隨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用信息技術(shù)范圍的不斷擴(kuò)大，以及物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起，傳感器產(chǎn)業(yè)已成為高新技術(shù)發(fā)展中的一個重要領(lǐng)域。本文就傳統(tǒng)傳感器如何適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，提出了對傳感器技術(shù)的新要求是便攜、節(jié)能、環(huán)保。技術(shù)發(fā)展方向是一部分產(chǎn)品應(yīng)由傳統(tǒng)型向全新型轉(zhuǎn)型發(fā)展，并研發(fā)新結(jié)構(gòu)、新敏感機(jī)理的傳感器。新型傳感器在結(jié)構(gòu)與功能上應(yīng)具有微型化、無線化、智能化、低驅(qū)動、低成本和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，同時做到穩(wěn)定性好、可靠性高、壽命長、免維修。最后簡要介紹了無線傳感器結(jié)構(gòu)原理和制造工藝特點(diǎn)。

一、概述

計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器被稱為信息技術(shù)的三大產(chǎn)業(yè)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為繼計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)之后信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。國內(nèi)有關(guān)調(diào)查研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2020年，物物互聯(lián)業(yè)務(wù)與現(xiàn)有人人互聯(lián)業(yè)務(wù)之比將達(dá)到30：1，物物互聯(lián)將成為下一個新興的信息產(chǎn)業(yè)。而傳感器是物聯(lián)網(wǎng)整個鏈條需求總量最大和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入市場導(dǎo)入期，傳感器行業(yè)將迎來黃金發(fā)展期。中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院預(yù)測，未來五

年國內(nèi)傳感器市場年復(fù)合增長31%，預(yù)計(jì)年市場規(guī)模將達(dá)到1200億元以上。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)概括起來主要體現(xiàn)在三個方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對需要聯(lián)網(wǎng)的物實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通；二是識別與通信特征，即納入聯(lián)網(wǎng)的物應(yīng)具備自動識別與物物通信的功能；三是智能化特征，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自動化、自我反饋與智能控制的特點(diǎn)。傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，成為人類全面感知自然的最核心元件，各類傳感器的大規(guī)模部署和應(yīng)用是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的基本條件。因此，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根基是傳感器，也就是說，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，首先應(yīng)發(fā)展各種各樣的傳感器。

可以說物聯(lián)網(wǎng)與傳感器是相輔相成的促進(jìn)與帶動關(guān)系，在物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的強(qiáng)力牽引下，我國傳感器企業(yè)的一部分產(chǎn)品正由傳統(tǒng)型向全新型轉(zhuǎn)型發(fā)展，并研發(fā)應(yīng)用新敏感機(jī)理的傳感器。而傳感器的轉(zhuǎn)型發(fā)展和新結(jié)構(gòu)、新敏感機(jī)理傳感器的研發(fā)與制造工藝水平的提高，使得傳感器探測精度高、制作成本低、芯片體積小，又大大促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。我國一些企業(yè)正積極致力于推動物聯(lián)網(wǎng)由“概念”向“產(chǎn)業(yè)”轉(zhuǎn)化，并在多地區(qū)建立物聯(lián)網(wǎng)基地。目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域主要是智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、環(huán)境與安全檢測、工業(yè)與自動化控制、醫(yī)療健康、國防軍事等領(lǐng)域。例如智能交通系統(tǒng)，就是以現(xiàn)代信息技術(shù)為核心，利用先進(jìn)的通訊、計(jì)算機(jī)、自動控制、力與稱重傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對交通的實(shí)時控制與指揮管理。交通信息采集被認(rèn)為是智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，是發(fā)展智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)，已成為交通智能化的前提。無論是交通控制還是交通違章管理系統(tǒng)，都涉及交通動態(tài)信息的采集。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻技術(shù)以及埋在路面下的地感線圈、壓電薄膜軸傳感器、彎曲板式或剪切板式動態(tài)軸重秤組成的檢測系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)交通信息的短期或長期采集，將車流量、車速度、車軸數(shù)、車軸距、車軸重、軸組重、整車重、車輛分類等信息進(jìn)行收集分析，為公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)和決策提供可靠、全面的數(shù)據(jù)，因此交通動態(tài)信息采集也就成為交通智能化的首要任務(wù)。實(shí)際上應(yīng)變式力與稱重傳感器的傳統(tǒng)型和改進(jìn)型已經(jīng)在智能交通、智能物流、環(huán)境與安全檢測和工業(yè)與自動化控制領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。例如智能交通系統(tǒng)應(yīng)用的固定式、便攜式動態(tài)公路車輛軸重秤；用于公路車輛高速行駛超載預(yù)判的壓電石英式動態(tài)軸重秤；用于公路車輛流量、車軸數(shù)、軸距、輪距、車速、輪胎數(shù)量測量及車型判斷、車輛分類的壓電薄膜軸傳感器；智能物流、環(huán)境與安全檢測系統(tǒng)中應(yīng)用的各種具有感知、通信與計(jì)算功能的智能微型力與稱重傳感器等。

