无线加速度传感器文献综述

1、无线加速度传感器文献综述一、研究现状无线加速度传感器是传感器技术、MEMS技术、微处理器和无线通信技术相结合的产物，由加速度传感器、微处理器、射频收发芯片及电源构成。目前，国内外无线加速度传感器，包括其他类型的无线传感器，按体系结构可分为三大类:(1)COTS( Commercial Off The Shelf)节点，该类节点中的传感器、微处理器、通信模块等使用的都是现成的商用产品。典型代表有美国伯克利大学加州分校（UCB）的MICATelos节点，欧洲传感器研究项目小组开发的EyesIFX节点，中科院研究的GAIN系列也属于该类节点。这种节点除了无线传感器的共同特点外还具有低成本、短周期、技

2、术门槛相对较低等优势，被各高校和研究机构广泛采纳，所以该类型的节点是最多的。(2)SOC(System On Chip)节点，该类节点只使用一个芯片，就可实现节点的数据采集、控制和通信功能。SOC节点通常都为特定的应用而开发，由于需要芯片设计能力，因此开发门槛较高，成果相对较少。典型代表有Rockwell科学实验室的WINS节点、麻省理工开发的uAMPS-III等。(3)Smart Dust节点，又称微型节点或尘埃节点。该类节点使用了业界最尖端的技术，体积只有几个平方毫米，通常为军事应用而开发，微型节点的代表为Smart Dust节点和SPEC节点，都由UCB研制。内嵌微处理器是无线加速度传感

3、相比于传统传感器的又一特点，微处理器负责控制传感器进行数据的采集、处理和收发。二、无线加速度传感器的工作原理无线加速度传感器实际上就是将以加速度传感器为核心的数据采集模块、微处理器为核心的数据预处理模块、射频芯片为核心的无线传输模块，以及以微电池能量模块集成并封装在一个外壳内的系统。无线加速度传感器工作时，加速度传感器检测加速度信号（模拟信号），然后送入A/D转换器使其转换为数字信号，在作A/D转换之前，一般会设置信号调理电路，用来放大和滤波（如对建筑结构的检测，由于大跨度桥梁等大型建筑结构的自振频率较低,而桥面振动、桥梁负荷冲击等对振动信号的影响又相对较大,因此,在A/D采样之前需对模拟信号

4、作抗混滤波处理,以滤除或降低高频干扰）。A/D的输出传送给微处理器进行预处理并存储数据，得到的预处理加速度数据将送给无线收发模块进行无线传输。最后，接受装置接收并数据传输给PC机作进一步的分析处理与显示。典型的无线加速度传感器节点结构由以下几个部分组成：(1)数据采集模块：用于对检测区域进行数据采集与信号调理。(2)数据处理模块：微处理器对整个传感器节点的操作进行控制，对数据进行预处理并存储。(3)无线传输模块：以射频芯片为核心，根据IEEE802.15.4协议进行无线通信，传输控制信息并首发数据信息。(4)能量模块：为另三大模块提供电源，一般为微电池三、无线加速度传感器存在的问题无线加速度传

5、感器仍然存在有待突破的问题(1)监测对象时，用有限的节点不能做到全面的反应对象的状态，例如对大型建筑桥梁的振动/加速度的监测，只能通过优化算法进行计算选择振动/加速度理论峰值点，这显然跟实际应用仍有差距；(2)无线加速度传感器中内嵌微处理器，较之传统传感器有了信号数据预处理和存储并能管理控制信号采集和收发，然而尤其面对大型项目，大量数据时微处理器的计算能力存储能力还是捉襟见肘；(3)能耗问题，无线加速度节点的能耗主要集中在数据采集处理以及无线通信，其中无线通信耗能最大，尽管采用ZigBee技术的耗能情况与其他无线通信技术相比已经较低，节点中依靠电池供能，若能降低节点功耗或者提高电池储能无疑将使

6、节点工作时间更长目前在电源方面的处理问题主要是开发可充电电池。（比如通过USB接口充电）以及研发可用于无线传感器节点的太阳能电池(4)传输距离速率有限，基于ZigBee技术的无线加速度传感器数据传输率最高达只有250kbps空中传输距离只有300m有待提高。（CPUÿÿ存储器能量模块锂电池天线射频模块(4)能量模块：为另三大模块提供电源，一般为微电池2.2无线加速度传感器的主要性能技术指标无线加速度传感器是一个涉及传感、采样、射频等多领域的系统，它的性能技术指标包括动态特性、采集特性、射频特性、电气特性以及机械特性等，以北京必创科技的A301、A302系列传感器为例，详见表

