詳談物聯(lián)網(wǎng)傳感器的基本原理和工作流程

過(guò)去十幾年，計(jì)算機(jī)、軟件和計(jì)算技術(shù)在世界上發(fā)生了巨大的變化。其中比較受歡迎的是個(gè)人電腦、筆記本電腦、智能手機(jī)和智能手表等手持設(shè)備。

這無(wú)法想象我們的生活沒(méi)有計(jì)算能力的幫助會(huì)是怎樣的。而令人好奇的部分是，我們?nèi)匀辉跒g覽隱藏在這樣一個(gè)看似智能化的機(jī)器中的巨大計(jì)算潛力的表面。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，計(jì)算技術(shù)達(dá)到了新的水平，重新定義了“智能”（智慧城市如何建立一個(gè)更好的疫情后世界），準(zhǔn)確地說(shuō)，激動(dòng)人心的時(shí)刻才剛剛開(kāi)始。

本文旨在回答這樣一個(gè)問(wèn)題：“傳感器是如何”感覺(jué)“的？”，并專(zhuān)注于傳感器工作的物理過(guò)程。

什么是物聯(lián)網(wǎng)？

顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)涵蓋所有類(lèi)型設(shè)備的保護(hù)傘。它們要么嵌入系統(tǒng)中，要么作為一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體存在。不管怎樣，關(guān)鍵是他們通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)互相交流。每一個(gè)這樣的設(shè)備都有一個(gè)嵌入式發(fā)送器和接收器，通過(guò)因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信過(guò)程。

然而，每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都是不一樣的，不一定適合所有的應(yīng)用。它們和人類(lèi)很相似，每個(gè)人都擅長(zhǎng)某件事，比如不能指望演員駕駛飛機(jī)，飛行員在電影中表演。同樣，也不能指望一個(gè)單一的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（和設(shè)備）來(lái)做所有的事情。因此，工程師設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行不同的任務(wù)，以提供最好的結(jié)果。

在現(xiàn)代商業(yè)中，顧客是上帝，所有行業(yè)都是如此。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者總是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)送物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以提供良好的用戶體驗(yàn)。Vera Kozyr所著《如何做物聯(lián)網(wǎng)硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)》從硬件產(chǎn)品的角度出發(fā)，重申所有利益相關(guān)者投入的時(shí)間和精力來(lái)創(chuàng)建端到端、即插即用式系統(tǒng)。

在探索物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的內(nèi)部之前，區(qū)分設(shè)備和系統(tǒng)是很重要的。

一個(gè)設(shè)備就像一個(gè)單獨(dú)的成員，而系統(tǒng)就像一個(gè)包含個(gè)人的團(tuán)隊(duì)。因此，設(shè)備是系統(tǒng)的一部分，反之亦然。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成部分

任何系統(tǒng)都由多個(gè)單獨(dú)的組件（和子組件）組成，它們共同努力實(shí)現(xiàn)一個(gè)共同的目標(biāo)。此外，作為一個(gè)系統(tǒng)（團(tuán)隊(duì)）的一部分可以確保更高的生產(chǎn)力和更好的結(jié)果。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要組成部分包括：

感應(yīng)物理量的傳感器

現(xiàn)場(chǎng)中央微控制器，控制傳感器和其他部件執(zhí)行的所有動(dòng)作;

云端，數(shù)據(jù)分析和處理，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理;

發(fā)送器和接收器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在不同的傳感器、傳感器和微控制器與中央云服務(wù)器之間建立通信;

與用戶通信并執(zhí)行用戶指示的任務(wù)的用戶界面。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器：通向現(xiàn)實(shí)世界的橋梁

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)很好的例子是智能手機(jī)，它通常包括：

用于確定位置的全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊;

感測(cè)環(huán)境溫度的溫度傳感器;

一個(gè)麥克風(fēng)可以感知用戶的聲音;

近距離傳感器，用于感應(yīng)用戶與手機(jī)的距離，并在通話過(guò)程中鎖定手機(jī)。

智能手機(jī)上的不同應(yīng)用使用不同的傳感器。例如，谷歌地圖有一個(gè)用戶界面（一個(gè)應(yīng)用程序），可以與GPS模塊交互并收集位置坐標(biāo)。它通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接處理數(shù)據(jù)，幫助用戶路由到目的地。

