淺談物聯網智能傳感器特性及其分類

徐文劼

(上海市計量測試技術研究院在線檢測與通用計量技術研究所,上海 201203)

淺談物聯網智能傳感器特性及其分類

徐文劼

(上海市計量測試技術研究院在線檢測與通用計量技術研究所,上海 201203)

智能特性是區別智能傳感器和一般工業傳感器的重要特征，智能化是傳感器重要的發展方向。對物聯網核心部件——智能傳感器進行了調查和研究，針對其通用特性進行了簡要介紹，進一步對傳感器信號采集、數據處理、信息交互、邏輯判斷等多個過程的智能特性和在實際應用中的物聯網特性進行了詳細分析和解讀。結合產業現狀和應用情況，基于傳感器材料和制造工藝等傳統分類方法，對智能傳感器進行多角度分類，同時提出傳感器模塊的組成、集成、信號處理器種類、網絡安全機制和組網應用等智能化分類依據。鑒于當今業界在傳感器的系統化分類方面尚未形成統一的共識，相關研究為相應領域的實際應用提供了參考和指南，尤其對智能傳感器標準化工作具有較強的借鑒價值。

物聯網； 智能傳感器；射頻識別技術; 數據融合； 安全機制

0 引言

物聯網是信息技術領域的一次重大變革，其被認為是繼計算機、互聯網和移動通信網絡之后的第三次信息產業浪潮。物聯網是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡，是通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1-2]。作為世界下一次信息技術浪潮和新經濟引擎，物聯網是繼通信網之后的另一個萬億級市場。我國早在2009年便針對該領域提出了“感知中國”這一概念。

要將任何物品與互聯網連接，必然要實現物品的智能識別、定位、收集、跟蹤、監控和處理，這也決定了智能傳感器在整個物聯網架構中的基礎作用與核心地位。

本文針對物聯網智能傳感器，分析其智能特性，并介紹一些較為前沿的智能傳感器分類方式，為規范生產、使用和檢驗評定智能傳感器提供一定的參考。

1 智能傳感器

智能傳感器是具有與外部系統雙向通信手段，用于發送測量、狀態信息，接收和處理外部命令的傳感器。其既能夠完成信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、與外部系統雙向通信，又可實現自校準、自補償、自診斷。

智能傳感器組成如圖1所示，一般包含傳感單元、智能計算單元和接口單元。傳感單元負責信號的采集。智能計算單元根據設定，對輸入信號進行分析處理，得到特定的輸出結果。智能傳感器通過網絡接口與物聯網其他裝置進行雙向通信。

圖1 智能傳感器組成圖

2 物聯網智能傳感器特性

智能傳感器的性能決定了物聯網性能。傳感器是物聯網獲得信息的唯一途徑，傳感器采集信息的能力和質量將直接影響計算單元對信息的處理與傳輸，其特性對整個物聯網應用系統有著舉足輕重的作用。

2.1 通用特性

智能傳感器與普通傳感器一樣，具有許多通用特性，具體分為靜態特性與動態特性。靜態特性是被測量處于穩態情況下，傳感器的輸出量與輸入量之間的關系，包括測量范圍、準確度、線性度、分辨率、重復性、穩定性等；動態特性是與被測量隨時間變化有關的傳感器特性，包括頻率響應、響應時間等。這些技術指標較為常見，本文不再展開。

2.2 智能特性

智能傳感器的智能特性是其區別于普通傳感器的重要技術指標[3]。傳感器的智能特性體現在：傳感器工作過程中利用數據處理子系統，對其內部行為進行調節，減少外部因素的不利影響，從而得到最佳結果。

考慮到智能傳感器的發展現狀和種類的多樣性，智能傳感器在信號采集、數據處理、信息交互和邏輯判斷等過程中表現出如下智能特性。

①數據預處理。智能傳感器對數字化的數據進行分析、計算，實現自動調校、自動平衡、自動補償和自選量程等功能。

②自動校準。智能傳感器可根據操作者輸入的零值或某一標準量，調用自動校準軟件對傳感器進行調零和校準[4-6]。

③自動診斷。智能傳感器在工作過程中可進行自檢，判斷傳感器各部分是否正常運行，并進行故障定位。

④自適應。智能傳感器在工作過程中能夠主動調節自身模型和參數，以適應外部環境的變化，從而保證其基本功能和性能。

⑤雙向通信。智能傳感器采用雙向通信接口，向外部設備發送測量、狀態信息，并能接收和處理外部設備發出的指令。

⑥智能組態。智能傳感器設有多種模塊化的硬件和軟件，根據不同的應用需求，操作者可改變其模塊的組合狀態，實現多傳感單元、多參量的復合測量。

⑦信息存儲和記憶。智能傳感器可存儲傳感器的特征數據和組態信息，如裝置歷史信息、校正數據、測量參數、狀態參數等，在斷電重連后能夠自動恢復到原來的工作狀態，也能根據應用需要隨時調整其工作狀態。

