智能傳感器應用領(lǐng)域及其發(fā)展現狀

　　隨著(zhù)傳感器應用范圍的擴大，傳感器也在不斷的發(fā)展之中，各種智能設備將作為傳感器的載體，實(shí)現人、機、云端無(wú)縫的交互，讓智能設備與人工智能(AI)結合從而擁有“智慧”，使得人體感知能力得到拓展和延伸。目前我國從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應用的企業(yè)超過(guò)1700家，產(chǎn)業(yè)門(mén)類(lèi)基本齊全，傳感器產(chǎn)品達到10大類(lèi)、42小類(lèi)、6000多個(gè)品種，無(wú)論是在健康醫療、城市規劃，還是城市交通方面，傳感器正在發(fā)揮著(zhù)核心作用。

　　此前，國家工業(yè)和信息化部下發(fā)意見(jiàn)函，中國工程院組織遴選的MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)化等16個(gè)項目，擬作為《中國制造2025》2017年重大標志性項目。隨著(zhù)更多的設備通過(guò)傳感器煥發(fā)了第二春，而且提升了效率，那么下一代的工程師、創(chuàng )新者和藝術(shù)家的使命是，發(fā)掘由數據構成的世界所給予的幾乎無(wú)限的機會(huì )。

 

　　第一、 智能傳感器簡(jiǎn)介

　　1 智能傳感器的概念

　　智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過(guò)程中提出來(lái)，并于1979年形成產(chǎn)品。IEEE協(xié)會(huì )將能提供受控量或待感知量大小且能典型簡(jiǎn)化其應用于網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的集成的傳感器稱(chēng)為智能傳感器?！冬F代新型傳感器原理與應用》一書(shū)中認為智能傳感器是帶微處理機的，兼有信息檢測、信息記憶以及邏輯思維與判斷功能的傳感器。

　　智能傳感器是正在高速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還未形成統一的規范化的定義，人們普遍認為智能傳感器是具有對外界環(huán)境等信息進(jìn)行自動(dòng)收集、數據處理以及自診斷與自適應能力的傳感器。

　　2 智能傳感器的功能

　　(1)自補償與自診斷功能：通過(guò)微處理器中的診斷算法能夠檢驗傳感器的輸出，并能夠直接呈現診斷信息，使傳感器具有自診斷的功能。

　　(2)信息存儲與記憶功能：利用自帶空間對歷史數據和各種必需的參數等的數據存儲，極大地提升了控制器的性能。

　　(3)自學(xué)習與自適應功能：通過(guò)內嵌的具有高級編程功能的微處理器可以實(shí)現自學(xué)習功能，同時(shí)在工作過(guò)程中，智能傳感器還能根據一定的行為準則重構結構和參數，具有自適應的功能。

　　(4)數字輸出功能：智能傳感器內部集成了模數轉換電路，能夠直接輸出數字信號，緩解了控制器的信號處理壓力。

　　第二、 智能傳感器應用領(lǐng)域及其發(fā)展現狀

　　1 土木工程

　　我國作為重大的土木工程和基礎設施大國，橋梁、水壩、核電站、供水供電系統工程等使用年限長(cháng)達幾十年，由于腐蝕作用、材料老化等環(huán)境和自身因素，不可避免的造成工程損傷和災害抵抗力下降等問(wèn)題，因此智能傳感器在土木工程領(lǐng)域的作用就顯得尤為重要。

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)的周智、歐進(jìn)萍等人分析了光纖光柵溫度傳感特性及其應變傳感的溫度補償原理和方法，開(kāi)發(fā)了一種滿(mǎn)足工程應用的光纖光柵封裝傳感器，建立了包括傳感器、光開(kāi)關(guān)、數據采集和控制軟件在內的大規模、分布式的光纖光柵智能監測系統，并將其成功的運用到橋梁的實(shí)際施工中，將溫度傳感器與建筑材料復合，用于橋梁的局部健康監測總并取得了良好的效果。

　　2 醫學(xué)

　　在生物醫學(xué)領(lǐng)域中，傳感器作為核心部件被應用到了眾多的檢測儀器中，關(guān)乎到人體健康往往對醫用傳感器有更高要求，不僅對其精確度、可靠性、抗干擾性，同時(shí)在傳感器的體積、重量等外部特性上也有其特殊的要求，因此傳感器在醫學(xué)中的應用在一定程度上反映了傳感器的發(fā)展水平。

　　隨著(zhù)可穿戴式、可植入式微型智能傳感器逐漸面世，醫學(xué)檢測儀器的發(fā)展有了里程碑式的飛躍。中山大學(xué)馮巍、陳仲本等人研究了一種人體實(shí)時(shí)監控系統，該系統利用多個(gè)微型智能傳感器通過(guò)基于藍牙技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現人體健康數據獲取、處理及通信等任務(wù)，主服務(wù)器對數據進(jìn)行分析計算后反饋給各個(gè)節點(diǎn)，實(shí)時(shí)監控被監測對象以避免突發(fā)性疾病，這種可穿戴式的智能傳感器也可以在運用于類(lèi)似于足球比賽等高強度的體育比賽或運動(dòng)員的高強度訓練中。