電池管理系統(tǒng)（BMS）是使用多個(gè)傳感器的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的另一個(gè)例子。BMS是一種保護(hù)和管理電池操作的電子系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，它是電池的個(gè)人看護(hù)人。

傳感器就像是計(jì)算機(jī)世界和現(xiàn)實(shí)世界之間的網(wǎng)關(guān)。因此，傳感器需要將它在現(xiàn)實(shí)世界中感知到的任何東西轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠理解的特殊事物。

而這兩個(gè)世界之間的共同聯(lián)系就是電能。

因此，我們得出了傳感器的技術(shù)定義——物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器感知所需的物理量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，直接或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)微控制器傳輸?shù)交谠频闹醒敕?wù)器。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用的傳感器。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）與物聯(lián)網(wǎng)傳感器的傳感機(jī)理

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一種微系統(tǒng)技術(shù)（MST），它由半導(dǎo)體材料（如硅）組成，其尺寸在微米范圍內(nèi)。

大多數(shù)探測(cè)機(jī)械能的傳感器都以某種方式使用MEMS技術(shù)。加速度計(jì)是一個(gè)非常典型的例子。這主要是由于快速增長(zhǎng)和對(duì)計(jì)算機(jī)的巨大依賴(lài)。

由于MEMS技術(shù)的制造材料是半導(dǎo)體，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以嵌入集成電路（IC）。集成電路包括對(duì)從傳感器接收到的數(shù)據(jù)起作用的其他計(jì)算組件（也由半導(dǎo)體材料構(gòu)成）。

事實(shí)上，小尺寸和芯片集成大大降低了成本。你可以花不到250英鎊（3.34美元）買(mǎi)到一個(gè)基于MEMS的加速計(jì)。此外，基于MEMS的傳感器具有高靈敏度和檢測(cè)微小變化的優(yōu)點(diǎn)，這是前人無(wú)法想象的。

傳感機(jī)構(gòu)類(lèi)型及工作原理

根據(jù)應(yīng)用，系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器，感測(cè)不同的物理量，從而具有獨(dú)特的感測(cè)機(jī)制。MEMS技術(shù)中將物理變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的兩種比較流行的傳感機(jī)制是：

1、基于電阻的傳感

2、電容式傳感

這兩種類(lèi)型的傳感機(jī)制都采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的原理——物理量的任何變化都是通過(guò)傳感器所用材料的電阻或電容的變化來(lái)捕捉的。因此，物理量的較大變化表明材料的電阻或電容變化較大，反之亦然。

這兩種類(lèi)型的主要區(qū)別在于這兩種機(jī)制的工作原理。基于電阻的傳感系統(tǒng)使用電阻，而基于電容的傳感系統(tǒng)使用電容。

基于電阻的傳感機(jī)制（使用MEMS技術(shù)）

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，我們一直使用電阻電阻來(lái)測(cè)量、分析、控制和觀察各種物理量。如前所述，當(dāng)一個(gè)物理量（如壓力）發(fā)生變化時(shí)，電阻的變化量決定了這個(gè)量的變化量。

電阻的變化受物理原理的控制，如光導(dǎo)效應(yīng)、半導(dǎo)體的熱阻效應(yīng)和壓阻效應(yīng)［1］。

通過(guò)物理幾何結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行傳感–材料的電阻取決于材料的幾何結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度和橫截面積。長(zhǎng)度或/和橫截面積的任何變化都將直接影響材料的阻力。

壓阻效應(yīng)-壓阻材料是一種特殊的材料，當(dāng)材料經(jīng)歷諸如推、拉或擠壓等機(jī)械變形時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化。因此，壓力、振動(dòng)和加速度測(cè)量物聯(lián)網(wǎng)傳感器通常使用壓阻材料。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器中使用的其他基于電阻的傳感機(jī)制

盡管基于MEMS的物聯(lián)網(wǎng)傳感器對(duì)機(jī)械量、物理量非常有效，但電阻式傳感器檢測(cè)非機(jī)械量（如光和溫度）的操作是不一樣的。因此，傳感機(jī)制發(fā)生變化。