⑧自推演。智能傳感器可根據數據處理得到的結果或其他途徑得到的信息進行多級推理和預測，并輸出結果。

⑨自學習。智能傳感器可根據外部環境的變化和歷史經驗，主動改進/優化自身模型、算法和參數。

2.3 物聯網特性

為了更好地適配物聯網，智能傳感器應具備一些面向物聯網應用的特性，在物聯網條件下應具有即聯即用的能力，主要表現在其具有自動描述、自動識別和自動組織(包括自動組網)等特性。

①自動描述。智能傳感器在物聯網中能自動向外部設備發出信息，描述自身的位置、功能和狀態等。

②自動識別。智能傳感器在物聯網中能自動識別自身在網絡中的位置，外部設備發出的指令和信號，以及網絡中的其他信息。

③自動組織。網絡的布設無需依賴任何預設的網絡設施，智能傳感器啟動后通過協調各自的行為，即可快速、自動地組成一個獨立的網絡，實現即聯即用。

④互操作性。智能傳感器可與物聯網內其他智能傳感器或外部設備進行相互操控。當某一傳感器偵測到異常數據時，它可以獲得周圍傳感器的測量數據，以輔助判斷是自身測量出現錯誤，還是被測量本身出現異常。同時，它也能根據情況，要求周圍傳感器加大采樣頻率等。

⑤數據安全特性。智能傳感器應具有數據傳輸安全和數據處理安全特性，確保數據的機密性、完整性和真實性。

3 智能傳感器的分類

傳感器的分類對該產品的生產、應用、研究和發展有著很大的指導意義，而要對現有品種繁多的傳感器進行分類則很難達到一個統一的意見，業界也尚未形式一個成熟的分類體系。本文僅探討一些有代表性的智能傳感器分類方式，為實際應用提供建議和指南。

3.1 通用分類

傳感器通用分類方式較為多樣，比如按傳感器材料、工作原理、輸出信號類型、工作機理、檢測對象和制作工藝等進行分類。

傳感器通用分類示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器通用分類示意圖

按傳感器制作工藝，傳感器可分為以下幾種類型。

①集成傳感器。采用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。

②薄膜傳感器。通過真空沉積技術，在介質襯底(基板)上形成敏感材料的薄膜。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。

③厚膜傳感器。利用敏感材料的漿料，涂覆在基片上制成，通常在涂覆后進行熱處理，使厚膜成形。

④陶瓷傳感器。采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。

3.2 智能化分類

智能傳感器的分類可從智能化角度開展，如按智能傳感器結構、智能化技術和信號處理硬件等。

(1)按智能傳感器結構分類。

①模塊式智能傳感器。

模塊式智能傳感器是將傳統傳感器、信號調理電路和帶總線接口的微處理器組合為一個整體而構成的智能傳感器系統。其在傳統傳感器的信號處理電路后連接具有數據總線接口的微處理器，以此實現傳感器智能化，使之具備信號調理電路、微處理器及應用軟件、顯示電路和D/A轉換輸出接口等配套模塊。

模塊式智能傳感器示意圖如圖3所示。

圖3 模塊式智能傳感器示意圖

②集成式智能傳感器。

集成式智能傳感器采用微機械加工技術和大規模集成電路工藝技術，將傳感器敏感元件、信號調理電路、接口電路和微處理器等集成在同一塊芯片上。

集成式智能傳感器示意圖如圖4所示。

圖4 集成式智能傳感器示意圖

③混合式智能傳感器。

混合式智能傳感器是將傳感器的各個環節以不同的組合方式集成在數塊芯片上，并封裝在一個外殼中。

混合式智能傳感器的結構示意圖如圖5所示。

圖5 混合式智能傳感器結構示意圖

(2)按信號處理硬件分類。

智能傳感器最常見的是以CPU作為運算和處理核心，這也是其區別于一般傳感器的重要特征。實際物聯網應用中也常出現其他運算、處理和控制核心，可依此對智能傳感器進行分類。智能傳感器信號處理硬件如表1所示。

表1 智能傳感器信號處理硬件表

3.3 物聯網相關分類

智能傳感器與物聯網的應用密不可分，考慮到智能傳感器在整個傳感網絡中的形態，可從物聯網角度對智能傳感器進行分類[6-10]。以下僅介紹按節點類型和物聯網安全機制的分類。

3.3.1 按傳感器網絡節點類型分類

按智能傳感器在傳感器網絡中的角色類型進行分類，根據節點的數量，傳感器網絡一般按平面結構和分簇結構來構建。在平面結構的傳感器網絡中，節點監測到的數據通過其他傳感器逐條地進行傳輸，監測數據將傳輸到匯聚節點，再統一進行后續傳輸。分簇結構是將傳感器網絡劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭節點和多個簇成員節點組成，其中各個簇頭又形成了高一級的網絡。