由大量的部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線通信方式智能組網(wǎng)，形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有信號采集、實(shí)時監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務(wù)等功能，能感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。這就對傳感器企業(yè)提出了一個變革性的要求，即傳感器必須有線變無線，在物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要的力、稱重、力矩、扭矩、位移、壓力、溫度、加速度等傳感器內(nèi)增加電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊等器件，并需要解決一系列技術(shù)與工藝問題，這即是挑戰(zhàn)又是無限商機(jī)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個學(xué)科交叉綜合的、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，正受到各方面的高度關(guān)注。我國《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006～2020年)》中把智能感知技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、寬帶無線移動通信等技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)。這就對用于物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器開發(fā)與應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

二、物聯(lián)網(wǎng)對傳感器技術(shù)的新要求

物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，對處于信息感知層的各類傳感器提出了許多新要求，概括起來就是便攜、節(jié)能、環(huán)保，同時具有微型化、智能化、非接觸測量和低外形、低功耗、低成本等特點(diǎn)，這將是傳感器的一個新的研發(fā)方向。它不僅促進(jìn)傳統(tǒng)傳感器產(chǎn)業(yè)的加速改造，而且可導(dǎo)致建立新型多元化的傳感器企業(yè)模式，將是一個新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求，傳感器技術(shù)的發(fā)展方向是一部分產(chǎn)品應(yīng)由傳統(tǒng)型向全新型轉(zhuǎn)型發(fā)展，同時研發(fā)新結(jié)構(gòu)、新敏感機(jī)理的傳感器。

1．加速傳感器由傳統(tǒng)型向全新型轉(zhuǎn)型發(fā)展

為滿足物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的需求，相關(guān)的傳感器必須加速由傳統(tǒng)型向全新型轉(zhuǎn)型發(fā)展，其結(jié)構(gòu)與功能應(yīng)具備微型化（即體積小、高度低、重量輕）、智能化、低驅(qū)動（或無源化）、低成本和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，同時做到穩(wěn)定性好、可靠性高、壽命長、免維修。哪些產(chǎn)品適合轉(zhuǎn)型發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、技術(shù)、功能轉(zhuǎn)型是至關(guān)重要的。轉(zhuǎn)型發(fā)展就是在核心技術(shù)與工藝的牽引下，繼承傳統(tǒng)、集成創(chuàng)新，通過高可靠、低成本的產(chǎn)品來滿足物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。從本質(zhì)上來講，它是基于市場理念的一場體制和機(jī)制改革，也是參與市場競爭的必然選擇。以各種應(yīng)變式傳感器為例，為滿足微型化、智能化、低功耗、低成本的需要，美國VISHAY公司研究軋制出 0.00006～0.00008英寸（1.5～2μm）厚的康銅和卡瑪應(yīng)變電阻合金箔材，并利用此箔材設(shè)計(jì)制造出微型高阻電阻應(yīng)變計(jì)。同時研制出采用真空沉積和濺射工藝，把金屬或半導(dǎo)體材料直接沉積在基片上，制造出新型金屬薄膜應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體薄膜應(yīng)變計(jì)。微型高阻電阻應(yīng)變計(jì)、金屬薄膜應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體薄膜應(yīng)變計(jì)均可用于制造應(yīng)變式微型力、稱重、力矩、扭矩、壓力、位移、加速度第傳感器。這些傳感器的彈性元件可以是可活動的膜片、懸臂梁、橋以及凹槽、孔隙、錐體等。其中金屬或半導(dǎo)體薄膜應(yīng)變計(jì)由于不用應(yīng)變膠粘劑粘貼，因而彈性元件無滯后和蠕變誤差，是比較理想的無線微型智能物聯(lián)網(wǎng)傳感器用敏感元件。微型高阻電阻應(yīng)變計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)是：高輸出——應(yīng)用比較短的敏感柵使測量裝置產(chǎn)生較高的輸出和較高的電阻，相當(dāng)于應(yīng)用了長的敏感柵；

