智能傳感器及其在體溫檢測中的應(yīng)用

高文飛 臧傳治 吳金財

沈陽工業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院，遼寧沈陽 110870

0 前言

智能傳感器是一種集成化的信息感知檢測裝置，負(fù)責(zé)信息的采集、處理等工作。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛普及，傳感器數(shù)據(jù)信號傳輸作為現(xiàn)代信息化三大基礎(chǔ)之一，相較于傳統(tǒng)傳感器而言，增加了信息自動處理、自動交換等功能，從本質(zhì)上使之更加精確地感知、傳遞監(jiān)測信息，向數(shù)字智能化、網(wǎng)絡(luò)集成化方向延伸發(fā)展[1]。

隨著新興敏感元器件浪潮的掀起，其新鮮活力將不斷地注入科研生產(chǎn)，協(xié)助工業(yè)線運作體系轉(zhuǎn)型，使智能家居、無人駕駛、互聯(lián)萬物等場景由淺入深地步入普通人的生活范疇，深度感知后按標(biāo)準(zhǔn)信號形式輸出[2]。在信號采集、數(shù)據(jù)處理、信息交互、邏輯判斷等方面體現(xiàn)傳感器的智能特性，并實質(zhì)性地說明了它在整個大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)時代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中占有主要價值地位，發(fā)揮其不可磨滅的成效，而傳感器的參數(shù)捕捉質(zhì)量與使用壽命是設(shè)備的生產(chǎn)、器件加工所看重的性能評價指標(biāo)，也是科研探究不可缺失的一面“鏡子”。

本文梳理其分類、結(jié)構(gòu)特點、發(fā)展態(tài)勢、應(yīng)用領(lǐng)域及功能作用等方面內(nèi)容，并提出新型測溫傳感應(yīng)用，一定程度上為相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者提供學(xué)術(shù)參考依據(jù)。

1 智慧傳感器的發(fā)展歷程

智慧傳感器發(fā)展歷程大致歷經(jīng)3 個階段，如圖1 所示?！爸悄軅鞲衅鳌弊畛跏怯蒒ASA 開發(fā)宇宙飛船時提出，并于1979 年制成初步產(chǎn)品[3]，憑借其高效價值和發(fā)展態(tài)勢，在不同領(lǐng)域得已廣泛普及，形成良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效果。

后續(xù)，校方及政府各界將大力助推項目性能層面的技術(shù)科研探索，從以下途徑提升其性能：（1）結(jié)構(gòu)材料特性的研發(fā)到選擇，保證元器件主要指標(biāo)能達(dá)所屬環(huán)境、用戶的苛刻要求，針對其他場合再考慮是否放寬次要指標(biāo)；（2）產(chǎn)生系統(tǒng)偏差時采用補償修正的方式，預(yù)測誤差變化規(guī)律，利用電子電路或軟件算法在傳感器內(nèi)/外修正必要參數(shù)指標(biāo)；（3）利用差動方式減小波動、抵消共模誤差，改善數(shù)據(jù)輸出的非線性問題，并提高感知靈敏度、穩(wěn)定性；（4）提高傳感器的性能穩(wěn)定，從應(yīng)變材料、元器件和整體進(jìn)行穩(wěn)定性處理，減少誤差，保證穩(wěn)定，做好內(nèi)/外信號屏蔽隔離、噪聲抑制。

2 智能傳感器基本架構(gòu)

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)同微型計算機(jī)處理器是邁向智能化的核心之要，經(jīng)軟件算法、控制定義策略、調(diào)節(jié)梳理機(jī)制等過程來優(yōu)化調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)處理效率和精度。智能傳感器的組成架構(gòu)如圖2 所示。將傳感器與微計算處理器二者融合，搭配輔助電路、信息自處理校正技術(shù)后集成于嵌入式微處理芯片上，便是所謂的“智能傳感器”，具備部分智能化特性，而未來將迅猛發(fā)展的高新技術(shù)匯入其中，相信能對感知參量持續(xù)進(jìn)行前/后精確計算、共享存儲、數(shù)理統(tǒng)計分析等一系列優(yōu)化進(jìn)程。

