白城特价无线加速度传感器

传感器专题之压电陶瓷加速度传感器
加速度传感器是测量加速度的传感器，应用较广的是压电加速度传感器，它采用石英、陶瓷等压电材料制作，具有频响宽、线性好等特点，广泛应用于航空、电力、化工、武器、船舶、汽车等领域的振动、冲击和爆炸等动态测试中。目前，易度传感主打国内市场的产品EA-192，**的诠释了这一应用。


压电加速度传感器是利用陶瓷的压电效应制成的一种加速度传感器。当压电陶瓷沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生较化现象，同时在两个表面上产生符号相反的电荷。压电陶瓷加速度传感器常见的结构形式有基于压电元件厚度变形的压缩式加速度传感器、基于压电元件剪切变形的剪切式及复合型加速度传感器等3种。


下面以一种压缩式加速度传感器为例，简单介绍压电式加速度传感器的工作原理。其结构图如图所示，它主要由压电元件、质量块、**压弹簧、基座及外壳等部分组成。压电元件置于基座上用弹簧将压电元件压紧。测量加速度时，由于被测物体与传感器固定在一起，所以当被测物件作加速度运动时，压电元件也就受到质量块由于加速度运动产生的与加速度成正比的惯性力F作用，压电元件由于压电效应产生电荷q。

无线传感器的应用


无线传感器在交通系统中的应用。无线传感器在交通系统中的实际应用总体而言可以分别从信息采集和道路控制两个方面进行分析：首先，全新的无线传感技术已经结合了集微电子、通信技术等一系列信息化技术，这就使得无线传感器在交通系统中的应用变得更加多元化。对于我国这种发展中国家而言，在日渐完善的道路交通系统中，要想保证道路交通的能力，就要较大限度的去完善交通信号及道路交通管理的能力。当无线传感器技术运用到道路交通中时，不但可以对道路实际的路况信息进行实时的采集分析，还可以在较短时间内做出及时的响应。其次，通过传感器系统的建立，就会使得整个城市的运转能力得到较大的提升，当处在城市中或者较远区域的人们掌握到及时的道路交通信息，就会根据相应的路况做出科学的调整，这不但会对自身同时也会对他人带来较大的便利，交通顺畅了，整个城市的运输管理和服务水平也自然得到了质的飞跃。再次，采用先进的无线传感器技术还可以对车辆进行违章检测、道路收费和信息检索，同时对停车场收费也可以进行统一规范，当道路交通中的停车信息数据得到及时的规范处理，那对于一些人为性的交通事故也就可以得到避免。最后，科学的运用无线传感器的相关技术还可以提高运输部门对于整个城市的综合服务水平，让这个城市的运作变得更加科学，便捷。


无线传感器在军事上的应用。在现代电子化的军事较量中，无线电传感器的作用更是不容小觑，现在较为成功的是在大型范围内进行检测的传感器网络与在小型区域检测的小型传感器网络。在面对一些较为复杂且人员无法到达的地形时，就可以通过释放传感器来做到对此区域的全面掌控。而在战斗单位上安装各类传感器，可以做到对敌方战斗人员的即时监控，来方便我方战队随时制定进攻方案与防御工事。无线传感器还可以检测出战斗阵地上的一切可疑物体，帮助我方人员及时做出排查，从而较大限度的减少不必要的损失与伤亡。


无线传感器在家庭生活中的应用。无线传感器其实离我们的生活并不遥远，在很多的日常活动中传感器技术都与我们息息相关，例如传感器对于人们生活环境的及时检测，不但可以根据数据提供出一个更为舒适的生活环境，同时还可以及时的对一些灾害做出预警，**每一个人的安全。


无线传感器在环境监测中的应用。因为若要将无线监测器用于外界环境当中，就要考虑到外界环境的不稳定性与随机性，这就要求所选取的无线传感器要具备价格低廉、部署简单、操作简便等优点，从而保证对于环境监测的可持续性。

无线传感器网络典型的网络结构和工作方式如下：
将大量传感器节点布置或抛洒到感兴趣的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备，如温度、湿度、声音或光学设备，化学分析装置，电磁感应装置等，来对周围的物理环境进行监控，也可以通过配置一些**的功能单元来实现与特定环境交互的功能。节点的通信距离一般较短，只能与自己通信范围内的其他传感器节点(称作邻居节点或邻居)交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。因此，节点既是信息的采集和发出者，也是信息的转发传输者，采集的数据通过多跳路由到达汇聚节点(一些文献也称作网关)，汇聚节点是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用飞机飞越网络上空，通过无线通信采集网关数据。为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，并且保证传感器节点对目标区域有很好的覆盖，节点的分布要相当的密集。高密度分布还可以在某些传感器节点能量耗尽或者出现故障时不影响网络的连通性和整体的工作。无线传感器网络典型的体系结构如图1所示。节点具有传感、信号处理和无线通信功能。

