安康无线应变传感器规格

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。

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。

无线传感器网络的典型应用模式可分为两类，一类是传感器结点监测环境状态的变化或事件的发生，将发生的事件或变化的状态报告给管理中心;一类是由管理中心发布命令给某一区域的传感器结点，传感器结点执行命令并返回相应的监测数据。与之对应的，传感器网络中的通信模式也主要有两种，一是传感器将采集到的数据传输到管理中心，称为多到一通信模式;一是管理中心向区域内的传感器结点发布命令，称为一到多通信模式。**种通信模式的数据量大，后一种则相对较小。


在这里收集了一些目前西方国家(主要是美国)在无线传感器网络军事应用方面的主要研究：


1) 智能微尘(smart dust)


智 能微尘(smart dust)是一个具有电脑功能的**微型传感器，它由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。将一些微尘散放在一定范围内，它们就能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。近几年，由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小，但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理、发射信息，它能够仅依靠微型电池工作多年。智能微尘的远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动，可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。


2)目标定位网络嵌入式系统技术


目标定位网络嵌入式系 统技术(Network Embed System Technology)是战场应用实验是美国*高级研究计划局主导的一个项目，它将实现系统和信息处理融合。项目的定量目标是建立包括10 ~100万个计算节点的可靠、实时、分布式应用网络。这些节点包括连接传感器和作动器的物理和信息系统部件。基础嵌入式系统技术节点采用现场可编程门阵列 (FPGA)模式。该项目应用了大量的微型传感器、微电子、先进传感器融合算法、自定位技术和信息技术方面的成果。项目的长期目标是实现传感器信息的网络中心分布和融合，显著提高作战态势感知能力。2003年该项目成功验证了能够准确定位敌方**手的传感器网络技术，它采用多个廉价音频传感协同定位敌方射手并标识在所有参战人员的个人计算机中，三维空间的定位精度可达到1.5米，定位延迟达到2秒，甚至能显示出敌方射手采用跪姿和站姿射击的差异。


防核生化袭击 美国Cyrano Sciences公司已将化学剂检测和数据解释组合到一种专有的芯片技术中，称为Cyrano NoseChip。基于这一技术可创建一个低成本的化学传感器系统，捕获和解释数据，并提供实时告警，以应付恐怖分子使用化学武器进行的攻击。该系统在前端使用一个C320手持传感器负责收集有关化学剂的数据，该传感建有与后方笔记本电脑的无线连接，电脑上运行着远程监控和服务器程序。该系统使用IBM公司的无线通信设备WebSphere MQ Everyplace传输数据，这个手持设备还可以小型化为微小结点，部署到监测环境中去，形成自主工作的无线传感器网络。


3)灵巧传感器网络


“灵 巧传感器网络”(SSW:Smart Sensor Web)是美国陆军提出的针对网络中心战的需求所开发的新型传感器网络。其基本思想是在战场上布设大量的传感器以收集和中继信息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心，从而将大量的信息集成为一幅战场全景图，当参战人员需要时可分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大提高。SSW系统作为一个军事战术工具可向战场指挥员提供一个从大型传感器矩阵中得来的动态更新数据库，并及时向相关作战人员提供实时或近实时的战场信息，包括通过有人和无人驾驶的地面车辆、无人驾驶飞机、空中、海上及卫星中得到的高分辨率数字地图、三维地形特征、多重频谱图形等信息。系统软件将采用预先制定的标准来解读传感器的内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等前后相关信息，以及由其他传感器输入的信息相互关联，从而为交战网络提供诸如开火、装甲车的行动以及爆炸等触发传感器的真实事件的实时信息。SSW系统是关于传感器基于网络平台的集成，这种集成是通过主体交互作用来实现的。例如，一个被触发的传感器主体可能会要求在其范围内激活其他传感器，达到对前后相关信息的澄清和确认，该要求信息同来自气候或武器层的SSW中的信息相结合，就生成一幅有关作战环境的全景图。


4)无人值守地面传感器群


美国陆军近期确立了“无人值守地面传感器群”项目,其主要目标是使基层*指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力.该项目是支持陆军“更广阔视野”的3个项目之一.


5)战场环境侦察与监视系统


美国陆军较近确立了“战场环境侦察与监视系统”项目.该系统是一个智能化传感器网络,可以更为详尽、准确地探测到精确信息,如一些特殊地形地域的特种信息 (登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息,丛林地带的地面坚硬度、干湿度)等,为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据.它通过“数字化路标”作为传输工具,为各作战平台与单位提供“各取所需”的情报服务,使情报侦察与获取能力产生质的飞跃.该系统组由撒布型微传感器网络系统、机载和车载型侦察与探测设备等构成.


6)传感器组网系统


美国海军较近也确立了“传感器组网系统”研究项目.传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统.该系统可以利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理,而管理工作只需通过一台**的商用便携机即可,不需要其他**设备.该系统以现有的带宽进行通信,并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息.该系统可以部署到各级指挥单位.


