面向物聯(lián)網(wǎng)的組合式傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

徐榮+劉克禮+劉輝

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生使物與物之間的通信交流得以實(shí)現(xiàn)，但是其自身也存在著發(fā)展的局限性，其中傳感器技術(shù)是關(guān)乎物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。本文通過深入研究組合式傳感器的原理，選用具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的傳感材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)地進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，得到了兼具多種特性、更好性能的組合式溫度傳感器，通過驗(yàn)證說(shuō)明了其實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；組合式傳感器；關(guān)鍵技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.226

在新一代的信息技術(shù)發(fā)展過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，世界各國(guó)紛紛采取行動(dòng)開展這項(xiàng)技術(shù)研究，以求帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)是一種融合發(fā)展的技術(shù)，是在原有基礎(chǔ)上的提升、匯總和融合。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展迫切需要提升獲取數(shù)據(jù)的可靠性和精準(zhǔn)度，而感知技術(shù)是攝取物理信息的關(guān)鍵。傳感器技術(shù)是生產(chǎn)生活領(lǐng)域中數(shù)據(jù)信息的主要獲取途徑，市場(chǎng)對(duì)新型傳感器的需求旺盛，所以可以以此項(xiàng)技術(shù)為突破口，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)階發(fā)展和普及使用。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和拓展，是當(dāng)今信息化時(shí)代發(fā)展階段中的新一代信息技術(shù)的重要組成部分[1]。它可以收集任何所需的信息，并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合運(yùn)行，任何物品之間都可以通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息的交換和交流。物聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)，不僅能夠解決生活生產(chǎn)各領(lǐng)域所遇到的問題，同時(shí)與大數(shù)據(jù)的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，帶來(lái)新的實(shí)用價(jià)值。因此，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用拓展方面進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新將會(huì)是推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和社會(huì)各領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)和效益

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展不僅順應(yīng)了信息化時(shí)代發(fā)展的潮流，還能夠推動(dòng)當(dāng)前社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在現(xiàn)實(shí)生活中，它的影響是十分顯著的，優(yōu)化了人們的生活方式，使人們生活更加便捷，實(shí)現(xiàn)了生活智能化、安全化、舒適化、節(jié)能化、科技化等。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)還影響著不同行業(yè)的進(jìn)步發(fā)展，優(yōu)化各領(lǐng)域的監(jiān)控管理體系，提供給社會(huì)一個(gè)較好的發(fā)展環(huán)境。在經(jīng)濟(jì)效益方面，各國(guó)政府都將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為拯救實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要解決途徑，是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后最有希望開創(chuàng)新時(shí)代的新興技術(shù)。

2 傳感器技術(shù)概述

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器可以通過改良實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用拓展的創(chuàng)新，以幫助實(shí)現(xiàn)信息的數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化等[2]。在傳感器的使用中，需要達(dá)到比較優(yōu)良的控制性能，使傳感器能夠感測(cè)到被測(cè)量信息的變化并進(jìn)行輸出和顯示，因此在應(yīng)用中精準(zhǔn)選擇傳感器的基本性能就尤為重要。

2.1 單一傳感器優(yōu)缺點(diǎn)

以溫度傳感器為例，不同的溫度傳感器有不同的優(yōu)點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，但是利用單一敏感材料的溫度傳感器想同時(shí)獲得既快速穩(wěn)定又精準(zhǔn)度高的測(cè)量結(jié)果會(huì)有很大的困難。溫度是動(dòng)態(tài)變化的，如果只使用某一種敏感材料的溫度傳感器在實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到最佳測(cè)量效果，將會(huì)影響到物聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用。

2.2 組合式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)

將具有不同功能、不同材質(zhì)的傳感器進(jìn)行搭配，按照其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)組合后形成的傳感器同時(shí)使用多種傳感材料同步測(cè)量、處理同一參數(shù)，充分挖掘每一個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，均衡測(cè)量的穩(wěn)定性與快速性、靈敏性與線性，可輸出更好的測(cè)量結(jié)果，提高輸入和輸出的可靠性[3] 。例如將穩(wěn)定性較好但靈敏度較低的傳感材料與靈敏度較高、反應(yīng)迅速但穩(wěn)定性不好的材料進(jìn)行組合，便能得到一種兼?zhèn)潇`敏度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等多種特性的組合式溫度傳感器。

3 組合式傳感器研究設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展迫切需要提高接入數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，而傳感器則是采集數(shù)據(jù)信息的主要途徑，所以通過傳感器獲得精確的所需信息是急需解決的問題。優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的組合式的溫度傳感器便能實(shí)現(xiàn)信息輸入輸出的可靠性。在組合式溫度傳感器的設(shè)計(jì)中，為了使溫度傳感器具有較好的穩(wěn)定性、線性、響應(yīng)特性，選擇將鉑材料電阻與半導(dǎo)體材料電阻來(lái)組合。

鉑電阻是利用電阻率隨溫度變化而變化熱電阻效應(yīng)制作而成的，鉑電阻穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍廣、線性度好；半導(dǎo)體材料是近些年來(lái)的發(fā)展迅速的一類材料，利用半導(dǎo)體材料制作的熱敏電阻溫度傳感器擁有較高的靈敏度，較寬測(cè)量范圍，較小的體積，但溫度漂移嚴(yán)重。如果將兩者融合在一起形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將大大拓展溫度傳感器的測(cè)量范圍，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)的拓展提供數(shù)據(jù)支持。

