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    超級(jí)迷你無線溫度傳感器:能把WiFi信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚?br>專注全球最新高科技資訊,解讀前沿最創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品!




    荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出一種尺寸很小的無線溫度傳感器。這種傳感器可以利用射頻信號(hào)來獲得電力。


    這意味著傳感器不必連接任何線纜,而用戶也不必為傳感器更換電池。對(duì)于智能樓宇等應(yīng)用而言,這將是發(fā)展中的重要一步。
    未來,智能樓宇將布滿傳感器,從而即時(shí)響應(yīng)住戶的各類需求,而這樣的傳感器需要支持長時(shí)間使用,例如當(dāng)用戶走進(jìn)房間時(shí)打開空調(diào)和燈光開關(guān)。然而,傳感器必須是無線的,且不需要更換電池,才能滿足這樣的需求,否則在大樓內(nèi),用戶每天都要為不同傳感器更換電池。


    埃因霍溫理工大學(xué)研究人員高浩(Hao?Gao,音)開發(fā)了這種傳感器,而這也是他的博士學(xué)位研究課題。他開發(fā)的傳感器僅有2平方毫米大小,重量僅為1.6毫克。


    當(dāng)前版本的傳感器傳感范圍只有2.5厘米,研究人員計(jì)劃在一年內(nèi)使這一距離擴(kuò)大至1米,而最終目標(biāo)則是5米。傳感器配備了專門的路由器,內(nèi)置的天線則可以將射頻電磁波傳送給傳感器,帶來電力。由于能量傳輸精確瞄準(zhǔn)了傳感器,因此路由器只消耗非常少的電力。此外,傳感器自身的設(shè)計(jì)也使能耗保持在極低的水平。


    這種傳感器可以埋置在油漆、塑料和混凝土的下方。埃因霍溫理工大學(xué)無線技術(shù)教授皮特·巴爾圖斯(Peter?Baltus)表示,這意味著傳感器可以方便地用于建筑物內(nèi)。


    傳感器內(nèi)置的天線能通過路由器獲得能源。傳感器將會(huì)充電,而在電力足夠后,傳感器將會(huì)開機(jī),測(cè)量溫度,并將信號(hào)發(fā)送給路由器。基于測(cè)量到的溫度,這一信號(hào)有著略微不同的頻率。而根據(jù)頻率的不同,路由器可以計(jì)算出實(shí)際溫度。


    同樣的技術(shù)可以被用于其他類型的無線傳感器,例如運(yùn)動(dòng)傳感器、光線傳感器,以及濕度傳感器。巴爾圖斯表示,這一技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛,例如可用于支付系統(tǒng)、無線身份認(rèn)證系統(tǒng)、智能樓宇,以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中。此外,這一技術(shù)的成本不高:在大規(guī)模量產(chǎn)的情況下,單個(gè)傳感器價(jià)格可低至20美分。傳感器的生產(chǎn)基于65納米CMOS工藝。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)介紹


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink?node)、傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor?node)與管理節(jié)點(diǎn)。


    大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域附近或者內(nèi)部,傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他的傳感器節(jié)點(diǎn)逐條地進(jìn)行傳輸,在傳輸?shù)倪^程中檢測(cè)數(shù)據(jù)可能會(huì)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理,經(jīng)過跳后路由到匯聚的節(jié)點(diǎn),然后通過衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭_(dá)管理節(jié)點(diǎn),而用戶通過對(duì)節(jié)點(diǎn)的管理對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理、發(fā)布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和管理。
    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN總線互聯(lián)
    1?引言


    裝甲車輛狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的信息采集單元通常采用CAN總線連接,某些情況下,車輛上裝和下裝之間的旋轉(zhuǎn)連接器由于沒有連線空間,需要無線通信模塊為上裝和下裝的CAN總線提供一個(gè)透明的無線通道。本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)給出一種無線通道的設(shè)計(jì),主要包括CAN總線無線接入控制模塊電路設(shè)計(jì)以及無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)等內(nèi)容。


    2?電路設(shè)計(jì)


    以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的CAN總線擴(kuò)展系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要由兩塊CAN總線無線接入控制模塊構(gòu)成,每個(gè)模塊的組成及各部分的作用是:無線傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器及存儲(chǔ)器模塊,接收對(duì)端無線接人控制模塊傳來的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ),然后將數(shù)據(jù)交CAN控制器待發(fā),同時(shí)接收CAN控制器傳來的數(shù)據(jù)并通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)端無線接入控制模塊;CAN?控制器采用SJA1000,運(yùn)行CAN協(xié)議,為傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)提供CAN總線服務(wù);收發(fā)器采用TJA1050作為CAN控制器與物理媒體的物理接口,為?CAN控制器提供比特流服務(wù)。

    3?無線傳感器節(jié)點(diǎn)


    3.1?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)