高阻值——電阻值可高達(dá)10～20KΩ；

低電流——電橋電流低，這對于壓力變送器和帶有電池組的傳感器來說是至關(guān)重要的；

小尺寸——敏感柵尺寸小，可以做到 1×1mm、0.5×0.5mm，特別適合微型力、稱重、位移、加速度傳感器；

低成本——微型金屬箔電阻應(yīng)變計(jì)不論是單軸型、半橋型、全橋型，敏感柵的面積都很小，降低了部件成本，連線和焊接相當(dāng)于單個敏感柵應(yīng)變計(jì)；

自補(bǔ)償——采用卡瑪合金制造敏感柵，電阻應(yīng)變計(jì)具有溫度和靈敏度雙重自補(bǔ)償功能。

應(yīng)用微型高阻電阻應(yīng)變計(jì)制造的各種傳感器與采用普通電阻應(yīng)變計(jì)制造的傳感器相比，具有以下突出的特點(diǎn)：由于采用了微型尺寸的敏感柵，柵的長度小且位于應(yīng)變峰值位置，所以實(shí)測應(yīng)變值高；敏感柵的寬度與高度比較大，散熱性能好應(yīng)變穩(wěn)定性高；高電阻值可以施加較高的激勵電壓，電橋輸出信號大；應(yīng)變計(jì)電阻值高，消耗功率低；輸入阻抗高。應(yīng)用金屬薄膜應(yīng)變計(jì)制造傳感器時，由于金屬薄膜應(yīng)變計(jì)與體型電阻應(yīng)變計(jì)的導(dǎo)電機(jī)理不同，其應(yīng)變靈敏系數(shù)隨膜的厚

度而變化。厚度為數(shù)埃（ A）的金屬薄膜應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)是普通體型電阻應(yīng)變計(jì)的幾十倍；厚度為 1000 A以上的金屬薄膜應(yīng)變計(jì)，其靈敏系數(shù)與普通體型電阻應(yīng)變計(jì)相似。靈敏系數(shù)高的金屬薄膜應(yīng)變計(jì)與普通體型電阻應(yīng)變計(jì)相比，在傳感器彈性元件變形相同的條件下，電橋輸出也高出幾十倍，特別適合制造各種無線微型智能應(yīng)變式傳感器。

2．研發(fā)新結(jié)構(gòu)、新敏感機(jī)理的傳感器

傳感器的工作機(jī)理是基于各種物理效應(yīng)和定律，由此可以啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制具有新敏感機(jī)理的傳感器。進(jìn)入21世紀(jì)以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家傳感器領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)是：以研究新型傳感器和傳感系統(tǒng)為核心，包括應(yīng)用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應(yīng)速度、動態(tài)范圍、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性以及在惡劣環(huán)境條件下工作的能力。這也是發(fā)展高性能、多功能、低成本和微型物聯(lián)網(wǎng)傳感器的重要途徑。相對于金屬材料而言，納米材料、半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、碳纖維材料和有機(jī)材料等，只要具備靈敏度高、響應(yīng)速度快、檢測精度高、檢測范圍寬、可靠性高和工藝性好，都可以成為敏感材料。由于微結(jié)構(gòu)傳感器的敏感元件尺寸一般為毫米級，可以是可活動的膜片、懸臂梁、橋以及凹槽、孔隙、錐體等。這些微結(jié)構(gòu)與特殊用途的上述敏感材料制造的敏感元件和高性能的集成電路相結(jié)合，已成功地用于制造各種微型傳感器。由此不難得出，新型傳感器產(chǎn)業(yè)集先進(jìn)的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及先進(jìn)制造技術(shù)為一體，代表了當(dāng)前傳感器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，具有廣闊的市場前景。近年來研發(fā)的力、稱重、扭矩、位移、角度等新型傳感器主要有：