与传统的无线网络相比，无线传感器网络具有以下特点：
(1)电源容量有限。无线传感器网络节点一般由电池供电，而且在使用过程中也不能给电池充电或更换电池。因此无线传感器网络设计的基本原则就是都要以节能为前提。


(2)传感器节点由于受到低成本、小体积和低功耗的限制，其硬件、软件资源非常有限。


(3)无中心。无线传感器网络一般是一个对等式的网络。


(4)自组织。无线传感器网络的布设和展开*依赖于任何预设的基础设施。


(5)多跳路由。网络中节点通信距离有限，如果希望与较远的节点进行通信，则需要通过中间节点多跳路由来实现。


(6)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；网络的拓扑结构会随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。


(7)节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，传感器节点往往分布得非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。


无线传感器网络属于一种特殊的Ad hoc网络[1—5]，它虽然与传统的Ad hoc网络有很多相似的地方，但是与传统的Ad hoc网络相比，无线传感器网络的节点分布更加密集，能量更加有限，无线传感器网络中的传感器节点在大多数情况下是静止的。在无线传感器网络中，数据是被分散处理的，系统会根据需要尽早对数据进行处理，这样可以减少网络的流量，降低功耗并提高系统利用率。由于成本和功耗的限制，无线传感器网络节点的硬件设备资源十分有限，数据的处理能力和存储能力都比较弱。这就决定了在设计无线传感器网络各层技术标准的时候都要以简单和节能为较重要的前提条件。


无线传感器网络的协议分层结构基本采用传统网络的分层结构，即包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外，能量、移动、任务等管理平台用于监控网络中的能量利用、节点移动和任务分配。这些平台能够帮助传感器节点在较低能耗下协作完成某些监控任务。图2所示为无线传感器网络的协议栈结构。

能量管理平台用来管理一个节点如何使用它的能量。例如，当一个节点收到一个邻居节点发来的消息之后，它可以将它的接收机关闭，避免接收到重复的消息。同样，当一个节点的能量较低时，它会向邻节点广播一条消息，告诉邻节点自己已经没有多少能量，不能再用来对消息进行传递了，这样它就可以不再接收邻节点发来的需要传递的消息，将能量都留给自己的消息发送。移动管理平台能够监测并记录节点的移动。任务管理平台用来平衡和规划某个区域的感知任务，安排哪些节点执行哪些感知任务，能量高的节点可以比那些能量低的节点多承担一些任务。有了这些管理平台，节点能够低能耗地协调工作，能够在移动的情况下传递数据，能够在节点之间共享资源。


无线传感器网络自身的特点决定了它不能使用目前已经存在的一些标准协议，国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提出了一些解决方案，但是总的来说，到目前为止还没有形成可被广泛认同的标准。

无线传感器网络中的关键性问题


1、 网络安全协议问题


传感器网络受到的安全威胁和移动ad hoc网络所受到的安全威胁不同，所以现有的网络安全机制不适合此领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协议。


一种思想是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。文献[1]指出，如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改，那么对于应用层上的数据包来说没有任何的安全性可言。文中介绍了一种方法叫“有安全意识的路由”（SAR），其思想是找出真实值和节点之间的关系，然后利用这些真实值去生成安全的路由。该方法解决了两个问题，即如何保证数据在安全路径中传送和路由协议中的信息安全性。文中假设两个军官利用按需距离矢量路由(Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing，AODV)协议通过ad hoc网络来通信，他们的通信基于Bell-La安全模型（PadulaBell-La Padula Confidentiality Model） [2]，这种模型中，当节点的安全等级达不到要求时，其就会自动的从路由选择中退出以保证整个网络的路由安全。文献[3]指出，可以通过多径路由算法改善系统的稳健性（robustness），数据包通过路由选择算法在多径路径中向前传送，在接收端内通过前向纠错技术得到重建。无线传感器网络中传感器的数量众多并且功能有限，移动ad hoc网络中的路由方案不能直接应用到无线传感器网络中，所以该文给出了一种网状多径路由协议。此协议中应用了选择性向前传送数据包和端到端的前向纠错解码技术，配合适合传感器网络的网状多径搜索机制，能减少信号开支（**ing overhead），简化节点数据库，增大系统的吞吐量，相对数据包复制或者有限泛洪法来说，这种方法消耗更少的系统资源(比如信道带宽和电能)。


