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智能传感器及其应用探讨

2022/5/19    来源:日用电器    作者:金伟斌  富佳栋  刘鸣涛  贾跃辉      
关键字:智能传感器  
本文主要介绍了智能传感器技术在不同领域的基本组成结构、标准、应用和一些最新发展。与传感器相比,智能传感器可以与连接在传感网络中的专门用途计算设备相互通信。通过使用无线传感器网络,可以对关键设备进行监视和远程管理,从而产生更好的系统性能,获得更好的决策能力,进行更好的控制。在各个领域都有智能传感器的应用,例如供应链物流,系统监控,数据收集和应用控制。智能传感器网络的主要目的是减少不同系统中的人为干预和管理控制。
概述

       通过无线连接的设备通讯,传感器结合了以下方面的传感和计算能力。这种传感器节点网络提供数据以及执行和控制各种任务。为了简单地实现传感器节点复杂的网络,单个传感器的大小和成本至关重要。当传感器节点用于环境数据收集,目标跟踪和监视这些网络时,它产生了各种应用。也可以使用传感器网络在事件发生期间支持和防止快速响应并在事件发生后进行恢复以及分析。可以安装大量传感器以受益实际环境河岸,道路,建筑物,沿海地区等。传感器的部署取决于感兴趣的需求区域或在指定区域。智能传感器是感应,处理和通讯技术的结合。
 
1 智能传感器的结构
 
   智能传感器的基本架构组件如图 1 所示。参数的变化通过感应单元产生电信号转化为数字信号用以调节电路。模数转换器并将此输入的信号提供给中央处理单元或应用程序。任务处理由内存完成,与基站或无线传感器网络中的传感器或接收器的通信由收发器完成。

智能传感器节点的基本架构组件
图 1 智能传感器节点的基本架构组件
 
    传感器节点的五个主要部分是:
 
    中央单元:以微处理器的形式管理任务。
 
    电池:是能源。
 
    收发器:与环境进行交互并收集数据。
 
    内存:用作存储数据或处理数据的存储介质。
 
    通信模块:它包括收发器,并向从中央单元查询、 转发数据。传感器网络各个部分的能源效率对于网络的寿命至关重要。传感器网络中的节点协作并传播数据处理任务,并将处理后的信息发送到接收器。为了减少每个节点的电源消耗,开发了不带电池的频率识别芯片。
 
    传感器用于监视照明条件,噪声水平,湿度,车辆运动,土壤构成,机械应力水平,是否存在某种类型的物体以及其他属性有关的不同参数。传感器节点机制可以是温度,视觉,声学,雷达,磁性或地震。传感器节点可以进行自我识别和自我诊断。

       传感器节点机制的三种工作方式是:
 
    1)通过视线朝向预定目标(例如视觉传感器);
 
     2)具有与目标的时空关系(例如地震传感器);
 
    3)通过可能弯曲的传播波(例如声波传感器)。
 
    与以地址为中心的网络不同,传感器网络是以数据为中心的。在这样的网络中,查询被定向到包含传感器节点集群而不是特定传感器地址的区域。相似类型集群中的数据将在本地收集和汇总,这意味着聚合节点在群集中执行汇总和分析聚合数据的功能,这有助于减少通信带宽。通过汇总数据可以提高数据的准确性,从而得出数据冗余,排除导致节点故障。图2显示了传感器网络的数据收集和汇总。

传感器网络中的数据收集和汇总
图2 传感器网络中的数据收集和汇总[1]
 
2 智能传感器网络标准

        除了传感器的一些理想功能之外,还包括可靠性,自我识别性,安装简便性和与其他传感器以及标准控制协议和网络接口的时间和协调。
 
    1993 年,IEEE和美国国家标准技术研究院开始致力于制定智能传感器网络的标准,编订了IEEE 1451,即智能传感器网络标准。通过使用这些标准,开发智能传感器及其设备到网络的接口变得更加容易。
 
