無線傳感器研究背景目的意義及現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1/5無線傳感器爭論背景目的意義及現(xiàn)狀與進展趨勢爭論背景隨著無線技術(shù)的快速進展和日趨成熟，無線通信也進展到肯定的階段，其進展的技術(shù)越來越成熟，方向也越來越多，越來越重要，大量的應(yīng)用方案開頭承受無線技術(shù)進展數(shù)據(jù)采集和通信。微機電系統(tǒng)和低功耗高集成數(shù)字設(shè)備的進展，使得低本錢、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點得以實現(xiàn)。這樣的節(jié)點協(xié)作各類型的傳感器，可組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔WSN〕。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開創(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)場監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測和大區(qū)域內(nèi)的目標追蹤等領(lǐng)域。傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認定為最重要的爭論之一。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般承受電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大、更換格外困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計準則之一，因此，它迫切需要對傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用開發(fā)進展更和改進，需要細心設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)，以使其牢靠而耐用。2022年,美國《技術(shù)評論》雜志論述將來興十大技術(shù)時,WSN被列為第一;WSN的應(yīng)用和進展將引起一場劃時代的軍事技術(shù)革命和將來戰(zhàn)斗的變革?？梢酝茰y,WSN是信息感知和采集的一場革命,21世紀最重要的技術(shù)之一[2]。低功耗無線傳感模塊，便是組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。此方面的爭論由來已久，是計算機應(yīng)用的擴展，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采集到的信息進展處理和加工。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于社會建設(shè)的各個層面和人們的日常生活當中。但過去的爭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，在無線傳感技術(shù)應(yīng)用如此廣泛的今日，在保證無線傳感模塊性能的同時又能實現(xiàn)其低功耗具有肯定的理論和現(xiàn)實意義。爭論目的及意義爭論目的當前對于無線傳感技術(shù)的爭論仍舊處在一個高速進展的階段，低功耗就是其進展方向之一，而低功耗與高性能的結(jié)合實現(xiàn)還不完全。因此，為了更好的實現(xiàn)無線傳感模塊的功能，增加模塊的牢靠性和使用壽命，通過對無線傳感節(jié)點的硬件功耗的分析，確定無線傳感模塊各單元的根本功率消耗，并進展相應(yīng)比較，確定需重點降耗的單元，在此根底上結(jié)合當前對低功耗無線傳感模塊的爭論，通過比照分析選擇適宜的芯片完成對低功耗無線傳輸模塊的自主設(shè)計和制作。并關(guān)心軟件開發(fā)人員完成各子模塊的驅(qū)動編寫，實現(xiàn)低功耗無線傳感模塊的整體通信功能。爭論意義無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開創(chuàng)了應(yīng)用領(lǐng)域的興概念和技術(shù)。當前，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認定為最重要的爭論之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡(luò)牢靠性的重要保障。低功耗無線傳感模塊爭論具有極其重要的學習和爭論價值，其功能的實現(xiàn)具有極其重要的理論和現(xiàn)實意義。首先，現(xiàn)有的眾多爭論中，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)過深入的分析和對芯片的數(shù)據(jù)比較，提出了低功耗無線傳感模塊的硬件設(shè)計思路。其次，增加無線傳感模塊的應(yīng)用。無線傳感模塊應(yīng)用已格外廣泛，除去組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用外，無線傳感技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，如車間溫濕度、壓力等；短距無線通信等。實現(xiàn)了無線傳感模塊的低功耗，其對電能的需求就會更小，應(yīng)用的范圍將會進一步的擴大。相關(guān)概念界定①無線傳感模塊：是指由處理器模塊、無線模塊、電源模塊和傳感模塊組成的無線通信自治系統(tǒng)，它承受肯定的頻率和編碼方法實現(xiàn)與其它模塊的通信，屬于無線技術(shù)的一種。WSN〔WirelessSensorNetwork〕:是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信力量的微小傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網(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)測對象的信息，并發(fā)送給觀測者[3]。③PCB:PrintedCircuitBoard的縮寫，中文意為印刷電路板，是搭配電子零件之前的基板，被譽為“電子系統(tǒng)產(chǎn)品之母”或“3C產(chǎn)業(yè)之基石”。國內(nèi)外爭論現(xiàn)狀和進展趨勢國內(nèi)外爭論現(xiàn)狀無線傳感模塊是興的下一代無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，它是組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的根本局部。