物聯(lián)網(wǎng)和傳感器之間不得不說的故事

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會(huì)對(duì)傳感器提出的越來越高的需求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，而現(xiàn)代技術(shù)突飛猛進(jìn)則為其發(fā)展提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。

在物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略下，傳感器國產(chǎn)化需求迫切，傳感器行業(yè)的國內(nèi)領(lǐng)先者更受政府扶持；作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，傳感器成為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢(shì)環(huán)節(jié)，也代表了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

傳感器好比人的眼耳口鼻，但又不僅僅只是人的感官那么簡(jiǎn)單，它甚至能夠采集到更多的有用信息。既然如此，就可說這些傳感器是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，正是因?yàn)橛辛藗鞲衅?，物?lián)網(wǎng)系統(tǒng)才有內(nèi)容傳遞給“大腦”。

在過去，傳感器更多應(yīng)用于工業(yè)。但是隨著時(shí)間推移，它已經(jīng)慢慢走入我們的生活。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石

從物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)中可以看到物聯(lián)網(wǎng)主要是由：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和應(yīng)用層四部分構(gòu)成。有句俗話說得好：下層基礎(chǔ)決定上層建筑。傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成部分之一，作為整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，其重要性是不言而喻的。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)信息來源于終端設(shè)備，而終端設(shè)備數(shù)據(jù)來源可歸根于傳感器，傳感器賦予了萬物“感官”功能，如人類依靠視覺、聽覺、嗅覺、觸覺感知周圍環(huán)境，同樣物體通過各種傳感器也能感知周圍環(huán)境。且比人類感知更準(zhǔn)確、感知范圍更廣。例如人類無法通過觸覺準(zhǔn)確感知某物體具體溫度值，也無法感知上千高溫，也不能辨別細(xì)微的溫度變化，但傳感器可以。可以說傳感器就是“萬物互聯(lián)”時(shí)代物體與物體之間交流的“語言”。

傳感器在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中的作用

物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，它是互聯(lián)網(wǎng)的升級(jí)，也是信息化時(shí)代的核心。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要智能感知、識(shí)別和通訊等技術(shù)支撐，而感知的關(guān)鍵就是傳感器及相關(guān)技術(shù)，可以毫不夸張的說，沒有傳感器的進(jìn)步，就沒有物聯(lián)網(wǎng)的繁榮。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器產(chǎn)業(yè)也將迎來爆發(fā)，傳感器是物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵組件，扮演著不可或缺的角色。

隨著全球開始步入高速發(fā)展的信息時(shí)代，在獲取和處理信息過程中，首先要解決的就是要獲取可靠并準(zhǔn)確的信息，而傳感器是獲取信息的主要手段和途徑。例如在工業(yè)4.0時(shí)代，要用傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的參數(shù)，使設(shè)備保持正常的工作狀態(tài)；在智能家居領(lǐng)域，傳感器是實(shí)現(xiàn)用戶和家居單品（燈光、電視、冰箱、音響等）互動(dòng)的基礎(chǔ)；在無人駕駛中，需要通過傳感器對(duì)交通和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和處理，這樣才能保證汽車在道路上的安全行駛……可以毫不夸張的說，未來物聯(lián)網(wǎng)有多大的市場(chǎng)，傳感器就能有多大的作為。

隨著物聯(lián)網(wǎng)需求的增加，目前國內(nèi)傳感器呈現(xiàn)一種高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 預(yù)計(jì)到2021年將增至5937億元，未來五年中國傳感器產(chǎn)業(yè)年均復(fù)合增長(zhǎng)率約30%，遠(yuǎn)高于全球平均水平。

傳感器發(fā)展歷程

物聯(lián)網(wǎng)自提出到如今已經(jīng)二十多年，但傳感器部署規(guī)模并未普及，致使沒有足夠物理層，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不足，從源頭上制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展。傳感器部署作為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，多年前就有國家提出萬億傳感器革命，旨在推動(dòng)社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)中每年使用1萬億個(gè)傳感器，并預(yù)計(jì)在2030年后將100萬億傳感器嵌入到各種場(chǎng)所。

我國早在 20 世紀(jì)60年代開始涉足傳感器制造業(yè)，經(jīng)歷了多年的發(fā)展，大體可分為三代：

第一代：是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。

第二代：傳感器是20世紀(jì)70 年代開始發(fā)展起來的固體傳感器， 這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成的。

