恩施无线应变传感器

无线传感器网络的应用范围问题
前些时间在几个地方做了几次关于Sun SPOT的讲座。经常遇到的一个问题就是无线通讯是否可靠的问题，根据我个人的理解，尝试着解答一下吧。


不管是有线通讯还是无线通讯，其基本原理都是一样的。原始信息在发射机端经过调制之后通过某种信号传递介质发送给接收机，接收机端通过解调得到原始信息。无线通讯和有线通讯的根本区别，就在于其信号传递介质。在有线通讯中，这个信号传递介质通常是某种电传导介质（或者是光传导介质），在这种介质上所传递的信号是电信号（或者是光信号）。在无线通讯中，这个信号传递介质通常是大气，在这种介质上所传递的信号是电磁波。从通讯理论上来讲，只要这两种信号传递介质都是导通的，那么其可靠度水平是相当的。说有线通讯比无线通讯更加可靠，其实是觉得看得见摸得着的线缆比看不见摸不着的空气更加实在。再往远处扯一扯，则是“虚”和“实”的本质问题，是可以做一篇哲学论文的。


任何通讯介质，都有其固有的弱点。有线介质不但怕虫吃鼠咬，更怕民工拿锄头乱挖；无线介质虽然怕障碍物阻挡，但是至少不会被虫子咬断。 所以，无线和有线，是各自有其应用环境的。在合适的应用环境里，就能够充分体现出其优点来。在不合适的应用环境里，理论上说得再好也没用。


无线传感器网络之所以会在未来有广阔的前景，在于它很好地解决了最后一公里，最后一百米，最后十米，或者是最后一米的问题。举个例子说，我国较近几年建设的高速公路，基本上都有光缆覆盖，其带宽足以支撑实时的视频监控应用。但是，高速公路沿途的各种摄像头和传感器是不能够直接接入光缆的，因为每在光缆上接入一个设备，就需要接入一对昂贵的光栅机。通常的做法，是将光缆作为骨干网，每隔一定的距离部署一对光栅机作为主节点，主节点附近的各种设备通过其他方式组成局部子网进行通讯，局部子网上的各种设备将主节点作为数据池（Data Sink），数据池上的数据通过主节点并入骨干网，并较终传输到远程数据采集、分析、控制终端。如上所述之最后N 米问题，用有线的解决方案往往是不太方便的，譬如说在已经通车的高速公路周边部署新的传感器，就不能够频繁地考虑将高速公路挖开铺设新的线缆这种可能性。


无线传感器网络的另外一个应用范围，是不便搭设有线通讯设备的环境。譬如说隧道施工现场和地下矿井矿山，施工现场的复杂性，以及传感器的数量级，使得搭设可靠的有线通讯环境非常困难。尽管无线通讯确实会由于施工现场中的种种障碍受到干扰，但是由于我们能够轻易地将无线传感器节点部署到施工现场的各个角落，从而构建起一个全面覆盖的无线通讯网络。在施工现场发生变化的时候，我们还能够轻易地通过调整无线传感器节点的物理位置来适应施工现场所发生的各种变化。这样的灵活性，是有线网络所远远不能够相比拟的。

科学家在柔性应变传感器研究方面取得进展




近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员费广涛课题组在柔性应变传感器的制备及力敏特性研究方面取得新进展，相关研究成果以Flexible strain sensor with high performance based on PANI/PDMS films 为题发表在Organic Electronics（47 (2019) 51-56）杂志上。


随着科学技术的快速发展，传感器在生物医学检测、智能机器人、柔性显示、可穿戴设备等领域得到了广泛的应用，这些领域往往需要传感器具有可弯曲、可拉伸的特点，能够满足贴附在各种不规则的表面上的需求。此外，一个好的应变传感器还应具有高灵敏度(GF)、低电阻值的特性。GF太低意味着传感器探测应变时由于变化量小容易出现信号误差，电阻值过大意味着需要配备高精密且昂贵的测试仪器。


目前研究的柔性应变传感器敏感材料通常有两类：一类是以银、碳管、石墨烯等导电材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备低的电阻值，同时GF也很低；另一类是以半导体材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备高的GF，但是电阻也很高。这两类传感器在商业应用中都受到了一定的限制。因此，设计一种电阻低、GF高的柔性传感器迫在眉睫。