    圖?2所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件,包括傳感器模塊、微處理器模塊和無線通信模塊等三個(gè)功能部分。GAINTS系列節(jié)點(diǎn)使用AT-MEGA128單片機(jī)作為控制器和處理核心,無線通信模塊核心采用工作在433?MHz的單芯片低電壓CC1000收發(fā)器,該射頻芯片具有工作電壓低(2.1~3.6V均可工作)、能耗低、體積小等非常適合于集成的特點(diǎn)。它采用FSK?調(diào)制方式,外部采用SPI的接口,可以和微控制器直接相聯(lián)。CC1000使用頻率為14.745?MHz的晶振作為驅(qū)動(dòng),在該驅(qū)動(dòng)下面CC1000可以提供的最大數(shù)據(jù)傳輸率為19.2KB/s,也就是說每ms不到3個(gè)字節(jié),這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)MAC層的協(xié)議是很有用的,在設(shè)置ACK等待時(shí)間和RTS-CTS等待時(shí)間的時(shí)候需要考慮這些參數(shù)。

    3.2?通信協(xié)議設(shè)計(jì)


    本文基于TinyOS底層通信接口進(jìn)行通信協(xié)議設(shè)計(jì)。對(duì)TinyOS編程采用的是nesC語言,這是一種類似C的語言,是對(duì)C的擴(kuò)展,也是結(jié)構(gòu)化的語言,是基于組件式的編程,模塊化的設(shè)計(jì)。nesC組件有兩種:Module(模塊)和Configuration(連接配置文件)。Module在模塊中主要實(shí)現(xiàn)代碼的編制,可以使用和提供接口,在它的實(shí)現(xiàn)部分必須對(duì)提供接口里的command和使用接口里的event進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。


    TinyOS是基于一種組件架構(gòu)方式的開源的嵌入式操作系統(tǒng),一個(gè)應(yīng)用程序可以通過連接配置文件(a?wiring?specification)將各種組件連接起來,以完成它所需要的功能。TinyOS的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動(dòng)模式的,采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。tasks一般用在對(duì)于時(shí)間要求不是很高的應(yīng)用中,且tasks之間是平等的,即在執(zhí)行時(shí)是按先后順序,一般為了減少tasks的運(yùn)行時(shí)間,要求每一個(gè)task都很短小,能夠使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較輕;events一般用在對(duì)于時(shí)間要求很嚴(yán)格的應(yīng)用中,而且它可以優(yōu)先于tasks和其他events執(zhí)行,可以被一個(gè)操作完成或是來自外部環(huán)境的事件觸發(fā),在TinyOS中一般由硬件中斷處理來驅(qū)動(dòng)事件。在TinyOS中由于tasks之間不能互相占先執(zhí)行,所以?TinyOS沒有提供任何阻塞操作,為了讓一個(gè)耗時(shí)較長的操作盡快完成,一般都是將對(duì)這個(gè)操作的需求及其完成分開來實(shí)現(xiàn),以便獲得較高的執(zhí)行效率。由于在?Tiny-OS中沒有進(jìn)程管理的概念,它對(duì)任務(wù)是按簡(jiǎn)單的FIFO隊(duì)列進(jìn)行處理的,對(duì)資源采取預(yù)先分配,且這個(gè)隊(duì)列里最多只能有7個(gè)未解決的任務(wù)。我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí),主要處理三類事件,即串口接收數(shù)據(jù)事件、無線接收數(shù)據(jù)事件和定時(shí)器事件。


    ①串口接收數(shù)據(jù)事件。每次節(jié)點(diǎn)從串口接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)將觸發(fā)該事件。對(duì)于信息采集任務(wù)來說,其信息是定時(shí)采集的。同時(shí),CAN總線的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無線傳輸?shù)乃俾?。因此,在?jié)點(diǎn)開辟了一段較大的緩存區(qū),對(duì)CAN?總線傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。該緩存區(qū)的大小取決于無線傳輸?shù)乃俾室约癈AN總線在一個(gè)定時(shí)采集周期的數(shù)據(jù)量大小。假設(shè)無線傳輸?shù)乃俾蕿閂、緩存區(qū)大小為?Mem、采集周期為T、每個(gè)采集周期的數(shù)據(jù)量為Data,注意V為傳輸有效數(shù)據(jù)的速率,即要去掉協(xié)議開銷以及管理和控制開銷,則至少滿足?V×T≥Data,Mem≥Data。為提高無線傳輸?shù)男?,不是每次從串口接受到一個(gè)字節(jié)就從無線接口發(fā)走,而是每次緩存的字節(jié)數(shù)達(dá)到無線傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包的大小時(shí),啟動(dòng)任務(wù)一UARTRcvdTask。這種采用任務(wù)的方式進(jìn)行實(shí)際的無線數(shù)據(jù)傳輸可以避免阻塞其他event事件。

    電阻應(yīng)變式稱重傳感器應(yīng)用的局限性
    電阻應(yīng)變式稱重傳感器有兩大缺陷:
    1.低電阻,高能耗;
    2.是一個(gè)不完全二階傳感器系統(tǒng)。
    應(yīng)用受到局限:
    1.只能在220V,20Hz交流電源區(qū)應(yīng)用,不能應(yīng)用于無交流電區(qū)域。
    2.只能用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)稱重,不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)介紹