智能傳感器的優(yōu)勢體現(xiàn)層面如圖3 所示。與傳統(tǒng)“sensor”相比，其價值優(yōu)勢上更加全面，有代表性。智能傳感元器件比普通測量型儀器具有更好的測量性能和較長的使用壽命，經(jīng)軟件算法削弱誤差干擾、數(shù)值分析、特征提取、殘值補償自動化進(jìn)程、輸出線性化來提高對被測量參量的深層感知反饋和處理效率質(zhì)量，能夠代替部分硬件實現(xiàn)信息處理任務(wù)。利用經(jīng)濟(jì)成本低、體積質(zhì)量小的MCU 強大數(shù)據(jù)記憶存儲處理能力，對數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性參數(shù)測量，獲取數(shù)據(jù)特征的新量值并能記錄最大/小量值，擴(kuò)展其性能，提升功能，之后可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)消除交叉靈敏度的影響，提升參數(shù)測量過程中的高分辨力。

我國對于傳感特性的研究已邁入國際化，但在儀器顯示可靠性、產(chǎn)品感知分裝性、仿真設(shè)計貼合性、精密儀器加工性幾種方面仍具有較大差距[5]。未來，智能傳感器隨著材料特性研究加深不斷順應(yīng)科技化發(fā)展大趨勢，將不斷衍生至物、化、生各個領(lǐng)域空間。傳感器分類標(biāo)準(zhǔn)與方法也不盡相同，常見的分類格式有按工作原理、輸入量、輸出量、被測量、能量關(guān)系分類的，但基本原理都是基于人的感官感受不斷實踐磨合，根據(jù)實際經(jīng)驗提出來的。然而，根據(jù)所測試參量、監(jiān)測環(huán)境等主觀因素外，盡可能地兼顧結(jié)構(gòu)組成、易換度、是否易維修等因素來選擇合適的器件同樣是必要的?？蓞⒄請D4 所示的智能傳感器不同層次分類結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合感應(yīng)原理、測量量程、靈敏度、響應(yīng)特性來綜合選擇。

3 典型智能傳感器

3.1 光纖式

相較于傳統(tǒng)式，干涉型光纖傳感器以光為傳輸敏感介質(zhì)，因載體光絕緣性好、抗電磁干擾強、屏蔽性好、靈敏度高，同時能在極端的測量環(huán)境下具備抗腐蝕、防爆、光路清晰等優(yōu)勢，更改光波長、相角等主要參數(shù)能夠輕易感知外界參量，具備光纖傳感器和干涉測量的優(yōu)點。常見的干涉型光纖傳感器有邁克爾遜光纖傳感器和馬赫-曾徳爾干涉型光纖傳感器[6]。

根據(jù)測量方式又分為多/單光纖光柵測量。原理：用2 段不同溫度系數(shù)和應(yīng)變靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度應(yīng)變傳感器，確定2 個光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測反饋。常見的光纖光柵型傳感器有應(yīng)變感應(yīng)器、水聽器、光纖陀螺儀，如表1 所示。軍事上常用于探測海底船只和航海導(dǎo)航[7]。

3.2 半導(dǎo)體式

半導(dǎo)體作為敏感元器件，由近百種物、化、生型材料融合制成，巧用半導(dǎo)體光譜、短點流比、波長、溫度等感知特性，特殊的結(jié)構(gòu)能使元器件對溫度、波長、顏色、濕度等產(chǎn)生靈敏應(yīng)變，具有敏感度好、響應(yīng)快、構(gòu)造簡單、質(zhì)量輕、集成化等優(yōu)勢，現(xiàn)已用于工業(yè)自動化、遙控感知、機(jī)器人、家電[8]、生態(tài)保護(hù)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，以及檢測物理、化學(xué)、生命類敏感被檢測參數(shù)中。半導(dǎo)體式傳感器典型類型如表2所示。

