| 引言
在信息化社會(huì)，幾乎沒有任何一種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠離得開傳感器和信號(hào)探測(cè)技術(shù)的支持。生活在信息時(shí)代的人們，絕大部分的日常生活與信息資源的開發(fā)、采集、傳送和處理息息相關(guān)。分析當(dāng)前信息與技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，21世紀(jì)的先進(jìn)傳感器必須具備小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)良特征。
微型化（Micro）
為了能夠與信息時(shí)代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強(qiáng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)保持一致，對(duì)于傳感器性能指標(biāo)（包括精確性、可靠性、靈敏性等）的要求越來越嚴(yán)格;與此同時(shí)，傳感器系統(tǒng)的操作友好性亦被提上了議事日程，因此還要求傳感器必須配有標(biāo)準(zhǔn)的輸出模式;而傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代;后者主要由硅材料構(gòu)成，具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。
1. 微型傳感器研發(fā)現(xiàn)狀
目前，幾乎所有的傳感器都在由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)向基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的模擬式工程化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，從而使設(shè)計(jì)者們能夠在較短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出低成本、高性能的新型系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)手段的巨大轉(zhuǎn)變?cè)诤艽蟪潭壬贤苿?dòng)著傳感器系統(tǒng)以更快的速度向著能夠滿足科技發(fā)展需求的微型化的方向發(fā)展。
對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的研究工作始于20世紀(jì)60年代，其研究范疇涉及材料科學(xué)、機(jī)械控制、加工與封裝工藝、電子技術(shù)以及傳感器和執(zhí)行器等多種學(xué)科，是一個(gè)極具前景的新興研究領(lǐng)域。MEMS的核心技術(shù)是研究微電子與微機(jī)械加工與封裝技術(shù)的巧妙結(jié)合，期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強(qiáng)大的新型系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，尤其最近十多年的研究與發(fā)展，MEMS技術(shù)已經(jīng)顯示出了巨大的生命力，此項(xiàng)技術(shù)的有效采用將信息系統(tǒng)的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一個(gè)新的高度。在當(dāng)前技術(shù)水平下，微切削加工技術(shù)已經(jīng)可以生產(chǎn)出來具有不同層次的3D微型結(jié)構(gòu)，從而可以生產(chǎn)出體積非常微小的微型傳感器敏感元件，象毒氣傳感器、離子傳感器、光電探測(cè)器這樣的以硅為主要構(gòu)成材料的傳感/探測(cè)器都裝有極好的敏感元件。目前，這一類元器件已作為微型傳感器的主要敏感元件被廣泛應(yīng)用于不同的研究領(lǐng)域中。由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)引發(fā)的傳感器研發(fā)制造已經(jīng)進(jìn)入微型化時(shí)代。
2.微型傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀
就當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，微型傳感器已經(jīng)對(duì)大量不同應(yīng)用領(lǐng)域，如航空、遠(yuǎn)距離探測(cè)、醫(yī)療及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響;目前開發(fā)并進(jìn)入實(shí)用階段的微型傳感器已可以用來測(cè)量各種物理量、化學(xué)量和生物量，如位移、速度/加速度、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等。
智能化（Smart）
智能化傳感器（Smart Sensor）是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的另外一種涉及多種學(xué)科的新型傳感器系統(tǒng)。此類傳感器系統(tǒng)一經(jīng)問世即刻受到科研界的普遍重視，尤其在探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域，如分布式實(shí)時(shí)探測(cè)、網(wǎng)絡(luò)探測(cè)和多信號(hào)探測(cè)方面一直頗受歡迎，產(chǎn)生的影響較大。
1.智能化傳感器的特點(diǎn)