7、2-1。表2-1主要技术指标传感器的灵敏度、量程、精度、频率响应、传输距离、传输速率、工作温度范围以及电池是比较重要的性能指标也是选择传感器是的重要参考项目。无线加速度传感器综述第3章无线加速度传感器相关技术3.1加速度传感器概况3.1.1加速度传感器的工作原理与类别物体的加速度是由加速力产生的，单位为m/s2ÿÿ生产生活中经常需要研究物体的振动/加速度情况，加速度传感器就是一种十分重要的测量加速度的电子仪器。加速度传感器的种类繁多，虽然各类传感器的工艺、材料各不相同，但基本原理都是将加速度这一物理信号通过敏感元件的形变转换成电压或电流信号，该电信号与加速度有比例关系，可以

8、用关系式表达，电信号再经过放大、滤波、A/D转换等信号调理成为数字信号就可以送入PC进行进一步处理分析。例如压电型加速度传感器，压电材料变形和由此产生的电荷与加速度成正比，输出电量经放大等处理后就可检测出加速度大小。加速度传感器从测试原理上可分为压电式、电容式、电感式、压阻式、隧道电流式、谐振式等，如美国Endevco公司生产的7270A系列传感器就是典型的压阻式加速度传感器；从测量维数上来看，有单轴（维）、双轴X、Y轴与三周X、Y、Z轴，角加速度传感器也是重要的一种加速度传感器。单轴的技术比较成熟，市场大多产品也为单轴，两轴多用于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。如美国美新

9、半导体有限公司开发出的用于车身控制的双轴加速度传感器；意法半导体公司的数字信号输出三轴加速传感器us33lHH，最大测量值达可到24gÿÿ相当于F1赛车在强劲刹车时产生加速度的5倍左右，在消费电子和工业应用中可以实现高精确度的测量。3.1.2应用加速度传感器应用广泛，军事医疗工业生产大型建筑监测等方面都需要用到它譬如测量加速度的大小和方向，可以帮助机器人了解它的姿态，是爬坡还是下坡，有没有摔倒；结构健康监测（SHMÿÿ是也比较热门的研究方向，应用加速度传感器可以监测结构的振动/加速度来监测分析结构的运行状态；很多数码相机或摄像机利用加速度传感器来根据手的

10、抖动来自动调焦；另外，在汽车制造尤其是安全气囊的设计更是离不开加速度传感器因此，现无线加速度传感器综述实生活中加速度传感器的应用可谓无处不在3.1.3发展前景随着大规模集成电路、MEMS技术、新型传感材料的发展，加速度传感器向着低成本、低功耗、微型化、智能化、多功能方向发展。近十年来国内外各大研发机构都在努力研究高g值加速度传感器、微型化多轴加速度传感器、MEMS传感器、新型传感器材料并取得一定突破。例如上文提到的7270A传感器的最高g值可达2×105gÿÿ日本RanjithAmarasinghe1和DzungVietDao研制出用于医疗领域的6自由度加速度传感

11、器可测3个方向的加速度和3个方向的角加速度；加拿大的BeharaadBahreyni和C.Sha-fai提出一种用foundry加速度传感器结构，实现MEMS和COMS工艺的兼容，提高了加速度传感器的灵敏度；另外谐振式加速度传感器具有高稳定性、高精度等特点也是国际上一个研究热点，美国UCB、德国Munich中心和Benz已有初步成果，国内北京大学、北京航空航天大学也在积极开展研究。3.2MEMS概况3.2.1什么是MEMSMEMS，即Micro-Electro-MechanicalSystemsÿÿ微机电系统集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于

12、一体的微型机电系统，具有微型化、智能化、多功能、高集成度等特点。它是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内，比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。典型的MEMS加速度传感器如图3，来自AD公司的ADXL202。图3双轴加速度传感器器ADXL202无线加速度传感器综述3.2.2MEMS的研究内容MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统，是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：(1)理论基础的研究:在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于

13、尺寸缩小带来的影响（ScalingEffectsÿÿÿÿ许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，这就需要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。(2)配套技术研究：设计与仿真技术；材料与加工技术；封装与装配技术；测量与测试技术；集成与系统技术等。(3)怎样应用于实际需要的研究:如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统

14、也是MEMS技术的重要研究课题。目前，MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提高，市场上采用MEMS加速计的手机越来越多。手机中的MEMS加速计使人机界面变得更简单、更直观，通过手的动作就可以操作界面功能，全面增强了用户的使用体验。有了MEMS加速计，只要把设备向某一方向倾斜，就能在小屏幕上详细查看地图，显示放大的图像。iPhone系列风靡全球，其中就采用了众多MEMS传感器，MEMS加速度传感器就是其一种。采用MEMS加速度传感器的iphone可以感知手机的旋转运动，自动地改变横竖屏显示，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。iPhone4更是率先使用陀螺仪（又称

