智能傳感器這一概念是由國(guó)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”，傳感器很大程度上能讓物體慢慢變得活了起來(lái)。筆者獲悉，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器將迎來(lái)發(fā)展契機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)后，MEMS技術(shù)、低能耗的模擬和數(shù)字電路技術(shù)、低能耗的無(wú)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。

物聯(lián)網(wǎng)的定義

物聯(lián)網(wǎng)至今無(wú)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(shí)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(guò)傳感裝置(器)，按約定協(xié)議，將物與網(wǎng)連接，實(shí)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(duì)連續(xù)控制領(lǐng)域)、射頻識(shí)別器RFID(對(duì)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(gè)域網(wǎng)、以它網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等。

我國(guó)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(yùn)營(yíng)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(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新。如低能耗、低成本、通用性、實(shí)時(shí)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(diǎn)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(diǎn)、傳感器網(wǎng)關(guān);超高頻RFID、有源RFID和RFID中間件;重點(diǎn)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(dòng)示范應(yīng)用，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)價(jià)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(yùn)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(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，提升物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)業(yè)鏈的整體價(jià)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(shí)產(chǎn)權(quán)協(xié)調(diào)互動(dòng)機(jī)制。加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研究，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證、測(cè)試和仿真等標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)，加快關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的制訂、實(shí)施和應(yīng)用。積極參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂，整合國(guó)內(nèi)研究力量形成合力，推動(dòng)國(guó)內(nèi)自主創(chuàng)新的研究成果推向國(guó)際。

智能傳感器的發(fā)展

智能傳感器這一概念是由國(guó)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(yǔ)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這里“傳感器”的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(cè)、自修正、自保護(hù)功能。如自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自檢驗(yàn)、自處理、自動(dòng)存貯和記憶;自校零、自校正、自標(biāo)定、自補(bǔ)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(guò)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(hào)輸出功能。特別要指出的是，智能傳感器的概念是動(dòng)態(tài)的、發(fā)展的、變化的。

80年代，將信號(hào)處理電路(濾波、放大、調(diào)零)與傳感器設(shè)計(jì)在一起，輸出4～20mA電流或0～5V電壓，這樣的傳感器為當(dāng)時(shí)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(shí)現(xiàn)溫補(bǔ)、修正、校準(zhǔn)，同時(shí)由A/D變換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這種類型的傳感器不但有硬件，還可通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，輸出為數(shù)字信號(hào)。我們稱之為“第二代智能傳感器”。

“現(xiàn)場(chǎng)總線”概念提出后，對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)提出了新要求，要求實(shí)現(xiàn)全數(shù)字、開放式的雙向通信，測(cè)量和控制信息的交換在底層上主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)完成，數(shù)據(jù)交換主要是通過(guò)Intranet等網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器設(shè)計(jì)上軟件占主要地位，通過(guò)軟件將傳感器內(nèi)部各個(gè)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(wú)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(gè)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(gè)用于處理敏感組件采集信息的計(jì)算模塊，一個(gè)用于通信的無(wú)線電收發(fā)模塊，一個(gè)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”。

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(dòng)信息化在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活及國(guó)防等方面的應(yīng)用，優(yōu)化國(guó)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)。

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(jià)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(jì)與開發(fā)要求

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模、低成本、無(wú)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(jì)需滿足以下條件：

小型化物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)要求傳感器節(jié)點(diǎn)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(chǎng)需求、工藝水平、勞動(dòng)力資本等有關(guān)。不僅有技術(shù)問(wèn)題，還與國(guó)家政策、導(dǎo)向有關(guān)。從技術(shù)層面看，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須貫徹低成本設(shè)計(jì)原則。

低功耗因物聯(lián)網(wǎng)是靠電池長(zhǎng)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(qiáng)電場(chǎng)、高濕、障礙物等惡劣環(huán)境。

靈活性傳感器節(jié)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)提供一系列的軟、硬件標(biāo)準(zhǔn)，能實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的靈活編程要求。

智能傳感器設(shè)計(jì)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(wú)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(duì)的是外界環(huán)境的模擬信號(hào)，與環(huán)境中檢測(cè)的物理量有關(guān)，為了滿足控制實(shí)時(shí)性要求，信號(hào)采樣必須保證實(shí)時(shí)性，要求輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。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(cè)試和下載接口構(gòu)成，微控制器是一個(gè)低功耗的系統(tǒng)級(jí)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(cè)量值及其它用戶定義的數(shù)據(jù)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于提供實(shí)時(shí)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(wú)線通信子系統(tǒng)由天線連接器和無(wú)線射頻電路組成。電源子系統(tǒng)由電源供電單元和動(dòng)態(tài)電源管理單元構(gòu)成;動(dòng)態(tài)電源管理單元支持運(yùn)行相應(yīng)的低功耗運(yùn)算法則，最大限度延長(zhǎng)電池的使用壽命。

信號(hào)處理方法在網(wǎng)絡(luò)化使用環(huán)境中，即插即用是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備最基本的要求。但由敏感組件檢測(cè)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(shí)別被測(cè)對(duì)象，確定被測(cè)對(duì)象信號(hào)位置，確定被測(cè)對(duì)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(jì)時(shí)涉及的性能標(biāo)定問(wèn)題，信號(hào)處理必須滿足上述要求。

接口設(shè)計(jì)智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時(shí)，通常涉及流程工業(yè)連續(xù)測(cè)控領(lǐng)域，可用于不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)合，遵循不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，要保證所設(shè)計(jì)的傳感器完全滿足這些協(xié)議較困難，就必須考慮接口問(wèn)題，接口設(shè)計(jì)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(duì)象局限于傳感機(jī)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)其價(jià)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(jì)、通信、管理等，一般C、Labview，ActiveX等工具軟件均可完成，用于實(shí)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(jì)技術(shù)。設(shè)計(jì)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(jì)和仿真。需建立數(shù)學(xué)模型、線路設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)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(guó)產(chǎn)傳感器最大問(wèn)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(jì)、可靠性試驗(yàn)、可靠性篩選、可靠性管理這些技術(shù)問(wèn)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。

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