光感應(yīng)-為了檢測(cè)光，需要一種特殊的感光材料。植物通過(guò)被稱(chēng)為光感受器的特殊分子來(lái)探測(cè)光。類(lèi)似地，任何光傳感傳感器都使用光刻膠，這種材料的電阻隨著光強(qiáng)度的增加而降低。光敏電阻或俗稱(chēng)LDR是一種非常流行的用于檢測(cè)光的物聯(lián)網(wǎng)傳感器。

溫度傳感-與光傳感類(lèi)似，溫度傳感也需要能夠接受環(huán)境溫度變化的材料。大多數(shù)溫度傳感器由熱敏電阻組成，熱敏電阻是一種電阻隨溫度升高而降低的材料。例如，防止現(xiàn)代鋰離子電池過(guò)度充電的一個(gè)參數(shù)就是在熱敏電阻的幫助下檢測(cè)電池溫度。

化學(xué)傳感器-這些傳感器用于檢測(cè)特定的化學(xué)物質(zhì)。該傳感器包含一個(gè)由一種材料制成的傳感層，只要與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，其電阻就會(huì)發(fā)生變化。例如，許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用MQ系列（MQ9、MQ2、MQ7等）氣體傳感器。它能檢測(cè)出一氧化碳、液化石油氣和甲烷等各種氣體的存在。

圖1——基于電阻的傳感器

轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

可以說(shuō)，第二個(gè)最流行的科學(xué)方程式，歐姆定律（V=IR）建立了電流、電壓和電阻之間的直接關(guān)系。這個(gè)定律的妙處在于，電阻的任何微小變化都可以在瞬間轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓或電流）。

圖2——電阻傳感物理變化到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換

因此，每種基于電阻的物聯(lián)網(wǎng)傳感器（包括MEMS技術(shù)）都直接或間接地使用歐姆定律。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器中基于電容的傳感機(jī)制

基于電容的傳感機(jī)制通過(guò)改變材料的電容來(lái)捕捉物理量的變化，就像電阻一樣，取決于材料的物理幾何結(jié)構(gòu)。

然而，幾乎所有基于電容的傳感系統(tǒng)主要依賴(lài)于物理幾何結(jié)構(gòu)的變化——面積、距離和材料的電容能力（由其可存儲(chǔ)的電荷量來(lái)描述）。

觸摸傳感器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的電容式傳感器之一。智能手機(jī)使用由許多觸摸傳感器組成的觸摸屏。本質(zhì)上，它是一個(gè)壓力傳感器，可以檢測(cè)來(lái)自身體接觸的壓力/力。

當(dāng)屏幕受到物理觸摸刺激時(shí)，施加的壓力會(huì)改變屏幕的面積或距離，從而觸發(fā)屏幕下方電容值的變化。

這種電容的變化就像一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，將電信號(hào)驅(qū)動(dòng)到下一級(jí)。圖3示出了觸摸傳感器的工作原理。

圖3–電容式觸摸傳感器的2D和3D工作

與使用歐姆定律的基于電阻的傳感系統(tǒng)類(lèi)似，基于電容的系統(tǒng)有自己獨(dú)特的關(guān)系，將電容的變化映射到電壓和電流。

電容式與電阻式傳感

在電阻傳感中，一些物理量，如光和溫度，需要一種特殊類(lèi)型的材料。其中存在利弊，一方面，電阻的變化對(duì)被測(cè)量是唯一的。但另一方面，這種獨(dú)特性需要完全不同的測(cè)量/傳感程序。

相反，大多數(shù)基于電容的傳感系統(tǒng)保持統(tǒng)一的傳感過(guò)程，因?yàn)檫@種變化主要是由于物理幾何的變化。此外，與電阻式傳感器相比，它們相對(duì)較新，目前僅限于使用MEMS技術(shù)的傳感機(jī)械系統(tǒng)。

結(jié)論

此外，物聯(lián)網(wǎng)只是傳感器設(shè)計(jì)的一部分。系統(tǒng)必須有效地處理接收到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶需求提供以應(yīng)用程序?yàn)?a target="_blank">中心的結(jié)果。

目前，物聯(lián)網(wǎng)傳感器已經(jīng)滲透到制造業(yè)，自動(dòng)化了大多數(shù)人工操作，形成了一個(gè)全新的分支，叫做工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）。

與個(gè)人電腦和智能手機(jī)不同的是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒(méi)有在我們的生活中帶來(lái)巨大的變革。在此之前，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)需要繼續(xù)發(fā)展。
責(zé)編AJX