15、角加速度传感器）的手机，陀螺仪对有轴心带角度的移动较之于加速度传感器感应要更敏感准确。3.3ZigBee技术无线加速度传感器区别与传统有线传感器的关键点就在于它不需要像后者那样通过铺设同轴电缆等信号线将数据传输到监控中心（PCÿÿÿÿ而是在传感器无线加速度传感器综述中采用了射频收发芯片将数据以无线通信的方式进行传输，节省了布线消耗的成本，可以说射频收发芯片对无线加速度传感器至关重要。目前，无线通信领域常见的无线通信技术有ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、和433Mhzÿÿ虽各有长短但在WSN中ZigBee技术几乎占据主流地

16、位，这里对ZigBee技术及其芯片作简要介绍。ZigBee技术是由2002年8月由英国Invensys公司、美国Motorola公司、日本Mitsubishi公司和荷兰Philips公司等厂商依据IEEE802.15.4标准联合推出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、网络容量大、自组网能力强的双向无线通信技术。ZigBee技术，完整的协议栈只有32KBÿÿ可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee技术凭借这些特点和优势在竞争激烈的WSN市场中占主导，反观Bluetooth、433Mhz以及与之竞争最激烈的Wi-FiBluetooth功耗相对较大，

17、而且是一个点对点的技术，只能两个节点之间对比通信，不存在很强的组网能力；433MHz通常不能够超过255个节点，虽然功耗也比较低，但其一个致命的问题就是安全性非常差，因为没有实施加密算法，不适用于大规模的商业运营至于Wi-Fiÿÿ传输率高，但也决定了它的成本要远远高于ZigBeeÿÿ而低功耗Wi-Fi的问题在于Wi-Fi路由器的终端节点不超过20个ZigBee在通信距离功耗组网规模安全性成本方面的“综合素质”相对来说较为出色因此，ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中目前全球有多家企业提供ZigBee芯片，当前ZigBee模块的主流没计方案有Fr

18、eescale公司的MCl3191ÿÿMCl3192和MCl3193平台；Chipcon公司(已经被TI收购)的此次CC2420CC2430ÿÿEmber的EM250ZigBee系统芯片及EM260网络处理器以及Jennic公司的JN5121芯片H1其中，TI-Chipcon公司推出了全新概念的新一代ZigBee无线单片机CC2430系列，这些无线单片机在以8051微处理器为内核的基础上，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端内存等，实现了真正的系统芯片解决方案作为无线加速度传感器的重要模块，ZigBee射频芯片应用广泛无线加速度传感器综述第4章

19、无线加速度传感器存在的问题与发展前景4.1无线加速度传感器仍然存在有待突破的问题(1)监测对象时，用有限的节点不能做到全面的反应对象的状态，例如对大型建筑桥梁的振动/加速度的监测，只能通过优化算法进行计算选择振动/加速度理论峰值点，这显然跟实际应用仍有差距；(2)无线加速度传感器中内嵌微处理器，较之传统传感器有了信号数据预处理和存储并能管理控制信号采集和收发，然而尤其面对大型项目，大量数据时微处理器的计算能力存储能力还是捉襟见肘；(3)能耗问题，无线加速度节点的能耗主要集中在数据采集处理以及无线通信，其中无线通信耗能最大，尽管采用ZigBee技术的耗能情况与其他无线通信技术相比已经较低节点中依

20、靠电池供能，若能降低节点功耗或者提高电池储能无疑将使节点工作时间更长目前在电源方面的处理问题主要是开发可充电电池（比如通过USB接口充电）以及研发可用于无线传感器节点的太阳能电池(4)传输距离速率有限，基于ZigBee技术的无线加速度传感器数据传输率最高达只有250kbpsÿÿ空中传输距离只有300mÿÿ有待提高4.2发展前景在MEMS大规模集成电路计算机等电子信息技术快速更新下，无线加速度传感器节点中的三大功能模块的相关技术都在发展，无线加速度传感器的发展前景相当广阔，可归纳为一下几个方面，简述如下：(1)研发新型加速度传感器。加速度传感器是无线加速度

21、传感器节点中检测信号的基本部件，开发新型加速度传感器将促进后者的发展。可以通过开发新效应、新机理、新材料，采用新技术来研发新型加速度传感器。近年来，应用较多的有压电效应、压阻效应等，国内外研发机构正积研发极谐振式加速度传感器，如美国UCB大学、德国Benz中心以及韩国国立大学等已有初步成果。新材料方无线加速度传感器综述面，2011年10月美国科学家发现新型的敏感材料石墨烯，尽管只是一种光敏材料但也将无疑给传感器家族带来新鲜血液。MEMS技术的应用，传感器的发展呈现微型化、集成化、阵列化、系统化、智能化、多功能化的趋势。(2)扩展加速度传感器功能，如研发高g值传感器、多轴传感器等。2006年8月日本金属开发了世界最小尺寸的加速度传感器，可测3轴加速度，尺寸仅有2.mm×2.9mm×0.92mm。MEMS技术可以使传感器集成调理电路和控制电路是传感器智能化。(3)无线单片机的应用