氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用淺析

趙林

摘? 要：本文從信息的角度分析氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。氣體傳感器能夠?qū)怏w的檢測(cè)具有便捷性和無損性，實(shí)現(xiàn)了氣體本身及氣體間接相關(guān)事物的信息快速獲取。物聯(lián)網(wǎng)是信息獲取、信息傳輸和信息處理的高速信息閉環(huán)系統(tǒng)。氣體傳感器是氣體檢測(cè)最簡(jiǎn)單便捷的方式，氣體信息的快速獲取方式既為物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用提供更深層次的信息，又為物聯(lián)網(wǎng)在新的領(lǐng)域應(yīng)用開拓了思路。氣體傳感器的快速氣體信息獲取能力將為物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：氣體傳感器;智能家居;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP39? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper analyzes application of gas sensor in Internet of things （IOT） from the perspective of information processing. Gas sensor can detect gas in a convenient and non-destructive way， and it can quickly obtain information of gas itself and things indirectly related. Internet of things is a high-speed information closed-loop system for acquiring， transmitting and processing information. The rapid acquisition of gas information not only provides in-depth information for typical application of Internet of things， but also explores ideas for application of Internet of things in new fields. The rapid gas information acquisition from gas sensor will play an important role in the further development of Internet of things.

Keywords： gas sensor; smart home; Internet of things

1? ?引言（Introduction）

三次工業(yè)革命是人類歷史上最重要的變革，它們極大促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高，促進(jìn)了人類社會(huì)的進(jìn)步和根本性的改變了人們的生活。當(dāng)前，社會(huì)正處在第三次工業(yè)革命的浪潮中，而物聯(lián)網(wǎng)是第三次工業(yè)浪潮中在計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次革命浪潮。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）即是“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”[1]。物聯(lián)網(wǎng)建立之初的主要目的是實(shí)現(xiàn)“物品能夠上互聯(lián)網(wǎng)”，早期的主要技術(shù)基礎(chǔ)是RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的主要實(shí)現(xiàn)方式是利用RFID技術(shù)的“電子標(biāo)簽”功能使物品在互聯(lián)網(wǎng)中可知。隨著半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐步實(shí)現(xiàn)“物物相連”的高速信息分析處理。隨著傳感器的加入以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)堅(jiān)定地向著“萬物互聯(lián)”方向前進(jìn)，終于使物聯(lián)網(wǎng)形成了密切聯(lián)系事實(shí)世界的高速信息閉環(huán)。

金屬氧化物氣敏傳感器是一種低成本、簡(jiǎn)單和高效氣體檢測(cè)方式[2]。非直接的氣體信息的高效獲取帶給物聯(lián)網(wǎng)的是再一次的促進(jìn)，更豐富的信息必將促使物聯(lián)網(wǎng)這一高速信息閉環(huán)的其他部分的再次突破。

2? 物聯(lián)網(wǎng)及其典型應(yīng)用（Internet of things and its typical applications）

2.1? ?物聯(lián)網(wǎng)

到目前為止，物聯(lián)網(wǎng)并未有一個(gè)公認(rèn)的定義。比較獲得認(rèn)可的概念指出物聯(lián)網(wǎng)在信息獲取設(shè)備上使用射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等。物聯(lián)網(wǎng)的建立按照約定的通信協(xié)議，使互聯(lián)網(wǎng)與任何物品連接起來，進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)最終實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3-5]。物聯(lián)網(wǎng)這一概念并不是憑空產(chǎn)生，它是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的升級(jí)版，是互聯(lián)網(wǎng)2.0。互聯(lián)網(wǎng)本身是信息通信網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)人類信息的快速傳播的“道路”。物聯(lián)網(wǎng)的核心是“互聯(lián)網(wǎng)+信息”。對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)來說，它是人類的網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)是把物品連接上人的網(wǎng)絡(luò)，形成物品的網(wǎng)絡(luò)。人的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)是信息道路的建設(shè)，物的網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)是道路上信息的豐富。無論信息的提供者是人還是物，只有信息量增大才能產(chǎn)生信息爆炸，才會(huì)促使社會(huì)的進(jìn)步。

