淺談五種新趨勢(shì)的傳感器技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的日益普及，需要傳感器開(kāi)發(fā)廠家提供不同的技術(shù)創(chuàng)新（比如：超低功耗、外形更小巧、邊緣計(jì)算預(yù)處理等）。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的興起帶來(lái)了傳感器的迅猛發(fā)展。一般情況，每個(gè)上線的新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都連接了至少四個(gè)新傳感器。物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，感知物理環(huán)境信息并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

5種新趨勢(shì)的傳感器技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器市場(chǎng)一直在進(jìn)行不斷的技術(shù)創(chuàng)新，我們整理了5種新的物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，在未來(lái)幾年會(huì)影響物聯(lián)網(wǎng)傳感器的市場(chǎng)格局。

1.智能傳感器，可以充當(dāng)邊緣設(shè)備

智能傳感器是一種具備感知、計(jì)算和通信能力的設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)地感知環(huán)境中的物理量或事件，并將其轉(zhuǎn)化為可用于分析、控制或通信的數(shù)字信號(hào)。傳感器正變得越來(lái)越先進(jìn)，關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)創(chuàng)新包括更高的計(jì)算能力和從多個(gè)離散傳感元件檢測(cè)信號(hào)的能力，業(yè)界將這些更先進(jìn)的設(shè)備稱為 "智能傳感器"。智能傳感器不是簡(jiǎn)單地將傳感器信號(hào)傳遞給價(jià)值鏈中的下一級(jí)，而是可以直接處理信號(hào)（例如，驗(yàn)證和解釋數(shù)據(jù)，顯示結(jié)果，或運(yùn)行特定的分析應(yīng)用程序），通過(guò)這種方式傳感器成為邊緣設(shè)備。

最先進(jìn)的智能傳感器現(xiàn)在也將人工智能納入其設(shè)計(jì)中。這些傳感器是為人工智能推理而設(shè)計(jì)的，這有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，可以立即做出決定，敏感數(shù)據(jù)可以得到處理，而不需要將其發(fā)送到其他地方并產(chǎn)生數(shù)據(jù)被盜的風(fēng)險(xiǎn)。

智能傳感器融合了傳感器技術(shù)、微處理器和通信技術(shù)，使其能夠在傳感和處理數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行智能決策和與外部系統(tǒng)的交互。

智能傳感器通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵組件：

傳感器：智能傳感器通過(guò)內(nèi)置的傳感器組件感知環(huán)境中的物理量，例如溫度、濕度、壓力、光照等。傳感器可以采用各種不同的技術(shù)，如光學(xué)、電子、聲波等，用于感知不同類型的信息。

微處理器：智能傳感器內(nèi)置了微處理器或微控制器，用于處理從傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)。微處理器具有計(jì)算能力，可以執(zhí)行算法和邏輯操作，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和決策。

存儲(chǔ)器：智能傳感器通常配備了一定的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)、配置參數(shù)以及軟件程序等。存儲(chǔ)器可以是閃存、RAM（隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器）等形式。

通信接口：智能傳感器通常具備與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行通信的能力。這可以是有線接口（如以太網(wǎng)、串行接口等）或無(wú)線接口（如Wi-Fi、藍(lán)牙、LoRa等），使得傳感器能夠與網(wǎng)絡(luò)或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制。

能源管理：智能傳感器需要能源供應(yīng)，以提供所需的功能和運(yùn)行。能源管理模塊可包括電池、電源管理電路和低功耗設(shè)計(jì)等，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的自主運(yùn)行或低功耗操作。

案例：2022年1月，亞馬遜發(fā)布了其Ring家庭安全玻璃破碎傳感器，它利用AI技術(shù)和Syntiant NDR101BQQF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，直接在傳感器上檢測(cè)玻璃破碎。該傳感器能在25英尺以外準(zhǔn)確地檢測(cè)到玻璃破碎事件，如窗戶被砸碎或破裂，并當(dāng)場(chǎng)發(fā)出警報(bào)。

2. 傳感器變得更節(jié)能、功耗更低

越來(lái)越多的傳感器使用可再生能源為自己供電，如太陽(yáng)能或風(fēng)能，從而消除了更換電池或其他電源的需要。這一創(chuàng)新提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可靠性和壽命，特別是那些部署在偏遠(yuǎn)或無(wú)法到達(dá)的地方的設(shè)備，這些設(shè)備需要能自我供電，有助于減少整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置對(duì)環(huán)境的影響。

在節(jié)能方面需要新的傳感器注意以下幾個(gè)方面：

超低功耗傳感器，采用小型超低功率微控制器，減少傳感器用電功耗以及設(shè)備外形尺寸。

提高信噪比，為了節(jié)省能源，傳感器可以包括一個(gè)信號(hào)處理組件，過(guò)濾掉噪音或干擾，以便有針對(duì)性地使用其功率，檢測(cè)和測(cè)量實(shí)際信號(hào)。

例子：矽遞科技的SenseCAP LoRaWAN S2101?溫濕度傳感器，它采用內(nèi)部電池供電，可以在沒(méi)有外部電源的情況下在建筑物內(nèi)運(yùn)行。由于采用了低功耗設(shè)計(jì)，其電池供電可以保障設(shè)備運(yùn)行5到10年。該設(shè)備通過(guò)LoRaWAN技術(shù)連接，這使它能夠使用最小的功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。這使得它非常適合在各種室內(nèi)室外環(huán)境中使用，如辦公室、倉(cāng)庫(kù)或工廠及戶外。

