传感器节点支持智能建筑和智能交通的物联网

作者：Roger Grace，Alessandro Bassi

全球物联网 （IoT） 现象为传感器技术带来了前所未有的机遇。最近在IDTechEx 会议上发表的一份报告称，物联网节点的材料清单（BOM） 在传感器和收发器之间平均分配（各占 45%），剩下一小部分用于微处理器（5%）和其他功能（ 5%）。物联网数据令人头晕目眩：思科 IBSG 预测到 2015 年将有 250 亿台物联网设备，到 2020 年将达到 500 亿台；Gartner Research 估计，到 2020 年，物联网传感器的总数将从 2014 年的 13 亿美元达到 101 亿美元，复合年增长率 （CAGR） 为 41.7%。IDTechEx 估算了物联网 IP 地址传感节点的市场价值从 2015 年的不到 10 亿美元增长到 2025 年的超过 480 亿美元。

传感能力在所有领域都很重要，但被称为“已建成基础设施”的智能建筑和智能交通将代表最重要的市场。在这两个领域，都需要许多不同的设备，从提供基本监控的节点到具有高计算能力的活动节点。在这些领域采用物联网的理由有很多，从社会到环境再到经济。节能、环境控制、交通优化、基础设施监控、事故预防和灾难遏制只是可以从互连传感设备中受益的部分领域。

除了全面了解传感能力之外，了解物联网节点的不同通信特性也至关重要。在开发解决方案时必须进行权衡，适当的架构研究将能够最大限度地降低成本，同时最大限度地提高系统性能。

物联网节点的特点

物联网节点的主要特征（如图 2 所示）包括传感器前端、低功耗信号调节电子设备（通常是 ASIC，包括具有嵌入式算法的微控制器）、电源/存储/管理和后端，低功耗通信，通常是无线的并封装在一个封装中（有关更多信息，请参见基于微机电系统（基于MEMS 的）系统解决方案）。实施此类设备的技术挑战仅限于不同现有组件的集成和封装，以及能量收集器的可用性以使节点自给自足。

图 2：基于 MEMS 的系统解决方案 （MBSS） 集成了物联网 （IoT） 的关键元素，包括传感、计算和通信，为智能建筑/智能交通监控应用提供有价值的测量能力。（点击图片放大1.7倍）

在物联网领域，网络可分为无约束 （NTU） - 以高速通信链路为特征，提供每秒兆位（Mbps） 范围内的传输速率 - 和受限 （NTC） - 以相对较低的传输速率为特征，通常小于 1 Mbps。

网络分类法还取决于所使用的终端类型。不受约束的终端具有高计算能力和

理论上无限的能量储备，使它们能够执行复杂的任务，例如强加密、HTTP 流量和 NTU 网络典型的高传输速率。

受限终端相对于非受限终端表现出重要限制：传输能力降低，小于 1 Mbps；有限的能量储备；有限的数据存储能力（典型值为 RAM 为 10 KB，ROM 为 100 KB）；和有限的计算能力（小于 100 MHz）。最后，标签式终端在计算能力、内存存储和能量存储方面表现出极大的局限性。

智能建筑

智能建筑提供优质舒适的环境，并在以节能方式运行的同时提高安全性和安保性。一个典型的例子是Nest “学习”恒温器。它由七个非 MEMS 传感器组成，不仅可以测量温度和湿度，还可以测量存在，允许根据乘员的使用历史进行温度控制。

密歇根大学的 Bob 和 Betty Beyster 计算机科学大楼最近由无线集成微传感和系统 （WIMSS） 中心的Jerry Lynch 教授安装了仪器，配备 15 个 Martlet 无线传感器节点，包括 45 个温度、湿度和 CO 2通道传感器。Lynch 教授表示，该项目的目标是“部署传感器网络并模拟与供暖、通风和空调 （HVAC）性能相关的环境条件。接下来的步骤包括监控居住者的行为/存在，并将网络直接连接到 HVAC 系统的控制系统，以实现最佳性能与成本。”

智能交通

交通运输中采用物联网的主要驱动力是安全性、便利性、燃油效率和环境污染。Libelium开发了一套传感器平台系统，用于测量西班牙桑坦德市停放车辆的存在情况。这个 400 个节点的监控系统包括磁性传感器、信号调节电子设备、7 到 10 年的电池寿命，以及一个直径为 12 厘米封装的收音机。数据被传输到附近灯柱上的接入点，并转发到停车部门总部，在那里进行分析，然后发送到街道上的显示器。它也可以通过连接互联网的设备访问，以将车辆引导到适当的可用停车位。此外，另一个 600 节点系统安装在灯柱上并使用 CO 2用于测量空气质量的传感器。