3.1 組合式傳感器的基本工作原理

傳感器在控制系統(tǒng)中作為信息感測(cè)環(huán)節(jié)，需要將被測(cè)量的變化量轉(zhuǎn)換為電量，它的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都十分關(guān)鍵，組合傳感器利用不同傳感材料同時(shí)測(cè)量某一參數(shù)，可很好的利用每個(gè)傳感材料的特性，均衡測(cè)量所需的動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)，其基本工作原理圖如3-1所示：

3.2 組合式傳感器的設(shè)計(jì)

本文以組合式的溫度傳感器設(shè)計(jì)為例，為獲得更好的靜、動(dòng)態(tài)特性，選用鉑材料和半導(dǎo)體熱敏材料來(lái)設(shè)計(jì)該傳感器，將采集的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)處理器利用聯(lián)邦卡爾曼算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。

4 面向物聯(lián)網(wǎng)的組合式傳感器的應(yīng)用

當(dāng)前，傳感器技術(shù)發(fā)展滯后嚴(yán)重制約著國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)傳感器進(jìn)行創(chuàng)新性研究和設(shè)計(jì)，探索傳感器的集成化、多功能化、智能化，利用兩種或多種傳感材料進(jìn)行組合設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而獲得更加精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。

本文的傳感器驗(yàn)證系統(tǒng)主要包括2個(gè)溫度傳感器、1個(gè)路由器、1個(gè)傳感器信息接收模塊及上位機(jī)。傳感器節(jié)點(diǎn)A為熱敏材料傳感器，傳感器節(jié)點(diǎn)B為鉑材料傳感器，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度值上傳至路由節(jié)點(diǎn)，然后由路由器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收模塊，傳輸至上位機(jī)通過卡爾曼算法進(jìn)行優(yōu)化處理，方便顯示、記錄、存儲(chǔ)。組合式溫度傳感器系統(tǒng)的工作流程如下：（1）打開相關(guān)數(shù)據(jù)接收點(diǎn)，搭建并開啟系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，打開電腦端的數(shù)據(jù)采集軟件，（2）開啟溫度傳感器，將溫度傳感器數(shù)據(jù)采集點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，開啟路由器節(jié)點(diǎn)，并將路由器也加入網(wǎng)絡(luò)。傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行AD采集，并將所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度值，然后將數(shù)據(jù)傳向接收模塊。（3）數(shù)據(jù)接收模塊在接到數(shù)據(jù)后，利用串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，電腦端對(duì)所得到數(shù)據(jù)處理并分析，將當(dāng)前的溫度顯示出來(lái)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。組合式傳感器系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖 4-1所示。

經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，組合式溫度傳感器在驗(yàn)證過程中基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的采集并顯示所預(yù)測(cè)到的溫度值，同時(shí)在上位機(jī)軟件界面設(shè)置了異常報(bào)警功能。

5 總結(jié)與展望

在信息爆炸的時(shí)代，數(shù)據(jù)的規(guī)模越來(lái)越大，如何快速獲得精確有效的數(shù)據(jù)顯得尤為重要。傳感器負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)的信息采集和匯聚，傳感器技術(shù)的發(fā)展直接決定物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的推廣領(lǐng)域范圍和深度。目前，傳感器技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個(gè)方面的趨勢(shì)：探索開發(fā)具有新效應(yīng)的敏感功能材料，研制出基于新原理的傳感器；研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器；探索傳感器的集成化和多功能化，在同一芯片上集成多個(gè)傳感器形成一維線型或二維陣列型傳感器。本文通過對(duì)組合傳感器基本工作原理的分析，確定了各傳感器的不同特性，以溫度傳感器為例，確定了鉑材料和熱敏材料作為組合式傳感器的兩種材料，完成了傳感器設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試。組合式溫度傳感器在驗(yàn)證過程中基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，系統(tǒng)可以通過所搭建的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)的采集并顯示所預(yù)測(cè)到的溫度值。

在越來(lái)越多的同類型的、不同類型的原始檢測(cè)數(shù)據(jù)被采集的背景下，結(jié)合多傳感器組合技術(shù)就能得到更加真實(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。以組合傳感器的方式對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性地改良和設(shè)計(jì)，不僅可以滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)大規(guī)模信息處理的要求，還能推動(dòng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模普及和廣泛適用。在未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多種傳感器組合技術(shù)的結(jié)合有著廣闊的發(fā)展前景，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的組合式傳感器的關(guān)鍵技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)具有非常實(shí)用的價(jià)值和意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡素青.崛起中的物聯(lián)網(wǎng)[J].金融科技時(shí)代，2012（07）：31-34.

[2]阮禮鵬.傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].科學(xué)與財(cái)富，2015（22）：144-145.

[3]周艷平，丁紀(jì)祥等.一種基于Kalman濾波算法的組合式溫度傳感器的研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（05）：109-112，120.

作者簡(jiǎn)介：徐榮（1984-）女，安徽宿松人，碩士，講師，研究方向：傳感器及測(cè)控技術(shù)。