瑞萨开创新市场“传感器网络”特集Part 1

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瑞萨的新市场开发部面向近期将获得大发展的新市场进行解决方案的开发,是解决方案开发的引领者。其任务是:将瑞萨的强项以解决方案的形式提交给客户,并籍此开创新市场以及促进新市场的成长。目前,"无线传感网络"便是被新市场开发部寄予厚望的解决方案之一。本系列共分5辑,以连载的形式为大家介绍瑞萨在业界率先提出并极力推广的"无线传感网络"这一解决方案进行说明。本期为第1辑,由新市场开发部部长豆谷智治先生就本系列的整体概要进行说明。

我们的任务是「创造」新市场

瑞萨公司是一家将高超的技术能力和全球化据点有效结合,为世界各国和地区提供环保型产品和解决方案的业界领军企业。而在瑞萨内部,肩负着开创和引领预期将有大发展的新市场之重任的,便是新市场开发部。新市场开发部的特点是充分了解顾客的需求,结合瑞萨的强项,以顾客需求为导向提供新一代产品、开创并促进新市场的成长。由于新市场开发部还必须横向了解和掌握各种产品与技术,因此,新市场开发部隶属于市场本部。 以下图1所示的是市场的成长曲线与具有代表性的解决方案。新市场开发部的任务便是创造和推进图中A部分的"诞生期"。目前,被新市场开发部寄予厚望的解决方案之一便是"无线传感网络"。

Tomoharu Mametani, Director of the Advanced Marketing Department

Tomoharu Mametani

Director of the Advanced Marketing Department

Advanced Marketing Dept. General Purpose Systems Div. Marketing Unit, Renesas Electronics Corporation

图1:市场的成长曲线 创造和推进A部分"诞生期",正是新市场开发部的任务所在。

图1:市场的成长曲线 创造和推进A部分"诞生期",正是新市场开发部的任务所在。

智能社会的"基础设施"—无线传感网络

无线传感网络中的众多传感器可彼此协调,以收集环境及物理状况等数据,该技术的核心是将传感器与无线信号发射与接收电路(RF电路)集成一体化的无线传感器模块。

进行数据交换的通信手段大致可分为有线(wired)和无线(wireless)两种。而其中又以传感器模块为移动体的情况居多,这种情况下几乎无法安装到有线通信网络中。

无线传感网络是指:

  • 多个带有传感器的无线节点彼此协调,以收集环境及物理状况的无线网络。

无线传感网络的核心技术:

  • 信息技术(IT):数据的累积、管理及分析
  • 传感技术:代替人类将各种情况转换为数据
  • 通信技术:可自主构建、重新构建节点间的通信路径

Figure 2: Ways in which wireless sensor networks will impact the Smart Society. Innovative wireless networks with automatic monitoring and control capabilities can boost efficiency, decrease uncertainty, reduce risks, and increase comfort and convenience. Additionally, wireless deployments can tailor their system operations to changes in conditions and user demand, help ensure uninterrupted utility services, and perform many other valuable functions.

图2:智能化社会的基础设施「无线传感网络」

无线传感网络之所以受到如此重视,是因为它将有望成为支撑我们今后生活的基础(基础设施)。一个实现了安全、安心、富足生活的智能化社会,无线传感网络的支持是必不可少的。

已知的一个例子便是,无线传感网络早被广泛应用于气象观测领域。除了百叶箱、气象观测船、气象观测浮标之外,还有气象卫星、雷达、气象数据自动采集系统等收集与气象相关的各种数据,并将收集到的数据进行云处理,由此,便可诞生出更多的利用气象数据的方法和技术。

日趋标准化的无线(wireless)技术

无线传感网络的普及离不开技术规格的标准化。如果开发企业各自为政,各自设计出独特规格的传感器模块,将会令不同企业的产品之间的相互通信变得更加繁杂,从而导致开发效率的恶化。为解决此问题,各种标准化组织正在极力推进技术规格的制定进程。

另外,在无线通信的标准化推进过程中,各个国家和地区间频段分配的不同成为了无线信号发射和接收电路的成本控制及全球化的重大障碍。目前,世界各国通用的频段是2.4GHz频段。也就是说,Wi-Fi®及ZigBee®、Bluetooth®等各种规格的无线通信都在使用这一频段。虽然2.4GHz频段广受利用,但也一直受其信号特性,特别是通信距离有限这一问题的困扰。为了改善这一现状,最近全球范围内已开始了推进sub-GHz频段的标准化进程。

