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          傳感器行業研究現狀和WSN關鍵技術

          來源:本站作者:admin 日期:2014-6-15 瀏覽:0
              中國傳感器的市場近幾年一直持續增長,增長速度超過15%。2012年中國傳感器應用四大領域為工業及汽車電子產品、通信電子產品、消費電子產品專用設備,其中工業和汽車電子產品占市場份額的42%左右,市場規模達到160億元,傳感器整個市場突破500億元。2012年中國傳感器行業發展總體規模逐漸擴大,顯著應用于汽車工業中包括汽車輪胎中的傳感器應用、安全氣囊中的傳感器應用、底盤系統中的傳感器應用、發動機運行管理系統中的傳感器應用、廢氣與空氣質量控制系統中的傳感器應用和需求、ABS中的傳感器應用和需求、車輛行駛安全系統中的傳感器應用和需求、汽車防盜系統中的傳感器應用和需求、發動機燃燒控制系統中的傳感器應用和需求、汽車定位系統中的傳感器應用和需求、汽車其他系統中的傳感器應用和需求。除此以外,中國傳感器在其他領域也有新的應用,如工業控制領域、在環境保護領域、在設施農業中、在多媒體圖像領域、其它有關傳感器的應用?;仡欀袊鴤鞲衅餍袠I,雖然發展迅速,但是也存在一些不利的因素。如在產品技術上產業基礎薄弱、科技與生產脫節、產品技術水平偏低、產品種類欠缺、企業產品研發能力弱。但另一方面國家不斷制定有利傳感器產業發展的戰略與政策,全年整機系統市場的快速發展,新興技術的不斷推動也都成為傳感網發展的利好因素。

              《2012-2016年傳感器行業投資策略及深度研究咨詢報告》顯示:全球現在大概有40個國家從事傳感器的研制生產工作,研發、生產單位有5000余家,產品達20000多種。國內有1688家企事業從事傳感器的研制、生產和應用,其中從事MEMS研制生產的有50多家,但規模和應用領域都較小。由于沒有規?;瘧?,國內傳感器產品普遍存在技術水平低和價格高的矛盾。在國際市場上,德國、日本、美國、俄羅斯等老牌工業國家的企業主導了傳感器市場,許多廠家的生產都實現了規?;?,有些企業的年生產能力達到幾千萬只甚至幾億只。相比之下,中國傳感器的應用范圍較窄,更多的應用仍然停留在工業測量與控制等基礎應用領域。有賴于此,中國傳感器市場競爭十分激烈。

              世界傳感器技術研究現狀

              傳感器是新技術革命和信息社會的重要技術基礎,是現代科技的開路先鋒,美國早在80年代就聲稱世界已進入傳感器時代,日本則把傳感器技術列為十大技術之創立。日本工商界人士聲稱“支配了傳感器技術就能夠支配新時代”。世界技術發達國家對開發傳感器技術部十分重視。美、日、英、法、德和獨聯體等國都把傳感器技術列為國家重點開發關鍵技術之一。

              美國國家長期安全和經濟繁榮至關重要的22項技術中有6項與傳感器信息處理技術直接相關。關于保護美國武器系統質量優勢至關重要的關鍵技術,其中8項為無源傳感器。美國空軍2000年舉出15項有助于提高21世紀空軍能力關鍵技術,傳感器技術名列第二。日本對開發和利用傳感器技術相當重視并列為國家重點發展6大核心技術之一。日本科學技術廳制定的上世紀90年代重點科研項目中有70個重點課題,其中有18項是與傳感器技術密切相關。美國早在上世紀80年代初就成立了國家技術小組(BTG),幫助政府組織和領導各大公司與國家企事業部門的傳感器技術開發工作。

              美國國防部將傳感器技術視為20項關鍵技術之一,日本把傳感器技術與計算機、通信、激光半導體、超導并列為6大核心枝術,德國視軍用傳感器為優先發展技術,英、法等國對傳感器的開發投資逐年升級,原蘇聯軍事航天計劃中的第五條列有傳感器技術。



          正是由于世界各國普遍重視和投入開發,傳感器發展十分迅速,在近十幾年來其產量及市場需求年增長率均在10%以上。目前世界上從事傳感器研制生產單位已增到5000余家。美國、歐洲、俄羅斯各自從事傳感器研究和生產廠家1000余家,日本有800余家。

              傳感器技術是一項當今世界令人矚目的迅猛發展起來的高新技術之一,也是當代科學技術發展的一個重要標志,它與通信技術、計算機技術構成信息產業的三大支柱之一。如果說計算機是人類大腦的擴展,那么傳感器就是人類五官的延伸,當集成電路、計算機技術飛速發展時,人們才逐步認識信息攝取裝置——傳感器沒有跟上信息技術的發展而驚呼“大腦發達、五官不靈”。傳感器開始受到普遍重視,從八十年代起,逐步在世界范圍內掀起了一股“傳感器熱”。

              具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網絡(WSN,wirelesssensornetworks)綜合了傳感器技術、嵌人式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術,能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息,并對這些信息進行處理,獲得詳盡而準確的信息,傳送到需要這些信息的用戶。