　　3 汽車(chē)及交通

　　交通發(fā)展的逐漸走向體系化、規范化、智能化管理，在城市內建立完整的智能交通系統，利用智能信息搜集與處理、數據通信等技術(shù)實(shí)現人、車(chē)和路信息的多元統一，進(jìn)一步智能調控交通運行系統，利用道路傳感網(wǎng)絡(luò )獲取當前交通系統中基礎設施、各類(lèi)車(chē)輛以及人群移動(dòng)的狀態(tài)等數據，使交通系統實(shí)現智能檢測與控制成為可能。

　　目前在汽車(chē)安全行駛系統、車(chē)身系統、智能交通系統等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現了智能傳感器的規?；a(chǎn)，隨著(zhù)智能傳感器的不斷更新改良，其在汽車(chē)領(lǐng)域的應用已經(jīng)比較廣泛。輪胎壓力監測系統(TPMS)是一種監測汽車(chē)輪胎壓力和溫度的智能監測系統，監視器收集各個(gè)輪胎的溫度和壓力數據，并根據輪胎溫度和壓力數據的異常情況發(fā)出不同的報警信號提醒駕駛者采取一定的措施，對防止重大交通事故發(fā)揮積極作用。溫州大學(xué)的雷鵬飛、沈華東等人對紅外傳感器在智能車(chē)避障系統的應用進(jìn)行了研究與設計，避障傳感器放射的紅外線(xiàn)在一定范圍內遇到障礙物會(huì )被反射，傳感器檢測到紅外線(xiàn)反射回的信號并發(fā)送給單片機，單片機通過(guò)輸入內部的算法對車(chē)輛輪胎的方向、距離進(jìn)行智能協(xié)調，從而完成躲避障礙物動(dòng)作。同時(shí)獨輪式平衡車(chē)作為新興的個(gè)人交通工具也是利用內置傳感器收集用戶(hù)的姿勢信息控制平衡車(chē)的前進(jìn)方向與速度，成為傳感器在交通領(lǐng)域的一大創(chuàng )新。

　　4 軍事與國防

　　軍事力量是衡量一國國防實(shí)力和綜合實(shí)力的關(guān)鍵指標，對于國防建設具有重要的作用。作為軍事力量的重要組成部分，武器系統的性能決定了軍事隊伍作戰的成敗，在武器系統中引入智能傳感器不僅能夠實(shí)時(shí)監測戰場(chǎng)形勢變化從而及時(shí)調整偵察和作戰計劃，而且可以通過(guò)應用各類(lèi)微小傳感裝置實(shí)現隱蔽性監視，為摧毀敵人目標點(diǎn)和攻擊武裝力量奠定技術(shù)和環(huán)境基礎。美國海軍陸戰隊的地面偵查機器人在機身上裝有具備俯仰角度和側傾角的智能傳感器，這種裝備主要用于實(shí)現潛水偵察，另外還在機身上裝有基于衛星導航的智能傳感器用于準確模擬戰場(chǎng)及其周邊地形，從而實(shí)現水陸兩棲作戰的完美配合。

　　5 家電

　　鄭志輝等人研究了紅外傳感器在智能云空調上的應用，將紅外熱成像技術(shù)引入智能空調應用開(kāi)發(fā)，實(shí)現智能送風(fēng)和智能啟停功能，根據室內溫度與用戶(hù)體感溫度的差異選擇是否開(kāi)啟空調，以及選擇送風(fēng)方式及相應的調節參數，該應用搭配志高云平臺實(shí)現智能防火功能，智能檢測、報警，用戶(hù)可通過(guò)APP了解現場(chǎng)情況。

　　6 電子裝備

　　智能手環(huán)是最常見(jiàn)的一種可穿戴式的電子設備，能夠通過(guò)微型貼身傳感器實(shí)時(shí)監測并記錄用戶(hù)的飲食、睡眠、健身等數據，同時(shí)將這些數據同步到智能手機、平板等電子設備上，用數據指導健康生活。桂林電子科技大學(xué)的李易陸、陳洪波等人設計了一種基于MEMS數據輸出加速度傳感器與超低功耗單片機的智能記步手環(huán)，該手環(huán)利用傳感器隨時(shí)隨地記錄運動(dòng)者的步行量、卡路里消耗等信息，通過(guò)藍牙方式傳輸到手機，實(shí)現了計步功能的良好適應，也提高了智能手環(huán)的可靠性運行。Helios設計了一款配備了UV紫外線(xiàn)傳感器的智能戒指，用戶(hù)只需在Helios應用上反饋著(zhù)裝、防曬等的涂抹情況，智能戒指就可以根據當天的紫外線(xiàn)按強度提供準確的結果幫助用戶(hù)確定日光浴時(shí)長(cháng)等。

