无线数字传感器的新应用

即使在萌芽阶段，人们仍然认为在不久的将来数字传感器对电子市场具有重要的推动作用。制作数字传感器的接口以及支持用于数字传感器网络的形式多样的通讯协议都是对技术工艺的巨大挑战。传感器的非均质特性和其操作条件的多样化也对技术工艺提出了巨大的挑战。目前在全世界有超过3000家传感器制造商正在运作，Intechno 咨询公司估计它们在2008年的总销售额将会超过500亿美元。

　　数字传感器的新兴标准

　　如今传感器网络使用多种技术来为不同的工业服务。用于传感器网络的各种专属协议的数量激增。这就需要在传感器网络中引入综合翻译途径，它是一个复杂而又昂贵的体系。因此人们需要更大程度的标准化。

　　工程任务组(The Internet Engineering Task Force-IETF)正在为以蓝牙、Wi-Fi和802.15.4网等为基础的无线传感器网络开列一个标准，以便能将传感器节点连接到更宽广的互联网络上。IETF的目标是在传感器之间建立一种通讯方式，这种通讯方式不需要专属的翻译途径。这项协议将在2009年6月制定出台。由IEEE(电气和电子工程师协会)的1451委员会制定的标准于上世纪90年代中期被引入，它为连接在网络中的变换器 (传感器和执行器)之间提供了一个通用而且完全透明的界面。这个标准体系包含不同的子体系：IEEE P1451.0定义了物理层面的必备条件，通讯协议和基本功能;IEEE1451.1控制信息在网络上的获取和发送;IEEE1451.2处理有线网络的界面事宜，与RS-233、ES-485和USB等标准兼容;IEEE1451.3启动处在多分支网络中的传感器的运行;于2003年通过的IEEE P1451.4规定与数字传感器相关的数据(像传感器的类别、型号、操作参数以及位置等)必须能够以电子数据表的格式从整合在传感器中的EEPROM(电可擦除只读存储器)存储器中读取，这种数据表被称为变换器电子数据表(TEDS-Transducer Electronic Data Sheet)。IEEE P1451.4标准极大地简化了传感器的布线以及更换故障传感器的问题。它同时也免除了传感器在设置和校准方面的人工干预，这种干预即费时又易出错。这样传感器就成了即插即用的装置。在美国国家仪器网站中有一个有效TEDS的数据库，它包括了可以在IEEE P1451网络中使用的各种老式的或没有EEPROM的传感器的专门资料。IEEE 1451.5标准仍在审核阶段，它规定的是将TEDS连接到无线网络中的必要条件，如与802.11、蓝牙或ZigBee等的连接。最近又提出了IEEE 1451.6标准议案，它定义TEDS和CAN总线的接口。

　　
图1 IEEE P1451标准的制定为连接在网络上的变换器(传感器和执行器)之间提供了一个通用且完全透明的界面。

　　无线数字传感器

　　几十亿的有线传感器被广泛地用于电子系统中，从简单的热电偶到更复杂的专用系统。它们被用于测量和监控物理参数。许多工程师正在考虑改用无线传感器，因为它们具有一些显著的优点，价格低廉、适应性好，即使在不良环境中也易于安装和使用。根据市场分析机构Cahners Instat的估计，到2010年，将有超过1600亿个无线传感器网络节点被卖出。

　　传感器的无线网络将在一定区域内分布的各种传感器连接在一起并结合智能电路进行信号处理和数据传输。其可能的应用领域包括军事、环境及道路交通的监控、安全与警戒、家庭与工业自动化、医疗卫生系统和汽车。在工业环境中，建立一个传感器网络的费用有80%花在布线上，而且建立这样一个网络有时是不现实甚至是不可能的。在汽车方面，传感器的一个重要应用是用于遥控开锁系统(RKE-Remote Keyless Entry Systems)，以无线代替了CAN总线，这样做大大节省了成本及空间，去除了昂贵而粗大的电缆。根据Cahners Instat最近的预测，到2010年将有超过1600亿个传感器网络节点被卖出;而且建立包含一万至十万个传感器节点的网络也是非常可能的事。这样，可测量性成为了一个非常关键的因素。此外，传感器必须可以现场编程和自行设置;网络必须能够在有一个或多个故障传感器存在的情况下正常运行。另一个关键参数是能耗，因为无线传感器也可能被设置在偏远地区。在无线传感器网络方面，一个非常有前途的无线技术是ZigBee，它是按照IEEE 802.15.4标准研发的，能确保低能耗和低成本。ZigBee 联盟的发起公司有华为、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、Texas Instruments、Samsung 和Siemens。West Technology，一个定向于无线电技术市场调查的公司预测，利用ZigBee 技术制作的符合IEEE 802.15.4标准的传感器芯片组的销售量将从今年的3100万组上升至2012年的31200万组，其增长为稍高于100%的复合比。其他应用于无线传感器网络的无线技术还有由Cypress Semiconductor推出的无线-USB;以及z-Wave，一种由Zensys公司研发的技术，有超过160家公司组成了一个z-Wave 联盟来共同推广这一技术。