物聯(lián)網(wǎng)傳感技術應用與發(fā)展

秦皇島秦冶重工有限公司設計院 張虎

物聯(lián)網(wǎng)傳感技術應用與發(fā)展

秦皇島秦冶重工有限公司設計院 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)中關鍵組成部分。傳感器性能決定物聯(lián)網(wǎng)性能。傳感器技術的升級換代將提升網(wǎng)絡的升級換代。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”的關鍵。因此，我們說各種類型的傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎和重要感知器件，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，則大量國外傳感器將進入國內，傳感器市場將被國外占有，不僅經(jīng)濟損失巨大，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，信息處理和應用服務逐步成為發(fā)展重點。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)。特別是基礎傳感器芯片研發(fā)力量弱，大部分芯片依賴進口。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)“兩邊高、中間低”的特點，終端、傳感器網(wǎng)絡和業(yè)務軟件是最大的價值點，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，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鍵點。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)的主要應用是RFID應用。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)應用，但還未形成一個龐大網(wǎng)絡。我國物聯(lián)網(wǎng)部分關鍵技術亟待突破。如傳感芯片、物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一標準等技術較其它發(fā)達國家差距較大，傳感器技術還有眾多問題需要解決。

3.1 核心技術少，創(chuàng)新能力弱

一些關鍵性技術尚未真正突破。如：設計技術、可靠性技術、封裝技術、裝備技術。其中：（1）傳感器的設計技術涉及多種學科、多種理論、多種工藝，設計過程復雜；（2）可靠性技術也是傳感器應用的重要指標，通常國產(chǎn)傳感器可靠性指標比國外同類產(chǎn)品低1～2個數(shù)量級；（3）封裝技術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對傳感器性能特別是穩(wěn)定性起著至關重要的作用；（4）裝備技術一直影響傳感器性能，嚴重制約了我國傳感器行業(yè)的獨立發(fā)展。

3.2 缺乏應用的統(tǒng)一標準

通過建立和完善傳感器及智能化儀器儀表標準體系，融合物聯(lián)網(wǎng)傳感器泛在感知的特點，行業(yè)要統(tǒng)一標準，該領域才可能形成大規(guī)模發(fā)展和應用。物聯(lián)網(wǎng)還會涉及很多跨行業(yè)合作，如果某些行業(yè)應用自己制訂一個標準，跨網(wǎng)或聯(lián)網(wǎng)應用就難以實現(xiàn)，從而產(chǎn)生大量“孤島”。如果標準不能統(tǒng)一，物聯(lián)網(wǎng)領域難以大規(guī)模發(fā)展和成長。我國物聯(lián)網(wǎng)的標準化組織，需要在政府統(tǒng)一領導下，跨行業(yè)、跨部門形成一個物聯(lián)網(wǎng)標準體系，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

傳感器是一種能把被測量信息按一定規(guī)律轉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)絡接口單元，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網(wǎng)絡通信功能，從而實現(xiàn)信息采集、處理和傳輸真正統(tǒng)一協(xié)調。我國的傳感器核心芯片仍面臨著依賴進口，從技術到制造工藝，都落后于發(fā)達國家。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，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)傳感器關鍵技術的突破

目前國內物聯(lián)網(wǎng)總體還處于起步階段，為推進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，未來5年應集中資源攻克共性關鍵技術，保證持續(xù)發(fā)展。我國在基礎芯片設計、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：突破核心關鍵技術，重點推進傳感器、傳輸及信息處理的技術研發(fā)。

所謂關鍵技術主要集中在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點與傳感器網(wǎng)關、系統(tǒng)微型化技術、超高頻RFID、智能無線傳感器技術應用上。具體如下：

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

（2）MSC、ANSYS設計軟件在集成化智能傳感器系統(tǒng)的應用集成化智能傳感器系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、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)境適應性的設計原則與方法；集成化智能傳感器系統(tǒng)低功耗、微型化、高性能芯片設計；集成化智能傳感器系統(tǒng)結構設計和封裝技術。

（3）高準確度。傳感器結構一體化將使遲滯、重復性指標大為改善，準確度得到有效提高。后續(xù)的信號調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/納米級敏感元件結構的實現(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)融合技術消除交叉靈敏度的影響，提高傳感器的穩(wěn)定與準確度。

（5）全數(shù)字化。數(shù)字量的使用將為智能網(wǎng)絡傳感器提供極為穩(wěn)定的性能，準確度高、不需A-D轉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，解決上述關鍵點，對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展應用起著至關重要的作用。

5 物聯(lián)網(wǎng)中的新型傳感器

5.1 MEMS傳感器

采用微機電系統(tǒng)技術，其特點為：

· 微型化；

· 以硅為基材，機械電氣性能優(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電裝置或完整的MEMS；

· 集成化。可以把不同功能、不同敏感方向的多個傳感器或執(zhí)行器集于一體，形成復雜的微系統(tǒng)；

· 多學科交叉。MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，集成了當今科學技術發(fā)展的許多尖端成果。

5.2 微小位移測量傳感器

在測量領域中，利用光使微小位移測量裝置具有耐噪聲及高準確度化，并引入半導體激光器，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，利用塞納克效應的角度傳感器；

· 利用復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 熱線式風速傳感器

5.8 薄膜式風速傳感器

5.9 數(shù)字式風速/溫度傳感器

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

6 物聯(lián)網(wǎng)傳感器展望

傳感器技術的進步讓我們看到物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展朝著更美好的未來邁進?！笆濉逼陂g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展，在石油、鋼鐵、運輸?shù)刃袠I(yè)實現(xiàn)了批量應用。

在未來的物聯(lián)網(wǎng)上需要將部分數(shù)據(jù)處理功能放在末端（減少網(wǎng)絡上傳輸數(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，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準體系，以物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術和現(xiàn)有標準為基礎，提煉我國自主知識產(chǎn)權的關鍵技術進行國際標準化，推動我國物聯(lián)網(wǎng)的健康發(fā)展。

[1]丁露, 倪佳. 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術發(fā)展綜述[J]. 中國儀器儀表, 2013, 09.

[2]范茂軍. 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.

[3]張春紅, 等. 物聯(lián)網(wǎng)技術與應用[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計院，主要研究方向為工業(yè)自動化及物聯(lián)網(wǎng)技術。