（1）用納米材料制造的力與稱重傳感器

微納米傳感器是新型傳感器產(chǎn)業(yè)代表，就微納米傳感器而言，美國、歐盟、日本等國已經(jīng)形成了穩(wěn)定的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)品加工企業(yè)和用戶群體，他們的微機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)工藝已發(fā)展到成熟穩(wěn)定的階段。

納米，即 10 m，相當(dāng) 10個氫原子緊密排在一起。納米技術(shù)是在納米空間-9（0.1～100nm）內(nèi)研究電子、原子、分子運(yùn)動規(guī)律及特性，以制造具有特定功能的材料和器件。納米材料是納米級的超細(xì)微粒經(jīng)壓制燒結(jié)而成，其特點(diǎn)是材質(zhì)完全純凈，結(jié)構(gòu)沒有缺陷，具有抗紫外線、紅外線，電磁干擾等特殊功能。美國傳感器企業(yè)利用納米材料在外載荷作用下，其體積變化與載荷成正比這一特性，研制出納米微型力與稱重傳感器。

（2）用碳纖維材料制造的力與稱重傳感器

日本學(xué)者柳田博明研制的碳纖維復(fù)合功能材料，以乙烯樹脂為基體，含0.3%～0.6%的碳纖維和31.6%的玻璃纖維。此種碳纖維復(fù)合材料，具有在外載荷作用下電阻值增大的特性，在一定的變形范圍內(nèi)，其電阻變化與應(yīng)變呈較嚴(yán)格的線性關(guān)系，利用這一特性即可研制出體積小、高度低、重量輕的碳纖維力與稱重傳感器。制成像彈簧一樣的螺旋狀微細(xì)碳線圈元件，能感受微小壓力的變化，同時還可以感知“擰”、“摩擦”等動作。

（3）Z元件力與稱重傳感器

Z元件半導(dǎo)體傳感技術(shù)是俄羅斯傳感器專家Zotove（佐托夫）教授的研究成果。Z元件是用電阻率40Ωcm～60Ωcm，厚度為50μm的N型硅單晶，采用平面擴(kuò)散工藝進(jìn)行Al擴(kuò)散以形成PN結(jié)，然后用AuCl．4H0溶液在高溫下進(jìn)行Au擴(kuò)散。制成的硅片經(jīng)單面打磨后、用化學(xué)方法鍍上 Ni電極以形成歐姆接觸，然后劃片、切割、焊接引線和封裝制成。過去只有溫敏、光敏和磁敏Z元件，目前力敏Z元件已有應(yīng)用。其應(yīng)用特點(diǎn)是：體積極??；反應(yīng)靈敏；工作電壓低，工作電流小，測量電路簡單；輸出頻率信號，可直接與計(jì)算機(jī)連接，是研制新一代數(shù)字力與稱重傳感器的理想元件。

（4）光纖位移和壓力傳感器

反射式光纖位移傳感器由光源經(jīng)過發(fā)射光纖束傳輸入射到被測量目標(biāo)表面，目標(biāo)表面的反射光由與發(fā)射光纖束扎在一起的接收光纖束傳輸至光敏元件。根據(jù)被測量目標(biāo)表面光反射至接收光纖束的光強(qiáng)度的變化來測量被測表面距離的變化。光纖壓力傳感器是在光纖位移傳感器探頭的前面增加一個圓型膜片構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)類似普通應(yīng)變式壓力傳感器。光源發(fā)出的光經(jīng)過發(fā)射光纖束傳輸并投射到膜片的內(nèi)表面上，反射光由接收光纖接收并傳回光敏元件。膜片位移的微小變化是在壓力作用下由膜片產(chǎn)生的撓曲變形而引起的，測量出此變形即可求得壓力變化，因?yàn)楣馔渴悄て男螤畛叽缫约疤筋^到膜片的平均距離的函數(shù)。

