到2027年，智能傳感器將達(dá)到1435.5億美元，智能傳感器擁有巨大的市場成長空間。

其中，物聯(lián)網(wǎng)是智能傳感器的強(qiáng)勁增長引擎之一，小型化、智能化的智能傳感器加速推動物聯(lián)網(wǎng)落地，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)也為傳感器帶來更多的發(fā)展需求。本文來自電子工程專輯，著眼整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)電子行業(yè)的發(fā)展，探討物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器應(yīng)用的新一輪變革。MEMS傳感器將占據(jù)超過50%，還有那些傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中獲得巨大收益？

物聯(lián)網(wǎng)真的來了，這個(gè)世界從未如此渴望這些傳感器！

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傳感器與智能傳感器

傳感器是一種可以將特定物理量（如光、聲音、壓力、溫度、振動、濕度、速度、加速度、特定化學(xué)成分或氣體的存在、運(yùn)動、灰塵顆粒的存在等）轉(zhuǎn)換為電信號來檢測、測量或指示它們的裝置。當(dāng)傳感器感知并發(fā)送信息時(shí)，執(zhí)行器被激活并開始運(yùn)作。執(zhí)行器接收信號并設(shè)置其所需的動作，以便能在環(huán)境中采取行動。

智能傳感器是指能夠?qū)ν饨绛h(huán)境信息進(jìn)行感知、采集并自主判斷、分析和處理的智能化傳感器件。智能傳感器具有信息采集、處理、交換、存儲和傳輸功能的多元件集成電路，是集傳感器、通信模塊、微處理器、驅(qū)動與接口，以及軟件算法于一體的系統(tǒng)級器件，具有自學(xué)習(xí)、自診斷和自補(bǔ)償能力，以及感知融合和靈活的通信能力。與一般傳感器相比，智能傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

• 自檢、自校準(zhǔn)和自診斷：自診斷功能在接通電源時(shí)進(jìn)行自檢，并通過診斷測試來確定組件是否出現(xiàn)故障。此外，還可以根據(jù)使用時(shí)間在線修正，微處理器利用存儲的測量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行比對驗(yàn)證。
• 感應(yīng)融合：智能傳感器可同時(shí)測量多個(gè)物理量和化學(xué)量，給出能更全面反映物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的信息。例如，融合液體傳感器可以同時(shí)測量介質(zhì)的溫度、流量、壓力和密度。如何機(jī)械傳感器可以同時(shí)測量物體某一點(diǎn)的三維振動加速度、速度、位移等。
• 精度高：智能傳感器具有信息處理功能，不僅可以通過軟件校正各種確定性系統(tǒng)誤差，還可以適當(dāng)補(bǔ)償隨機(jī)誤差、降低噪聲，從而大大提高傳感器精度。
• 可靠性高：集成的傳感器系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些不可靠因素，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能。同時(shí)還具有診斷、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲功能，穩(wěn)定性好。
• 性價(jià)比高：在同等精度要求下，多功能智能傳感器的性價(jià)比明顯高于功能單一的普通傳感器，尤其是在集成更便宜的微控制器之后。
• 功能多樣化：智能傳感器可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測量，通過編程擴(kuò)大測量和使用范圍；具有一定的自適應(yīng)能力，可根據(jù)檢測對象或條件的變化，相應(yīng)地改變輸出數(shù)據(jù)的范圍形式；具有數(shù)字通訊接口功能，可直接發(fā)送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；具有多種數(shù)據(jù)輸出形式，適用于各種應(yīng)用系統(tǒng)。
• 信號歸一化：傳感器的模擬信號通過放大器歸一化，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。微處理器又以串行、并行、頻率、相位和脈沖等多種數(shù)字傳輸形式進(jìn)行數(shù)字歸一化。
• 智能傳感器的需求增長驅(qū)動力主要包括：
• 物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的日益普及
• 汽車電動化和智能化趨勢
• 可穿戴消費(fèi)電子產(chǎn)品的流行
• 傳感器技術(shù)和MEMS制造工藝的進(jìn)步
• 智能手機(jī)中各種傳感器的用量越來越多（比如CMOS圖像傳感器）
• 工業(yè)自動化和智能制造的強(qiáng)勁需求
• 智慧城市、交通和樓宇的智能化
• 根據(jù)Allied Market Research報(bào)告，從2020到2027年，智能傳感器市場將以18.6%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，2027年將達(dá)到1436.5億美元。其中汽車行業(yè)是智能傳感器的應(yīng)用市場，約占四分之一。在2020-2027年的預(yù)測期內(nèi)，汽車智能傳感器市場增長率預(yù)計(jì)將達(dá)到21.7%。此外，可穿戴設(shè)備和健康醫(yī)療應(yīng)用將為智能傳感器帶來短期的增長機(jī)遇。
• 從技術(shù)角度看，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）占據(jù)了超過50%的。在預(yù)測期內(nèi)，納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）有望成為增長的產(chǎn)品類型，但是MEMS技術(shù)仍將保持主導(dǎo)地位。阻礙市場增長的因素之一是，設(shè)備中的集成智能傳感器會縮短這些設(shè)備的使用壽命。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能傳感器技術(shù)趨勢