從信息本身來講，首先是信息產(chǎn)生、傳輸及分析處理信息，然后產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。計(jì)算機(jī)技術(shù)的本質(zhì)是信息處理技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升意味著信息處理能力的提高。互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是信息傳輸技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)的建立意味著信息傳輸能力的提高。雖然有了信息高速處理技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，但是并未形成一個(gè)完成的高速閉環(huán)的信息系統(tǒng)，如圖1所示。這個(gè)信息系統(tǒng)還缺少信息的高速獲取的手段，這個(gè)高速的獲取手段就是傳感器和射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）等信息感知技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)就是完善的信息閉環(huán)系統(tǒng)，信息的獲取，信息的傳輸和信息的處理都在物聯(lián)網(wǎng)中快速高效完成。

2.2? ?智能家居，物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用

智能家居系統(tǒng)是由智能家居設(shè)備通過某種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，相互連接成為可交互控制管理的智能家居網(wǎng)絡(luò)[6，7]。智能家居系統(tǒng)是一個(gè)小型集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是在家庭居住環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)大網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)小組成部分。

在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀中，智能家居被認(rèn)為是最典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的歷程，智能家居的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)階段。第一代智能家居的特點(diǎn)為手機(jī)操控，以手機(jī)遠(yuǎn)程完成家庭用具的簡(jiǎn)單操控為主。第二代智能家居的特點(diǎn)是場(chǎng)景模式，這個(gè)階段是操作集成化，多個(gè)設(shè)備使用同一個(gè)鍵進(jìn)行操作，使一件操作完成一個(gè)場(chǎng)景下的多個(gè)設(shè)備預(yù)定操控。這兩個(gè)階段的智能家居都是以家居物品能夠網(wǎng)上操控為主，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的物品上網(wǎng)特性。第三代智能家居的特點(diǎn)是聯(lián)動(dòng)，一個(gè)設(shè)備的動(dòng)作可以自動(dòng)導(dǎo)致其他設(shè)備的動(dòng)作。第四代智能家居的特點(diǎn)是語音交互，人們可以通過語音直接吩咐設(shè)備動(dòng)作。這兩個(gè)階段的智能家居都是以家居物品能直接或間接地理解人們的意圖，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的物品與人的共同上網(wǎng)交互特性。第五代智能家居的特點(diǎn)是人工智能，人工智能使家居物品智能化即物品人性化。這個(gè)階段的家居物品的動(dòng)作不再需要指令，可以自動(dòng)工作。當(dāng)前的智能家居處在第五代，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)的特性。

智能家居的五代發(fā)展過程體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)步。智能家居的發(fā)展進(jìn)程從讓人們更加方便快捷的使用家居物品到家庭自動(dòng)化和生活智能化。智能家居的目的是為了更好地服務(wù)于人類的家庭生活。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，這一目的越來越好的被實(shí)現(xiàn)。圖2是某研究機(jī)構(gòu)給出的2014年到2019年的智能家居市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)。智能家居市場(chǎng)規(guī)模的逐年增長(zhǎng)反映了物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。

3? 氣體傳感器與電子鼻（Gas sensor and electronic nose）

3.1? ?氣體傳感器

1953年，半導(dǎo)體元素鍺的電阻率會(huì)隨所處環(huán)境中氣體濃度變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)開啟了半導(dǎo)體氣體傳感器研究和應(yīng)用。金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器（MOS）是一種廣泛應(yīng)用于氣體檢測(cè)的傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低和測(cè)試電路簡(jiǎn)單，靈敏度，測(cè)試范圍等性能也有不錯(cuò)的表現(xiàn)，這些因素是其得到廣泛應(yīng)用的原因。半導(dǎo)體氣體傳感器和其他傳感器一起構(gòu)成了人們獲取氣體信息和各種信息的重要手段，豐富了生產(chǎn)應(yīng)用和科學(xué)研究的信息獲取和檢測(cè)手段[8]。

旁熱式半導(dǎo)體傳感器的核心是氣敏材料，傳感器的性能由氣敏材料決定。為了提高半導(dǎo)體傳感器的性能，對(duì)氣敏材料的研究一直是研究的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)，在氣敏材料的研究上，制備不同形貌的納米級(jí)氣敏材料、摻雜不同種類和數(shù)量貴金屬等材料改性基體材料、表面修飾都是研究的熱點(diǎn)。