3. 軟件和虛擬傳感器越來(lái)越多地成為物理傳感器的補(bǔ)充

在某些情況下，無(wú)法安裝物理傳感器（例如，在復(fù)雜或危險(xiǎn)的環(huán)境中），那么替代解決方案包括軟傳感器和虛擬傳感器。

軟傳感器是一種計(jì)算算法，它基于其他現(xiàn)有的物理傳感器和推斷測(cè)量量值的算法/計(jì)算模型來(lái)估計(jì)難以測(cè)量的數(shù)量的值。

虛擬傳感器類似于軟傳感器，不同之處在于其值不是基于現(xiàn)有的物理傳感器，而是純粹基于算法/計(jì)算模型。

軟傳感器示例：羅克韋爾自動(dòng)化的預(yù)測(cè)質(zhì)量軟件應(yīng)用程序創(chuàng)建預(yù)測(cè)模型，使用來(lái)自儀器和實(shí)驗(yàn)室分析的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)過(guò)程和產(chǎn)品條件。這些模型基于歷史工廠數(shù)據(jù)，并充當(dāng)推理傳感器來(lái)預(yù)測(cè)質(zhì)量參數(shù)（作為其他物理傳感器的替代方案）。

虛擬傳感器示例：2021 年，西門(mén)子開(kāi)發(fā)了一種迷你邊緣計(jì)算機(jī)，可以連接到資產(chǎn)（例如電機(jī)）并幫助計(jì)算虛擬傳感器值。例如，通過(guò)將最新的運(yùn)行電機(jī)數(shù)據(jù)輸入數(shù)字模型，可以實(shí)時(shí)計(jì)算溫度。此操作既不需要現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)，也不需要任何其他實(shí)際傳感器讀數(shù)，因?yàn)樗蕾囉跈C(jī)器狀態(tài)參數(shù)和電機(jī)的虛擬模型。

4. 傳感器融合的創(chuàng)新（特別是自動(dòng)駕駛）

傳感器是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的重要組成部分，因?yàn)樗鼈優(yōu)樽詣?dòng)駕駛汽車(chē)提供有關(guān)周?chē)h(huán)境的信息。車(chē)輛的車(chē)載計(jì)算機(jī)使用此信息進(jìn)行導(dǎo)航和決策。自動(dòng)駕駛的三個(gè)關(guān)鍵傳感器包括激光雷達(dá)、雷達(dá)和3D攝像頭（圖像傳感器）。特斯拉前期主要依賴雷達(dá)技術(shù)，最近幾年該公司開(kāi)始向特斯拉視覺(jué)（基于攝像頭的系統(tǒng)）識(shí)別過(guò)渡。

包括索尼、Mobileye和Waymo在內(nèi)的公司目前正專注于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)創(chuàng)新，將攝像頭與LiDAR和雷達(dá)等其他傳感技術(shù)相結(jié)合，以改善其自動(dòng)駕駛解決方案的圖像分析。由于攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)感知環(huán)境的不同特征，這種組合（也稱為“傳感器融合”）背后的想法是為系統(tǒng)提供更豐富的真實(shí)世界模型，以決定行動(dòng)方案或計(jì)算輸出。總體而言，自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的傳感器協(xié)同工作，提供車(chē)輛周?chē)h(huán)境的完整圖像，使其能夠做出安全高效的駕駛決策。

案例：索尼依靠使用帶有LiDAR或雷達(dá)的攝像頭的技術(shù)來(lái)執(zhí)行自動(dòng)駕駛應(yīng)用中的物體識(shí)別任務(wù)。例如，該公司目前正在開(kāi)發(fā)一種結(jié)合攝像頭和雷達(dá)的解決方案。這種組合可能有助于在夜間識(shí)別人和車(chē)輛。攝像頭和LiDAR的組合有利于停車(chē)輔助功能，這需要高精度的距離測(cè)量。

5. 生物傳感器越來(lái)越成熟（主要用于醫(yī)療保健應(yīng)用）

生物傳感器和一次性傳感器技術(shù)近年來(lái)已經(jīng)成熟，并已被醫(yī)療保健行業(yè)采用。生物傳感器研究的最新突破表明，這項(xiàng)技術(shù)在其他領(lǐng)域也幾乎可以應(yīng)用。

“生物傳感器”是“生物傳感器”的縮寫(xiě)。生物元素與被測(cè)分析物相互作用，傳感器將生物響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。根據(jù)其應(yīng)用，生物傳感器也稱為免疫傳感器、光學(xué)元件、共振鏡、生物芯片、血糖儀或生物計(jì)算機(jī)。

生物傳感器示例：Abbott?FreeSTyle Libre?是用于血糖監(jiān)測(cè)的商業(yè)化程度最高的生物傳感器解決方案之一。FreeStyle Libre系統(tǒng)目前在全球擁有超過(guò)3萬(wàn)用戶。

寫(xiě)在最后

各種不同傳感器技術(shù)融合發(fā)展，提供不同功能的應(yīng)用場(chǎng)景，比如智能傳感器會(huì)越來(lái)越多的參與邊緣計(jì)算工作，讓整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)更佳自動(dòng)化、智能化。

審核編輯：湯梓紅