半導(dǎo)體和光纖傳感器可實時監(jiān)測患者體溫，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備或系統(tǒng)，并使用人工智能算法分析數(shù)據(jù)，自動報警，避免漏掉重要信息，從而提高病床管理的智能化程度。多個測量點可獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，與智能手環(huán)或穿戴設(shè)備結(jié)合，實現(xiàn)無縫監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享。分析數(shù)據(jù)有助于了解患者病情，調(diào)整治療方案，提高醫(yī)療效率，降低誤診率[9]。

3.3 醫(yī)療級溫度傳感器

目前，溫感可通過終端設(shè)備來監(jiān)測被檢測對象溫度狀況，如：間接掌握病人體征，一定程度上減輕醫(yī)務(wù)人員壓力，減少出入病區(qū)頻次，降低感柒。這類溫感能夠涉及日常各個領(lǐng)域，協(xié)助老人或殘疾人士開展監(jiān)測，給其日常生活帶來便捷。

3.3.1 熱電偶式

熱電偶感溫元件由2 種材料電導(dǎo)體構(gòu)成回路，兩邊存有溫差回路便產(chǎn)生電流量，中間就產(chǎn)生熱電動勢；相反，異樣熱電偶形成異同的熱電動勢，但僅與熱電極材料相關(guān)，與熱電偶長短、孔徑不相干。熱電偶的種類確認(rèn)后，其熱電動勢只與熱電偶工作端與冷端溫度差相關(guān)，該類傳感器具有感知精確、覆蓋面廣、測量平穩(wěn)等優(yōu)點。本文案例為實現(xiàn)體感測溫智能化，可使用微控制器和其他電子元件來對熱電偶傳感器進(jìn)行自動校準(zhǔn)和補償。此外，可將傳感器與計算機(jī)連接，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測和分析。

3.3.2 熱電阻式

電阻式溫度傳感器（RTD）對溫度敏感。元件可采用纏線、薄膜等類型。一般由鉑、鎳或銅做成金屬探頭，利用恒流電源法、工作電壓比例法、電橋法，憑借電阻隨溫度而線性轉(zhuǎn)變的特性，依據(jù)測量電阻值實現(xiàn)溫度感知。醫(yī)學(xué)應(yīng)用如：片狀熱敏電阻器測量表皮溫度。該類感應(yīng)器具有價格低、反應(yīng)靈敏、技術(shù)成熟、熱敏電阻器靈巧、體型小等優(yōu)勢，為實現(xiàn)該設(shè)備智能化，可使用自動補償技術(shù)來消除由線路電阻和溫度梯度引起的誤差。此外，還可使用數(shù)字信號處理器（DSP）來提高傳感器的響應(yīng)速度和精度[10]。

4 醫(yī)療級溫度傳感器的應(yīng)用新場景

4.1 數(shù)據(jù)、信息融合

硬件配置分成系統(tǒng)采集和顯示。網(wǎng)絡(luò)移動式體溫監(jiān)測流程如圖5 所示。采集設(shè)備用MTSO1 片狀混和式溫度傳感器測量處理芯片采集人體溫度值，經(jīng)MH2103ACCT6 單片機(jī)芯片獲得采集數(shù)據(jù)（增強型，真隨機(jī)數(shù)，硬件加密算法單元，32 位核心的帶128K字節(jié)至256 K 字節(jié)閃存的微控制器、USB、CAN、17個定時器、3 個ADC、2 個DAC、15 個通信接口），并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、測算、存儲等操作，之后將規(guī)范信號傳導(dǎo)給Wi-Fi 模塊，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器推送數(shù)據(jù)，后端系統(tǒng)根據(jù)STM32F103ZET6 無線網(wǎng)絡(luò) Wi-Fi 模塊從局域網(wǎng)絡(luò)中接受信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸送到眼控儀顯示端予以處理并顯示。