    規(guī)模大


    為了能夠獲取精確信息,在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn),一般情況下會(huì)達(dá)到上萬個(gè)甚至更多,傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性主要包括了兩個(gè)方面的含義:一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)的部署非常密集,在面積狹小的空間內(nèi)密集的部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。另一方面,是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在區(qū)域很大的范圍內(nèi),比如在原始的大森林中采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火的安全環(huán)境監(jiān)測(cè),這種在區(qū)域?qū)拸V的范圍內(nèi)需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。


    可靠性


    無線傳感器節(jié)點(diǎn)非常適合部署在自然環(huán)境惡劣或者人類不宜居住的區(qū)域,這些節(jié)點(diǎn)可能工作在環(huán)境較惡劣的地方,遭受風(fēng)吹、雨淋、日曬,還甚至遭到人或者動(dòng)物的破壞,而這些傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)進(jìn)行部署,部署的方式是利用飛機(jī)散播,或炮彈發(fā)射到指定的區(qū)域進(jìn)行部署,所以這些節(jié)點(diǎn)要非常堅(jiān)固,不容易被損壞,可靠性很強(qiáng)。


    自組織


    在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方,其實(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的相隔距離、精確位置不能預(yù)先確定。你可以想象,通過飛機(jī)散播或者炮彈發(fā)射大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的森林、山谷之中,這樣就必須要求傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有自組織的能力,能夠進(jìn)行自我管理和配置,通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和拓?fù)淇刂茩C(jī)制自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。


    動(dòng)態(tài)性


    傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有可能會(huì)因?yàn)橄铝幸蛩囟l(fā)生改變:①環(huán)境的變化可能會(huì)造成無線通信鏈路帶寬產(chǎn)生變化,有時(shí)甚至?xí)r(shí)斷時(shí)通;②電力資源出現(xiàn)故障或耗盡導(dǎo)致的傳感器節(jié)點(diǎn)故障或者失效;③傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知對(duì)象、傳感器與觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性;④有新節(jié)點(diǎn)加入,通常這種情況就必須要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能適應(yīng)這種變化,具有動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可重構(gòu)性。


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    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有哪些安全問題


    安全路由


    一般在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,大量的傳感器節(jié)點(diǎn)都密集分布在一個(gè)區(qū)域內(nèi),信息傳輸可能要經(jīng)過很多節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地,而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多跳結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性,因此,需要去每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具備路由功能,


    由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是潛在的路由節(jié)點(diǎn),因此更易受到攻擊,這樣就可能使網(wǎng)絡(luò)不怎么安全,安全的路由算法會(huì)直接影響無線傳感器的可用性和安全性,安全路由協(xié)議一般是采用認(rèn)證和鏈路層加密,身份認(rèn)證、多路徑路由、雙向連接認(rèn)證和認(rèn)證廣播等機(jī)制,非常有效的提高了網(wǎng)絡(luò)抵御外部攻擊的能力,從而增強(qiáng)路由的安全性。

    以伸縮來追蹤人體動(dòng)作的應(yīng)變傳感器
    阪東化學(xué)369T愛色麗光密度儀?開發(fā)出了擁有伸縮性的應(yīng)變傳感器“C-STRETCH”。能檢測(cè)長度及面積等面的伸長幅度。因?yàn)槿嵝愿咔疑煺剐源?,因此能貼在職意曲面上。據(jù)稱即便貼在身上運(yùn)用,也少有不適感。


    阪東化學(xué)將關(guān)鍵技術(shù)——橡膠跟氨酯材料的配合設(shè)計(jì)及薄膜加工技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合使用導(dǎo)電材料的分散技術(shù),完成了有伸縮性的傳感器。最高可檢測(cè)200%的伸長率。這個(gè)應(yīng)變傳感器用手部力量就能夠輕松拉伸,低硬度卻有橡膠彈性,所以一松手,立即就會(huì)收縮。

    C-STRETCH因采納靜電容量式,隨時(shí)間的劣化較小,據(jù)稱可反復(fù)高精度檢測(cè)。已建設(shè)了面積跟厚度的理論模型,能夠測(cè)量面積跟長度的絕對(duì)值。


    設(shè)想了諸如裝在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的手套上發(fā)送監(jiān)測(cè)值,以操作多指機(jī)器手,或以手指運(yùn)動(dòng)作開關(guān)操作語言輸入輔助軟件等運(yùn)用方式。此外,還可使用于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、肌肉收縮監(jiān)測(cè)及呼吸模式監(jiān)測(cè)等各種領(lǐng)域。


    產(chǎn)品將作為研發(fā)套件,將傳感器元件、轉(zhuǎn)換單元、有線跟無線通信系統(tǒng)及專用應(yīng)用軟件一起打包銷售。傳感器元件有寬10mm×長30mm、寬10mm×長50mm、寬10mm×長100mm三種尺寸可選。配置因用途而異。

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