基于MEMS技术的无线传感器网络

崔思阳 彭泳卿 冯红亮 刘鹏

摘要：基于微机电系统（MEMS）技术的智能传感器系统是体积小、能耗低、具备多功能传感与探测、信息处理与存储、双向无线通信、能源自供给与管理等功能的集成系统；它既可以独立工作也可以多系统协同工作。本文首先明确智能灰尘的基本概念及应用领域；随后介绍智能灰尘集成系统的设计方法和结构组成；通过综述智能灰尘技术的发展历程与趋势，以及国内外相关技术的发展现状；最后总结智能灰尘系统关键的技术难点与重点，并明确今后MEMS的研究方向。

一、应用范围介绍

（1）工业与农业生产

大规模工业生产对广域实时监控的要求很高，急需一种低成本、高可靠度的实时工业监控系统。智能灰尘技术可以很好地投入到这类应用之中。例如一些远距离输气管道需要经过大范围面积的无人区域，难以采取人力监控方法来检查整条管道的运行情况。如果沿管道路线部署智能灰尘系统，监控中心就可以对整条输气管线进行监控，其造价和维护成本远低于传统技术。

（2）智能家居与智能电网

使用智能灰尘的智能家居系统，可以有效降低安装和维护的成本。此外，米粒大小的智能灰尘占用空间极小且不易被发现，可以有效减小智能家居系统的体积。例如，在厨房的水阀使用智能灰尘可以监视用水情况，如果短时间内有大量用水情况就会发出警报；在房间地板使用智能灰尘可以用于监测住户的位置，并自动控制照明装置的开闭。

（3）医疗卫生

智能灰尘的体积非常小、功能全、功耗低，具备人体内工作的绝大部分条件。进行化学检测工作。一方面，经过生物兼容设计的智能灰尘可以制作成药丸的形式并监测人体的身体参数，如糖尿病患者的血糖含量监测等；另一方面，智能灰尘可以作为便携式体外测量仪使用，用于替代传统的测量装置。

二、智能灰尘的模块化设计及基本概念

智能灰尘（Smart Dust）系统是一种立方毫米尺寸的无线多功能传感微系统，它具备环境传感与探测、信息处理与存储、无线通信、能源自供给与管理等功能，以单独或者大范围布撒工作。

根据定义智能灰尘应该具有以下四个主要特点：（1）智能灰尘系统的功能是对目标环境的感知—声音、可见光与红外光、温度、湿度、磁场、震动等信息的单一或组合探测；（2）智能灰尘系统具备数据传输功能—它既可以实现与特定目标点对点通信，也可以若干器件同时工作构成无线传感、感知的通信网络，使得智能灰尘系统具备实时或准实时的数据交换能力，从而保证了信息及时、快速、准确的传输，有力支持了环境检测和跟踪目标的需求；（3）智能灰尘系统体积小、功耗低的特点使其携带便捷、安装方便；（4）智能灰尘系统具有复合能源采集、能源自供给系统—保证其工作寿命。

首先，传感器模块将采集的环境信号传输到数据处理模块进行信号的分析；其次、经分析的数据信息通过通信模块与外界进行发送与接收；最后、根据无线组网需求，进行智能灰尘系统之间的通信协作，或者单独对智能灰尘系统下达启动/休眠指令。智能灰尘系统的能源模块由薄膜太阳能电池、固态电池和超级电容器等部件组成。为了节省能源的供给，智能灰尘系统还应该具有休眠功能。

智能灰尘的模块划分：

一个智能灰尘作为一个综合系统，智能灰尘系统个架构设计需要考虑其任务功能、封装体积、系统功耗、能源采集与管理策略等多方面综合因素。考虑智能灰尘的功能，将系统划分为四个部分：传感器模块、控制电路模块、通信模块与能源供给模块。下面对四个模块进行分别介绍。