物聯(lián)網(wǎng)的快速增長和普及帶動了智能傳感器的強(qiáng)勁需求，下面我們列出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，來探討一下智能傳感器在每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)趨勢。

1. 智能可穿戴
2. 智能家居
3. 智慧城市
4. 智能交通
5. 智能電網(wǎng)
6. 智能樓宇
7. 智慧農(nóng)業(yè)
8. 智慧醫(yī)療
9. 環(huán)境監(jiān)測
10. 智能制造

智能可穿戴設(shè)備

智能可穿戴設(shè)備包括五大模塊：處理器和存儲器、電源、無線通信、傳感器、執(zhí)行器。其中，傳感器是五大模塊的創(chuàng)新要素，是人與物溝通的“芯"。得益于傳感器技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

可穿戴設(shè)備中集成了很多種傳感器，其中主要包括：

• 運(yùn)動型傳感器：包括陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器和磁力計(jì)等。它們主要用在手環(huán)等設(shè)備中，主要功能是在智能設(shè)備中完成運(yùn)動監(jiān)測、導(dǎo)航和人機(jī)交互。通過運(yùn)動型傳感器隨時(shí)記錄和分析人體活動情況，用戶就可以知道自己跑步的步數(shù)、騎車的距離、睡眠時(shí)間和能量的消耗等運(yùn)動和身體數(shù)據(jù)。
• 生物型傳感器：包括血糖傳感器、血壓傳感器、心電傳感器、、腦電波傳感器、肌電傳感器等。主要用于醫(yī)療電子設(shè)備中，例如等。這里設(shè)備利用生物傳感器采集人體信號，經(jīng)過信號處理來完成健康預(yù)警和病情的監(jiān)控功能。
• 環(huán)境傳感器：包括溫濕度傳感器、紫外線傳感器、顆粒物傳感器、氣體傳感器、pH傳感器、氣壓傳感器等，可用于PM2.5便攜式檢測儀、口罩、便攜式個(gè)人綜合環(huán)境監(jiān)測終端等設(shè)備中，通過測試環(huán)境數(shù)據(jù)完成環(huán)境監(jiān)測、天氣預(yù)報(bào)和健康提醒。

