè)計(jì)和制作。并關(guān)心軟件開(kāi)發(fā)人員完成各子模塊的驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)線傳感模塊的整體通信功能。爭(zhēng)論意義無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)創(chuàng)了應(yīng)用領(lǐng)域的興概念和技術(shù)。當(dāng)前，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的爭(zhēng)論之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)牢靠性的重要保障。低功耗無(wú)線傳感模塊爭(zhēng)論具有極其重要的學(xué)習(xí)和爭(zhēng)論價(jià)值，其功能的實(shí)現(xiàn)具有極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。首先，現(xiàn)有的眾多爭(zhēng)論中，將性能和低功耗相結(jié)合的較少，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。本文綜合了性能和低功耗的共同需求，經(jīng)過(guò)深入的分析和對(duì)芯片的數(shù)據(jù)比較，提出了低功耗無(wú)線傳感模塊的硬件設(shè)計(jì)思路。其次，增加無(wú)線傳感模塊的應(yīng)用。無(wú)線傳感模塊應(yīng)用已格外廣泛，除去組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用外，無(wú)線傳感技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，如車間溫濕度、壓力等；短距無(wú)線通信等。實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感模塊的低功耗，其對(duì)電能的需求就會(huì)更小，應(yīng)用的范圍將會(huì)進(jìn)一步的擴(kuò)大。相關(guān)概念界定①無(wú)線傳感模塊：是指由處理器模塊、無(wú)線模塊、電源模塊和傳感模塊組成的無(wú)線通信自治系統(tǒng)，它承受肯定的頻率和編碼方法實(shí)現(xiàn)與其它模塊的通信，屬于無(wú)線技術(shù)的一種。WSN〔WirelessSensorNetwork〕:是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信力量的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線電通信形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)掩蓋區(qū)域里被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀測(cè)者[3]。③PCB:PrintedCircuitBoard的縮寫(xiě)，中文意為印刷電路板，是搭配電子零件之前的基板，被譽(yù)為“電子系統(tǒng)產(chǎn)品之母”或“3C產(chǎn)業(yè)之基石”。國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)論現(xiàn)狀和進(jìn)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)論現(xiàn)狀無(wú)線傳感模塊是興的下一代無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它是組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的根本局部。最早的代表性論述消滅在二十世紀(jì)九十年月末，題為“傳感器走向無(wú)線時(shí)代”。傳感技術(shù)的進(jìn)展經(jīng)受了一般傳感器、智能傳感器、無(wú)線傳感器等幾個(gè)階段。一般傳感器，是最早產(chǎn)生的傳感器，只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；智能傳感器則是在一般傳感器的根底上將處理計(jì)算力量與傳感器相結(jié)合，使得傳感模塊不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)等信息采集，還能對(duì)所采集到的信息進(jìn)展肯定程度的計(jì)算和處理；無(wú)線傳感器則是在智能傳感器的根底上再集成無(wú)線功能模塊，使得傳感器不再是單獨(dú)的感知模塊，而是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，信息交換和掌握的有機(jī)整體。為了實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地與任何人或任何設(shè)備的互聯(lián)互通，無(wú)線通信技術(shù)獲得了蓬勃進(jìn)展。在正交頻分復(fù)用(OFDM)和多入多出(MIMO)等根底技術(shù)支持下，多種無(wú)線技術(shù)如藍(lán)牙、Wi-Fi、WIMAX、超寬帶和無(wú)線局域網(wǎng)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展。作為蓬勃進(jìn)展的無(wú)線技術(shù)，近幾年正是其大變革時(shí)期。隨著幾種重要根底技術(shù)的推廣和實(shí)際應(yīng)用，無(wú)線通信的速度也將得到大大提高。無(wú)線傳感模塊屬于無(wú)線技術(shù)中較為底層的一個(gè)分支，由于越來(lái)越多的應(yīng)用方案開(kāi)頭承受無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)展數(shù)據(jù)采集和通信。綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)前的熱點(diǎn)爭(zhēng)論領(lǐng)域。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)牢靠性的重要保障，因此無(wú)線傳感模塊的設(shè)計(jì)，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的爭(zhēng)論之一。