1、.無線傳感器研究背景目的意義及現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1 研究背景隨著無線技術的快速發(fā)展和日趨成熟，無線通信也發(fā)展到一定的階段，其發(fā)展的技術越來越成熟，方向也越來越多，越來越重要，大量的應用方案開始采用無線技術進行數(shù)據(jù)采集和通信。 微機電系統(tǒng)和低功耗高集成數(shù)字設備的發(fā)展，使得低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點得以實現(xiàn)。這樣的節(jié)點配合各類型的傳感器，可組成無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）。無線傳感網(wǎng)絡是一種開創(chuàng)了新的應用領域的新興概念和技術。廣泛應用于戰(zhàn)場監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測和大區(qū)域內(nèi)的目標追蹤等領域。傳感技術、傳感網(wǎng)絡已經(jīng)被認定為最重要的研究之一。因為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而

2、且數(shù)量大、更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的設計準則之一，因此，它迫切需要對傳統(tǒng)的嵌入式應用開發(fā)進行更新和改進，需要精心設計的軟硬件系統(tǒng)，以使其可靠而耐用。2003年,美國技術評論雜志論述未來新興十大技術時,WSN被列為第一;美國今日防務雜志更認為WSN的應用和發(fā)展將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰(zhàn)爭的變革。可以預測,WSN是信息感知和采集的一場革命,是21世紀最重要的技術之一2。低功耗無線傳感模塊，便是組成無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點。此方面的研究由來已久，是計算機應用的擴展，采用了大規(guī)模集成電路和嵌入式技術，使用智能微處理器對采集到的信息進行處理和加工。現(xiàn)已廣泛應用于社會建設的各個

3、層面和人們的日常生活當中。但過去的研究有的只考慮低功耗而性能不高， 有的性能高但是功耗太大。因此，在無線傳感技術應用如此廣泛的今天，在保證無線傳感模塊性能的同時又能實現(xiàn)其低功耗具有一定的理論和現(xiàn)實意義。2 研究目的及意義2.1 研究目的當前對于無線傳感技術的研究仍然處在一個高速發(fā)展的階段，低功耗就是其發(fā)展方向之一，而低功耗與高性能的結(jié)合實現(xiàn)還不完全。因此，為了更好的實現(xiàn)無線傳感模塊的功能，增加模塊的可靠性和使用壽命，通過對無線傳感節(jié)點的硬件功耗的分析，確定無線傳感模塊各單元的基本功率消耗，并進行相應比較，確定需重點降耗的單元，在此基礎上結(jié)合當前對低功耗無線傳感模塊的研究，通過對比分析選擇合適的

4、芯片完成對低功耗無線傳輸模塊的自主設計和制作。并輔助軟件開發(fā)人員完成各子模塊的驅(qū)動編寫，實現(xiàn)低功耗無線傳感模塊的整體通信功能。2.2研究意義無線傳感網(wǎng)絡是一種開創(chuàng)了新應用領域的新興概念和技術。當前，傳感技術、傳感網(wǎng)絡已經(jīng)被認定為最重要的研究之一。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的重要保障。低功耗無線傳感模塊研究具有極其重要的學習和研究價值，其功能的實現(xiàn)具有極其重要的理論和現(xiàn)實意義。首先，現(xiàn)有的眾多研究中，將性能和低功耗相結(jié)合的較少，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。本文綜合了性能和低功耗的共同需求，經(jīng)過深入的分析和對芯片的數(shù)據(jù)比較，提出了低功耗無線傳感模塊的硬件設

5、計思路。其次，增加無線傳感模塊的應用。無線傳感模塊應用已非常廣泛，除去組成無線傳感網(wǎng)絡的應用外，無線傳感技術還廣泛的應用于環(huán)境監(jiān)測，如車間溫濕度、壓力等；短距無線通信等。實現(xiàn)了無線傳感模塊的低功耗，其對電能的需求就會更小，應用的范圍將會進一步的擴大。3 相關概念界定無線傳感模塊：是指由處理器模塊、無線模塊、電源模塊和傳感模塊組成的無線通信自治系統(tǒng)，它采用一定的頻率和編碼方法實現(xiàn)與其它模塊的通信，屬于無線技術的一種。無線傳感網(wǎng)絡WSN（Wireless Sensor Network）: 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的微小傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自

6、組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀測者3。PCB:是Printed Circuit Board的縮寫，中文意為印刷電路板，是搭配電子零件之前的基板，被譽為“電子系統(tǒng)產(chǎn)品之母”或“3C產(chǎn)業(yè)之基石”。4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢4.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀無線傳感模塊是新興的下一代無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，它是組成無線傳感網(wǎng)絡的基本部分。最早的代表性論述出現(xiàn)在二十世紀九十年代末，題為“傳感器走向無線時代”。傳感技術的發(fā)展經(jīng)歷了一般傳感器、智能傳感器、無線傳感器等幾個階段。一般傳感器，是最早產(chǎn)生的傳感器，只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；智能傳感器則是在一般傳感器的基礎上將處理計