智能化傳感器是指那些裝有微處理器的，不但能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲(chǔ)，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。這一類傳感器就相當(dāng)于是微型機(jī)與傳感器的綜合體一樣，其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機(jī)的硬件設(shè)備。如智能化壓力傳感器，主傳感器為壓力傳感器，用來探測(cè)壓力參數(shù)，輔助傳感器通常為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。采用這種技術(shù)時(shí)可以方便地調(diào)節(jié)和校正由于溫度的變化而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，而環(huán)境壓力傳感器測(cè)量工作環(huán)境的壓力變化并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行校正;而硬件系統(tǒng)除了能夠?qū)鞲衅鞯娜踺敵鲂盘?hào)進(jìn)行放大、處理和存儲(chǔ)外，還執(zhí)行與計(jì)算機(jī)之間的通信聯(lián)絡(luò)。
通常情況下，一個(gè)通用的檢測(cè)儀器只能用來探測(cè)一種物理量，其信號(hào)調(diào)節(jié)是由那些與主探測(cè)部件相連接著的模擬電路來完成的;但智能化傳感器卻能夠?qū)崿F(xiàn)所有的功能，而且其精度更高、價(jià)格更便宜、處理質(zhì)量也更好。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):
�。�1） 智能化傳感器不但能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行處理、分析和調(diào)節(jié)，能夠?qū)λ鶞y(cè)的數(shù)值及其誤差進(jìn)行補(bǔ)償，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷，能夠借助于一覽表對(duì)非線性信號(hào)進(jìn)行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數(shù)字信號(hào)。此外，還能夠利用軟件實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償或其它更復(fù)雜的環(huán)境補(bǔ)償，以改進(jìn)測(cè)量精度。
�。�2） 智能化傳感器具有自診斷和自校準(zhǔn)功能，可以用來檢測(cè)工作環(huán)境。當(dāng)工作環(huán)境臨近其極限條件時(shí)，它將發(fā)出告警信號(hào)，并根據(jù)其分析器的輸入信號(hào)給出相關(guān)的診斷信息。當(dāng)智能化傳感器由于某些內(nèi)部故障而不能正常工作時(shí)，它能夠借助其內(nèi)部檢測(cè)鏈路找出異�，F(xiàn)象或出了故障的部件。
（3） 智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測(cè)量，從而進(jìn)一步拓寬了其探測(cè)與應(yīng)用領(lǐng)域，而微處理器的介入使得智能化傳感器能夠更加方便地對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。此外，其靈活的配置功能既能夠使相同類型的傳感器實(shí)現(xiàn)最佳的工作性能，也能夠使它們適合于各不相同的工作環(huán)境。
（4） 智能化傳感器既能夠很方便地實(shí)時(shí)處理所探測(cè)到的大量數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)需要將它們存儲(chǔ)起來。存儲(chǔ)大量信息的目的主要是以備事后查詢，這一類信息包括設(shè)備的歷史信息以及有關(guān)探測(cè)分析結(jié)果的索引等;
（5） 智能化傳感器備有一個(gè)數(shù)字式通信接口，通過此接口可以直接與其所屬計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)和交換信息。此外，智能化傳感器的信息管理程序也非常簡(jiǎn)單方便，譬如，可以對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制或者在鎖定方式下工作，也可以將所測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶等。
2.智能化傳感器的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，智能化傳感器技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，具有代表意義的典型產(chǎn)品是美國(guó)霍尼韋爾公司的ST-3000系列智能變送器和德國(guó)斯特曼公司的二維加速度傳感器，以及另外一些含有微處理器（MCU）的單片集成壓力傳感器、具有多維檢測(cè)能力的智能傳感器和固體圖像傳感器（SSIS）等。與此同時(shí)，基于模糊理論的新型智能傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能化傳感器系統(tǒng)的研究和發(fā)展中的重要作用也日益受到了相關(guān)研究人員的極大重視。
需要特別指出的一點(diǎn)是:目前的智能化傳感器系統(tǒng)本身盡管全都是數(shù)字式的，但其通信協(xié)議卻仍需借助于4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。一些國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu)目前正在積極研究推出相關(guān)的通用現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn);不過，在眼下過渡階段仍大多采用遠(yuǎn)距離總線尋址傳感器（HART）協(xié)議，即Highway Addressable Remote Transducer。這是一種適用于智能化傳感器的通信協(xié)議，與目前使用4~20mA模擬信號(hào)的系統(tǒng)完全兼容，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)可以同時(shí)進(jìn)行通信，從而使不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品具有通用性。
