全球物聯網 （IoT） 現象為傳感器技術帶來了前所未有的機遇。最近在IDTechEx 會議上發表的一份報告稱，物聯網節點的材料清單 （BOM） 在傳感器和收發器之間平均分配（各占 45%），剩下一小部分用于微處理器（5%）和其他功能（ 5%）。物聯網數據令人頭暈目眩：思科 IBSG 預測到 2015 年將有 250 億臺物聯網設備，到 2020 年將達到 500 億臺；Gartner Research 估計，到 2020 年，物聯網傳感器的總數將從 2014 年的 13 億美元達到 101 億美元，復合年增長率 （CAGR） 為 41.7%。IDTechEx 估算了物聯網 IP 地址傳感節點的市場價值從 2015 年的不到 10 億美元增長到 2025 年的超過 480 億美元。

傳感能力在所有領域都很重要，但被稱為“已建成基礎設施”的智能建筑和智能交通將代表最重要的市場。在這兩個領域，都需要許多不同的設備，從提供基本監控的節點到具有高計算能力的活動節點。在這些領域采用物聯網的理由有很多，從社會到環境再到經濟。節能、環境控制、交通優化、基礎設施監控、事故預防和災難遏制只是可以從互連傳感設備中受益的部分領域。

除了全面了解傳感能力之外，了解物聯網節點的不同通信特性也至關重要。在開發解決方案時必須進行權衡，適當的架構研究將能夠最大限度地降低成本，同時最大限度地提高系統性能。

物聯網節點的特點

物聯網節點的主要特征（如圖 2 所示）包括傳感器前端、低功耗信號調節電子設備（通常是 ASIC，包括具有嵌入式算法的微控制器）、電源/存儲/管理和后端，低功耗通信，通常是無線的并封裝在一個封裝中（有關更多信息，請參見基于微機電系統（基于MEMS 的）系統解決方案）。實施此類設備的技術挑戰僅限于不同現有組件的集成和封裝，以及能量收集器的可用性以使節點自給自足。

圖 2：基于 MEMS 的系統解決方案 （MBSS） 集成了物聯網 （IoT） 的關鍵元素，包括傳感、計算和通信，為智能建筑/智能交通監控應用提供有價值的測量能力。（點擊圖片放大1.7倍）

在物聯網領域，網絡可分為無約束 （NTU） - 以高速通信鏈路為特征，提供每秒兆位 （Mbps） 范圍內的傳輸速率 - 和受限 （NTC） - 以相對較低的傳輸速率為特征，通常小于 1 Mbps。

網絡分類法還取決于所使用的終端類型。不受約束的終端具有高計算能力和

理論上無限的能量儲備，使它們能夠執行復雜的任務，例如強加密、HTTP 流量和 NTU 網絡典型的高傳輸速率。

受限終端相對于非受限終端表現出重要限制：傳輸能力降低，小于 1 Mbps；有限的能量儲備；有限的數據存儲能力（典型值為 RAM 為 10 KB，ROM 為 100 KB）；和有限的計算能力（小于 100 MHz）。最后，標簽式終端在計算能力、內存存儲和能量存儲方面表現出極大的局限性。

智能建筑

智能建筑提供優質舒適的環境，并在以節能方式運行的同時提高安全性和安保性。一個典型的例子是Nest “學習”恒溫器。它由七個非 MEMS 傳感器組成，不僅可以測量溫度和濕度，還可以測量存在，允許根據乘員的使用歷史進行溫度控制。

密歇根大學的 Bob 和 Betty Beyster 計算機科學大樓最近由無線集成微傳感和系統 （WIMSS） 中心的Jerry Lynch 教授安裝了儀器，配備 15 個 Martlet 無線傳感器節點，包括 45 個溫度、濕度和 CO 2通道傳感器。Lynch 教授表示，該項目的目標是“部署傳感器網絡并模擬與供暖、通風和空調 （HVAC） 性能相關的環境條件。接下來的步驟包括監控居住者的行為/存在，并將網絡直接連接到 HVAC 系統的控制系統，以實現最佳性能與成本?！?/p>

智能交通

交通運輸中采用物聯網的主要驅動力是安全性、便利性、燃油效率和環境污染。Libelium開發了一套傳感器平臺系統，用于測量西班牙桑坦德市停放車輛的存在情況。這個 400 個節點的監控系統包括磁性傳感器、信號調節電子設備、7 到 10 年的電池壽命，以及一個直徑為 12 厘米封裝的收音機。數據被傳輸到附近燈柱上的接入點，并轉發到停車部門總部，在那里進行分析，然后發送到街道上的顯示器。它也可以通過連接互聯網的設備訪問，以將車輛引導到適當的可用停車位。此外，另一個 600 節點系統安裝在燈柱上并使用 CO 2用于測量空氣質量的傳感器。