物間互融互合涉及載體單元分布式整合，多個傳感器聯(lián)合協(xié)作處理方式提高整體感知系統(tǒng)架構(gòu)效率穩(wěn)定程度，抑制少量元件伴有的局限性、不確定性、模糊性。為了在抽象層次水平上構(gòu)建更高效率的檢測體系，實現(xiàn)高效率收集檢測量和被檢測物體信息量來削弱系統(tǒng)滋生的誤差，也將利用蟻群算法、專家系統(tǒng)、模糊技術(shù)、遺傳算法等成熟推理方法來不斷使抽象的數(shù)據(jù)利用規(guī)則來清晰化、線性化輸出，并融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，憑借其強大的模型遞歸計算能力來預(yù)測感知數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度等。

4.2 集成化、功能化

傳統(tǒng)醫(yī)療方式已無法達(dá)到現(xiàn)代康養(yǎng)要求。本文中所提出的體溫監(jiān)測應(yīng)用模式在提高醫(yī)療質(zhì)量的同時還可進(jìn)一步降低醫(yī)療成本費，搭配使用自主研發(fā)的視覺驅(qū)動智能康復(fù)護(hù)理床，能夠高效率、個性化地開展醫(yī)療監(jiān)護(hù)。效果實現(xiàn)流程如圖6 所示，其選用傳感網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)開展分布式部署，采集用戶體溫等主要參數(shù)，并即時上傳至監(jiān)護(hù)中心云端備份紀(jì)錄日志，為醫(yī)務(wù)人員做出確診判斷及預(yù)測提供數(shù)據(jù)支撐[11]。

在主要參數(shù)設(shè)定時，需對一些指標(biāo)值開展設(shè)定，如：設(shè)定護(hù)理床起背、落腿、側(cè)翻轉(zhuǎn)角度、速率、高度等，做到定位值全自動預(yù)警信息，降低突發(fā)狀況出現(xiàn)概率，與此同時，確保相關(guān)負(fù)責(zé)人第一時間獲取預(yù)警提醒。此外，人性化選控頁面設(shè)計對提升醫(yī)療質(zhì)量有很大成效，可以讓用戶選控更為暖心應(yīng)手。本文中所提出的傳感控制策略，旨在利用客戶視覺效果運動軌跡，完成開啟功能圖標(biāo)驅(qū)使眼動儀機(jī)器設(shè)備運作，導(dǎo)出數(shù)據(jù)信號，操縱電機(jī)運作箱，最后更改康復(fù)治療床運作情況，完成左/右邊翻轉(zhuǎn)、起背、落腿、校準(zhǔn)等相關(guān)作用。MTS01 混合高精密溫度傳感器則在存儲傳遞中能夠進(jìn)行自動式檢測記錄，減少人為要素干擾，提升數(shù)據(jù)的可靠性。設(shè)備模型效果如圖7 所示。在本文提出的測控系統(tǒng)中，溫度測量傳感片狀體占有面積特別小，且置入原材料之中能夠充分確保用戶運作過程中的舒適安全性、效率可靠性，同時能源消耗較低，并將人體的體征數(shù)據(jù)保存到云端，支持導(dǎo)出打印，便于后期查看，具有很高的使用價值[12]。

5 智能化傳感技術(shù)發(fā)展方向

新原理、新材料、新技術(shù)應(yīng)用的探索已愈發(fā)成熟，新特性、新構(gòu)造、新應(yīng)用也層出不窮，已經(jīng)成為發(fā)展的主要轉(zhuǎn)向態(tài)勢。

5.1 智能化

智能化目標(biāo)：不斷接近人的思維，根據(jù)經(jīng)驗做出決策，預(yù)測結(jié)果發(fā)生，完成信息處理變換、數(shù)值分析、雙向通信、復(fù)合系統(tǒng)檢測、人機(jī)對話、軟件組合式測量等相關(guān)工作。現(xiàn)階段，將智能化傳感技術(shù)與電力電子技術(shù)結(jié)合的軟測量、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法的AI 傳感產(chǎn)物已規(guī)模性交付使用，充分展現(xiàn)智能化的靈活穩(wěn)定性、可靠性。