智能家居

• 溫度傳感器：在智能家居中可以保證室溫的恒定。溫度傳感器可以根據(jù)季節(jié)的變化或者用戶的需求來調(diào)整溫度。通過溫度傳感器可以采集溫度信息，將溫度的信息傳遞給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，繼而通過控制體系傳輸給空調(diào)，實(shí)現(xiàn)智能家居的溫度控制。
• 圖像傳感器：在智能家居系統(tǒng)中，通過PC端的監(jiān)控，可以將信息發(fā)送給用戶的手機(jī)或者電腦，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。在智能監(jiān)控中，利用圖像傳感器可以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。攝像頭主要由CCD或CMOS傳感器組成，實(shí)現(xiàn)對智能家居的全面控制。
• 光電傳感器：通過光電傳感器可以實(shí)現(xiàn)對智能家居的全面控制。利用光阻可以設(shè)計(jì)自動照明燈，通過紅外線感應(yīng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對居家的便利化照明，不需要人為進(jìn)行控制。另外，在光電傳感器的運(yùn)用中，通過紅外線傳感器可以實(shí)現(xiàn)對水龍頭、溫度計(jì)濕度等多種條件的控制，這樣可以節(jié)約相應(yīng)的資源，且會提升用戶的享受。
• 空氣傳感器：空氣傳感器則可以為用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控的環(huán)境，一旦超出安全指標(biāo)即可觸發(fā)家中的空氣凈化設(shè)備來凈化空氣，為家人營造健康的空氣環(huán)境。空氣傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關(guān)的儀器儀表或環(huán)境改善設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣質(zhì)量。

智慧城市

智慧城市的三個(gè)主要特征是：物理和技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境監(jiān)測和響應(yīng)能力，以及為公民提供的智慧服務(wù)。　　

一個(gè)智慧的城市由三個(gè)層次構(gòu)成。首先是技術(shù)基礎(chǔ)，其中包括大量的智能手機(jī)和通過高速通信網(wǎng)絡(luò)連接的傳感器；第二層由特定應(yīng)用組成，要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為警報(bào)、洞察和行動都需要適當(dāng)?shù)墓ぞ撸坏谌龑邮浅鞘小⑵髽I(yè)和公眾的利用情況。許多應(yīng)用只有在被廣泛采用并設(shè)法改變行為的情況下才能成功，比如引導(dǎo)人們在下班時(shí)間使用公共交通、改變路線、減少能源和水的消耗，或在一天中的不同時(shí)間段使用，以及通過預(yù)防性自我保健減少醫(yī)療保健系統(tǒng)的壓力等。

在智慧城市中，傳感器、攝像頭、無線設(shè)備和數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了關(guān)鍵的基礎(chǔ)架構(gòu)。其中傳感是智能基礎(chǔ)架構(gòu)的核心，傳感器是城市景觀中隱藏但無處不在的組成部分，是任何智能控制系統(tǒng)的重要組成部分。

• 電子傳感器：電子傳感器部署在環(huán)境監(jiān)視傳感器和速度計(jì)傳感器中，這些傳感器通常部署在智慧城市網(wǎng)絡(luò)中以執(zhí)行各種任務(wù)，例如監(jiān)視電源和電流水平以進(jìn)行故障檢測。
• 紅外傳感器：紅外傳感器有助于在動態(tài)和不穩(wěn)定的環(huán)境中無偏見地生成數(shù)據(jù)，從而有助于智慧城市中的決策。
• 雷達(dá)傳感器可利用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)來分析重要的現(xiàn)場信息。
• 熱傳感器：熱傳感器對能量分布進(jìn)行精確跟蹤，而其他智能傳感器則可以管理需求側(cè)能量。因此，智能電網(wǎng)傳感器有助于提高能源效率。
• 接近傳感器和激光雷達(dá)傳感器：幫助開發(fā)自動車輛系統(tǒng)，這對于使城市智能化至關(guān)重要。　　

智能交通

智能交通就是利用各種智能技術(shù)和裝備，推動交通的數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化。其中，網(wǎng)聯(lián)化對于智能交通的發(fā)展至關(guān)重要。利用物聯(lián)網(wǎng)，可以讓交通各環(huán)節(jié)和各方面成功聯(lián)網(wǎng)，不僅能有效增強(qiáng)交通監(jiān)管、升級交通服務(wù)，同時(shí)還能進(jìn)一步*現(xiàn)有交通業(yè)態(tài)。

