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    以伸縮來(lái)追蹤人體動(dòng)作的應(yīng)變傳感器
    阪東化學(xué)369T愛(ài)色麗光密度儀 開(kāi)發(fā)出了擁有伸縮性的應(yīng)變傳感器“C-STRETCH”。能檢測(cè)長(zhǎng)度及面積等面的伸長(zhǎng)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(chēng)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(zhǎng)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(chēng)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)操作語(yǔ)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(wú)線通信系統(tǒng)及專(zhuān)用應(yīng)用軟件一起打包銷(xiāo)售。傳感器元件有寬10mm×長(zhǎng)30mm、寬10mm×長(zhǎng)50mm、寬10mm×長(zhǎng)100mm三種尺寸可選。配置因用途而異。

    基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN總線互聯(lián)
    1 引言


    裝甲車(chē)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(chē)輛上裝和下裝之間的旋轉(zhuǎn)連接器由于沒(méi)有連線空間，需要無(wú)線通信模塊為上裝和下裝的CAN總線提供一個(gè)透明的無(wú)線通道。本文基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)給出一種無(wú)線通道的設(shè)計(jì)，主要包括CAN總線無(wú)線接入控制模塊電路設(shè)計(jì)以及無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線接人控制模塊傳來(lái)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(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)端無(wú)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)


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


    圖 2所示為無(wú)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(wú)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(wú)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(shuō)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(yǔ)言，這是一種類(lèi)似C的語(yǔ)言，是對(duì)C的擴(kuò)展，也是結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)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(kāi)源的嵌入式操作系統(tǒng)，一個(gè)應(yīng)用程序可以通過(guò)連接配置文件(a wiring specification)將各種組件連接起來(lái)，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?chē)?yán)格的應(yīng)用中，而且它可以?xún)?yōu)先于tasks和其他events執(zhí)行，可以被一個(gè)操作完成或是來(lái)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(lái)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(méi)有提供任何阻塞操作，為了讓一個(gè)耗時(shí)較長(zhǎng)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(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便獲得較高的執(zhí)行效率。由于在 Tiny-OS中沒(méi)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(lèi)事件，即串口接收數(shù)據(jù)事件、無(wú)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(lái)說(shuō)，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(wú)線傳輸?shù)乃俾?。因此，在?jié)點(diǎn)開(kāi)辟了一段較大的緩存區(qū)，對(duì)CAN 總線傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。該緩存區(qū)的大小取決于無(wú)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(wú)線傳輸?shù)乃俾蕿閂、緩存區(qū)大小為 Mem、采集周期為T(mén)、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(kāi)銷(xiāo)以及管理和控制開(kāi)銷(xiāo)，則至少滿(mǎn)足 V×T≥Data，Mem≥Data。為提高無(wú)線傳輸?shù)男?，不是每次從串口接受到一個(gè)字節(jié)就從無(wú)線接口發(fā)走，而是每次緩存的字節(jié)數(shù)達(dá)到無(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸可以避免阻塞其他event事件。

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


    這意味著傳感器不必連接任何線纜，而用戶(hù)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(lái)，智能樓宇將布滿(mǎn)傳感器，從而即時(shí)響應(yīng)住戶(hù)的各類(lèi)需求，而這樣的傳感器需要支持長(zhǎng)時(shí)間使用，例如當(dāng)用戶(hù)走進(jìn)房間時(shí)打開(kāi)空調(diào)和燈光開(kāi)關(guān)。然而，傳感器必須是無(wú)線的，且不需要更換電池，才能滿(mǎn)足這樣的需求，否則在大樓內(nèi)，用戶(hù)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(kāi)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(kāi)發(fā)的傳感器僅有2平方毫米大小，重量?jī)H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(zhuān)門(mén)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(lái)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(wú)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(guò)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(kāi)機(jī)，測(cè)量溫度，并將信號(hào)發(fā)送給路由器?；跍y(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(lèi)型的無(wú)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(wú)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。

    電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器應(yīng)用的局限性
    電阻應(yīng)變式稱(chēng)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(wú)交流電區(qū)域。
    2.只能用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)稱(chēng)重，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重


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