              由于WSN的巨大應用價值,它已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的廣泛關注,被廣泛地應用于軍事,工業過程控制、國家安全、環境監測等領域。

              美國國防部和各軍事部門都對WSN給予了高度重視,在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃,強調戰場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力,把WSN作為一個重要研究領域,設立了一系列的,軍事傳感器網絡研究項目,即使是今天最先進的反艦巡航導彈也會被實時地監測到并被擊中。在民用領域,2002年,Intel公司發布了“基于WSN的新型計算發展規劃”。Intel將致力于WSN在預防醫學、環境監測、森林滅火乃至海底板塊調查、行星探查等領域的應用。

              英國、日本、意大利等國家的一些大學和研究機構也紛紛開展了該領域的研究工作。學術界的研究主要集中在傳感器網絡技術和通信協議的研究上,也開展了一些感知數據分析查詢處理技術的研究,取得了一些初步研究結果。

              國內研究機構如中科院、清華大學、國防科技大學、電子科技大學、哈爾濱工業大學以及浙江大學等學術團體對WSN進行了跟蹤研究,毋庸置疑,跟蹤國外WSN技術的發展,并做出開創性的研究工作,對我國國防現代化的發展具有重要的意義。

              WSN的定義和特點

              WSN是由一組傳感器節點以自組織的方式構成的有線或無線網絡,其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息,并發布給觀察者。如圖1所示,從硬件上看,WSN節點主要由數據采集單元、數據處理單元、無線數據分析收發單元以及小型電池單元組成,通常尺寸很小,具有低成本、低功耗、多功能等特點;從軟件上看,它借助于節點中內置傳感器有效探測所處區域的溫度、濕度、光強度、壓力等環境參數以及待測對象的電壓、電流等物理參數,并通過無線網絡將探測信息傳送到數據匯聚中心進行處理、分析和轉發。

              WSN與傳統傳感器和測控系統相比具有明顯的優勢。

          它采用點對點或點對多點的無線連接,大大減少了電纜成本,在傳感器節點端即合并了模擬信號/數字信號轉換、數字信號處理和網絡通信功能,節點具有自檢功能,系統性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。

              WSN具有以下特點:

              ①硬件資源有限。WSN節點采用嵌入式處理器和存儲器,計算能力和存儲能力十分有限。所以,需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協作分布式信息處理的難題。

              ②電源容量有限。WSN節點通過自身攜帶的電他來提供電源,當電池的能量耗盡,往往被廢棄,甚至造成網絡的中斷。所以,任何WSN技術和協議的研究都要以節能為前提。

              ③無中心。WSN沒有嚴格的控制中心,所有節點地位平等,是一個對等式網絡。節點可以隨時加入或離開網絡,任何節點的故障不會影響整個網絡的運行,具有很強的抗毀性。

              ④自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施,節點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為,節點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。

              ⑤多跳(Multi-hop)路由。WSN節點通信能力有限,覆蓋范圍只有幾十到幾百米,節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信,則需要通過中間節點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節點完成的。

              ⑥動態拓撲。WSN是一個動態的網絡,節點可以隨處移動;一個節點可能會因為電池能量耗盡或其他故障,退出網絡運行;也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化,因此網絡應該具有動態拓撲組織功能。

              ⑦節點數量眾多,分布密集。WSN節點數量大、分布范圍廣,難于維護甚至不可維護。所以,需要解決如何提高傳感器網絡的軟、硬件健壯性和容錯性。

              風洞測控WSN的主要關鍵技術

              針對WSN的特點和在風洞測控中應用需求,WSN研究領域還有很多具有開創性和挑戰性的難題需要解決,主要包括以下的研究內容。

              WSN節能技術

              能源是WSN最重要的資源,如何有效地節約能源是WSN必須考慮的關鍵技術。WSN節點工作時按功率消耗由小到大的順序有4種模式:睡眠模式(sleep)、空閑模式(idle)、接收模式(receive)以及發送模式(transmit),有效地進入睡眠模式與空閑模式以及減少數據分析的發送量將大大地節約能源。采用合理的路由算法與信道接入方式也是節能的關鍵。

              WSN節點微型化技術

              WSN節點微型化技術在現階段還集中在硬件電路的設計上,通過采用體積小、功耗低的芯片與器件和采用模塊化的設計與分層布線的方法會使體積盡量減小,然而隨著MEMS(微電子機械系統)技術的日趨成熟,在不久的將來,WSN節點體積將會越來越小。

              中研普華行業研究機構表示,近年來,傳感器正處于傳統型向新型傳感器轉型的發展階段。

          新型傳感器的特點是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化,它不僅促進了傳統產業的改造,而且可導致建立新型工業,是21世紀新的經濟增長點。中國傳感器技術發展整體將呈現高精度、微型化、集成化、數字化、聲表面波傳感器、微加工技術等特點。同時還將朝著加速開發新型材料、高可靠性、寬溫度范圍、微功耗及無源化的方向發展。傳感器技術的不斷成熟,應用的擴大,市場的競爭也會更加激烈,未來傳感產業分銷會成為主要銷售渠道,而環保、設施農業、醫療衛生等領域將成為新興市場。

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