自溫家寶總理發(fā)表“感知中國”重要講話以來，物聯(lián)網(wǎng)這一概念，在全國如雨后春筍、如火如荼。物聯(lián)網(wǎng)的提出與興起，對傳感器特別是智能化傳感器的發(fā)展帶來了前所未有的空間與契機，希望在傳感器業(yè)界引起廣泛的注意和足夠的重視。
物聯(lián)網(wǎng)的定義
物聯(lián)網(wǎng)至今無確切的、統(tǒng)一的定義。有人提出：物聯(lián)網(wǎng)是物與物之間相連的互聯(lián)網(wǎng)，核心基礎(chǔ)仍是互聯(lián)網(wǎng)。有人提出：物聯(lián)網(wǎng)不是互聯(lián)網(wǎng)的下一代，是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的拓展。物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵要比傳感網(wǎng)大，比泛在網(wǎng)小，物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)物到物、物到人、人到人的信息獲取、傳輸、處理等管理功能。
筆者根據(jù)有關(guān)資料分析、整理，物聯(lián)網(wǎng)的定義為“通過傳感裝置（器），按約定協(xié)議，將物與網(wǎng)連接，實現(xiàn)信息管理的一種網(wǎng)絡(luò)。”這里的傳感裝置可以是智能傳感器（對連續(xù)控制領(lǐng)域）、射頻識別器RFID（對離散控制領(lǐng)域）、其它獲取信息的傳感裝置等。這里的網(wǎng)可以是互聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、局域網(wǎng)、個域網(wǎng)、以它網(wǎng)、現(xiàn)場總線等。
我國物聯(lián)網(wǎng)總體尚處于起步階段，為推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，工業(yè)和信息化部將采取四大措施支持電信運營企業(yè)開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用工程，主要是：
● 突破關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)科技創(chuàng)新。如低能耗、低成本、通用性、實時性、智能性等共性關(guān)鍵技術(shù)，“協(xié)同”處理技術(shù)，推廣應(yīng)用技術(shù)等。
● 制訂發(fā)展規(guī)劃，全面合理布局。重點發(fā)展高端傳感器、MEMS傳感器、智能網(wǎng)絡(luò)傳感器、傳感器節(jié)點、傳感器網(wǎng)關(guān)；超高頻RFID、有源RFID和RFID中間件；重點發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的終端設(shè)備、應(yīng)用軟件和信息服務(wù)。
● 推動示范應(yīng)用，帶動產(chǎn)業(yè)價值。目前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要在八大方面，即工業(yè)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、智能電網(wǎng)、交通運輸領(lǐng)域、物流領(lǐng)域、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域、節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域。建設(shè)應(yīng)用示范工程，確立以應(yīng)用帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，提升物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用過程中產(chǎn)業(yè)鏈的整體價值。
● 制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，保障健康發(fā)展。根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求，形成技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)制訂和知識產(chǎn)權(quán)協(xié)調(diào)互動機制。加強關(guān)鍵技術(shù)研究，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)驗證、測試和仿真等標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺，加快關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的制訂、實施和應(yīng)用。積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)制訂，整合國內(nèi)研究力量形成合力，推動國內(nèi)自主創(chuàng)新的研究成果推向國際。
智能傳感器的發(fā)展
