物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

秦皇島秦冶重工有限公司設(shè)計院 張虎

物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

秦皇島秦冶重工有限公司設(shè)計院 張虎

1 傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的戰(zhàn)略意義

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)重要組成之一，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中關(guān)鍵組成部分。傳感器性能決定物聯(lián)網(wǎng)性能。傳感器技術(shù)的升級換代將提升網(wǎng)絡(luò)的升級換代。傳感器承載著“信息源頭”的重要作用。是工業(yè)化和信息化“兩化深度融合”的關(guān)鍵。因此，我們說各種類型的傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和重要感知器件，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最根本所在。傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中戰(zhàn)略意義包括如下幾個方面：

（1）傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成之一；

（2）傳感器的性能決定物聯(lián)網(wǎng)性能；

（3）傳感器升級推動網(wǎng)絡(luò)升級；

（4）傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸；

（5）傳感器產(chǎn)業(yè)化決定物聯(lián)網(wǎng)市場應(yīng)用前景。

在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的同時，如不發(fā)展我國傳感器技術(shù)，則大量國外傳感器將進(jìn)入國內(nèi)，傳感器市場將被國外占有，不僅經(jīng)濟(jì)損失巨大，國家安全也無法保障。

2 我國物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

工信部電信研究院發(fā)布的2014年《物聯(lián)網(wǎng)白皮書》顯示，我國物聯(lián)網(wǎng)近幾年保持較高的增長速度，2013年我國整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到5000億元，同比增長36.9%，其中傳感器產(chǎn)業(yè)突破1200億元，RFID產(chǎn)業(yè)突破300億元。預(yù)計到2015年，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模將超過7000億元，信息處理和應(yīng)用服務(wù)逐步成為發(fā)展重點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，一個較為突出的問題是：傳感器環(huán)節(jié)是一個較為薄弱的環(huán)節(jié)，雖然物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)眾多，但是缺乏本土“旗艦型”企業(yè)。特別是基礎(chǔ)傳感器芯片研發(fā)力量弱，大部分芯片依賴進(jìn)口。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)“兩邊高、中間低”的特點(diǎn)，終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)軟件是最大的價值點(diǎn)，純傳輸通道不到總體價值的10%，如果失去傳感器這個制高點(diǎn)，我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將不具備有利形勢，我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟待攻破傳感器這個關(guān)鍵點(diǎn)。因此，我們說，作為“金字塔”的塔座，傳感器將會是整個鏈條需求總量最大和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。

3 物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)展中存在的問題

我國目前物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用是RFID應(yīng)用。雖然電力、環(huán)保行業(yè)正在逐漸普及智能傳感器的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但還未形成一個龐大網(wǎng)絡(luò)。我國物聯(lián)網(wǎng)部分關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。如傳感芯片、物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)較其它發(fā)達(dá)國家差距較大，傳感器技術(shù)還有眾多問題需要解決。

3.1 核心技術(shù)少，創(chuàng)新能力弱

一些關(guān)鍵性技術(shù)尚未真正突破。如：設(shè)計技術(shù)、可靠性技術(shù)、封裝技術(shù)、裝備技術(shù)。其中：（1）傳感器的設(shè)計技術(shù)涉及多種學(xué)科、多種理論、多種工藝，設(shè)計過程復(fù)雜；（2）可靠性技術(shù)也是傳感器應(yīng)用的重要指標(biāo)，通常國產(chǎn)傳感器可靠性指標(biāo)比國外同類產(chǎn)品低1～2個數(shù)量級；（3）封裝技術(shù)越來越受到傳感器業(yè)界的高度重視。實際上傳感器的封裝技術(shù)對傳感器性能特別是穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用；（4）裝備技術(shù)一直影響傳感器性能，嚴(yán)重制約了我國傳感器行業(yè)的獨(dú)立發(fā)展。

3.2 缺乏應(yīng)用的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

通過建立和完善傳感器及智能化儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)體系，融合物聯(lián)網(wǎng)傳感器泛在感知的特點(diǎn)，行業(yè)要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，該領(lǐng)域才可能形成大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)還會涉及很多跨行業(yè)合作，如果某些行業(yè)應(yīng)用自己制訂一個標(biāo)準(zhǔn)，跨網(wǎng)或聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用就難以實現(xiàn)，從而產(chǎn)生大量“孤島”。如果標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域難以大規(guī)模發(fā)展和成長。我國物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化組織，需要在政府統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，跨行業(yè)、跨部門形成一個物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，唯有如此，我國的物聯(lián)網(wǎng)才會健康發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)才能真正成為一個戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

3.3 亟待掌握核心技術(shù)

傳感器是一種能把被測量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置，以滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示和控制的要求。如果把物聯(lián)網(wǎng)比作人，那么傳感器就像人體的五官。隨著技術(shù)的發(fā)展，促使傳感器向更加智能的方向發(fā)展，以嵌入式微處理器為核心，集成傳感單元，信號處理單元，和網(wǎng)絡(luò)接口單元，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網(wǎng)絡(luò)通信功能，從而實現(xiàn)信息采集、處理和傳輸真正統(tǒng)一協(xié)調(diào)。我國的傳感器核心芯片仍面臨著依賴進(jìn)口，從技術(shù)到制造工藝，都落后于發(fā)達(dá)國家。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，沒有它，物聯(lián)網(wǎng)就是無源之水、無本之木。