第三代：傳感器是80年代剛剛發(fā)展起來的智能傳感器。所謂智能傳感器是指其對(duì)外界信息具有一定檢測(cè)、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力，具有高精度、成本低、功能多樣化、自動(dòng)化強(qiáng)等特點(diǎn)，是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

智能傳感器具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲(chǔ)功能的多元件集成電路，是集傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅(qū)動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品。

在物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)智能感知時(shí)代，智能傳感器是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在很多物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的傳感器都具有智能傳感器的特點(diǎn)，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用，在未來的傳感器市場(chǎng)上，智能傳感器的比重會(huì)越來越大。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)傳感器的發(fā)展要求

從19世紀(jì)60年代誕生至今，傳感器的歷史已經(jīng)有150余年了，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，手機(jī)的普及促進(jìn)了傳感器的極大發(fā)展，但也決定了很多類型的傳感器是專為手機(jī)而設(shè)計(jì)的。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的“物”在對(duì)傳感和連接的需求上與手機(jī)有很大的差別，所以也對(duì)傳感技術(shù)提出了更多、更高的要求。總結(jié)來說，傳感器在朝著高精度、小型化、低功耗、智能化等方向進(jìn)化。

1、高精度、高質(zhì)量

如果傳感器收集的數(shù)據(jù)信息出錯(cuò)，那么相當(dāng)于從源頭上出錯(cuò)，后面一切數(shù)據(jù)的傳輸、分析、應(yīng)用也就沒了意義，所以傳感器的精度和質(zhì)量是保障物聯(lián)網(wǎng)愿景的一道重要基線。想象一下，如果一輛智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器的精度和質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，這就意味著在意外情況發(fā)生的那幾毫秒內(nèi)系統(tǒng)無法做出正確決策，從而嚴(yán)重威脅駕駛員的安全。

2、小型化

隨著以智能手機(jī)為中心的移動(dòng)設(shè)備向多功能、高性能化發(fā)展，要求電路板內(nèi)的部件數(shù)量更多、體積更小。因此，傳感器正在逐漸采用集成化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高性能化和小型化。集成溫度傳感器、集成壓力傳感器等早已被廣泛使用，今后將有更多集成傳感器被開發(fā)出來。

3、低功耗

手機(jī)上的微博、微信、視頻、游戲，都是電量消耗的大戶，我們也早已習(xí)慣了每天充電、出遠(yuǎn)門充電寶不離身的日子，但你能想象假如煙霧報(bào)警器、智能攝像頭等互聯(lián)設(shè)備也需要天天調(diào)換電池會(huì)是怎樣一種蹩腳的情景嗎？和手機(jī)不同，很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備地處人們不常接觸的區(qū)域，所以對(duì)功耗有極致的要求，從而決定了傳感器的功耗也要很低，否則運(yùn)營成本太高。

4、智能化

隨著互聯(lián)設(shè)備的激增，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，中心化的云端已經(jīng)“不堪重負(fù)”，更重要的是，對(duì)于智能制造或智慧交通等應(yīng)用場(chǎng)景，云端分析的延遲會(huì)使數(shù)據(jù)價(jià)值呈現(xiàn)“斷崖式”下跌，于是，邊緣智能開始興起。

傳感器是很好的邊緣節(jié)點(diǎn)，用嵌入式技術(shù)將傳感器與微處理器集成為一體，使其成為具有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、智能控制與數(shù)據(jù)通信功能的智能數(shù)據(jù)終端設(shè)備，這就是所謂的智能傳感器。這種傳感器具有自學(xué)習(xí)、自診斷和自補(bǔ)償能力、復(fù)合感知能力以及靈活的通信能力。這樣，傳感器在感知物理世界的時(shí)候反饋給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)就會(huì)更準(zhǔn)確，更全面，達(dá)到精確感知的目的。

五大領(lǐng)域?qū)χ悄軅鞲衅鞯男枨蟊q

智能傳感器具有高精度、成本低、功能多樣化、自動(dòng)化強(qiáng)等特點(diǎn)，它是一種具有信息處理功能的傳感器，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。在很多物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的傳感器都具有智能傳感器得特點(diǎn)，未來得物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能傳感器將是市場(chǎng)主流。

未來最有前景的幾大物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，智能工業(yè)、智能家居、智慧醫(yī)療、智能汽車、智能農(nóng)業(yè)等是未來最有可能普及的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

1、智能工業(yè)傳感器是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)