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外消滅了多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。典型的節(jié)點(diǎn)包括Mica系列、Telos、IRISImote2等。各平臺(tái)的主要區(qū)分是承受了不同的處理器Imote2節(jié)點(diǎn)，不適用于Telos、Mica等，由于設(shè)計(jì)時(shí)間較早，其性能已經(jīng)落后于當(dāng)今的集成電路工業(yè)設(shè)計(jì)水平[4]。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般承受電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換格外困難，所以低功耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。ITP〔美國(guó)再生能源辦公室工業(yè)技術(shù)打算〕2022年公布的報(bào)告“21世紀(jì)工業(yè)無(wú)線技術(shù)”第一頁(yè)中引用了總統(tǒng)科技參謀的斷言：10%25%[5]Intel(r)Mote的爭(zhēng)論工程則留意了三個(gè)方面的要求，包括低功耗操作、系統(tǒng)級(jí)集成和硬件的重配置，期望做到平衡功耗與性能的沖突，但目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還需要肯定的努力。MIT進(jìn)展的模塊化平臺(tái)對(duì)于具體的傳感器有不同的硬件設(shè)計(jì)，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，承受垂直連接器來(lái)使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設(shè)計(jì)一個(gè)通用的系統(tǒng)來(lái)取代單一的硬件系統(tǒng)[7]。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及集成技術(shù)的不斷進(jìn)展，傳感技術(shù)也會(huì)得到不斷的進(jìn)展和完善。并且會(huì)有更多的構(gòu)造、功能強(qiáng)、耗能低的傳感器用運(yùn)于各種實(shí)際的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以高的準(zhǔn)確度和良好的穩(wěn)定性效勞于更加廣泛的領(lǐng)域。進(jìn)展趨勢(shì)正是由于低功耗無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在如此廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，使得它受到了來(lái)自軍事、工業(yè)和商業(yè)以及學(xué)術(shù)專家的極大關(guān)注。其進(jìn)展方向必定是無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)化，即通過(guò)自組網(wǎng)的方式形成動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度穿插、學(xué)問(wèn)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)爭(zhēng)論領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。我國(guó)迫切需要提升對(duì)此的生疏程度，并盡快推動(dòng)其進(jìn)展。因此，以無(wú)線傳感模塊為根底，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線互聯(lián)將是一個(gè)必定的趨勢(shì)。另外由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)牢靠性的重要保障。在不同的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡一樣。已有的節(jié)點(diǎn)，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，無(wú)線傳感模塊的進(jìn)展必定是趨向與低功耗的。即在保證所需要實(shí)現(xiàn)功能的根底上，盡量的實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊的低功耗，甚至在不影響整體性能的狀況下適當(dāng)削減局部功能來(lái)實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。除開(kāi)以上所講兩種進(jìn)展趨勢(shì)之外，無(wú)線傳感模塊的應(yīng)用和進(jìn)展還具有極大的進(jìn)展空間和良好的進(jìn)展方向。當(dāng)前對(duì)無(wú)線傳感模塊的應(yīng)用都是靜止性的，就目前存在的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)〔WSN〕，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是被固定的安放在一個(gè)地方，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)環(huán)境的檢測(cè)，就需要向環(huán)境中投放大量的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。這樣一來(lái)本錢就會(huì)格外的高。假設(shè)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感模塊對(duì)信息的移動(dòng)式采集，則在同一個(gè)環(huán)境內(nèi)投放更少的節(jié)點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全面檢測(cè)。正是由于當(dāng)前能耗對(duì)無(wú)線傳感模塊的影響，低功耗爭(zhēng)論才上升為一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，不管是使用電源或者電池供電，在實(shí)現(xiàn)低功耗后，無(wú)