Sensys Networks 開發了一種類似的基于磁傳感器的系統，用于交通路口。該系統由一個三軸磁力計、帶有嵌入式軟件的信號調節電子設備和一個 3 英寸 x 3 英寸 x 3 英寸封裝的無線電設備組成，嵌入在交通道路和十字路口。對于當今的 6‘ 直徑大型磁環而言，這顯然是一種成本較低的解決方案。該套件將通過低本底噪聲、高靈敏度加速度計得到增強，以使用振動特征分析根據軸數和間距確定車輛分類。

Sensys 還推出了安裝在十字路口和自行車道上的“微型雷達”傳感器系統。該系統由一個工作頻率為 6.3 GHz 的高指向性雷達天線組成，可以確定 1.2 到 3.0 m 范圍內是否存在自行車。之所以采用雷達方法，是因為磁傳感器無法充分檢測到人和自行車復合材料的存在。采用了類似的功能，包括信號處理、電池和無線電。

美國公路系統是一個典型的例子，說明一項寶貴的資產如何被允許緩慢惡化到幾座橋梁倒塌的地步，特別是明尼阿波利斯密西西比河上的 I-35W 大橋，造成 13 人傷亡。作為州際公路系統的一部分，在 1950 年代至 1970 年代建造的許多原始公路和橋梁已超過其設計壽命和交通預期。公共資金僅限于支持適當的維護和維修。最近的一項研究《聯邦國家橋梁清單》顯示，在 607，380 座橋梁中，有 65，605 座被歸類為“結構缺陷”（需要修復或更換，因為跨度的至少一個主要部件已經嚴重惡化），20，

為了直接解決這種嚴峻的情況，密歇根州的林奇教授為兩座橋梁——門羅密歇根電報路橋和新卡奎內斯加州橋——安裝了傳感器節點，以確定橋梁在動態條件下的結構狀態。New Carquinez Bridge 建于 2003 年，在 1.056 公里的結構中部署了 31 個無線傳感器節點。使用專有的 Narada 4“ x 4” 印刷電路板平臺測量總共 87 個通道的三軸加速度計、應變計、風速、溫度和電位計位移傳感器，該平臺可以接受多達四個通道的傳感器數據。

Lynch 教授表示，實施的目的是確定南都傳感器節點及其遠程傳感器的成本效益部署和穩健性。該系統安裝于 2011 年，目前正在收集數據，并得到加州交通部的支持。該系統獲取的數據將用于驗證 WIMSS 團隊開發的模型，并將用于更好地了解橋梁在高風荷載和地震等條件下的響應。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的比爾·斯賓塞教授和他的團隊在 344 米跨度上為韓國珍島島大橋安裝了 113 個節點（此類橋梁監測中最大的部署）。659 個數據通道由傳感器組成，包括用于測量橋梁斜拉索振動的加速度計、應變儀、風速和風向風速計，以及溫度和光照水平傳感器。該系統于 2010 年安裝并運行至 2012 年。

Spencer 教授表示：“與首爾國立大學的同事一起，我們已經證明我們可以部署一種無線自主測量解決方案，該解決方案功能強大且成本顯著降低，每通道約 100 美元。該項目已按預期返回結果，我們能夠更好地了解風荷載算法并驗證我們的模型。”

新發展

Innoveering目前正在開發的智能建筑解決方案使用連接到節點/接入點的加速度計和應變計。增強型結構倒塌感知和預測設備 （ESCAPE） 應用程序可在火災期間測量建筑物的結構完整性，并警告第一響應者建筑物的狀況，以防止他們受到傷害。該程序處于硬件和算法開發的早期階段。

塔夫茨大學的 Babak Moaveni 和 Usman Khan教授正在開發基于無人機的光學系統來檢查橋梁。這種檢查目前由工程師和維護人員使用視覺方法進行。塔夫茨大學的研究人員正在探索配備高清和紅外攝像頭的無人機儀器，以拍攝結構照片，將信息存儲在無人機的存儲系統中，并在無人機返回基地時下載信息。使用無人機圖片檢測結構中的裂縫并結合振動特征分析有望實現對惡化結構的更準確評估。這種方法的一個主要優點是它使用歷史上和高度可接受的方法來確定橋梁結構惡化 - 視覺 - 預計這將有助于維護社區的接受。

物聯網傳感器節點的成本/收益分析

無線自主傳感器網絡/物聯網節點有兩個主要組成部分：傳感器和通信模塊?？梢愿鶕ㄐ旁O備的功能對其進行分類：無約束、有約束以及標簽和系統架構必須無縫集成各種物聯網節點。在過去的幾年里，它們在不同的領域中運作，但主要是在試點項目中。根據研究結果，它們被廣泛采用的主要障礙是資金。盡管許多研究已經確定了我們的道路和橋梁的老化性質以及它們的不斷惡化，但這還不足以激勵政府機構從結構上解決這些問題。這些條件在日本、中國和越南以及美國都存在

我們認為成本/收益比應該作為開發物聯網節點和監控系統的主要指標。I-35W 密西西比大橋的重置成本為 2.34 億美元，足以安裝 20，000 多座橋梁。

作者：Roger Grace，Alessandro Bassi

審核編輯：郭婷