传感器模块：作为智能灰尘系统中传感器模块的任务是收集环境信息并将其转换为电信号，一般包括声音传感器、温度传感器、振动传感器、红外传感器等。在实际工作中，单个的智能灰尘系统可以对环境信息进行采集与监控；多个智能灰尘系统可以进行协同工作，对一定范围内的环境情况进行检测。从目前的技术看来，基于微纳米制造技術和MEMS加工技术的传感器模块普遍存在。无论是体积还是功耗，基本符合智能灰尘系统的要求。

控制电路模块：它是整个智能灰尘系统的数据处理与运算的部分，其功能包括：第一、对传感器输出的电信号进行解析或存储；第二、通过调整通信模块中收发装置对数据信号进行发射与接收（可动反射镜或无线）；第三、在特定情况下还可以对整个智能灰尘系统的休眠状态进行应急处理。控制电路模块通常以微控制器作为内核，包括核心处理器、数模/模数转换器、时钟、存储器或者闪存、硬件接口、稳压电路等。

目前，国外最新的智能灰尘样机大多采用ARM构架的芯片作为控制电路模块的微处理器。这主要是因为ARM架构的自定义处理器具备功耗低、体积小、性能良好等优点比较适合智能灰尘系统。

通讯模块：负责智能灰尘节点和其他节点或者基站之间的信息交互，理论上至少应该在十米到数十米范围里保证稳定的数据传输。到目前为止，国际上所研制的智能灰尘样机的通信模块主要由两种技术实现：1.基于MEMS技术的射频通信系统2.基于MEMS微镜技术的激光通信系统。

根据图二中的对比，射频通信和激光通信各有优缺点，需要根据具体工作环境选择一个更优的通信方式：射频通信适用于绝大部分短距离组网应用，而激光通信一般只用在超远距离身份识别和数据传输上。

能源模块：能源模块的主要目的是为智能灰尘系统供能，以维持系统正常的工作.为了有效延长智能灰尘的工作寿命，智能灰尘系统应该具备能源收集能力。微型化的燃料电池和同位素电池具有良好地发展前景，但是由于目前大量研究工作还在进行之中。

三、智能灰尘的关键技术

主要包括以下三点：1.超小能源供给与管理技术；2.低功耗数据处理与无线电通信技术；3.MEMS一体化设计技术。

对于无线传感节点而言，除了需要尽可能降低功耗，改良能源供给技术也同样重要。尤其是对于体积极端受限的智能灰尘系统更是如此。研究发现，在一定的系统体积限制下，即使功能部件的耗电量可以控制到亚毫瓦级别，实现长时间稳定的电源供给仍然具有巨大的难度.因此，小体积高性能的能源模块的实现，以及能源管理方法的优化，对于智能灰尘系统极为重要。数据处理模块普遍需要对功耗、体积和性能之间进行权衡.因此研究人员需要以提升智能灰尘系统的实时工作性能。虽然智能灰尘系统中的每一个器件都有其对应的设计和仿真方法。但是因为整个系统的组成部件众多、结构功能复杂，而且需要遵循“架构层次化”、“结构模块化”、“接口规范化”的实用化设计准则，有必要深入研究一体化设计与加工方法。

四、文章总结

自从1998年美国加州大学伯克利分校的研究小组开始对智能灰尘技术进行探索以来智能灰尘系统在科学研究，目标定位，环境传感等领域得到了广泛的应用。目前包括美国的密歇根大学，中国清华大学等研究单位都在开展智能灰尘系统技术的研究。

目前普遍提出能灰尘技术发展面临的三个关键问题，包括具有实用能力的复合微能源系统，低功耗的数据处理和无线通信技术，以及适用于智能灰尘的一体化设计与仿真技术解决这些问题，将极大地促进智能灰尘技术的进步，并为智能灰尘的实用化奠定坚实的基础。

作者简介：崔思阳，北京遥测技术研究所，天津，学历：硕士。

（作者单位：北京遥测技术研究所）