智能传感器网络的标准
图3 智能传感器网络的标准
 
    超出了生成感测量的正确表示所需的功能。智能传感器的通用模型如图4所示。智能传感器包括集成和维护分布式传感器系统,通过创建一个通用的平台,朝着一个共同的目标进行计算,控制和通信,并连接不同类型的传感器进行智能测量,以提高效益。虚拟传感器是物理传感器 / 换能器用以为获得所需感官信息可靠数据进行相关信号调节和数字信号处理的重要组成部分之一。

智能传感器的通用模型
图4 智能传感器的通用模型[2]
 
3 无线传感器网络和传感器节点的应用领域(见表1)
 
表 1 无线传感器网络和传感器节点的应用领域
无线传感器网络和传感器节点的应用领域
 
4 无线技术的最新发展
 
    4.1 适用于智慧城市的智能照明传感器解决方案
 
    这些智能照明传感器使用一组定向传感器探头来测量环境光(发光度),这些智能照明设备还能够监视隧道内部或建筑物内或街道外部的状况,并且还具有温度和湿度传感器。
 
    4.2 电子健康传感器防护罩
 
    电子保健传感器护罩用户可通过使用 9 种不同的传感器来监测人体的生物识别信息和医疗应用,包括血液中的氧气,气流,体温,心电图,血糖值,皮肤电化响应,血压和患者体位。
 
    4.3 加密库-传感器网络的AES/RSA加密
 
    加密库传感器平台,以确保传感器收集的信息的身份验证,机密性(保密性)和完整性。为此,已在库中实现了包括AES 256和RSA 1024在内的不同加密算法。
 
    4.4 与ZigBee,Wi-Fi和蓝牙传感器的3G连接
 
    用于无线传感器网络的多协议路由器旨在通过3G连接将Wi-Fi,蓝牙和ZigBee传感器连接到网络。这些功能允许同时发送数百个传感器节点收集的信息,其5.5Mb/s的带宽是传统GPRS网关的10倍以上。
 
    4.5 智能传感器检测到的iPhone和Android设备

       这项新技术可以通过测量Wifi和蓝牙活动来检测该地区的任何智能手机(iPhone,Android);可以实时了解人员和车辆的存在。这项新技术的应用范围可以应用到街道活动和车辆的交通管理。
 
5 结论
 
    在最新技术中,由于其无与伦比的潜力,重要和广泛的应用前景,无线传感器网络备受关注。随着无线传感器技术的发展,通过使用过去无法实现的智能环境,可以预测未来。“智能传感器”是无线传感器网络的又一步。本文主要研究智能传感器及其在各个领域的可能用途和现有用途。智能传感器的未来工作包括(但不限于)智能电网,用以提高电力效率;智能天线,以满足对某些高质量服务用户的高数据速率的需求;智能高速公路,用于处理交通和事故相关问题。
 
    参考文献:
 
    [1] Al-Sakib Khan Pathan,Chong Seon Hong,Lee Hyung-Woo. 在发展中国家使用无线传感器网络实现环境智能化[EB/OL].(2007)https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=10270pf0683b0vu0hs490430m2015454.
    [2] F. L. LEWIS. 无线传感器网络 [EB/OL](2004)https://www.doc88. com/p-183744045492.html.

       作者简介:
    金伟斌(1986-),男,高级工程师,学士,主要从事智能控制、智能机电及装备产品认证检测评价、标准化工作。
    富佳栋(1993-),男,助理工程师,学士,主要从事智能控制、智能机电及装备产品认证检测评价、标准化工作。
    刘鸣涛(1985-),男,高级工程师,硕士,主要从事智能控制、智能机电及装备产品认证检测评价、标准化工作。
   贾跃辉(1988-),男,中级工程师,学士,主要从事智能附件、智能机电及装备产品认证检测评价、标准化工作。
      来源:《日用电器》2022年1月刊
责任编辑:杨培
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