目前，智能化傳感器多用于壓力、力、振動(dòng)沖擊加速度、流量、溫濕度的測(cè)量，如美國(guó)霍尼韋爾公司的ST3000系列全智能變送器和德國(guó)斯特曼公司的二維加速度傳感器就屬于這一類傳感器。另外，智能化傳感器在空間技術(shù)研究領(lǐng)域亦有比較成功的應(yīng)用實(shí)例。
在今后的發(fā)展中，智能化傳感器無疑將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域�？梢灶A(yù)見，新興的智能化傳感器將會(huì)在關(guān)系到全人類國(guó)民生的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大作用。
多功能傳感器（Multifunc- tion）
如前所述，通常情況下一個(gè)傳感器只能用來探測(cè)一種物理量，但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，為了能夠完美而準(zhǔn)確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時(shí)測(cè)量大量的物理量。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼?zhèn)涞男乱淮綔y(cè)系統(tǒng)，它可以借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨(dú)一個(gè)傳感器系統(tǒng)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種傳感器的功能。隨著傳感器技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)可以生產(chǎn)出來將若干種敏感元件綜裝在同一種材料或單獨(dú)一塊芯片上的一體化多功能傳感器。
1.多功能傳感器的執(zhí)行規(guī)則和結(jié)構(gòu)模式
概括來講，多功能傳感器系統(tǒng)主要的執(zhí)行規(guī)則和結(jié)構(gòu)模式包括:
�。�1） 多功能傳感器系統(tǒng)由若干種各不相同的敏感元件組成，可以用來同時(shí)測(cè)量多種參數(shù)。譬如，可以將一個(gè)溫度探測(cè)器和一個(gè)濕度探測(cè)器配置在一起（即將熱敏元件和濕敏元件分別配置在同一個(gè)傳感器承載體上）制造成一種新的傳感器，這樣，這種新的傳感器就能夠同時(shí)測(cè)量溫度和濕度。
�。�2） 將若干種不同的敏感元件精巧地制作在單獨(dú)的一塊硅片中，從而構(gòu)成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。由于這些敏感元件是被綜裝在同一塊硅片中的，它們無論何時(shí)都工作在同一種條件下，所以很容易對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償和校正。
�。�3） 借助于同一個(gè)傳感器的不同效應(yīng)可以獲得不同的信息。以線圈為例，它所表現(xiàn)出來的電容和電感是各不相同的。
（4） 在不同的激勵(lì)條件下，同一個(gè)敏感元件將表現(xiàn)出來不同的特征。而在電壓、電流或溫度等激勵(lì)條件均不相同的情況下，由若干種敏感元件組成的一個(gè)多功能傳感器的特征可想而知將會(huì)是多么的千差萬別！有時(shí)候簡(jiǎn)直就相當(dāng)于是若干個(gè)不同的傳感器一樣，其多功能特征可謂名副其實(shí)。
2.多功能傳感器的研制與應(yīng)用現(xiàn)狀
多功能傳感器無疑是當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展中一個(gè)全新的研究方向，日前有許多學(xué)者正在積極從事于該領(lǐng)域的研究工作。如將某些類型的傳感器進(jìn)行適當(dāng)組合而使之成為新的傳感器，如用來測(cè)量流體壓力和互異壓力的組合傳感器。又如，為了能夠以較高的靈敏度和較小的粒度同時(shí)探測(cè)多種信號(hào)，微型數(shù)字式三端口傳感器可以同時(shí)采用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件;這種組配方式的傳感器不但能夠輸出模擬信號(hào)，而且還能夠輸出頻率信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。
從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，最熱門的研究領(lǐng)域也許是各種類型的仿生傳感器了，而且在感觸、刺激以及視聽辨別等方面已有最新研究成果問世。從實(shí)用的角度考慮，多功能傳感器中應(yīng)用較多的是各種類型的多功能觸覺傳感器，譬如人造皮膚觸覺傳感器就是其中之一，這種傳感器系統(tǒng)由PVDF材料、無觸點(diǎn)皮膚敏感系統(tǒng)以及具有壓力敏感傳導(dǎo)功能的橡膠觸覺傳感器等組成。據(jù)悉，美國(guó)MERRITT公司研制開發(fā)的無觸點(diǎn)皮膚敏感系統(tǒng)獲得了較大的成功，其無觸點(diǎn)超聲波傳感器、紅外輻射引導(dǎo)傳感器、薄膜式電容傳感器、以及溫度、氣體傳感器等在美國(guó)本土應(yīng)用甚廣。