聚苯胺(PANI)是一种导电高分子材料，经质子酸掺杂后的电导率处于金属与半导体之间，并且可以随着酸掺杂浓度而改变，因此将聚苯胺与弹性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合有望达到电阻低、GF高的要求。基于此，课题组博士宫欣欣和副研究员方明等采用PANI为导电层，PDMS为弹性层制备了PANI/PDMS复合薄膜柔性应变传感器，并对该传感器的性能进行了研究。实验结果表明，PANI/PDMS复合薄膜传感器具备一定的柔性(图1)，可以拉伸至50%的应变量，GF值较高可以达到54，远**其它材料构筑的柔性应变传感器，同时具备优秀的循环稳定性(图2)，在监测人体活动中具备潜在的应用前景(图3)。

无线传感器网络可以协助实现有效的战场态势感知，满足作战力量“知己知彼”的要求。典型设想是用*行器将大量微传感器结点散布在战场的广阔地域，这些结点自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合，为各参战单位提供“各取所需”的情报服务。


根据**的信息技术*介绍，计算机、通信及小型化技术进步正引导美军进入一个新时代，在防御技术上产生“革命性”效果。隶属于*办公厅的国家信息技术研究与发展综合办公室主任大卫•纳尔逊说，无线传感器网络技术，预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳，“能够在未来几十年内变革战场环境”。





鉴于无线传感器网络在军事应用的巨大作用，引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的较大关注.美国自然科学基金**2003年制定了传感器网络研究计划,投资34 000 000美元,支持相关基础理论的研究.美国*部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力,把传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事传感器网络研究项目.美国英特尔公司、美国微软公司等信息工业界成员也开始了传感器网络方面的工作,纷纷设立或启动相应的行动计划.日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了较大的兴趣,纷纷展开了该领域的研究工作.

无线传感器网络技术
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络 覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。


无线传感器网络 （wireless sensor network）简称WSN，是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）或者mote（灰尘）。此种网络中一般也有一个或几个基站(称作sink)用来集中从小型传感器收集的数据。


