《物联网导论》第3章 传感器技术

图3.5 传感器节点的发展曲线
不难看出，节点性能的提升十分缓慢。这是什么原因呢？ 分析传感器节点的应用，不难发现节点性能的发展主 要受到以下三方面因素的制约。 1）功耗的制约。无线传感节点一般被部署在野外，不 能通过有线供电。其硬件设计必须以节能为重要设计 目标。例如，在正常工作模式下，WeC的处理器的功
3）传感器能连续地、长期地采集数据。旧式的医疗设 备，如血压计，提供的是离散的、单个的数据，不利 于全面透彻地分析和诊断疾病的原因。而通过传感器 采集的连续、长期的数据，能提供更准确更全面的诊 断结果。 4）传感器使用无线通信方式，其数据传输是机会性的。 要穿戴在人身上，线缆显然十分累赘不便。在 Mercury系统中，通过使用无线通信方式，传感器会 随病人移动，无法始终保证有可靠的无线通信链路存 在。因此系统必须准确地估计链路、电量等的动态变 化情况，选取恰当的时机和地点进行机会性的数据传 输。
和传统的传感器不同，无线传感器节点不仅包括了传感 器部件，而且集成了微型处理器和无线通信芯片等， 能够对感知的信息进行分析处理和网络传输，如图3.2 所示。
图3.2 无线传感器节点Hale Waihona Puke Baidu成
网络化催生了全新的传感器应用模式——传感网。无线 传感网是由部署在监测区域内的大量微型、低成本、 低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络。它主要用 于长期、实时、大规模、自动化的环境监测。本章主 要涉及传感器技术，无线传感网的组网和应用将在后 续章节中讨论。
系列的微型处理器（512B的内存和8KB的闪存）。在正 常和睡眠状态下，处理器的功率分别仅为15mW和45 微瓦。之后，该校又发布了一系列微型化、低功耗的 节点平台，包括后来被研究者广泛使用的Mica、 Mica2、Mica2Dot和MicaZ。UCB制作的节点如图3.4所 示。
图3.4 加州大学伯克利分校制作的节点
3.2 发展历史
对无线传感器的研究始于20世纪90年代。1996年， 在美国国防部的资助下，加州大学洛杉矶分校 （UCLA）开展了旨在开发低功耗的无线传感器设 备的LWIM(Low-power Wireless Integrated Microsensors)项目。LWIM团队将多种传感器、控 制和通信芯片集成在一个设备上，开发了LWIM节 点。两年后，LWIM团队和Rockwell科学中心合作 开发了WINS(Wireless Integrated Network Sensors) 节点。该节点使用Intel StrongARM 32位的处理器 （1MB的内存和4MB的闪存），100Kb/s数据率的
图3.1 传统传感器组成
传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机 技术共同构成了信息技术的三大支柱。然而，传统传
感器网络化、智能化的程度十分有限。具体来讲，传统 传感器数据处理与分析能力极其有限，缺少信息共享 的有效渠道。现代科技的进步，特别是微电子机械系 统（Micro Electro Mechanical Systems, MEMS）、超大 规模集成技术（Very Large Scale Integrated Circuits, VLSI）的发展，使得现代传感器走上微型化、智能化 和网络化的发展路线，其典型的代表是无线传感器节 点（wireless sensor nodes）。
最早的传感器出现在1861年，作为连接物理世界与电子 世界的重要媒介，在当今信息化的过程中发挥着关键 作用。事实上，传感器已经渗透到人们当今的日常生 活中。只要细心观察，就可以发现日常生活中的各类 传感器，例如热水器的温控器、电视机的遥控器、空 调的温湿度传感器等。此外，传感器也广泛应用到工 农业、医疗卫生、军事国防、环境保护等领域，极大 地提高了人类认识世界和改造世界的能力。传统传感 器组成如图3.1所示。
第3章 传感器技术
目 录