(1)按平面結構下的傳感器節點分類。

①普通節點型智能傳感器。

作為普通節點的智能傳感器，具有傳統網絡節點終端的功能。此類傳感器可進行數據采集和處理，一般與其他傳感器協作完成某些特定任務。

②轉發節點型智能傳感器。

作為轉發節點的智能傳感器，具有傳統網絡路由器的功能。此類傳感器可對其他節點傳輸來的數據進行存儲、管理和融合等處理。

③匯聚節點型智能傳感器。

作為匯聚節點的智能傳感器，其數據處理能力、儲存能力和信息通信能力都相對較強。此類傳感器負責連接傳感器網絡與外部網絡，實現通信協議的轉換。

(2)按分簇結構下的傳感器節點分類。

①簇成員節點型智能傳感器。

簇成員節點服務于自身所在的簇，其主要功能即為簇頭采集數據，并將采集到的數據傳輸給簇頭進行后續操作。

②簇頭節點型智能傳感器。

簇頭節點負責物聯網中各個簇之間的數據轉發，即各個簇頭又形成了一個信息傳輸的網絡，減少了網絡中路由控制信息的數量。簇頭可以預先設定，也可通過分簇算法產生。

在實際應用中，傳感器網絡還有其他構建形式，此時應當根據具體問題進行具體分析。

3.3.2 按物聯網安全機制分類

為保障物聯網的安全性，可采用高效冗余的密碼算法、安全有效的密鑰管理、輕量級的安全協議等策略或機制，在感知層實現基于節點的安全，為網絡層和應用層提供安全基礎設施[4]。智能傳感器采用的安全機制可包含且不限于以下幾種。

①密鑰管理機制。

智能傳感器可采用密鑰管理來滿足其安全需求。常見的密鑰管理方案包括隨機密鑰預分配模型及其改進算法、基于信息部署的密鑰管理方案、基于密鑰分配中心的密鑰管理方案以及基于非對稱密碼算法的密鑰管理方案。

②訪問控制機制。

智能傳感器可采用訪問控制機制來滿足其安全需求。訪問控制機制以控制用戶對傳感器網絡的訪問為目的，能夠防止未授權用戶訪問傳感器網絡的節點和數據。訪問控制機制包括自主訪問控制和強制訪問控制。

③鑒別機制。

智能傳感器可通過幾種鑒別機制協作，滿足其安全需求。鑒別機制主要包括傳感器網絡內部節點之間的鑒別，傳感器網絡節點對用戶的鑒別和傳感器網絡消息的鑒別。

④路由安全機制。

智能傳感器可通過路由安全機制滿足其安全需求。路由安全機制是以保證網絡在受到攻擊時仍能進行正確的路由發現、構建和維護為目標的安全機制，包括數據保密和鑒別機制、數據完整性和新鮮性校驗機制、設備和身份鑒別機制以及路由消息廣播鑒別機制。

⑤數據融合安全機制。

智能傳感器可通過數據融合安全機制滿足其安全需求。數據融合安全機制以保障數據保密性、數據傳輸安全、數據融合的準確性為目的，通過加密、安全路由、融合算法的設計、節點間的交互證明、節點采集信息的抽樣、采集信息的簽名等機制達成。

4 結束語

物聯網概念于1999年被提出，已經經歷了一段時間的發展。國內僅射頻識別技術(radio frequency identification,RFID)應用較廣，而智能傳感器相關領域的研究和產業發展在我國仍可謂方興未艾。我國的傳感器制造經過一段摸索已經打下了不錯的基礎，而研發領域還有待提高。隨著新一波物聯網熱潮的來襲，智能傳感器產業必將成為重中之重，相關領域的標準化程度和科研水平也正在提高。可以預見，在不久的將來，智能家居、智能交通和智能城市等概念的落實將真正實現“感知中國”。

[1] 薛燕紅.物聯網技術及應用[M].北京：清華大學出版社,2012.

[2] 李建功,王建全,劉強，等.物聯網關鍵技術與應用[M].北京：機械工業出版社,2013.

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Brief Discussion on the Characteristics and Classification of Intelligent Sensors in IoT

XU Wenjie

(On-line Monitoring and Measurement Technology Insitute,Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology,Shanghai 201203,China)

The intelligent characteristics are the important features to be used to distinguish intelligent sensor and general industrial sensor;intellectualization is an important developing direction of sensors. The core part of IoT,i.e.,intelligent sensors are investigated and researched;their general characteristics are introduced in brief,and the intelligent characteristics of multiple processes for signal acquisition,data processing,information interaction,and logic judgement,as well as the IoT characteristics in practical applications are analyzed and interpreted in further. Combining with the current industrial status and applicational situation,based on the traditional classifications in accordance with the materials and manufacturing processes of sensors,the multi-angle and multi-faceted classification of intelligent sensors is conducted. In addition,the basis of intellectualization classification,including the composition,integration and the types of signal processor of sensor module;security mechanism of network,and networking application,etc.,are put forward. Due to the unified consensus for systematic classification of sensors has not yet formed in industries today,related research provides reference and guidance for practical applications in corresponding fields,especially for the standardization of intelligent sensors.

Internet of things; Intelligent sensor; Radio frequency identification devices(RFID); Data fusion; Security mechanism

徐文劼(1988—)，男，碩士,工程師,主要從事溫度、壓力及電學類儀表在線計量,焓差實驗裝置和工業爐窯計量方法、工業過程控制標準化的研究。E-mail:xuwj@simt.com.cn。

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703012

修改稿收到日期:2016-10-23