與其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅覺方面的研究還似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)不盡人意。由于嗅覺元件接收到的判別信號(hào)是非常復(fù)雜的，其中總是混合著成千上萬種化學(xué)物質(zhì)，這就使得嗅覺系統(tǒng)處理起這些信號(hào)來異常錯(cuò)綜復(fù)雜。
人工嗅覺傳感系統(tǒng)的典型產(chǎn)品是功能各異的Electronic nose（電子鼻），近10多年來，該技術(shù)的發(fā)展很快，目前已有數(shù)種商品化的產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)流通，美、法、德、英等國(guó)家均有比較先進(jìn)的電子鼻產(chǎn)品問世。
“電子鼻"系統(tǒng)通常由一個(gè)交叉選擇式氣體傳感器陣列和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)組成，并配以恰當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)，具有識(shí)別簡(jiǎn)單和復(fù)雜氣味的能力，主要用來解決一般情況下的氣味探測(cè)問題。根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，“電子鼻"系統(tǒng)傳感器陣列中傳感器的構(gòu)成材料及配置數(shù)量亦有所不同，其中，構(gòu)成材料包括金屬氧化物半導(dǎo)體、導(dǎo)電聚合物、石英晶振等，配置數(shù)量則從幾個(gè)到數(shù)十個(gè)不等�？傊半娮颖�"系統(tǒng)是氣體傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合的高科技產(chǎn)物，其氣體傳感器的體積很小，功耗也很低，能夠方便地捕獲并處理氣味信號(hào)。氣流經(jīng)過氣體傳感器陣列進(jìn)入到“電子鼻"系統(tǒng)的信號(hào)預(yù)處理元件中，最后由陣列響應(yīng)模式來確定其所測(cè)氣體的特征。陣列響應(yīng)模式采用關(guān)聯(lián)法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析法等方法對(duì)所測(cè)氣體進(jìn)行定性和定量鑒別。美國(guó)Cyrano- sciences公司生產(chǎn)的Cyranose 320電子鼻是目前技術(shù)較為先進(jìn)、適用范圍也比較廣的嗅覺傳感系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)主要由傳感器陣列和數(shù)據(jù)分析算法兩部分組成，其基本技術(shù)是將若干個(gè)獨(dú)特的薄膜式碳-黑聚合物復(fù)合材料化學(xué)電阻器配置成一個(gè)傳感器陣列，然后采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過分析由此傳感器陣列所收集到的輸出值的辦法來識(shí)別未知分析物。據(jù)稱，Cyranose 320電子鼻的適用范圍包括食品與飲料的生產(chǎn)與保鮮、環(huán)境保護(hù)、化學(xué)品分析與鑒定、疾病診斷與醫(yī)藥分析以及工業(yè)生產(chǎn)過程控制與消費(fèi)品的監(jiān)控與管理等。
無線網(wǎng)絡(luò)化（wireless networked）
無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)我們來說并不陌生，比如手機(jī)，無線上網(wǎng)，電視機(jī)。傳感器對(duì)我們來說也不陌生，比如溫度傳感器、壓力傳感器，還有比較新穎的氣味傳感器。但是，把二者結(jié)合在起來，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）這個(gè)概念，卻是近幾年才發(fā)生的事情。
這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分就是一個(gè)個(gè)可愛的傳感器節(jié)點(diǎn)。說它們可愛，是因?yàn)樗鼈兊捏w積都非常小巧。這些節(jié)點(diǎn)可以感受溫度的高低、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。更讓人感興趣的是，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)可以進(jìn)行快速運(yùn)算的微型計(jì)算機(jī)，它們將傳感器收集到的信息轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行編碼，然后通過節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間自行建立的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給具有更大處理能力的服務(wù)器。
1.傳感器網(wǎng)絡(luò)
傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算"理念。傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式，因而必須將現(xiàn)代的先進(jìn)微電子技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、系統(tǒng)SOC（system-on-chip）芯片設(shè)計(jì)技術(shù)、納米材料與技術(shù)、現(xiàn)代信息通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合，以實(shí)現(xiàn)其微型化、集成化、多功能化及系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，特別是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價(jià)值和巨大實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)引起了世界許多國(guó)家軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，并成為進(jìn)入2000 年以來公認(rèn)的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，被認(rèn)為是將對(duì)二十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