第1章 物联网概述 第2章 自动识别技术与RFID 第3章 传感器技术 第4章 定位系统 第5章 智能信息设备 第6章 互联网 第7章 无线宽带网络 第8章 无线低速网络 第9章 移动通信网络 第10章 数据库系统 第11章 海量信息存储 第12章 搜索引擎 第13章 物联网中的智能决策 第14章 物联网中的信息安全与隐私保护 第15章 智能电网 第16章 智能交通 第17章 智能物流 第18章 智能绿色建筑
回顾传感器节点的发展，我们能得到怎样的启示？传感 器节点的未来发展将会怎样呢？摩尔定律告诉我们， 集成电路上可容纳的晶体管数量，约每隔18个月增加 一倍，性能也将提升一倍。之后的个人计算机的发展 证实了这一定律，并且发展速度还在加快。从芯片制 造工艺来看，在1965年推出的10um处理器后，经历 了6微米、 3微米、 1微米、 0.5微米、 0.35微米、0.25 微米、0.18微米、0.13微米、0.09微米、0.065微米， 而0.045微米的制造工艺将是目前CPU的最高工艺。然 而，从传感器节点的发展历史看，节点的性能并没有 像摩尔定律预测的速度发展。1999年，WeC节点采用 8位4MHz主频的处理器，2002年Mica节点采用8位 7.37MHz的处理器，2004年Telos节点采用16位4MHz的 处理器。Telos节点仍然是目前普遍采用的传感器节点。 传感器节点的发展曲线如图3.5所示。
VigilNet是由美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的系 统，传感节点在其中扮演了不可替代的作用。传统的 派情报员收集信息的方法，不仅具有较高的风险，而 且隐蔽性不够高。该系统由XSM、Mica2和Mica2Dot节 点构成，其规模最大达200个节点。节点通过电池供 电，铺设在道路旁边，用于检测与收集移动目标的情 况。 在该系统中工作的传感节点具有以下特征。
用电量，还能感知光线、振动等。这能够提供更多的信 息。例如，仅使用电表只能测得一个冰箱每个时刻的 用电量，而不知道它为什么用了这么多电，如果同时 能监测电冰箱门的开关状态，则有可能获知是由于冰 箱门没有关好，造成电量的浪费。 3）传感器能够互联互通。获得单个、零散的用电情况 往往很难用于决策，而通过传感器网络获得大量连续 的数据则有助于分析得出更多有用的信息，更好地制 定节能的措施。
1）节点自主成网、多跳传输。节点一经部署就能自主成网。 由于单个节点的通信范围有限，数据通过多跳传输到基站。 2）节点通过电池供电，通过软件节能机制延长网络的生命 周期。在野外的环境中，有线供电难以实现，而一般的A
A电池仅能供节点全负荷正常工作一周左右。因此，VigilNet 系统采用了节点调度机制，从而使网络生命周期能够达到 半年或更长。 3）节点智能感知、协同工作，提供预警的功能。在VigilNet 应用中，节点并非简单地周期性采样，然后把感知的数据 传回基站。节点需要对不同的目标进行简单的分类（例如 区分目标是坦克还是自行车），协同地进行跟踪，以提供 不同等级的预警。 VigilNet作为最早进行实际部署的大规模传感系统之一，引发 了对无线传感网络中一系列重要问题的研究。例如，怎样 进行多跳路由才是最有效的？怎样对网络中的节点进行时 间同步和精确定位，以获取移动目标的精准位置？如何对 不同的移动目标进行识别和归类？如何对节点的功能参数 进行动态的在线配置？如何对节点的程序进行远程更新？
3.3 应用
下面分析几个典型的传感器的应用。传感器的研究 始于由美国军方资助的项目，其最早主要用于军 事监测中。随着传感器技术的普及，其在新兴的 智能楼宇和在医疗监控领域中也有着广泛的应用。 在这些应用中，传感器和人们的生活息息相关， 通过更透彻的感知，提高人们的生产生活质量。
3.3.1 军事监测中的传感器——VigilNet
1）传感器的设计十分人性化。 2）传感器具有高精度的感知能力。医用的数据需要较 高的采样精度供医生分析诊断，因此在Mercury系统 中，传感器能提供高达1200B/s的采样率。然而，高采 样率也给数据的传输带来了困难。在Mercury系统中， 节点配置了大容量的SD卡供数据存储，可以存储多达 2GB的数据。同时节点上的微处理器能对原始数据进 行特征提取和数据压缩，以减少传输的开销。