5.2 移動低功耗無源化

開發(fā)低功耗和便攜式產(chǎn)品是大勢所趨。本文所述的智能康養(yǎng)傳感設(shè)備能夠最大化利用材料資源適應(yīng)環(huán)境，實現(xiàn)異地數(shù)據(jù)共享互聯(lián)。以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，引入物聯(lián)網(wǎng)移動化，實現(xiàn)物-物間交換、通信，按照一定的協(xié)議來將體征數(shù)據(jù)傳遞顯示，實現(xiàn)智能化的識別瀏覽、管理感知、故障自我診斷[12]，使其操作流程不斷簡化、人性化。關(guān)鍵在于解決互聯(lián)網(wǎng)資源容量、通信能力、內(nèi)存空間等限制和傳感元件的可維護(hù)、可擴(kuò)展性。這也給未來設(shè)備與云計算服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)融合協(xié)作埋下了“種子”[6]。

5.3 材料新穎化

伴隨著小型化和集成化微機(jī)電生產(chǎn)加工技術(shù)的高速發(fā)展，為契合新環(huán)境要求，提升元件性能，材料技術(shù)開發(fā)是提升性能、效率、穩(wěn)定性重要途徑，同時愈發(fā)彰顯新式敏感材料的技術(shù)性價值。半導(dǎo)體材料生產(chǎn)加工技術(shù)被加入到傳感器生產(chǎn)制造中，完成了工業(yè)化生產(chǎn)，為傳感器的微型化帶來了極為重要的技術(shù)支撐。有機(jī)材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、超導(dǎo)體、納米復(fù)合材料等已成為產(chǎn)品研發(fā)熱點[13]。

5.4 集成化的實現(xiàn)

高集成度、超小型、自補償能力強也是當(dāng)前傳感器集成的主要發(fā)展方向。功能結(jié)構(gòu)集成化產(chǎn)物日益流行，包括2 種形式：一是線形融合；二是多用途集成，即將數(shù)據(jù)處理、資料存放、雙向通信等功能集成。微處理器和接口電路融合，在實現(xiàn)自檢測、軟件自校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)通信等功能基礎(chǔ)上，引入硬件多維化和陣列化，軟件融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)、專家遺傳算法等，從而使其真正意義上具備高度智能，再經(jīng)處理數(shù)據(jù)、目標(biāo)檢測規(guī)劃、特征提取等處理進(jìn)程來實現(xiàn)實時感知、辨識、記憶等功能特點。

6 結(jié)束語

智能醫(yī)療護(hù)理正處于跨界融合、加速創(chuàng)新、萬物智能的新態(tài)勢[14]。隨著物聯(lián)網(wǎng)等信息化浪潮的發(fā)展，高精度智慧傳感器與AI融合后的產(chǎn)物是大數(shù)據(jù)信息傳遞中的重要媒介階段，具備更好的市場發(fā)展前景和生命力，憑借發(fā)展基礎(chǔ)和自身物質(zhì)特性（感知、記憶、互聯(lián)、控制），相信能夠不斷帶動智慧家電生產(chǎn)、智能城市制造、工業(yè)自動化、醫(yī)療器械、農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)、航空航天、軍工裝備、企業(yè)生產(chǎn)線等新舊行業(yè)崛起發(fā)展，其在相關(guān)領(lǐng)域占比情況如圖8 所示。

本文提出的視覺驅(qū)動的智能康復(fù)護(hù)理傳感機(jī)制與互聯(lián)網(wǎng)平臺終端間的連接，需實現(xiàn)物-物間的感應(yīng)采集、標(biāo)定自校準(zhǔn)、監(jiān)測分析、限定反饋、補償修正計算、顯示存儲、病床運作等核心環(huán)節(jié)操作。相信在未來，隨著對傳感電子元器件領(lǐng)域研發(fā)重視程度的加深，深度-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型產(chǎn)物所占比重不斷拓寬，能夠持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)的采集處理過程，降低誤差影響，精準(zhǔn)迅速感知被測參量，提高檢測的效率質(zhì)量。這也展現(xiàn)出智慧傳感器在科技化現(xiàn)代社會中將持續(xù)展現(xiàn)其功能和不可或缺的核心地位[15]。