图3:无线传感网络的三要素与标准化案例 我们将精力集中在无线传感网络不可或缺的三要素---

图3:无线传感网络的三要素与标准化案例 我们将精力集中在无线传感网络不可或缺的三要素—"无线""传感器""网络"上。

瑞萨的全新通信技术—「体域网/可见光通信」提案

正如前一章所介绍,除了利用已处于日趋饱和状态的2.4GHz频段无线通信以外,瑞萨还提出了两个崭新的无线通信技术方案,以促进新市场的成长。

(1)以人体周围为通信路径

体域网(BAN)是一种在人体表面、内部或周围进行通信的技术。由于BAN的通信范围仅限于人体周围,所以具有安全性高的特点。关于BAN技术的详细内容,将在本系列的第2辑里作详细介绍。

图4:BAN技术中被寄予厚望的应用

图4:BAN技术中被寄予厚望的应用

(2)将已经普及的可见光LED运用于通信领域

另一项技术,便是"可见光通信(VLC:Visible Light Communication)技术"。所谓的可见光通信,就是指利用肉眼可以看见的"可见光"进行通信的技术。在因某些特殊原因而限制使用信号的场所(如水中、医院、飞机等),或者利用了光被墙壁等遮蔽的特定场所(如路面、室内、车内等)中,"可见光通信"技术将可以大显身手。作为实现无线通信的一项重要手段,可见光通信技术目前正被寄予厚望。

可见光通信之所以被寄予如此厚望,是由于可见光发光二极管(可见光LED)目前已相当普及。LED是一种可高速闪烁的光源,目前,已被作为光源应用于光纤通信中。而可见光通信则是一种不使用光纤,而是将可见光用于空间内通信的技术。例如,可通过使办公室里的LED照明灯高速闪烁来进行数据的传送和接收。关于可见光通信技术的详细内容,将在本系列的第5辑里作详细介绍。

图5:可见光通信技术中被寄予厚望的应用

图5:可见光通信技术中被寄予厚望的应用

为了降低功耗,除了"节能"之外,还要"创能"+"蓄电"

无线网络的长处在于其稳定性(稳固性)。由于可以自主构建通信路径,所以,即使在通信过程中出现异常,也可以立刻构筑其他通信路径,而且,传感器模块的作用不仅限于网络的终端设备,有时还需要发挥作为构成网络的通信路径上的节点的功能。然而在需要自主构建网络时,作为通信数据单位的数据包中,除了原来的数据之外还增加了附加信息,而这些附加信息将造成通信的额外负担(overhead),因而导致传感器节点的功耗增加。

降低功耗的对策之一,便是能源采集的方案。这是一项利用以前一直被废弃的能源进行发电的技术,是一种被称之为"创能"的能源创造技术。除了太阳能和风能这些耳熟能详的能源之外,使机械开关运行的力和用手开关门时的力、人类的步行、工厂及办公室等场所的排热、工厂内的机械振动等能源,都可以将之转化为电力并储存于蓄电池中,以备将来使用。

这项技术未来也将被应用于无线传感网络中传感器模块的主电源的能源采集技术。本系列的第3辑将详细介绍这项技术。

现有的传感器模块资产与新传感器设备的运用

虽然无线技术开始在传感器网络领域急速发展,但由于wired(有线)技术构筑的传感器网络依然普遍存在,所以,以使用有线网络为前提的标准传感器界面还一直得以使用。而且,希望今后继续使现有的传感器发挥作用的客户也不在少数。针对这样的需求,瑞萨仍将尽力提供支援现有传感器运用的技术。

同时,市场上还诞生了众多模拟人类感觉的传感器。为此,我们将提供支持支援工具"SmartAnalog",以帮助这些新型传感器在制造时进行特性修正、以及对其在实际使用过程中随时间劣化的问题进行动态(dynamic)修正。

瑞萨的努力方向和应用实例

无线传感网络经常被用于代替人类进行24小时监控等情况。此外,还有针对沟通上存在障碍的人士(如婴幼儿及重症患者)和动物(如家畜及宠物)进行生命信息监测、以及对包括气象和土地状况在内进行环境监控的需求等。为满足这些监控的需求,瑞萨正以产学合作的方式进行实验及实证,并着手开发无线传感器节点的解决方案。这方面的详细内容,将在本系列的第4辑中作更详细的介绍。

最后,简单介绍一下本系列的内容,本系列主要介绍瑞萨在"无线传感网络"方面的举措。第2辑中将介绍"体域网技术";第3辑中介绍"能量采集技术";第4辑为"无线传感网络应用市场的介绍";第5辑中介绍"可见光通信技术"。敬请期待。

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