（5）高精度非接觸式扭矩傳感器

美國富勒頓公司研制出一種精度達(dá)百萬分之一級的非接觸式SAW扭矩傳感器，尺寸為4mm×2mm×0.5mm，該傳感器不僅十分精確，而且轉(zhuǎn)軸與外殼間無直接接觸?？捎糜跍y量轉(zhuǎn)軸的扭矩，兩個SAW傳感器與軸呈45角固定，連接成“半橋”結(jié)構(gòu)；當(dāng)軸受到扭矩時，一個受壓一個受拉，綜合兩個傳感器的頻率可產(chǎn)生“差分”和“疊加”信號以得出扭矩信號。

（6）汽車胎壓監(jiān)測傳感器

在汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)中，安裝在每個車輪內(nèi)部的汽車胎壓監(jiān)測傳感器至關(guān)重要，它由壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、RF射頻芯片、電池電壓監(jiān)測器、低功耗控制器等組成。具有下電、運(yùn)行、空閑、關(guān)斷 4種工作模式，它能夠準(zhǔn)確測量輪胎內(nèi)部的壓力和溫度，傳感器通過無線形式按照一定的規(guī)律向車身控制器實(shí)時發(fā)送輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)，駕駛員可通過儀表盤顯示屏獲得每一個輪胎的壓力值、溫度值。當(dāng)某一個輪胎的壓力值或溫度值變化超過了報(bào)警值，儀

表盤能夠準(zhǔn)確顯示報(bào)警輪胎的位置，并發(fā)出圖形、聲音、文字報(bào)警。由于該產(chǎn)品是汽車產(chǎn)品安全件，所以應(yīng)在各種環(huán)境下具有高可靠性，一般要求壓力測量范圍0～3.5 Bar；溫度測量范圍－40～+125℃；向心加速度測量范圍－12g～＋115g；工作電壓范圍 1.8～3.6 V。其中壓力、溫度傳感器以半導(dǎo)體硅材料為彈性元件芯片，整合了硅顯微機(jī)械加工工藝，在一塊芯片上同時集成了壓力和溫度兩個傳感器，此兩種傳感器同時具有溫度和壓力補(bǔ)償功能。其特點(diǎn)是小型、輕量、靈敏度高、響應(yīng)速度快、長期穩(wěn)定性好。

國內(nèi)力敏、壓敏、溫敏材料和制造工藝的新成果主要有：

（1）清華大學(xué)研制成功一種基于石英諧振器應(yīng)變敏感效應(yīng)的數(shù)字式力與稱重傳感器。研究了敏感元件的力敏特性、諧振器的能陷效應(yīng)與諧振頻率、諧波次數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，保證了良好的頻率穩(wěn)定性。

（2）沈陽儀器儀表工藝研究所在國內(nèi)首次解決了擴(kuò)散硅力敏芯片溫度靈敏度自補(bǔ)償工藝，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散硅力敏芯片的靈敏度溫度自補(bǔ)償。

（3）哈爾濱理工大學(xué)研制成功了"新型本征半導(dǎo)體高分子壓力溫度雙參數(shù)傳感器"，首次合成聚省醌自由基高聚物，這是一種壓敏系數(shù)和溫度系數(shù)極高的高分子材料，通過材料表面處理等技術(shù)制成傳感器，解決了油井高溫潛油泵的溫度和壓力測量的難題。

（4）復(fù)旦大學(xué)發(fā)明的掩膜無掩膜腐蝕新工藝為世界首創(chuàng)。在理論上推導(dǎo)出新的底面條件和新生底面深度和位置計(jì)算公式，開創(chuàng)了用腐蝕技術(shù)制造微結(jié)構(gòu)的新工藝。