另一种思想是把着重点放在安全协议方面，在此领域也出现了大量的研究成果。在文献[4]中，作者假定传感器网络的任务是为高级政要人员提供安全保护的，提供一个安全解决方案将为解决这类安全问题带来一个普适的模型。在具体的技术实现上，先假定基站总是正常工作的，并且总是安全的，满足必要的计算速度、存储器容量，基站功率满足加密和路由的要求；通信模式是点到点，通过端到端的加密保证了数据传输的安全性；射频层总是正常工作。基于以上前提，典型的安全问题可以总结为：


（1）信息被非法用户截获；


（2）一个节点遭破坏；
（3）识别伪节点；
（4）如何向已有传感器网络添加合法的节点。


作者提出的方案不采用任何的路由机制。在此方案中，每个节点和基站分享一个一的64位密匙Keyj和一个公共的密匙KeyBS，当节点和基站距离**出了预定距离时，网络会在节点和基站之间选择一个节点作为媒介节点进行接力；发送端会对数据进行加密，接收端接收到数据后根据数据中的地址选择相应的密匙对数据进行解密。这种双加密方式可以防止暴露节点数目和地址，也可以防止数据被非法截获，即使个别节点被破译，也只有它自己的密匙泄漏，整个网络仍然可以正常工作。文献[5]中介绍了无线传感器网络中的两种**安全协议：SNEP(Sensor Network Encryption Protocol)和µ;TESLA。SNEP的功能是提供节点到接收机之间数据的鉴权、加密、刷新，µ;TESLA的功能是对广播数据的鉴权。


2、 大规模传感器网络中的节点移动性管理


这个问题实质上就是没有无线基础设施的无线传感器网络中的节点查询问题。较简单的资源查询方式是全局泛洪法，但是对于资源有限的无线传感器网络不适用，因此在设计工作中应该尽量避免使用全局泛洪法。扩展环搜索法（expanding ring search）用增加生存时间（Time-To-Live， TTL）的方式重复泛洪，这种方式和由此派生出来的方式也不适合无线传感器网络。在改善泛洪法的效率方面，文献[6]中提出的方案是通过减少查询每个节点时出现的多余消息去减少泛洪法固有的冗余，在没有出现明显的冗余情况下，这种方案对提高效率没有太多贡献。在ad hoc网络中，查询节点是通过基于簇（clusters）和界标（landmarks）的层次表来实现的，这种方式需要在节点之间设置复杂的协调机制，当节点移动时或者簇头（cluster-head）或界标失败时，层次表需要重新配置。而且，通常簇头会成为一个瓶颈，所以我们通常避免这种分层次的协调表，也避免使用簇头。


GLS[7]中提出的技术是基于一种所有节点都已知的网络网格图。节点使用位置服务器保存它们的位置，并用一种基于ID号的算法去更新它们的位置，当节点寻找*ID号的节点位置时，也用这种算法去服务器寻找目标节点的位置。对于知道网络的网格图和它们自己的位置并且知道目标节点的ID号的节点，这种方法是一个好方法。


文献[8]中介绍了一种针对大规模移动传感器网络的查询方法，这种方法借用了小世界（small worlds）的概念，利用节点的移动性去提高查询效率，并引入了关联（contacts）的概念。其工作原理是首先在相邻节点间建立关联，当它们移动时，再关联新的相邻节点，这样提高了查询的效率。与传统的路由查询方式不同，这种设计基本目标不是去优化路由或者响应延时，而是去减少通信的系统开销，这一点在能量受限的环境中非常重要，特别是对于传感器数量众多的网络中的一次性查询(通信的生存时间很短)。文中给出的协议是可升级的（scalable）、自动配置的，非常适应节点的移动性要求。仿真结果显示它比边缘泛洪法提高效率60-70％，比泛洪法提高效率80-90％，比扩展环搜索法则有更大的改善。


针对无线传感器网络中的分布式定位，文献[9]比较了三种定位算法：ad hoc、鲁棒定位、N跳多向法（N-hop multilateration）。具体选择哪种算法要取决于某些网络参数，比如差错分布和连通性等。