眾所周知，工業(yè)4.0已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略的一部分，智能制造是國家工業(yè)變革的關(guān)鍵，智能工業(yè)傳感器在制造中的角色越來越重要。工業(yè)傳感器的特點(diǎn)是性能指標(biāo)和精度要求高，不允許數(shù)據(jù)采集和處理的失誤。不同于傳統(tǒng)工業(yè)的傳感器，智能工業(yè)傳感器將用于智能制造，它在精度、穩(wěn)定性、抗沖擊性方面提出了更為苛刻的要求。

未來，基于工業(yè)4.0的智能工業(yè)傳感器需求將大幅增加，而這也是工業(yè)傳感器廠商面臨的最大機(jī)遇點(diǎn)。

2、智能家居給這些傳感器帶來了增長(zhǎng)空間

智能家居的一大特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)家居用品的控制，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的傳感器將用于家電中，如洗衣機(jī)、電視、冰箱、燈光、空調(diào)、油煙機(jī)等，原來沒有傳感器的產(chǎn)品都將因智能家居的普及而成為傳感器主戰(zhàn)場(chǎng)。

傳感器將是智能家居產(chǎn)品的標(biāo)配，例如壓力傳感器可用于洗衣機(jī)中對(duì)泡沫量的監(jiān)控；光電傳感器用于燈泡實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的控制；電磁傳感器用在洗碗機(jī)里面可實(shí)現(xiàn)噴水臂的移動(dòng)等，還有流量傳感器、智能氣體傳感器等均大有用途。

3、智慧醫(yī)療需要各式各樣的智能傳感器

智慧醫(yī)療是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)患者和醫(yī)務(wù)人員及醫(yī)療設(shè)備之間的互動(dòng)，其工作的核心部分是對(duì)患者的信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、傳輸和處理。在進(jìn)行圖像傳輸以及海量數(shù)據(jù)計(jì)算處理的過程中，需要各中各有具有智能處理功能的傳感器，如用于測(cè)量病人血壓的MEMS壓力傳感器，用于研究睡眠窒息的熱電傳感器，用于監(jiān)控和測(cè)量體表體溫的溫度傳感器等。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線醫(yī)療傳感器逐漸向智能化、微型化、低功耗等方向發(fā)展，傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。據(jù)外媒報(bào)道，科學(xué)家研究了一種新型傳感器，可用于診斷眼外傷，它根據(jù)測(cè)定人類眼淚所含維C濃度的高低，判斷眼外傷的嚴(yán)重情況。最近科學(xué)家又研究了一款僅有膠囊大小的可吞服心率傳感器，病人吞服后可測(cè)量其生命體征等數(shù)據(jù)并將信息傳輸?shù)?a target="_blank">接收器中，供醫(yī)生遠(yuǎn)程監(jiān)控。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用于智慧醫(yī)療的傳感器種類將越來越多，但它們的一大共性是具備智能傳感器的特點(diǎn)。

4、智能傳感器助力汽車的智能化

雖然國內(nèi)的很多汽車實(shí)現(xiàn)了一些基本的聯(lián)網(wǎng)功能，但并不是真正的智能汽車。隨著AI和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能汽車會(huì)成為未來的主流。智能汽車是一個(gè)集環(huán)境感知、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它的一大特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，而控制與操作的關(guān)鍵離不開智能傳感器，智能汽車的普及將帶來智能傳感器的增加。

在智能汽車?yán)锩妫磥響?yīng)用最多的幾大智能傳感器將是空氣流量傳感器、里程表傳感器、機(jī)油感應(yīng)傳感器、剎車壓力傳感器、位置傳感器和碰撞傳感器等。

5、智能農(nóng)業(yè)傳感器市場(chǎng)前景廣闊

智能農(nóng)業(yè)是我國建設(shè)成為農(nóng)業(yè)強(qiáng)國的關(guān)鍵，在未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要很多類型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器和相關(guān)技術(shù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的組成包括智能水質(zhì)傳感器、無線傳感網(wǎng)、無線通信等，它們一起組成完整的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，傳感器是實(shí)現(xiàn)這些的第一步。

物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)是以信息化技術(shù)為基礎(chǔ)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中通過傳感器收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行量化分析和智能決策，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境非常復(fù)雜，不同的場(chǎng)景需要的傳感器不一樣，如空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等，這些數(shù)據(jù)的采集都需要使用相對(duì)應(yīng)的智能農(nóng)業(yè)傳感器。

審核編輯 黃宇