最早的代表性論述消滅在二十世紀九十年月末，題為“傳感器走向無線時代”。傳感技術(shù)的進展經(jīng)受了一般傳感器、智能傳感器、無線傳感器等幾個階段。一般傳感器，是最早產(chǎn)生的傳感器，只能實現(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，還能對所采集到的信息進展肯定程度的計算和處理；無線傳感器則是在智能傳感器的根底上再集成無線功能模塊，使得傳感器不再是單獨的感知模塊，而是一個能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，信息交換和掌握的有機整體。為了實現(xiàn)隨時隨地與任何人或任何設(shè)備的互聯(lián)互通，無線通信技術(shù)獲得了蓬勃進展。在正交頻分復用(OFDM)和多入多出(MIMO)等根底技術(shù)支持下，多種無線技術(shù)如藍牙、Wi-Fi、WIMAX、超寬帶和無線局域網(wǎng)獲得了長足進展。作為蓬勃進展的無線技術(shù)，近幾年正是其大變革時期。隨著幾種重要根底技術(shù)的推廣和實際應(yīng)用，無線通信的速度也將得到大大提高。無線傳感模塊屬于無線技術(shù)中較為底層的一個分支，由于越來越多的應(yīng)用方案開頭承受無線節(jié)點進展數(shù)據(jù)采集和通信。綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等的無線傳感網(wǎng)絡(luò),是當前的熱點爭論領(lǐng)域。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡(luò)牢靠性的重要保障，因此無線傳感模塊的設(shè)計，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認定為最重要的爭論之一。當前國內(nèi)外消滅了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件平臺。典型的節(jié)點包括Mica系列、Telos、IRISImote2等。各平臺的主要區(qū)分是承受了不同的處理器Imote2節(jié)點，不適用于Telos、Mica等，由于設(shè)計時間較早，其性能已經(jīng)落后于當今的集成電路工業(yè)設(shè)計水平[4]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般承受電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換格外困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計準則之一。ITP〔美國再生能源辦公室工業(yè)技術(shù)打算〕2022年公布的報告“21世紀工業(yè)無線技術(shù)”第一頁中引用了總統(tǒng)科技參謀的斷言：10%25%[5]Intel(r)Mote的爭論工程則留意了三個方面的要求，包括低功耗操作、系統(tǒng)級集成和硬件的重配置，期望做到平衡功耗與性能的沖突，但目標的實現(xiàn)還需要肯定的努力。MIT進展的模塊化平臺對于具體的傳感器有不同的硬件設(shè)計，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，承受垂直連接器來使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設(shè)計一個通用的系統(tǒng)來取代單一的硬件系統(tǒng)[7]。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及集成技術(shù)的不斷進展，傳感技術(shù)也會得到不斷的進展和完善。并且會有更多的構(gòu)造、功能強、耗能低的傳感器用運于各種實際的無線網(wǎng)絡(luò)當中，以高的準確度和良好的穩(wěn)定性效勞于更加廣泛的領(lǐng)域。進展趨勢正是由于低功耗無線傳感節(jié)點在如此廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，使得它受到了來自軍事、工業(yè)和商業(yè)以及學術(shù)專家的極大關(guān)注。其進展方向必定是無線通信的網(wǎng)絡(luò)化，即通過自組網(wǎng)的方式形成動態(tài)、自適應(yīng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學科高度穿插、學問高度集成的前沿熱點爭論領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。我國迫切需要提升對此的生疏程度，并盡快推動其進展。因此，以無線傳感模塊為根底，實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的無線互聯(lián)將是一個必定的趨勢。另外由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(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)點的組成不盡一樣。已有的節(jié)點，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，無線傳感模塊的進展必定是趨向與低功耗的。即在保證所需要實現(xiàn)功能的根底上，盡量的實現(xiàn)整個模塊的低功耗，甚至在不影響整體性能的狀況下適當削減局部功能來實現(xiàn)降低功耗的目的。除開以上所講兩種進展趨勢之外，無線傳感模塊的應(yīng)用和進展還具有極大的進展空間和良好的進展方向。當前對無線傳感模塊的應(yīng)用都是靜止性的，就目前存在的無線傳感網(wǎng)絡(luò)〔WSN〕，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點都是被固定的安放在一個地方，要實現(xiàn)對整個環(huán)境的檢測，就需要向環(huán)境中投放大量的無線傳感節(jié)點。這樣一來本錢就會格外的高。假設(shè)實現(xiàn)無線傳感模塊對信息的移動式采集，則在同一個環(huán)境內(nèi)投放更少的節(jié)點，就能實現(xiàn)對環(huán)境的全面檢測。正是由于當前能耗對無線傳感模塊的影響，低功耗爭論才上升為一個熱點領(lǐng)域，不管是使用電源或者電池供電，在實現(xiàn)低功耗后，無