三、傳感器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由在空間上相互離散的眾多傳感器相互協(xié)作組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通常被用來監(jiān)測在不同地點(diǎn)的物理、力學(xué)或環(huán)境參量，例如溫度、濕度、壓力、力、扭矩、應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)都配有無線發(fā)射和接收裝置，能夠和網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。此外，每一個節(jié)點(diǎn)都有自己的微控制器，能量源（通常是電池）。單個的傳感器節(jié)點(diǎn)的形狀有很多種，根據(jù)被測量對象和用戶要求而定，例如傳感器的尺寸和計(jì)量性能、存儲空間、計(jì)算性能、網(wǎng)絡(luò)速度以及帶寬等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常會組成一個無線自組織網(wǎng)絡(luò)，每一個節(jié)點(diǎn)都能作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中繼站，將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用到輸油管道遠(yuǎn)程監(jiān)測；山體滑板、高層建筑地基監(jiān)測；橋梁強(qiáng)度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等項(xiàng)目，它不同于一般信號處理，也不同于單個或多個傳感器的監(jiān)測和測量，而是對基于多個傳感器測量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于近年來傳感器無線化、微型化、智能化程度的提高，以及研發(fā)出應(yīng)用壓電石英、光導(dǎo)纖維等敏感機(jī)理的新型力、稱重、位移、壓力等傳感器，有條件實(shí)現(xiàn)在信息獲取基礎(chǔ)上，多種功能的傳感器進(jìn)一步集成以致于融合。有力的促進(jìn)了傳感器技術(shù)發(fā)展，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中取得較好的應(yīng)用效果。主要應(yīng)用成果有：

1.高層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度健康監(jiān)測

高層建筑結(jié)構(gòu)及其敏感，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度健康監(jiān)測的前端測量點(diǎn)的部署很難采用有線方式，否則極易損害建筑結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。因此要求測量節(jié)點(diǎn)具有無線能力，體積小巧，可以很容易的安裝在建筑物的關(guān)鍵受力點(diǎn)上，而不影響建筑物外觀。各節(jié)點(diǎn)的無線傳感器應(yīng)具有低功耗能力，節(jié)點(diǎn)一經(jīng)部署不需要頻繁更換，省去了復(fù)雜耗時的布線操作，只要打開節(jié)點(diǎn)開關(guān)，位于建筑物監(jiān)控中心的接受終端就可以實(shí)時獲取數(shù)據(jù)，與建筑報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動后，一旦探測到可能威脅到建筑物的震動信息，立即發(fā)出報(bào)警。平時該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)還可以用來監(jiān)測建筑物老化狀況，為建筑物維護(hù)提供輔助決策信息。微型無線力與稱重傳感器、微型無線角度傳感器和微型加速度傳感器等，就是高層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度健康監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的理想節(jié)點(diǎn)部件。

2.橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度健康監(jiān)測

利用傳統(tǒng)的力與稱重傳感器和測量監(jiān)控設(shè)備對橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度健康進(jìn)行監(jiān)測，需要在整個橋面上鋪設(shè)信號和供電電纜，不僅浪費(fèi)資源而且鋪設(shè)起來工程復(fù)雜龐大。而使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度健康監(jiān)測，就顯得簡單方便多了，只需要將無線傳感器節(jié)點(diǎn)沿橋布置并固定在橋梁的關(guān)鍵受力點(diǎn)處，各個節(jié)點(diǎn)就會自動組織形成網(wǎng)絡(luò)并且回傳相關(guān)的測量數(shù)據(jù)。橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度健康監(jiān)測多采用動力響應(yīng)監(jiān)測的應(yīng)變模態(tài)法，由于應(yīng)變是位移的一階導(dǎo)數(shù)，對應(yīng)于每一階位移模態(tài)，則必有與其對應(yīng)的固有應(yīng)變分布狀態(tài)。當(dāng)橋梁發(fā)生病害時，其動力響應(yīng)值會增大，因此，在橋梁的關(guān)鍵部位（如橋墩底部）布置一些諸如加速度傳感器和應(yīng)變式力傳感器，測量橋梁的動力響應(yīng)，通過信號調(diào)理后記錄分析，判斷響應(yīng)值是否超過允許值或超過多少，由此對橋梁的安全性進(jìn)行評判。也可以采用在橋梁各個節(jié)點(diǎn)上安裝傳感器，可長期在線監(jiān)測并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作的動力系數(shù)法，此法是指橋梁由于振動而增加的應(yīng)力或動撓度對于靜載所增值的比率。當(dāng)橋梁發(fā)生病害時，動力系數(shù)必然會增大。其監(jiān)測方法是采用電阻應(yīng)變計(jì)或紅外線撓度儀測量橋梁的動、靜應(yīng)力和動、靜撓度信號，然后利用信號采集系統(tǒng)采集信號，采用專用軟件檢測和記錄車輛行駛引起的時程應(yīng)力和時程撓度并計(jì)算動力系數(shù)，分析動力系數(shù)是否超過允許值，從而對橋梁的局部或整座橋梁的安全狀態(tài)作出評估。

