无线传感器的电源获取和信号传输

无线传感器的电源获取和信号传输无线传感器历史背景及发展早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无纯度传感器网络逐渐形成。无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时它将由电池或振动发电机提供电源，构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络。它可以采集设备的数字信号通过无线传感器网络传输到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理。如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大，滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。电源获取途径无线传感器的电源一般选择不同类型的电池，按照能否充电，电池可分为可充电电池和不可充电电池；对于可充电电池可以利用自然能源来补给电池的能量，自然界可利用的能量有太阳能、电磁能、振动能、核能等。根据电极材料，电池可以分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池和锂电池、锂聚合物电池等。一般不可充电电池比可充电电池能量密度高，如果没有能量补给来源，则应选择不可充电电池。有以下几种典型应用：1、利用太阳能和锂电池给无线网络传感器节点永久提供能量的系统结构。利用太阳能电池板和锂电池，使节点具有能量补充的能力，避免了能量的单向递减过程，系统可靠性高、成本低，有较好的实用价值。2、在无现场供电和不使用电池的情况下，利用单晶硅太阳能电池结合半导体温差发电技术在高温、高压环境下为测温和控制电路持续提供电能，实时进行数据采集和处理，理想地实现了高压测温一次设备和二次监测设备的电隔离。3、还有一种方法就是从传感器所处的环境中提取环境能量，将其转换成传感器节点所需要的电能。英国Perpetuum公司设计出一款电磁式发电机，此发电机能从泵、风扇和其他一些振动环境中回收振动能，经发电机转换释放后的电能为无线传感器节点的正常。工作提供能量。4、采用了一种GMM/PZT磁电复合单元采集电磁波能量为无线传感器提供能量，该复合单元由超磁致伸缩材料(GMM)、弹性基底及压电材料(PZT-5H)复合而成。基于开关电容网络的电源管理电路。该电路通过对储能电容并联充电积累能量，当能量积累到一定程度，瞬间使储能电容串联放电为无线传感器工作提供能量。信号传输信号可以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等，常用的无线通信技术有:802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在ISM免费频段。其中利用激光作为传输媒体，功耗比用电磁波低，更安全。缺点是只能直线传输，易受大气状况影响；传输具有方向性。这些缺点决定这不是一种理想的传输介质。红外线的传输也具有方向性，距离短，不需要天线。UWB具有发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、对信道衰落不敏感、安全性好、数据传输率高、能提供数cm的定位精度等优点；缺点是传输距离只有10m左右，隔墙穿透力不好。802.11b因为功耗高而应用不多，Bluetooth工作在2.4GHz频段，传输速率可达10Mbps;缺点是传输距离只有10m左右，完整协议栈有250KB，不适合使用低端处理器，多用于家庭个人无线局域网，是ZigBee和普通射频芯片。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。以上特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网WiFi、蓝牙和一些专用标准（如Adhoc网等）的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线USB、超宽带通信UWB和WiMax等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较。蓝牙技术发展从1999年起已经历了多个年头，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。WiFi在Intel的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场；采用IEEE802.11b标准，使用2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，并可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽；采用最新的802.11g时，速率可达54Mbps，是目前应用最广的无线网络传输协议。借助USB在PC上的广泛应用，无线USB也受Intel、HP、微软等几家PC领域大公司的力推，已于近期制定了无线USB规范。使用WiMedia联盟的MBOFDM超宽带MAC和PHY层，通信距离在3~10m，最高速率在480Mbps，有望短期内在PC周边设备的无线连接上得到大量应用。UWB是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术，因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模块，实现了低成本、低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准，预期的通信距离5-10m，速率甚至可高达1Gbps，非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输。作为WiFi下一代技术的WiMax，被设想成一项无线城域网接入技术，在传输距离和速度方面均胜过WiFi，最高接入速率为70Mbps，信号传输半径可达到50km。下图是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。从图中看，主要的无线技术都集中在1Mbps以上的速率，新的标准还在追求更快的速率；而ZigBee恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中，低速率、低成本的无线通信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活，同样具有广泛的市场。从现今的市场看，每一种无线通信技术的产品都有各自的一些特点，或在距离、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段时间内，虽然会有一些竞争，但仍会有多种无线通信技术的产品在市场上共存