　　7 農業(yè)

　　智慧農業(yè)是現代農業(yè)發(fā)展的高級階段，涉及到應用傳感和測量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計算機與通信技術(shù)等智能信息技術(shù)，依托安置在農產(chǎn)品種植區的各個(gè)傳感器節點(diǎn)和通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)施監測農業(yè)生產(chǎn)的田間智慧種植數據，實(shí)現可視化管理、智能預警等，因此傳感器技術(shù)是現代農業(yè)發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。

　　中國農業(yè)大學(xué)的承洋洋、王庫、劉超等人設計開(kāi)發(fā)了一種農業(yè)環(huán)境智能監控系統，通過(guò)分布式的傳感器節點(diǎn)構建ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，采集和傳輸空氣溫濕度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度和光照強度等信息，并將這些信息與攝像頭收集的圖像數據匯集到一起，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺傳輸到遠程服務(wù)器上，遠程監控農業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現農業(yè)生產(chǎn)管理的智能化與高效率。

　　8 海洋探測

　　開(kāi)發(fā)海洋資源的前提是海洋信息的實(shí)時(shí)收集與檢測，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應用，為實(shí)現海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監測、海洋信息實(shí)時(shí)采集，海洋信息智能采集成為保證海洋環(huán)境監測的基礎。楊秀芳等人設計開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線(xiàn)傳感器的信息采集系統，通過(guò)構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，實(shí)時(shí)提供海洋環(huán)境數據，充分利用ZigBee網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢，通過(guò)智能激活傳感器節點(diǎn)所形成的最佳時(shí)間間隔減少網(wǎng)絡(luò )成型時(shí)間，降低功耗和復雜度的同時(shí)延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間，保證傳感器能夠長(cháng)時(shí)間對海洋環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監測以及海洋信息的實(shí)時(shí)采集，對未來(lái)海洋環(huán)境保護和資源開(kāi)發(fā)具有一定的價(jià)值。

　　9 航空航天

　　NASA為檢測制造航天飛機的材料是否達到使用壽命，需要經(jīng)常檢測運載火箭的艙內設施以及各個(gè)關(guān)鍵部件結構的的健康狀況，因此美國斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)了一項斯坦福多致動(dòng)器接收轉換(SMART)層專(zhuān)利技術(shù)，艙身各部分安裝傳感器接收器，在接收到中央傳感器發(fā)射的電磁波，將其轉換為實(shí)時(shí)數據并傳輸到計算機中，計算機利用自身的一套算法處理該數據并實(shí)現信息反饋，提供了一種結構健康監測的實(shí)現方法。

　　第三、展望

　　1 MEMS傳感器

　　MEMS傳感器是利用MEMS技術(shù)制備的新一代傳感器件。MEMS是一個(gè)獨立的智能微小系統，其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級，可大批量生產(chǎn)，常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS氣體傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS濕度傳感器、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)及MEMS陀螺儀等以及它們的集成產(chǎn)品。

　　2 仿生傳感器

　　仿生傳感器是將生物物質(zhì)作為識別標識與待測物質(zhì)發(fā)生生物學(xué)反應，產(chǎn)生的信息將會(huì )轉化成物理、化學(xué)信號并輸出的裝置。仿生傳感器運用于農業(yè)生產(chǎn)能夠快速地對農產(chǎn)品品質(zhì)、土壤污染情況進(jìn)行檢測，是目前研究和應用最廣泛的智能傳感器。

　　3 電化學(xué)傳感器

　　電化學(xué)傳感器能夠對諸如pH值、離子活度的等土壤數據進(jìn)行直接測量，是農業(yè)領(lǐng)域中的一個(gè)新的重要應用。中國科學(xué)院上海應用物理研究所在2014年研究發(fā)布了一種基于氣泡介導的電化學(xué)生物傳感器，單一反應實(shí)現免疫分析的問(wèn)題得到解決，并且能夠快速準確地檢測多種疾病的標志物，該傳感器有望為現場(chǎng)生化檢測提供新的手段。

　　小結

　　智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最重要的技術(shù)之一，在為傳統行業(yè)注入新鮮血液的同時(shí)也引領(lǐng)了傳感器產(chǎn)業(yè)的潮流，在醫學(xué)、工業(yè)、海洋、航天、軍事、農業(yè)等領(lǐng)域均發(fā)揮著(zhù)核心作用，隨著(zhù)智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，新一代智能傳感器將結合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、人工智能等技術(shù)不斷完善其功能，具有十分可觀(guān)的發(fā)展前景。