传感器节点是一种非常小型的计算机，一般由以下几部分组成：


1．处理器和内存（一般能力都比较有限）。


2．各类传感器（温度、湿度、声音、加速度、**定位等）。


3．通讯设备（一般是无线电收发器或光学通信设备）。


4．电池（一般是干电池，也有使用太阳能电池的）。


5．其他设备，包括各种特定用途的芯片，串行并行接口等（USB，RS232）。


无线传感器网络中的基站的作用是从各个传感器节点收集数据，集中处理然后提交给用户。因此，基站一般有更强的数据处理和通讯能力以及更持久的电力。


DL-WZXT无线传感器网络是新一代的传感器网络。DL-WZXT无线传感网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无...无线传感器网络 的详细介绍 DL-WZXT无线传感器网络 DL-WZXT无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用。
无线传感器网络在禽舍中的应用
我国禽舍设施的现代化程度还不太高，与发达国家相比存在一定的差距。近年米在研究国外禽舍设施技术的基础上，我国的禽舍设施对微型计算机的应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段，向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。现有的禽舍监测系统中数据的采集火多采用传统的有线方式，需要铺设大量的信号传输线，既增加了更新维护的难度，又降低了监测的可靠性和操作的灵活性。随着射频技术的发展，无线技术越米越成熟，使禽舍环境实现无线监测成为可能，目前无线技术在国外的畜禽养殖中已得到应用。 1 禽舍采用无线监测的必要性 我国农业正在从粗放型向集约型转变，实现畜禽养殖的自动化与智能化已成一种趋势，无线传感器网络在禽舍环境监测中的应用顺应了时代的要求。无线传感器网络与传统的禽舍环境监控方式相比有三大优势：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此减少r人为因素对禽舍环境的影响；二是传感器网络节点数量大，每个节点都可以检测到局部环境的详细信息并汇总到汇聚节点，因此传感器网络具有数据采集量大、精度高的特点；三是无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控，传感器节点还具有无线通信功能，可以在节点间进行协同监控。 节点的计算能力和无线通信功能使得传感器网络能够重新编程和重新部署，对环境的变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，因而传感器网络非常适用于禽舍环境的监测。 2禽舍环境监测应用的传感器网络结构 适用于禽舍环境监测的传感器网络结构见图1。传感器节点被大量部署在禽舍环境的监控区域内，自主形成传感器网络。传感器节点将检测到的数据传送到汇聚节点，汇聚节点负责将传感器节点传来的数据传送给终端。 传感器节点自主形成一个多跳网络，处于网络边缘的节点必须通过其他节点向汇聚节点发送数据。每个传感器节点都能检测禽舍环境的温度、湿度、光照等信息，也可以变换监测目标和监测内容。由于传感器节点具有计算能力和通信能力，可以在传感器网络中对采集的数据进行数据融合处理。这样可以减少数据通信量，节省传感器节点的能量。 2．1节点及节点部署 根据禽舍环境特点的要求，传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长等的特点。目前使用比较多的是加州伯克利分校研制的Mote节点，即通过扩展板的方式带有一个**的传感器板，板上载有光照传感器、温湿度传感器以及大气压传感器等。 传感器节点在系统中负责完成两方面的工作：一是接收分析用户的监测指令，并根据指令中的参数要求对环境数据进行检测采集；二是通过无线系统将采集的数据发送到汇聚节点。汇聚节点主要负责接收传感节点传来的数据，调度传感节点的运行，实现采集数据的上传和用户指令的下发，汇聚节点是用户和传感节点信息传输的桥梁。汇聚节点除了具备与传感节点同样结构和功能的无线收发模块外，还具有功能强大的处理模块和大容量的存储模块。 如何在禽舍中布置传感节点，直接影响到整个系统的工作效率和投资成本。只有合理的布置节点，才能充分发挥系统高效率和低能耗的优势。关于节点布置的问题在不同的背景下已被研究。确定性布置和自组织布置是节点布置的两种方式。 禽舍中节点的部置还应考虑区域的覆盖和节点问的连接等问题。所谓的覆盖问题，就是我们所监测的目标区域内，都能被传感节点检测到，其实质就是在兼顾节点间通信的基础上，实现监测范围的较大化；每个传感节点都能与汇聚节点通信称为连接，如果系统中存在不连接的节点，某些子区域感测到的信息将成为无效信息。在温室中布置传感节点时，需要考虑有多少个传感节点负责某个参数的测量，决定数量后，要解决怎样准确布置这些节点才能够使得系统效率较高、能耗较低。 2．2节点能量管理 禽舍环境的监测是长时间的连续监测，这对节点能量的供应提出了很高的要求。在传感器网络中，节点对能量的使用是不同的，汇聚节点需要更多的能量接收和发送数据包，网络边缘节点会将能量主要用在数据的搜集上。因此节点在能量的消耗上出现了瓶颈问题。在应用中需要考虑能量消耗较快的节点，并采取一定的节点冗余措施以保证数据传输不会因为个别节点的失效而中断。表1给出了传感器节点操作及消耗电量的关系。 节点节省能量主要采用休眠机制，即当一个传感器节点有任务时，只有与其相邻区域内的传感器节点处于活动状态，其余的处于关闭状态。 2．3 s-MAC协议在禽舍无线传感器网络中的应用 设计无线传感器网络MAC协议时，应当考虑的属性有：节省能量、网络的可扩展性和网络效率。目前，在MAC协议的设计中，往往是通过降低网络的公平性，增加网络的延时、吞吐量，米换取协议的能量有效性。 S-MAC(sensor MAC)协议是在802．11MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC协议通过周期性休眠获得低占空比运行，通过选择和维护休眠调度表，使相邻节点组成休眠／唤醒自动同步的虚拟组，从而实现信息传输的同步，并减少控制开销。其特点是形成一个使相邻节点都能自由通信的平面拓扑结构，同步节点形成一个无簇内通信的虚拟组，很容易适应拓扑结构的改变。 假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协同完成相同的任务，网络内部能够进行数据处理和融合以减小数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟，既提供了良好的扩展性，义减少了节点能量的消耗。 无线传感器网络应用到禽舍中，建立禽舍无线监测系统，实现了对禽舍信息的无线采集和畜禽养殖业的自动化与智能化，对于提高畜禽的产量，具有重要的现实意义。同时它的发展和应用对现代科学技术产生了较其重要的影响，在*、医疗、环境监测、家庭自动化和其他领域具有广阔的应用前景。
无线传感器网络的主要用途


虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是较近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国*部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售从2004年的1000万美元增加到2013年的几十亿美元。
目标跟踪
DARPA支持的Scnsor IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“**视距”战场监测。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一个子项目．原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机（UAV）飞到目标区域后抛下节点，较终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，较终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备*用于实战的要求，这种战场侦察模式目前还没有真正应用于实战，但随着美国*部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注．
其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。