3.原油輸油管線溫度和壓力監(jiān)測

隨著世界能源消耗量的增加，各個國家越來越依賴于從別國進(jìn)口石油和天然氣等基礎(chǔ)能源原料，石油輸油管線就是其中最為重要的一環(huán)。原油的屬性決定了它必須達(dá)到一定溫度才能被稀釋具有良好的粘度特性和流動性。同時，本著節(jié)約能源的目的，又要把加熱的溫度控制在一個合理的范圍內(nèi)，因此，就需要對石油輸油管道的溫度進(jìn)行監(jiān)測。在確保原油能夠達(dá)到良好流動性的同時降低加熱的能耗。在原油管道沿線布設(shè)無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)是最為經(jīng)濟(jì)合理的方案，這樣可以大大節(jié)省鋪設(shè)信號和供電電纜的成本，同時又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)智能傳輸。在原油輸油管線的各節(jié)點(diǎn)上，安裝無線壓力傳感器又能夠監(jiān)測輸油管線是否發(fā)生泄漏和偷盜事故，并及時報(bào)告事故位置。

四、無線力與稱重傳感器

無線力與稱重傳感器的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型基本相同，只是要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、高度低、重量輕。在傳統(tǒng)制造工藝的基礎(chǔ)上增加了電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊等器件。模塊封裝在一個密封的、具備優(yōu)良屏蔽功能的外殼內(nèi)，構(gòu)成全密封的無線力與稱重傳感器。在工作時無線力與稱重傳感器由電池（或太陽能）提供電源，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。由隨機(jī)分布的集成有力與稱重傳感器數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點(diǎn)，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。它可以采集設(shè)備的受力或質(zhì)量數(shù)字信號，通過無線力與稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的無線網(wǎng)絡(luò)上，直接送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，根據(jù)需要無線力與稱重傳感器可以實(shí)時傳輸采集整個時間歷程信號。監(jiān)控中心也可以通過網(wǎng)絡(luò)把控制、參數(shù)設(shè)置等信息無線傳輸給節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)調(diào)理采集處理模塊把力與稱重傳感器輸出的微弱信號，經(jīng)過放大、濾波等調(diào)理電路后，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，送到主處理器進(jìn)行數(shù)字信號處理，計(jì)算出力與稱重傳感器的有效力值或質(zhì)量值。電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊均采用超低功耗設(shè)計(jì)，整個力與稱重傳感器節(jié)點(diǎn)具有非常低的電流消耗，使用兩節(jié)普通干電池可以工作數(shù)年之久，使維護(hù)周期大大延長，無線力與稱重傳感器在不采集信息的時候關(guān)斷電源或置于睡眠模式。

五、結(jié)束語

作為物聯(lián)網(wǎng)前端的感知部件，傳感器在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中扮演著舉足輕重的角色，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由在空間上相互離散的眾多傳感器相互協(xié)作組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，兩者的核心感知部件都是傳感器，可見傳感器在物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展中的地位與作用。面對激烈的市場競爭以及物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等新興市場的崛起，國內(nèi)傳感器企業(yè)應(yīng)該把握機(jī)遇，以全球競爭的眼光來規(guī)劃品牌戰(zhàn)略。物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對傳感器行業(yè)的挑戰(zhàn)在于對傳感器的多品種需求，多種敏感機(jī)理新產(chǎn)品的需求。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)抓住傳感器由傳統(tǒng)型向全新型轉(zhuǎn)型發(fā)展的大好時機(jī)，開發(fā)出滿足物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測、處理、傳輸系統(tǒng)技術(shù)要求，具有低功耗特性，支持低碳環(huán)保應(yīng)用需求的各種無線傳感器。