3、 网络的自动配置和自动康复和维持系统能量有效性


无线传感器网络被布置在无人值守的环境中时，更换能源几乎不可能，为了节约能源，发射功率要尽可能小，传输距离要短，节点间通信需要中间节点作为中继。在地震救灾或者是无人*行器中，网络的自动配置和自动康复功能显得异常重要，而大规模的多跳无线传感器网络系统的可测量性（scalability）也是一个关键问题。实现可测量性的一种方法是“分而治之（divide and conquer）”，或者说是分层控制（hierarchical），即用某种簇标准将网络节点分成簇组（clusters），在每个簇中选出一个作为簇头（leader），它在比较高的层次上代表本簇；同样的机制也应用到簇头中，使之形成一个层次，这个层次中，每个级别应用当地控制（local control）去实现某个全局目标。大多数无线网络中的分类思想认为网络与地理位置无关，分类的标准是簇里的节点数量和簇间的逻辑直径（相对于地理直径而言）。但是，当簇头（cluster leader）和簇内其它节点间的链路很长，相邻簇间地理位置交迭很大，且不同的簇间路由消息载荷（routing traffic load）不平衡时，一个非簇头（non-leader）节点和它的簇头节点之间通过它们之间仅有的长链路通信将要消耗更多的能量，并且相邻簇间的并行通信冲突频发，簇间能量消耗不平衡，由此带来的结果是网络的寿命和通信质量与有效性都大幅减小。因此，为了节约能量和改善通信质量和有效性，在设计簇算法时，簇的地理半径应该考虑。文献[10]提出，在传感器节点内用一种简单的细胞聚类结构去构成路由协议，这样可以维持一种可测量的能量有效的系统，其关键的问题是使这种细胞簇结构具有自动康复性。作者针对大规模多跳传感器网络的自动配置和自动康复提出了一种分布式算法，这种算法可以保证网络节点在二维空间里自动配置成细胞簇结构，其细胞单元有紧凑的地理半径，细胞单元之间的交叠也很小。这种结构在各种扰动下是自动康复的，比如节点加入、离开、死亡、移动、被敌方捕获等。文献[11]给出了一种针对簇的分布式算法LEACH，它是通过全局上重复簇操作来处理扰动的，但这种算法既不能保证系统中簇的定位也不能保证簇的数量。文献[12]给出了另外一种簇算法，它仅考虑了簇的逻辑半径，而不考虑地理半径，当簇间存在比较大的交迭时，这种方法会降低无线传输的有效性。另外，它的康复不在本地处理，而是依赖于消息在整个系统中的多次循环。文献[13]中给
出了一种基于访问的簇算法，这种算法注重簇的稳定性，不考虑簇的大小，要求每个节点都有**定位系统（GPS）的支持。


4、 系统功耗问题


无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问题显得至关重要。


在系统的功耗模型中，我们较关心的是：


（1） 微控制器的操作模式（休眠模式、操作模式、，潜在的减慢时钟速率等），无线前端的工作模式（休眠、空闲、接收、发射等）；
（2）在每种模式中，每个功能块的功耗量，及它与哪些参数有关；
（3）在发射功率受限的情况下，发射功率和系统功耗的映射关系；
（4）从一种操作模式转换到另外一种操作模式(假设可以直接转换)的转换时间及其功耗；
（5）无线调制解调器的接收灵敏度和较大输出功率；
（6）附加的品质因数（如发射前端的温漂和频稳度、接收信号场强指示(RSSI)信号的标准等）。


基于以上考虑，文献[14]提出了一种自组织低功耗网络的协议i-Beans，并具体说明了此网络的功耗。比如，用一个220mAh的小纽扣电池供电，网络的平均消耗电流是100µ;A，取样率是每秒1次，则电池可以持续80天；如果抽样率是每两分钟一次，平均消耗电流降到1.92µ;A，则电池寿命可以延长到13.1年。


为了克服远程无线传感器网络面临的电池工作时间短的问题，美国Millennial Net公司已经将其i-Bean无线技术与来自新兴公司Ferro Solutions的“能量获得（energy harvesting）”技术结合在一起，双方较近展示了一个靠感应振荡能量转换器工作的i-Bean无线发射机。这种转换器能由在50mg至100mg力作用下的28Hz至30Hz振荡产生1.2mV至3.6mV的电压，并允许在30m距离上以115Kb/s速率发送数据（无电池）。该公司还与其他公司合作开发太阳能电池板来给无线传感器供电。


在能量优化研究方面，西安交通大学的黄进宏等在文献[15]中提出了一种基于能量优化的无线传感网络自适应组织结构和协议ALEP。与传统的无线微传感器网络协议相比，ALEP更加充分地考虑到实际应用。它将一种高效能量控制算法引入组网协议，提高了网络的能量利用率，显著延长了无线网络的生命周期，增强了网络的健壮性。通过对ALEP协议进行OPNET仿真，结果显示该协议与传统模式的无线微传感器网络协议相比，在传送相同的数据量的条件下有更高效的能量特性和信息传输特性。