影響半導(dǎo)體氣體傳感器的發(fā)展最主要的原因是選擇性不好和穩(wěn)定性不足。選擇性不好和穩(wěn)定性不足的產(chǎn)生原因是多種多樣的，主要因素是氣體敏感材料本身的問題，其他外部因素如工作溫度和光照條件等。金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器在溫度影響下其對(duì)同一氣體的響應(yīng)也是不同的。一般來講，氣體傳感器的工作溫度都是選擇響應(yīng)值最高時(shí)的溫度，另外，在氣體的檢測(cè)上，主動(dòng)利用溫度對(duì)傳感器的影響來檢測(cè)氣體。通過測(cè)試氣體傳感器在不同溫度下對(duì)氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)值，再結(jié)合計(jì)算機(jī)后期數(shù)據(jù)處理技術(shù)，來達(dá)到對(duì)氣體的定性或定量識(shí)別。光照條件影響氣體傳感器的響應(yīng)機(jī)理仍不明確，基本原理為待測(cè)氣體在和氣敏材料的吸附過程中，光照的參與提供了光能。由于光的頻率與能量的關(guān)系，光照的條件與氣體響應(yīng)值滿足一定的規(guī)律，可以根據(jù)此種規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。

隨著氣敏材料的技術(shù)進(jìn)步，氣體傳感器在靈敏度和穩(wěn)定性方面都有了很大提高，但是氣體傳感器的交叉敏感性仍然存在，單一氣體傳感器并未達(dá)到對(duì)復(fù)雜混合氣體的有效識(shí)別水平。為了識(shí)別復(fù)雜混合氣體，使用多個(gè)傳感器組成傳感器陣列來實(shí)現(xiàn)混合氣體的有效識(shí)別。傳感器陣列與單一傳感器相比可以獲取更多混合氣體信息，再結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)，最終達(dá)到有效識(shí)別混合氣體改善傳感器選擇性的問題。

3.2? ?電子鼻

電子鼻（electronic nose）常見于手持儀器，其功能即信息的獲取和信息的處理。電子鼻在檢測(cè)食品安全、危險(xiǎn)氣體、安防和環(huán)境污染[9-12]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

電子鼻即人工嗅覺系統(tǒng)，是生物仿生產(chǎn)物。電子鼻利用氣體傳感器、模式識(shí)別結(jié)合相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味即氣體的辨別。1994年，Gardner和Bartlett給出了電子鼻概念。電子鼻是一種儀器，其主體組成部分由核心硬件傳感器和核心軟件模式識(shí)別算法組成，電子鼻主要用途是檢測(cè)簡(jiǎn)單的或者復(fù)雜的氣體。電子鼻檢測(cè)的早期主要是簡(jiǎn)單的氣體的檢測(cè)。隨著技術(shù)進(jìn)步，電子鼻的檢測(cè)能力達(dá)到了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜混合氣體檢測(cè)的水平。

電子鼻中的氣體傳感器是用來檢測(cè)氣體的核心硬件，它對(duì)氣體樣本進(jìn)行檢測(cè)，把氣體的種類和濃度信息轉(zhuǎn)換成氣體傳感器的響應(yīng)值，這些響應(yīng)值構(gòu)成了氣體的識(shí)別模式信息集。這個(gè)信息集可以是最簡(jiǎn)單的離散單一氣體響應(yīng)值，也可以是單一氣體的某一時(shí)間段的氣體響應(yīng)值曲線，甚至可以是多個(gè)傳感器對(duì)混合氣體的響應(yīng)圖形。氣體傳感器的響應(yīng)信息集是氣體本身信息的非線性轉(zhuǎn)換。模式識(shí)別的作用就是從這個(gè)非線性轉(zhuǎn)換中得到氣體的種類和濃度信息，一般會(huì)把響應(yīng)信息集進(jìn)行預(yù)處理已提取特征值，并完成去噪聲和信號(hào)放大等處理。最終計(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體樣本的定性或定量處理。

4? 氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與展望（Application and prospect of gas sensor in IOT）

4.1? ?氣體檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

氣體檢測(cè)有重要的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是便捷性，二是無損性。便捷性是指氣體檢測(cè)可以在時(shí)間上做到快速和檢測(cè)地過程簡(jiǎn)單，無損性是指氣體檢測(cè)明顯是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)檢測(cè)物的“非接觸”式檢測(cè)。

氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中最受關(guān)注的應(yīng)用是空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。汽車尾氣的檢測(cè)。另外，工業(yè)廢氣的監(jiān)測(cè)更是必不可少的。這些都是氣體的直接檢測(cè)。氣體的直接檢測(cè)一般適用于特定用途的應(yīng)用。在日常生活中這種應(yīng)用并不常見。氣體還是由各種物質(zhì)或物體揮發(fā)而來，氣體的準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)應(yīng)著揮發(fā)出此種氣體的物質(zhì)或物體的檢測(cè)。在交通安全方面普遍使用的酒精檢測(cè)裝置，在醫(yī)療單位針對(duì)呼吸系統(tǒng)，腸胃疾病的“吹氣”檢測(cè)裝置。這些氣體檢測(cè)儀器為物聯(lián)網(wǎng)帶來了更深層次的信息。這些都是氣體的間接檢測(cè)，氣體是檢測(cè)的媒介。

4.2? ?物聯(lián)網(wǎng)中的氣體檢測(cè)

室內(nèi)環(huán)境中甲醛的檢測(cè)是人們生活中的關(guān)注熱點(diǎn)之一。甲醛的檢測(cè)是直接對(duì)氣體的定性和定量分析，因?yàn)榧兹怏w會(huì)影響人的身體健康，所以人們關(guān)心居住環(huán)境內(nèi)的甲醛情況。甲醛氣體檢測(cè)以后，采取一定的措施進(jìn)行改進(jìn)，甲醛檢測(cè)的目的就是如此。

如果采用物聯(lián)網(wǎng)的觀點(diǎn)來進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境的甲醛檢測(cè)。氣體傳感器的作用是為物聯(lián)網(wǎng)提供大量信息，一次性的甲醛檢測(cè)是不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的信息獲取需求的。建立一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)，把一次性的檢測(cè)改變成實(shí)時(shí)性的。隨著獲取信息的增加，可實(shí)現(xiàn)的功能也會(huì)相應(yīng)地增加。比如：該氣體檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)在房屋建設(shè)完成后即建立，此物聯(lián)網(wǎng)的檢測(cè)信息在裝修階段可以用來分析那部分的裝修會(huì)產(chǎn)生壞的方面影響，甲醛的氣體濃度有明顯的升高，只能是在采用的裝修材料揮發(fā)所致，由此就可以更換更加環(huán)保的材料?；蛘呒兹┑臐舛瘸掷m(xù)在高位，通風(fēng)后濃度仍然會(huì)回到高位，說明建筑內(nèi)有甲醛的揮發(fā)源，可以根據(jù)甲醛濃度升高的時(shí)間和建筑內(nèi)變化的情況來確定甲醛的揮發(fā)源。還有，建筑內(nèi)的空氣如果是比較密閉或穩(wěn)定的情況下，氣體的情況不會(huì)有較大的變化。開窗通風(fēng)會(huì)對(duì)氣體的情況產(chǎn)生較大的變化，那么可以根據(jù)此種變化來判斷是否有開窗的情況，以此延伸判斷盜竊的情況。建立的實(shí)時(shí)檢測(cè)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)，如果考慮感知節(jié)點(diǎn)是多個(gè)的情況。以一個(gè)居家住宅為例，同種氣體同時(shí)檢測(cè)信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)值會(huì)有不同，并在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)減少這種檢測(cè)差?？梢愿鶕?jù)此種情況來判定氣體來源是臥室還是客廳。

當(dāng)前，由于氣體傳感器檢測(cè)的技術(shù)限制和氣體信息和起因的必然關(guān)聯(lián)性不足，氣體傳感器檢測(cè)的信息多處于初期借鑒性檢測(cè)。隨著氣體傳感器技術(shù)的進(jìn)步，氣體的檢測(cè)準(zhǔn)確性

也必將提高，氣體傳感器將會(huì)提供從空氣污染到室內(nèi)環(huán)境，從食品安全到人體健康等方方面面準(zhǔn)確可靠的信息，將為物聯(lián)網(wǎng)帶來再一次的大發(fā)展。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

物聯(lián)網(wǎng)是信息獲取、信息傳輸和信息處理的高速信息閉環(huán)系統(tǒng)。互聯(lián)網(wǎng)本身就是高速的信息傳輸通道，計(jì)算機(jī)的處理速度一直是其發(fā)展的主線。隨著兩者的發(fā)展，注定了高速信息獲取技術(shù)的突破，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的速度匹配性。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的信息獲取主要手段，而氣體傳感器能夠?qū)怏w的檢測(cè)便捷性和無損性，滿足了氣體及氣體間接相關(guān)事物的信息快速獲取需求。氣體傳感器將為物聯(lián)網(wǎng)帶來更加多元化，深層次的信息，也必將為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供非常重要的發(fā)展助力。

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