智能傳感器這一概念是由國外引進(jìn)的，通常定義為“帶有微處理器，具有信息處理功能的傳感器”。根據(jù)《敏感組件和傳感器名詞術(shù)語》國家標(biāo)準(zhǔn)，這里“傳感器”的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常有敏感組件和轉(zhuǎn)換組件組成。這里的“處理功能”主要包括：
● 自檢測、自修正、自保護(hù)功能。如自動采集數(shù)據(jù)、自檢驗、自處理、自動存貯和記憶；自校零、自校正、自標(biāo)定、自補償；自尋故障、自修正等。
● 判斷、決策、思維功能。能根據(jù)輸入信息進(jìn)行判斷和制定決策、通過軟件控制做出多種決定。
● 雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或符號輸出功能。特別要指出的是，智能傳感器的概念是動態(tài)的、發(fā)展的、變化的。
80年代，將信號處理電路（濾波、放大、調(diào)零）與傳感器設(shè)計在一起，輸出4～20mA電流或0～5V電壓，這樣的傳感器為當(dāng)時意義的智能傳感器。我們稱之為“第一代智能傳感器”。
80年代末到90年代中后期，將單片微處理器嵌入傳感器中，實現(xiàn)溫補、修正、校準(zhǔn)，同時由A/D變換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這種類型的傳感器不但有硬件，還可通過軟件對信號進(jìn)行簡單處理，輸出為數(shù)字信號。我們稱之為“第二代智能傳感器”。
“現(xiàn)場總線”概念提出后，對傳感器的設(shè)計提出了新要求，要求實現(xiàn)全數(shù)字、開放式的雙向通信，測量和控制信息的交換在底層上主要是通過現(xiàn)場總線來完成，數(shù)據(jù)交換主要是通過Intranet等網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，傳感器設(shè)計上軟件占主要地位，通過軟件將傳感器內(nèi)部各個敏感單元或與外部的智能傳感器單元聯(lián)系在一起。我們稱之為“第三代智能傳感器”。
進(jìn)入21世紀(jì)后，由于MEMS技術(shù)、低能耗的模擬和數(shù)字電路技術(shù)、低能耗的無線射頻（RF）技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得開發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能。這種微傳感器一般裝備有：一個用于感知外界環(huán)境物理量的敏感組件（如壓力、溫度、濕度、光、聲、磁等），一個用于處理敏感組件采集信息的計算模塊，一個用于通信的無線電收發(fā)模塊，一個為微傳感器的各種操作提供能量的電源模塊。我們稱之為“第四代智能傳感器”或“智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器”。
智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。
圖1、智能傳感器結(jié)構(gòu)原理框圖
智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)
智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)在改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)和促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動信息化在國民經(jīng)濟(jì)和社會生活及國防等方面的應(yīng)用，優(yōu)化國家重要基礎(chǔ)設(shè)施的效能，促進(jìn)節(jié)能減排和改進(jìn)公共服務(wù)等方面作用巨大，意義深遠(yuǎn)。
圖2、智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)
智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中必不可少的重要組成部分，智能傳感器的特性如精度、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)性、功耗、成本、價格等性能，直接影響物聯(lián)網(wǎng)性能的優(yōu)劣和大規(guī)模的推廣、應(yīng)用。
智能傳感器設(shè)計與開發(fā)要求
為了滿足物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模、低成本、無人值守、環(huán)境復(fù)雜、電池供電等外界環(huán)境條件，智能傳感器的設(shè)計需滿足以下條件：
小型化 物聯(lián)網(wǎng)的特點要求傳感器節(jié)點小型化。可采用MEMS技術(shù)、IC技術(shù)，但必須考慮它們之間的兼容性和可行性。小型化與器件封裝有極大關(guān)系，智能傳感器小型化封裝成為關(guān)鍵技術(shù)之一。
低成本 低成本是物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的前提，因此必須保證低成本。低成本與產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、市場需求、工藝水平、勞動力資本等有關(guān)。不僅有技術(shù)問題，還與國家政策、導(dǎo)向有關(guān)。從技術(shù)層面看，在產(chǎn)品設(shè)計時必須貫徹低成本設(shè)計原則。
