智能傳感器及其應用探討

金偉斌 富佳棟 劉鳴濤 賈躍輝

（嘉興威凱檢測技術有限公司 嘉興 314050）

概述

通過無線連接的設備通訊，傳感器結合了以下方面的傳感和計算能力。這種傳感器節點網絡提供數據以及執行和控制各種任務。為了簡單地實現傳感器節點復雜的網絡，單個傳感器的大小和成本至關重要。當傳感器節點用于環境數據收集，目標跟蹤和監視這些網絡時，它產生了各種應用。也可以使用傳感器網絡在事件發生期間支持和防止快速響應并在事件發生后進行恢復以及分析。可以安裝大量傳感器以受益實際環境河岸，道路，建筑物，沿海地區等。傳感器的部署取決于感興趣的需求區域或在指定區域。智能傳感器是感應，處理和通訊技術的結合。

1 智能傳感器的結構

智能傳感器的基本架構組件如圖1所示。參數的變化通過感應單元產生電信號轉化為數字信號用以調節電路。模數轉換器并將此輸入的信號提供給中央處理單元或應用程序。任務處理由內存完成，與基站或無線傳感器網絡中的傳感器或接收器的通信由收發器完成。

圖1 智能傳感器節點的基本架構組件

傳感器節點的五個主要部分是：

中央單元：以微處理器的形式管理任務。

電池：是能源。

收發器：與環境進行交互并收集數據。

內存：用作存儲數據或處理數據的存儲介質。

通信模塊：它包括收發器，并向從中央單元查詢、轉發數據。傳感器網絡各個部分的能源效率對于網絡的壽命至關重要。傳感器網絡中的節點協作并傳播數據處理任務，并將處理后的信息發送到接收器。為了減少每個節點的電源消耗，開發了不帶電池的頻率識別芯片。傳感器用于監視照明條件，噪聲水平，濕度，車輛運動，土壤構成，機械應力水平，是否存在某種類型的物體以及其他屬性有關的不同參數。

傳感器節點機制可以是溫度，視覺，聲學，雷達，磁性或地震。傳感器節點可以進行自我識別和自我診斷。傳感器節點機制的三種工作方式是：

1）通過視線朝向預定目標（例如視覺傳感器）；

2）具有與目標的時空關系（例如地震傳感器）；

3）通過可能彎曲的傳播波（例如聲波傳感器）。

與以地址為中心的網絡不同，傳感器網絡是以數據為中心的。在這樣的網絡中，查詢被定向到包含傳感器節點集群而不是特定傳感器地址的區域。相似類型集群中的數據將在本地收集和匯總，這意味著聚合節點在群集中執行匯總和分析聚合數據的功能，這有助于減少通信帶寬。通過匯總數據可以提高數據的準確性，從而得出數據冗余，排除導致節點故障。圖2顯示了傳感器網絡的數據收集和匯總。

圖2 傳感器網絡中的數據收集和匯總[1]

2 智能傳感器網絡標準

除了傳感器的一些理想功能之外，還包括可靠性，自我識別性，安裝簡便性和與其他傳感器以及標準控制協議和網絡接口的時間和協調。

1993年，IEEE和美國國家標準技術研究院開始致力于制定智能傳感器網絡的標準，編訂了IEEE1451，即智能傳感器網絡標準。通過使用這些標準，開發智能傳感器及其設備到網絡的接口變得更加容易。

圖中顯示了IEEE1451的基本體系結構。如圖3所示，主要組件是智能傳感器、傳感器獨立接口、智能傳感器接口模塊和具有網絡功能的應用處理器。IEEE1451給出了智能傳感器的正式概念。智能傳感器提供的其他功能超出了生成感測量的正確表示所需的功能。智能傳感器的通用模型如圖4所示。智能傳感器包括集成和維護分布式傳感器系統，通過創建一個通用的平臺，朝著一個共同的目標進行計算，控制和通信，并連接不同類型的傳感器進行智能測量，以提高效益。虛擬傳感器是物理傳感器/換能器用以為獲得所需感官信息可靠數據進行相關信號調節和數字信號處理的重要組成部分之一。

圖3 智能傳感器網絡的標準[2]

圖4 智能傳感器的通用模型[2]

3 無線傳感器網絡和傳感器節點的應用領域（見表1）

表1 無線傳感器網絡和傳感器節點的應用領域

4 無線技術的最新發展

4.1 適用于智慧城市的智能照明傳感器解決方案

這些智能照明傳感器使用一組定向傳感器探頭來測量環境光（發光度），這些智能照明設備還能夠監視隧道內部或建筑物內或街道外部的狀況，并且還具有溫度和濕度傳感器。

4.2 電子健康傳感器防護罩

電子保健傳感器護罩用戶可通過使用9種不同的傳感器來監測人體的生物識別信息和醫療應用，包括血液中的氧氣，氣流，體溫，心電圖，血糖值，皮膚電化響應，血壓和患者體位。

4.3 加密庫-傳感器網絡的AES/RSA加密

加密庫傳感器平臺，以確保傳感器收集的信息的身份驗證，機密性（保密性）和完整性。為此，已在庫中實現了包括AES256和RSA1024在內的不同加密算法。

4.4 與ZigBee，Wi-Fi和藍牙傳感器的3G連接

用于無線傳感器網絡的多協議路由器旨在通過3G連接將Wi-Fi，藍牙和ZigBee傳感器連接到網絡。這些功能允許同時發送數百個傳感器節點收集的信息，其5.5Mb/s的帶寬是傳統GPRS網關的10倍以上。

4.5 智能傳感器檢測到的iPhone和Android設備

這項新技術可以通過測量Wifi和藍牙活動來檢測該地區的任何智能手機（iPhone，Android）；可以實時了解人員和車輛的存在。這項新技術的應用范圍可以應用到街道活動和車輛的交通管理。

5 結論

在最新技術中，由于其無與倫比的潛力，重要和廣泛的應用前景，無線傳感器網絡備受關注。隨著無線傳感器技術的發展，通過使用過去無法實現的智能環境，可以預測未來。“智能傳感器”是無線傳感器網絡的又一步。本文主要研究智能傳感器及其在各個領域的可能用途和現有用途。智能傳感器的未來工作包括（但不限于）智能電網，用以提高電力效率；智能天線，以滿足對某些高質量服務用戶的高數據速率的需求；智能高速公路，用于處理交通和事故相關問題。