Sensys Networks 开发了一种类似的基于磁传感器的系统，用于交通路口。该系统由一个三轴磁力计、带有嵌入式软件的信号调节电子设备和一个 3 英寸 x 3 英寸 x 3 英寸封装的无线电设备组成，嵌入在交通道路和十字路口。对于当今的 6‘ 直径大型磁环而言，这显然是一种成本较低的解决方案。该套件将通过低本底噪声、高灵敏度加速度计得到增强，以使用振动特征分析根据轴数和间距确定车辆分类。

Sensys 还推出了安装在十字路口和自行车道上的“微型雷达”传感器系统。该系统由一个工作频率为 6.3 GHz 的高指向性雷达天线组成，可以确定 1.2 到 3.0 m 范围内是否存在自行车。之所以采用雷达方法，是因为磁传感器无法充分检测到人和自行车复合材料的存在。采用了类似的功能，包括信号处理、电池和无线电。

美国公路系统是一个典型的例子，说明一项宝贵的资产如何被允许缓慢恶化到几座桥梁倒塌的地步，特别是明尼阿波利斯密西西比河上的 I-35W 大桥，造成 13 人伤亡。作为州际公路系统的一部分，在 1950 年代至 1970 年代建造的许多原始公路和桥梁已超过其设计寿命和交通预期。公共资金仅限于支持适当的维护和维修。最近的一项研究《联邦国家桥梁清单》显示，在 607，380 座桥梁中，有 65，605 座被归类为“结构缺陷”（需要修复或更换，因为跨度的至少一个主要部件已经严重恶化），20，

为了直接解决这种严峻的情况，密歇根州的林奇教授为两座桥梁——门罗密歇根电报路桥和新卡奎内斯加州桥——安装了传感器节点，以确定桥梁在动态条件下的结构状态。New Carquinez Bridge 建于 2003 年，在 1.056 公里的结构中部署了 31 个无线传感器节点。使用专有的 Narada 4“ x 4” 印刷电路板平台测量总共 87 个通道的三轴加速度计、应变计、风速、温度和电位计位移传感器，该平台可以接受多达四个通道的传感器数据。

Lynch 教授表示，实施的目的是确定南都传感器节点及其远程传感器的成本效益部署和稳健性。该系统安装于 2011 年，目前正在收集数据，并得到加州交通部的支持。该系统获取的数据将用于验证 WIMSS 团队开发的模型，并将用于更好地了解桥梁在高风荷载和地震等条件下的响应。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的比尔·斯宾塞教授和他的团队在 344 米跨度上为韩国珍岛岛大桥安装了 113 个节点（此类桥梁监测中最大的部署）。659 个数据通道由传感器组成，包括用于测量桥梁斜拉索振动的加速度计、应变仪、风速和风向风速计，以及温度和光照水平传感器。该系统于 2010 年安装并运行至 2012 年。

Spencer 教授表示：“与首尔国立大学的同事一起，我们已经证明我们可以部署一种无线自主测量解决方案，该解决方案功能强大且成本显着降低，每通道约 100 美元。该项目已按预期返回结果，我们能够更好地了解风荷载算法并验证我们的模型。”

新发展

Innoveering目前正在开发的智能建筑解决方案使用连接到节点/接入点的加速度计和应变计。增强型结构倒塌感知和预测设备（ESCAPE） 应用程序可在火灾期间测量建筑物的结构完整性，并警告第一响应者建筑物的状况，以防止他们受到伤害。该程序处于硬件和算法开发的早期阶段。

塔夫茨大学的 Babak Moaveni 和 Usman Khan教授正在开发基于无人机的光学系统来检查桥梁。这种检查目前由工程师和维护人员使用视觉方法进行。塔夫茨大学的研究人员正在探索配备高清和红外摄像头的无人机仪器，以拍摄结构照片，将信息存储在无人机的存储系统中，并在无人机返回基地时下载信息。使用无人机图片检测结构中的裂缝并结合振动特征分析有望实现对恶化结构的更准确评估。这种方法的一个主要优点是它使用历史上和高度可接受的方法来确定桥梁结构恶化 - 视觉 - 预计这将有助于维护社区的接受。

物联网传感器节点的成本/收益分析

无线自主传感器网络/物联网节点有两个主要组成部分：传感器和通信模块。可以根据通信设备的功能对其进行分类：无约束、有约束以及标签和系统架构必须无缝集成各种物联网节点。在过去的几年里，它们在不同的领域中运作，但主要是在试点项目中。根据研究结果，它们被广泛采用的主要障碍是资金。尽管许多研究已经确定了我们的道路和桥梁的老化性质以及它们的不断恶化，但这还不足以激励政府机构从结构上解决这些问题。这些条件在日本、中国和越南以及美国都存在

我们认为成本/收益比应该作为开发物联网节点和监控系统的主要指标。I-35W 密西西比大桥的重置成本为 2.34 亿美元，足以安装 20，000 多座桥梁。