通信芯片，具有较强的信息处理能力。在正常和睡眠状 态下，处理器的功率分别为200mW和0.8mW。UCLA制 作的节点如图3.3所示。
图3.3 UCLA制作的节点
同时，加州大学伯克利分校（UCB）发起了“智慧尘埃” （Smart Dust）项目，旨在开发微型化的传感器节点。 1999年，该校发布了WeC节点。该节点使用8位Atmel
图3.6 无线可插拔的交流电表
和传统的传感器网络不同，LoCal网络每个传感器都有一 个IPv6地址。由于需要监控的电器数量十分庞大，使 用IPv4地址无法满足人们的需求，因此在LoCal网络中 使用IPv6地址来标识和跟踪每个电器。
3.3.3 医疗监控中的传感器——Mercury
传感器的另一个重要应用是医疗监控。随着人口数量不 断增长，人口老龄化的加重，人们需要智能的医疗监 控设备，将可穿戴的传感器逐渐引起了人们的关注。 哈弗大学研究组改进了传统传感器，使得其外形更小， 适合穿戴在身上。借助这种可穿戴的传感器，即使病 人足不出户，也可以随时记录自己的健康状况，让医 生能够获得更丰富的信息，从而更好地对症下药。病 人在肢体的关键部位获取关键数据，传到病人家中的 基站。随后，该数据通过互联网传输到医院或诊所， 供医生分析诊断，如图3.7所示。 在该医疗监控中应用的可穿戴传感器具有以下的特征。
本章各小节目录
3.1 3.2 3.3 3.4
3.1 传感器概述
科学技术的高速发展带领人们走向信息时代。随着 人们对物理世界的建设与完善、对未知领域与空 间的扩展，人们需要的信息来源、种类、数量不 断增加，这对信息的获取方式提出了更高的要求。 在人类历史发展的很长一段时间内，人类是通过 视觉、听觉、嗅觉等方式感知周围环境的，这是 人类认识世界的基本途径。然而，依靠人类对物 理世界的本能感知已经远远不能满足信息时代的 发展要求。例如，人类不能感知上千度的温度， 也不能辨别温度的微小变化。
3.3.2 智能楼宇中的传感器——LoCal
电力作为一种重要的能源，在现代社会中发挥着重要的 作用。但另一方面，电能利用率低，造成了极大的资 源浪费和经济损失。每年美国因电网扰动与断电造成 的损失达到790亿美元。每年的美国用电报告显示， 72%的电能消耗在居民楼和商业楼中，其中至少有 30%的电量是浪费的。但问题是，这些电能浪费在哪 里了？ 1）传感器能实现空间和时间上的细粒度感知，可以实 时跟踪到单个电器，精确到每台电冰箱、电视机、微 波炉、计算机等的用电情况。 2）传感器能实现“多功能”的感知，能推测用户的行 为。什么是多功能感知？就是一个传感器不仅能感知
3.4 设计需求
由上述应用可知，在设计传感器的硬件平台和软件 程序时应考虑以下几个方面。 1. 低成本与微型化 2. 低功耗 3. 灵活性与扩展性 可剪裁可更新 4. 鲁棒性
3.5 硬件平台
下面结合前一节的设计需求，具体描述传感器节点 硬件平台的一些基本特征。
3.5.1 供能装置
通常，传感器节点使用电池供电。这使得节点更容易部 署。一般来说，一个2000mA.h的电池理论上可以持续 输出10mA的电流达200小时。但实际上，由于电压变 化、环境变化等因素，电池的容量并不能被完全利用。 除了使用电池供电外，节点也可以使用可再生能量。使 用可再生能量的关键技术是如何储存能量，一般有两 种技术。一种是使用充电电池。另一种是使用超电容。 充电效率高，充电次数可达100万次。使用超电容存 储的最大挑战是电容自放电很大，尤其是在接近满电 容的时候。因此，需要设计能量自适应的机制以确保 节点在两次充电之间能够正常工作。
率为15mW，Mica节点的处理器的功率为8mW，Telos节 点的处理器的功率为3mW。 2）价格的制约。无线传感节点一般需要大量组网，以 完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计 目标。价格的因素制约了传感器节点的功能。 3）体积的制约。无线传感器节点一般需要容易携带， 易于部署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。 体积的因素制约了传感器节点的功能。