2.傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱點(diǎn)問題和關(guān)鍵技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)用為目標(biāo)，其構(gòu)建是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，涉及到的研究工作和需要解決的問題在每一個(gè)層面上都很多。對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及界面接口技術(shù)的研究意義重大。如果我們把傳感器網(wǎng)絡(luò)按其功能抽象成五個(gè)層次的話，將會(huì)包括基礎(chǔ)層（傳感器集合）、網(wǎng)絡(luò)層（通信網(wǎng)絡(luò)）、中間件層、數(shù)據(jù)處理和管理層以及應(yīng)用開發(fā)層。
其中，基礎(chǔ)層以研究新型傳感器和傳感系統(tǒng)為核心，包括應(yīng)用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應(yīng)速度、動(dòng)態(tài)范圍、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性以及在惡劣環(huán)境條件下工作的能力。
3.傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究
傳感器網(wǎng)絡(luò)有著巨大的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是將對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。已有和潛在的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域包括:軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測(cè)等等。隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種傳感器網(wǎng)絡(luò)將遍布我們生活環(huán)境，從而真正實(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算"。以下簡(jiǎn)要介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用。
�。�1） 軍事應(yīng)用
傳感器網(wǎng)絡(luò)研究最早起源于軍事領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有海洋聲納監(jiān)測(cè)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)，也有監(jiān)測(cè)地面物體的小型傳感器網(wǎng)絡(luò)�，F(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通過飛機(jī)撒播、特種炮彈發(fā)射等手段，可以將大量便宜的傳感器密集地撒布于人員不便于到達(dá)的觀察區(qū)域如敵方陣地內(nèi)，收集到有用的微觀數(shù)據(jù);在一部分傳感器因?yàn)樵馄茐牡仍蚴r(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)作為整傳感器網(wǎng)絡(luò)體仍能完成觀察任務(wù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)使得它具有重大軍事價(jià)值，可以應(yīng)用于如下一些場(chǎng)景中:
- 監(jiān)測(cè)人員、裝備等情況以及單兵系統(tǒng):通過在人員、裝備上附帶各種傳感器，可以讓各級(jí)指揮員比較準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握己方的保存狀態(tài)。通過在敵方陣地部署各種傳感器，可以了解敵方武器部署情況，為己方確定進(jìn)攻目標(biāo)和進(jìn)攻路線提供依據(jù);
- 監(jiān)測(cè)敵軍進(jìn)攻:在敵軍駐地和可能的進(jìn)攻路線上部署大量傳感器，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)敵軍的進(jìn)攻行動(dòng)、爭(zhēng)取寶貴的應(yīng)對(duì)時(shí)間。并可根據(jù)戰(zhàn)況快速調(diào)整和部署新的傳感器網(wǎng)絡(luò);
- 評(píng)估戰(zhàn)果:在進(jìn)攻前后，在攻擊目標(biāo)附近部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而收集目標(biāo)被破壞程度的數(shù)據(jù);
- 核能、生物、化學(xué)攻擊的偵察:借助于傳感器網(wǎng)絡(luò)可以及早發(fā)現(xiàn)己方陣地上的生、化污染，提供快速反應(yīng)時(shí)間從而減少損失。不派人員就可以獲取一些核、生、化爆炸現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。
