智能灰尘及其在战场信息资源获取中的应
用
总第121期测控与通信?27?
智能灰尘及其在战场信息资源获取中的应用
李文元何雯王丽军
(西安通信学院西安710106)
摘要随着通信技术,嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有 感知能力,计算能力和通信能力的微型传感器受到人们的极大关注.以发展微型传感器
为目的的”智能灰尘”(SmartDust,SD)就是其中的一个项目.本文介绍了智能灰尘的
概念及其组成结构,探讨了智能灰尘的关键技术并描述了其在战场信息资源获取中的运
用.
关键词无线传感网络智能灰尘信息获取
1引言
随着通信技术,嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力,计算
能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现.由这些微型
传感器构成的大规模无线传感
网络(Wirelesssensornetworks,WSN)已经成为当前研究的一个热点.这种无线传感网络能够
实时监测,感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的数据,并对这些数据进行处理并传送到
需要的用户.
无线传感器网络可以在任何时间,地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息.因此,
被广泛地应用于国防军事,国家安全,环境监测,交通管理,医疗卫生,制造业,反恐维稳,抗
灾抢险等领域.目前,一个引起广泛关注的微型传感器技术,就是”智能灰尘”(SmartDust,SD).
2智能灰尘的概念
智能灰尘是由美国加洲大学贝克莱分院J.M.Kahn和K.S.J.Pister在1998年共同提出的,采
用低成本,低功耗,微型的智能传感器,将传感,计算和通信三大功能单元集成于一立方毫米见
方的微粒中,具有独立的供电系统.这种”灰尘”通过在一定范围内大量播撒,可以形成微型传
感器网络.
智能灰尘传感网络通常由成百上千个”灰尘”微粒和一个或多个查询收发机组成.图1是智
能灰尘的概念方框图.其中,每个”灰尘”微粒都包括一个或多个传感器,模拟和数字电路,双
工通信单元,可编程微处理器以及电源,可以实现传感参数采集,环境条件监测以及灰尘相互间
的通信功能.
智能灰尘可望广泛用于国防军事,环境监控,动物习性跟踪等领域.同时由于智能灰尘体积
微小,人们希望能赋予它一些新颖的功能,如希望”灰尘”能随风漂移甚至悬浮于空气中,实现
对战场等特殊环境的实时监测.
3智能灰尘的结构
智能灰尘微粒结构如图2所示,由传感器,通信单元和处理单元三部分组成.
3.1电源
收稿日期:2008年6月5日
?28?测控与通信2008年第2期
图1智能灰尘的概念方框图
图2智能灰尘结构图
为了监测环境,”灰尘”必需包含充足的能源,以支持从几小时到几个月不同的任务需求.
为了保证”灰尘”毫米级的体积,能源的大小对于整体设计来说就显
得至关重要.”灰尘”的能
源系统包括一块薄膜电池和一块可充电的太阳能电池.在光照充足的情况下太阳能电池能保证一
昼夜的工作.
3.2传感器
根据设计目标的不同,”灰尘”中可以包含声音,光,震动,温度,磁场等各种各样的传感
器.随着微电子技术的发展,现在也出现了如汽车压力传感器,医学传感器,生化传感器等新型
的传感器,并且使得传感器的体积,能耗和成本都在成指数的减小,这些都有利于智能灰尘在功
能,体积等各方面的进一步完善.
3.3通信单元
通信是智能灰尘的主要功能之一,通过灰尘节点间或者灰尘与间的通信,系统将对成百
总第121期李文元等:智能灰尘及其在战场信息资源获取中的应用?29?
上千的”灰尘”收集到的信息进行集中处理.但由于智能灰尘的体积和能源都有限,因而对”灰
尘”通信单元的设计也会有很多的限制,不能采用普通的射频通信技术…,因为射频通信中的天
线不仅会使”灰尘”体积增大,而且相应的功率消耗也会较高,因而贝克莱”灰尘”采用了无论
是尺寸还是功耗都更为理想的光通信方案.在”灰尘”模型里对光信号采用了两种接收方案【2J:
使用激光二极管及可调节透镜进行主动式发送和使用三面直角棱镜反射器(CCR,comer.cube
retroreflector)进行被动式发送.
3.3.1主动式光通信
主动式光通信采用激光二极管波束控制装置,向发送定向的校准波束.装置包括激光二
极管,校准透镜和波束调节透镜.通过主动式通信装置,”灰尘”可以实现点对点的远距离通信.
但由于主动式通信需要消耗较高的能源,使得主动式光通信装置仅能在短暂的触发通信模式下使
用.为了尽量减小它的能源消耗,在设备中需要采用一些装置,使波束对准接收机,例如采用方
向波束或使用一个主动的波束调节装置.但这样会使得”灰尘”更加复杂.
2.3.2被动式光通信
被动式光通信设备不需要用自带的光源来发送传感器获取的信息.它采用了一个三面直角棱
镜反射器(CCR,comer.cuberetroreflector).CCR是一个特殊的微电子
机械系统(MEMS,Micro
Electro.MechanicalSystem),由三面相互垂直的棱镜构成,它在满足一定条件的情况下,具有将
任何光束反射回光源的特性.但如果任一面棱镜发生了偏转,这种特性将被破坏.为此,在智能
灰尘的CCR中安装了静电激励器,能对其中的一面棱镜以千赫的比率进行偏转,这样CCR就可
以
对激光束进行”开.关”调制,确保将光束返回BST.由于CCR,不需要任何光信号,因而只需要
极低的能源.通信时,由向节点定向发送一未经调制的激光束,”灰尘”收到光信号后对其
进行调制并反射回.但是被动式通信也存在不足,它无法实现”灰尘”间点对点的通信,因
为它只能依赖于中心的光源进行通信,并且由于CCR只能反射光束中的一部分,因而还要求
在”灰尘”与间满足视距通信,即无任何障碍.
3.3.3接收设备
由于受到”灰尘”体积的限制,无法在光电探测器之前安置成像或非成像的光集中器,因此
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