7、算能力與傳感器相結(jié)合，使得傳感模塊不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)等信息采集，還能對所采集到的信息進行一定程度的計算和處理；無線傳感器則是在智能傳感器的基礎上再集成無線功能模塊，使得傳感器不再是單獨的感知模塊，而是一個能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，信息交換和控制的有機整體。為了實現(xiàn)隨時隨地與任何人或任何設備的互聯(lián)互通，無線通信技術獲得了蓬勃發(fā)展。在正交頻分復用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基礎技術支持下，多種無線技術如藍牙、Wi-Fi、WIMAX、超寬帶和無線局域網(wǎng)獲得了長足發(fā)展。作為蓬勃發(fā)展的無線技術，近幾年正是其大變革時期。隨著幾種重要基礎技術的推廣和實際應用，無線通信的速度也將得到大大提高。無線傳感模塊

8、屬于無線技術中較為底層的一個分支，由于越來越多的應用方案開始采用無線節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集和通信。綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等的無線傳感網(wǎng)絡,是當前的熱點研究領域。而無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的重要保障，因此無線傳感模塊的設計，傳感技術、傳感網(wǎng)絡已經(jīng)被認定為最重要的研究之一。當前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件平臺。典型的節(jié)點包括Mica 系列、Telos 、IRIS 和Imote2 等。各平臺的主要區(qū)別是采用了不同的處理器和無線通信模塊。有些節(jié)點具有高性能但功耗較大，如Imote2 節(jié)點，不適用于能量受限的應用環(huán)境。其他一些

9、節(jié)點，如Telos 、Mica 等， 由于設計時間較早，其性能已經(jīng)落后于當今的集成電路工業(yè)設計水平4。因為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的設計準則之一。IT P（美國再生能源辦公室工業(yè)技術計劃） 在2002年發(fā)布的報告“21世紀工業(yè)無線技術”第一頁中引用了總統(tǒng)科技顧問的斷言：無線傳感器可將能源利用率提高10%，將能源損耗減少25%5。后來的研究，如Intel ( r) Mote 的研究項目則注重了三個方面的要求，包括低功耗操作、系統(tǒng)級集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗與性能的矛盾，但目標的實現(xiàn)還需要一定的

10、努力。M IT 發(fā)展的模塊化平臺對于具體的傳感器有不同的硬件設計，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，采用垂直連接器來使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設計一個通用的系統(tǒng)來取代單一的硬件系統(tǒng)7。隨著電子技術、計算機技術以及集成技術的不斷發(fā)展，傳感技術也會得到不斷的發(fā)展和完善。并且會有更多的結(jié)構(gòu)新、功能強、耗能低的傳感器用運于各種實際的無線網(wǎng)絡當中，以高的精確度和良好的穩(wěn)定性服務于更加廣泛的領域。4.2 發(fā)展趨勢正是由于低功耗無線傳感節(jié)點在如此廣范圍內(nèi)的應用，使得它受到了來自軍事、工業(yè)和商業(yè)以及學術專家的極大關注。其發(fā)展方向必然是無線通信的網(wǎng)絡化，即通過自組網(wǎng)的方式形成動態(tài)、自適應的無線傳感網(wǎng)

11、絡。而無線傳感網(wǎng)絡( WSN) 是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等。我國迫切需要提升對此的認識程度，并盡快推動其發(fā)展。因此，以無線傳感模塊為基礎，實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡的無線互聯(lián)將是一個必然的趨勢。另外由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的重要保障。在不同的應用中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成不盡相同。已有的節(jié)點， 有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，無線傳感模塊的發(fā)展必然是趨向與低功耗的。即在保證所需要實現(xiàn)功能的基礎上，盡量的實現(xiàn)整個模塊的低功耗，甚至在不影響整體性能的情況下適當減少部分功能來實現(xiàn)降低功耗的目的。除開以上所講兩種發(fā)展趨勢之外，無線傳感模塊的應用和發(fā)展還具有極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展方向。當前對無線傳感模塊的應用都是靜止性的，就目前存在的無線傳感網(wǎng)絡（WSN），構(gòu)成網(wǎng)絡的各個節(jié)點都是被固定的安放在一個地方，要實現(xiàn)對整個環(huán)境的檢測，就需要向環(huán)境中投放大量的無線傳感節(jié)點。這樣一來成本就會非常的高。若實現(xiàn)無線傳感模塊對信息的移動式采集，則在同一個環(huán)境內(nèi)投放更少的節(jié)點，就能實現(xiàn)對環(huán)境的全面檢測。正是由于當前能耗對無線傳感模塊的影響，低功耗研究才上升為一個熱點領域，不論是使用電源或者電池供電，在實現(xiàn)低