智能交通系統(tǒng)(ITS)應(yīng)用在城市交通中主要體現(xiàn)在微觀的交通信息采集、交通控制和誘導(dǎo)等方面，通過提高對交通信息的有效使用和管理來提高交通系統(tǒng)的效 率，主要是由信息采集輸入、策略控制、輸出執(zhí)行、各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸與通信等子系統(tǒng)組成。

智能電網(wǎng)

智能樓宇

智能樓宇不同于智能家居，專指辦公大樓、購物中心和酒店等非住宅建筑。這些建筑物中的設(shè)備都連有傳感器，可以提供能源消耗信息，并自動做出優(yōu)化運(yùn)營的決策。一系列聯(lián)網(wǎng)傳感器可收集環(huán)境信息，以及與樓宇運(yùn)行和使用情況有關(guān)的數(shù)據(jù)。

利用傳感器、執(zhí)行器和控制器在不同子系統(tǒng)之間建立交叉互聯(lián)，建筑物即可實(shí)現(xiàn)“智能化"。如果把互聯(lián)比作智能樓宇的骨架，那么實(shí)際設(shè)備和控制裝置則相當(dāng)于建筑物的肌肉和大腦。

智能組件之間的這種交互，能夠根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）和室內(nèi)二氧化碳濃度來控制通風(fēng)系統(tǒng)。照明系統(tǒng)也可根據(jù)是否有人存在及室內(nèi)亮度等附加因素予以自動調(diào)整，這樣可以顯著降低能源消耗，同時(shí)提高使用者的舒適度和幸福感。

智能制造

智能傳感在制造過程中的典型應(yīng)用之一，體現(xiàn)在機(jī)械制造行業(yè)廣泛采用的數(shù)控機(jī)床中。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在檢測位移、位置、速度、壓力等方面均部署了高性能傳感器，能夠?qū)庸顟B(tài)、刀具狀態(tài)、磨損情況以及能耗等過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)靈活的誤差補(bǔ)償與自校正，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床智能化的發(fā)展趨勢。此外，基于視覺傳感器的可視化監(jiān)控技術(shù)的采用，使得數(shù)控機(jī)床的智能監(jiān)控變得更加便捷。

汽車制造行業(yè)應(yīng)用智能傳感也較多。以基于光學(xué)傳感的機(jī)器視覺為例，在工業(yè)領(lǐng)域的三大主要應(yīng)用有視覺測量、視覺引導(dǎo)和視覺檢測。

在工業(yè)電子領(lǐng)域，生產(chǎn)、搬運(yùn)、檢測和維護(hù)等方面均涉及智能傳感器，如機(jī)械臂、AGV導(dǎo)航車、AOI檢測等裝備。在消費(fèi)電子和醫(yī)療電子產(chǎn)品領(lǐng)域，智能傳感器的應(yīng)用更具多樣化。如智能手機(jī)中比較常見的智能傳感器有距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤等。

可穿戴設(shè)備最基本的功能就是通過傳感器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動傳感，通常內(nèi)置MEMS加速度計(jì)、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)等多種傳感器。智能家居（如掃地機(jī)器人、洗衣機(jī)等）涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環(huán)境監(jiān)測、安防感應(yīng)等傳感器等技術(shù)。

智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)也稱為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，可以使用最少的資源（例如水、肥料和種子）來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量。通過部署傳感器和測繪田地，農(nóng)業(yè)工作者開始從微觀角度了解農(nóng)作物生長過程、科學(xué)地節(jié)約資源并減少對環(huán)境的影響。