4 我國物聯(lián)網(wǎng)傳感器關(guān)鍵技術(shù)的突破

目前國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)總體還處于起步階段，為推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，未來5年應(yīng)集中資源攻克共性關(guān)鍵技術(shù)，保證持續(xù)發(fā)展。我國在基礎(chǔ)芯片設(shè)計、高端傳感器制造、智能信息處理等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)依然薄弱。對此，工信部發(fā)布2014年物聯(lián)網(wǎng)工作要點(diǎn)：突破核心關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)推進(jìn)傳感器、傳輸及信息處理的技術(shù)研發(fā)。

所謂關(guān)鍵技術(shù)主要集中在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與傳感器網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)微型化技術(shù)、超高頻RFID、智能無線傳感器技術(shù)應(yīng)用上。具體如下：

（1）集成一體化。目前統(tǒng)稱為微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。即單片集成CMOS—MEMS技術(shù)，利用由MEMS技術(shù)制作的敏感元件和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)制作的微處理器、信號調(diào)理電路、網(wǎng)絡(luò)接口等集成在一塊芯片上，構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)。

（2）MSC、ANSYS設(shè)計軟件在集成化智能傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用集成化智能傳感器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、仿真及試驗；集成化智能傳感器系統(tǒng)可靠性、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計原則與方法；集成化智能傳感器系統(tǒng)低功耗、微型化、高性能芯片設(shè)計；集成化智能傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和封裝技術(shù)。

（3）高準(zhǔn)確度。傳感器結(jié)構(gòu)一體化將使遲滯、重復(fù)性指標(biāo)大為改善，準(zhǔn)確度得到有效提高。后續(xù)的信號調(diào)理電路與敏感電路一體化后，將大大減少由引線長度帶來的寄生參量的影響，這對電容式傳感器有特別重要的意義。

（4）多功能化。微/納米級敏感元件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個智能網(wǎng)絡(luò)傳感器，如可同時集成壓力、壓差及溫度參量的敏感元件，這樣不僅增加傳感器功能，而且可以通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度的影響，提高傳感器的穩(wěn)定與準(zhǔn)確度。

（5）全數(shù)字化。數(shù)字量的使用將為智能網(wǎng)絡(luò)傳感器提供極為穩(wěn)定的性能，準(zhǔn)確度高、不需A-D轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便接口。

由此，我們可以看到，在“十三五”期間，解決上述關(guān)鍵點(diǎn)，對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。

5 物聯(lián)網(wǎng)中的新型傳感器

5.1 MEMS傳感器

采用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，其特點(diǎn)為：

· 微型化；

· 以硅為基材，機(jī)械電氣性能優(yōu)良；

· 批量生產(chǎn)，用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機(jī)電裝置或完整的MEMS；

· 集成化?？梢园巡煌δ?、不同敏感方向的多個傳感器或執(zhí)行器集于一體，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)；

· 多學(xué)科交叉。MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，集成了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

5.2 微小位移測量傳感器

在測量領(lǐng)域中，利用光使微小位移測量裝置具有耐噪聲及高準(zhǔn)確度化，并引入半導(dǎo)體激光器，使其裝置小型化。

· 單片微型編碼器，開發(fā)出與以往的尺寸比為1∶100的超小型且高分辨率測定位移的微型編碼器；

· 利用面發(fā)光激光器（VCSEL）的編碼器；

· 利用光柵影像的集成型編碼器；

· 干涉型位移傳感器，利用塞納克效應(yīng)的角度傳感器；

· 利用復(fù)合共振的位移傳感器。

5.3 多普勒傳感器

5.4 表面波傳感器

5.5 太赫茲傳感器

5.6 氣壓傳感器

5.7 熱線式風(fēng)速傳感器

5.8 薄膜式風(fēng)速傳感器

5.9 數(shù)字式風(fēng)速/溫度傳感器

未來物聯(lián)網(wǎng)將大量應(yīng)用新型傳感器，實現(xiàn)高精度、高可靠性的感知。

6 物聯(lián)網(wǎng)傳感器展望

傳感器技術(shù)的進(jìn)步讓我們看到物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展朝著更美好的未來邁進(jìn)。“十三五”期間物聯(lián)網(wǎng)將快速發(fā)展，逐步縮小與國外差別。目前，我國光纖傳感器和光柵傳感器方面已取得重大進(jìn)展，在石油、鋼鐵、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)實現(xiàn)了批量應(yīng)用。

在未來的物聯(lián)網(wǎng)上需要將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理功能放在末端（減少網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)容量），因此智能傳感器就成為了發(fā)展方向。同時傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)，在“十三五”期間迫切需要通過建立和完善傳感器及智能化儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)體系，以物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，提煉我國自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行國際標(biāo)準(zhǔn)化，推動我國物聯(lián)網(wǎng)的健康發(fā)展。

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[3]張春紅, 等. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2011.

★ 張虎（1954-），遼寧大連人，高級工程師，現(xiàn)就職于秦皇島秦冶重工有限公司設(shè)計院，主要研究方向為工業(yè)自動化及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。