低功耗 因物聯(lián)網(wǎng)是靠電池長期供電，為節(jié)約能源，智能傳感器必須采用低功耗供電。
抗干擾 能抗電磁幅射、雷電、強電場、高濕、障礙物等惡劣環(huán)境。
靈活性 傳感器節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時，節(jié)點通過提供一系列的軟、硬件標(biāo)準(zhǔn)，能實現(xiàn)面向應(yīng)用的靈活編程要求。
智能傳感器設(shè)計方法
系統(tǒng)構(gòu)成 智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器系統(tǒng)有四部分組成，即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中，敏感組件面對的是外界環(huán)境的模擬信號，與環(huán)境中檢測的物理量有關(guān)，為了滿足控制實時性要求，信號采樣必須保證實時性，要求輸出的信號為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)由微控制器、存貯器、嵌入式操作系統(tǒng)、測試和下載接口構(gòu)成，微控制器是一個低功耗的系統(tǒng)級芯片，可以把采集子系統(tǒng)的信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)據(jù)直接處理。存貯器用于存貯數(shù)據(jù)、測量值及其它用戶定義的數(shù)據(jù)。嵌入式實時操作系統(tǒng)，用于提供實時的調(diào)度與管理。接口為調(diào)試和下載程序提供標(biāo)準(zhǔn)接口。無線通信子系統(tǒng)由天線連接器和無線射頻電路組成。電源子系統(tǒng)由電源供電單元和動態(tài)電源管理單元構(gòu)成；動態(tài)電源管理單元支持運行相應(yīng)的低功耗運算法則，最大限度延長電池的使用壽命。
信號處理方法 在網(wǎng)絡(luò)化使用環(huán)境中，即插即用是對網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備最基本的要求。但由敏感組件檢測的物理量其輸入輸出關(guān)系不確定，有些是線性的，通常是非線性的，必須保證系統(tǒng)準(zhǔn)確識別被測對象，確定被測對象信號位置，確定被測對象經(jīng)由敏感組件后輸入輸出的關(guān)系，確定輸入輸出的物理量。類似于傳統(tǒng)傳感器設(shè)計時涉及的性能標(biāo)定問題，信號處理必須滿足上述要求。
接口設(shè)計 智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時，通常涉及流程工業(yè)連續(xù)測控領(lǐng)域，可用于不同的網(wǎng)絡(luò)場合，遵循不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，要保證所設(shè)計的傳感器完全滿足這些協(xié)議較困難，就必須考慮接口問題，接口設(shè)計是智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器與普通傳感器的區(qū)別之一。
軟件工具開發(fā) 傳統(tǒng)傳感器的研發(fā)主要由硬件構(gòu)成，研究對象局限于傳感機理、材料、結(jié)構(gòu)、工藝等物理方面，而智能傳感器的智能性則是在硬件基礎(chǔ)上通過軟件實現(xiàn)其價值，軟件在智能傳感器中占有重要成份，而智能化的程度與軟件開發(fā)水平成正比。軟件開發(fā)工具包括設(shè)計、通信、管理等，一般C、Labview，ActiveX等工具軟件均可完成，用于實現(xiàn)傳感器模型建立、標(biāo)定參數(shù)建立、最佳標(biāo)定模型選擇等。
智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)
智能傳感器在硬件制造方面的關(guān)鍵技術(shù)主要有：
● 智能傳感器模塊中各芯片的設(shè)計技術(shù)。設(shè)計必須滿足小型化、低成本、低功耗、抗干擾、靈活性要求，利用Ansys和MSC.Patran、MSC.Marc、MSC.Fatigue軟件進(jìn)行芯片設(shè)計和仿真。需建立數(shù)學(xué)模型、線路設(shè)計、可靠性設(shè)計等工作。
● 智能傳感器的制備工藝技術(shù)。需突破MEMS工藝與集成電路IC工藝的相容性技術(shù)，智能傳感器的小型化封裝技術(shù)，智能傳感器規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)等。
● 智能傳感器的可靠性技術(shù)。目前國產(chǎn)傳感器最大問題是產(chǎn)品可靠性不高，直接影響傳感器應(yīng)用，可靠性性設(shè)計、可靠性試驗、可靠性篩選、可靠性管理這些技術(shù)問題必須貫穿產(chǎn)品制備始終。
● 智能傳感器接口技術(shù)，特別是與外部網(wǎng)絡(luò)的接口。
● 智能傳感器的標(biāo)準(zhǔn)制訂。(end)