�。�2） 環(huán)境應(yīng)用
應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡(jiǎn)單、便宜、長(zhǎng)期不需更換電池、無需派人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了嶄新的途徑傳感器網(wǎng)絡(luò)研究在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)有很多的實(shí)例。這些應(yīng)用實(shí)例包括:對(duì)海島鳥類生活規(guī)律的觀測(cè);氣象現(xiàn)象的觀測(cè)和天氣預(yù)報(bào);森林火警;生物群落的微觀觀測(cè)等:
- 洪災(zāi)的預(yù)警:通過在水壩、山區(qū)中關(guān)鍵地點(diǎn)合理地布置一些水壓、土壤濕度等傳感器，可以在洪災(zāi)到來之前發(fā)布預(yù)警信息，從而及時(shí)排除險(xiǎn)情或者減少損失;
- 農(nóng)田管理:通過在農(nóng)田部署一定密度的空氣溫度、土壤濕度、土壤肥料含量、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等傳感器，可以更好地對(duì)農(nóng)田管理微觀調(diào)控，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。
�。�3） 一般應(yīng)用
建筑及城市管理各種無線傳感器可以靈活方便地布置于建筑物內(nèi)，獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，從而為居室環(huán)境控制和危險(xiǎn)報(bào)警提供依據(jù):
- 智能家居:通過布置于房間內(nèi)的溫度、濕度、光照、空氣成分等無線傳感器，感知居室不同部分的微觀狀況，從而對(duì)空調(diào)、門窗以及其他家電進(jìn)行自動(dòng)控制，提供給人們智能、舒適的居住環(huán)境;
- 建筑安全:通過布置于建筑物內(nèi)的圖像、聲音、氣體檢測(cè)、溫度、壓力、輻射等傳感器，發(fā)現(xiàn)異常事件及時(shí)報(bào)警，自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急措施;
- 智能交通:通過布置于道路上的速度、識(shí)別傳感器，監(jiān)測(cè)交通流量等信息，為出行者提供信息服務(wù)，發(fā)現(xiàn)違章能及時(shí)報(bào)警和記錄。反恐和公共安全通過特殊用途的傳感器，特別是生物化學(xué)傳感器監(jiān)測(cè)有害物、危險(xiǎn)物的信息，最大限度地減少其對(duì)人民群眾生命安全造成的傷害。
�。�4） 結(jié)論
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見，將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、個(gè)人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤，家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)安全調(diào)控、節(jié)電等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個(gè)無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。但是，我們還應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)才剛剛開始發(fā)展，它的技術(shù)、應(yīng)用都還還遠(yuǎn)談不上成熟，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住商機(jī)，加大投入力度，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類生活和社會(huì)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個(gè)無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，需要各種技術(shù)支撐。目前，成熟的通信技術(shù)都可能經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，形成新的市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)，創(chuàng)造無線通信的新天地。
結(jié)束語
當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。今后，隨著CAD技術(shù)、MEMS技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展，未來的傳感器系統(tǒng)必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。在各種新興科學(xué)技術(shù)呈輻射狀廣泛滲透的當(dāng)今社會(huì)，作為現(xiàn)代科學(xué)“耳目"的傳感器系統(tǒng)，作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎(chǔ)，必將進(jìn)一步得到社會(huì)各界的普遍關(guān)注。微波傳感器依靠微波的很多優(yōu)點(diǎn)，將廣泛地用于微波通訊、衛(wèi)星發(fā)送等無線通訊，和雷達(dá)、導(dǎo)彈誘導(dǎo)、遙感、射電望遠(yuǎn)鏡中。并且在一些非接觸式的監(jiān)測(cè)和控制中也有很好的應(yīng)用。 |