• 位置傳感器：使用來自GPS衛(wèi)星的信號來確定緯度、經(jīng)度和高度。三角定位至少需要三顆衛(wèi)星。精確定位是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基石。
• 光學(xué)傳感器：使用光來測量土壤特性。傳感器在近紅外、中紅外和偏振光譜中測量不同頻率的光反射率，可以放置在諸如無人機(jī)甚至衛(wèi)星之類的車輛或高空平臺上來測量下方的土壤。土壤反射率和植物顏色數(shù)據(jù)只是光學(xué)傳感器的兩個(gè)變量，可以進(jìn)行匯總和處理。目前已經(jīng)開發(fā)出光學(xué)傳感器來確定土壤中的粘土，有機(jī)物和水分含量。
• 電化學(xué)傳感器：可提供精密農(nóng)業(yè)所需的關(guān)鍵信息，比如pH值和土壤養(yǎng)分水平。傳感器電極通過檢測土壤中的特定離子來工作。當(dāng)前，安裝在專門設(shè)計(jì)的“滑板"上的傳感器可幫助收集，處理和繪制土壤化學(xué)數(shù)據(jù)。
• 機(jī)械傳感器：可測量土壤壓實(shí)度或“機(jī)械阻力"。傳感器使用一個(gè)探頭，該探頭可穿透土壤并通過稱重傳感器或應(yīng)變儀記錄電阻。這種技術(shù)的類似形式用于大型拖拉機(jī)，以預(yù)測地面接合設(shè)備的牽引要求。像霍尼韋爾 FSG15N1A這樣的張力計(jì)可檢測根系在吸水過程中所使用的力，這對于灌溉干預(yù)非常有用。
• 土壤濕度傳感器：通過測量土壤中的介電常數(shù)（電特性隨存在的水分含量而變化）來評估水分含量。
• 氣流傳感器：測量土壤的透氣性。測量可以在單個(gè)位置進(jìn)行，也可以在運(yùn)動時(shí)動態(tài)進(jìn)行。期望的輸出是將預(yù)定量的空氣以預(yù)定深度推入地面所需的壓力。各種類型的土壤特性，包括壓實(shí)度，結(jié)構(gòu)，土壤類型和濕度，都會產(chǎn)生的識別特征。

智慧醫(yī)療

環(huán)境檢測

• 二氧化硫檢測。利用氧電極與含有亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體構(gòu)筑生物傳感器，以雨水為對象，通過測定亞硫酸鹽濃度檢測大氣環(huán)境中二氧化硫的含量。傳感器中設(shè)置的微粒體能夠氧化亞硫酸鹽，消耗一定的氧氣后，可降低低氧電極周圍的溶解氧濃度，帶動傳感器內(nèi)電流的波動，以間接方式反映亞硫酸鹽濃度，該方法在重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性方面有明顯優(yōu)勢。
• 二氧化氮檢測。多孔氣體滲透膜與固定消化細(xì)菌和氧電極配合構(gòu)建生物傳感器，硝化細(xì)菌對亞硝酸鹽進(jìn)行硝化，使生物傳感器具備呼吸活性，保證了檢測效果的可靠性和準(zhǔn)確性。

• 重金屬離子檢測：水環(huán)境污染中重金屬污染問題尤其突出，比較常見的重金屬物污染物有鉛、汞等，這些污染物對人體危害巨大，且無法去除，一旦進(jìn)入水體，將會引起嚴(yán)重后果。
• 農(nóng)藥殘留物檢測：農(nóng)藥中有多種有害化學(xué)成分，發(fā)生殘留后，會通過食物進(jìn)入到人體，對人體產(chǎn)生嚴(yán)重影響。液體傳感器技術(shù)通過鈷-苯二甲藍(lán)染料同三嗪類除草劑的化學(xué)反應(yīng)，檢測水體中是否存在農(nóng)藥。

結(jié)語

動感傳感認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為傳感器帶來了海量的需求，這個(gè)世界從來沒有一個(gè)時(shí)代像現(xiàn)在這樣渴望各種傳感器。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代剛剛開始，傳感器開始走向制造的舞臺。

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