7)防生化网络


2002年5 月,美国Sandia国家实验室与美国能源部合作,共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击,并及时采取防范对策的系统.该研究属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环.该系统融检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体.安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质,就会自动向管理中心通报,自动进行引导旅客避难的广播,并封锁有关入口等.该系统除了能够在**管理中心进行监视之外,还可以通过WWW进行远程监视.


8)网状传感器系统CEC


美 国海军较近开展的网状传感器系统CEC(cooperative engagement capability)是一项革命性的技术.CEC是一个无线网络,其感知数据是原始的雷达数据.该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理.每艘战船不但依赖于自己的雷达,还依靠其他战船或者装载CEC的战机来获取感知数据.例如,一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外,还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据,也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据.空中的传感器负责侦察更大范围的低空目标,这些传感器也是网络中重要的一部分.利用这些数据合成图片具有很高的精度.由于CEC可以从多方面探测目标,较大地提高了测量精度.利用CEC数据可以准确地击中目标.CEC还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹,使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标.因此,即使是今天较先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中.


9)沙地直线(A Line in the Sand)


2003年8月，俄亥俄州开发“沙地直线”(A Line in the Sand)，这是一种无线传感器网络系统。在*高级研究计划局的资助下，这个系统能够散射电子绊网到任何地方，也就是到整个战场，以侦测运动着的高金属含量目标。这种能力意味着一个特殊的军事用途，例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆。这项技术有着广泛的应用可能，正如所提及的这些现象，它不仅可以感觉到运动的或静止的金属，而且可以感觉到声音、光线、温度、化学物品，以及动植物的生理特征。


10)C4ISRT系统


无线传感器网络的研究直接推动了以网络技术为核心的新军事革命，诞生了网络中心战的思想和体系。传感器网络将会成为C4ISRT(command，control communication,computing，intelligence，surveillance，reconnaissance and targeting)系统不可或缺的一部分.C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视.因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击.在战场，指挥员往往需要及时准确地了解*、武器装备和*物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的**态势图.在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息.传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息.在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而较大可能地减小伤亡.传感器网络也可避免核反应*直接暴露在核辐射的环境中.在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面：


(1)分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一.


(2)传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力.


(3)传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响.


(4)节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标.


(5)多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域.


(6)借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点.


11)先进布放式系统、濒海机载**光谱传感器和远程微光成像系统


美海军已经选定多种水下系统和无人操作系统，这些系统将于明年进行试验，以促进服役装备的现代化计划。海军还选定了要开展的若干技术研究项目，分别应用于反潜战中的高**领域、水下通信及无人潜航器。


对于反潜战，美国海军将对三种系统进行试验，使目前服役的装备形成一个水下传感器网络，能够快速有效的侦察敌方潜艇。它们是"先进布放式系统"(ADS)、 "濒海机载**光谱传感器"(LASH)和"远程微光成像系统"。ADS是一种被动水下声学传感器网络。它可以提供实时信息，在濒海区域监视敌方潜艇和水面舰艇。该系统正由洛克希德•马丁公司研制，美海军计划把它部署在未来的濒海作战舰上。


LASH系统利用非声**光谱传感器提供近实时的目标探测、分类和识别，用于反潜战、搜索和营救，及区域绘图。而非声RULLI系统采用光子密度测量法来探测微光条件下和黑暗中的物体。在改善水下通信的速度和深度方面，将从以下四个项目对技术进行测试："海洋网络/子数据链2004" (SeaWeb/Sublink2004)、"战术控制网络水声信息链"(TCN Hail)、"一次性系索浮标"和"先进声通信系统"。


对现役装备来说，"海洋网"是一种可自由部署的水下网络系统。它可以提供水下指挥、控制、通信和导航，采用"远程声呐调制解调器"，能够利用固定或移动的水下节点通过声传播来实现通信。


通信的速度和深度对于潜艇的发展来说至关重要，特别是改善了潜艇只能在海洋表面或潜望镜深度以内才可以通过卫星的无线电频率通信的问题。


同样，TCN Hail也是利用声学技术，而利用无线电通信频率的"一次性系索浮标"正在被发展成为供低成本的系索浮标系统，可为潜航的潜艇提供实时通信。


12)NASA/JPL(喷气推进实验室)传感器网


计划始于1997年， NASA对传感器网的兴趣源自他们本希望在行星上部署这样一个网络，而不是地球。NASA(美国航空航天局)喷气推进实验室的八位工程师组成的团队正致力于新一代无线传感器网络的开发。用这样一个网络来帮助控制环境和工业过程的潜力非常大。根据NASA/JPL，传感器网的设计可以把对许多环境的监控和控制扩展到许多领域，包括农业和生态学，安全和国土防御，也包括太空探索。目前为止传感器网只是以监控角色进行部署，不过其技术的核心概念已被证明可靠。现在科研小组正在进行实验，将传感器网络的功能从单纯监控扩展到对周围环境做出反应并进行控制。