2018年智能傳感器研究現狀及發展前景分(fēn)析

物(wù)聯網已成爲信息科技發展趨勢，各種智能設備将作爲傳感器的載體(tǐ)，實現人、機、雲端無縫的交互，讓智能設備與人工(gōng)智能(AI)結合從而擁有“智慧”，使得人體(tǐ)感知(zhī)能力得到拓展和延伸。目前我(wǒ)(wǒ)國從事傳感器的研制、生(shēng)産和應用的企業超過1700家，産業門類基本齊全，傳感器産品達到10大(dà)類、42小(xiǎo)類、6000多個品種，無論是在健康醫療、城市規劃，還是城市交通方面，傳感器正在發揮着核心作用。

此前，國家工(gōng)業和信息化部下(xià)發意見函，中(zhōng)國工(gōng)程院組織遴選的MEMS傳感器産業化等16個項目，拟作爲《中(zhōng)國制造2025》2017年重大(dà)标志(zhì)性項目。随着更多的設備通過傳感器煥發了第二春，而且提升了效率，那麽下(xià)一(yī)代的工(gōng)程師、創新者和藝術家的使命是，發掘由數據構成的世界所給予的幾乎無限的機會。

　
        1. 智能傳感器簡介
　　
        1.1 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宇宙飛船過程中(zhōng)提出來，并于1979年形成産品。IEEE協會将能提供受控量或待感知(zhī)量大(dà)小(xiǎo)且能典型簡化其應用于網絡環境的集成的傳感器稱爲智能傳感器。《現代新型傳感器原理與應用》一(yī)書(shū)中(zhōng)認爲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展的高新技術，至今還未形成統一(yī)的規範化的定義，人們普遍認爲智能傳感器是具有對外(wài)界環境等信息進行自動收集、數據處理以及自診斷與自适應能力的傳感器。
 
　　1.2 智能傳感器的功能
 
(1)自補償與自診斷功能：通過微處理器中(zhōng)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：利用自帶空間對曆史數據和各種必需的參數等的數據存儲，極大(dà)地提升了控制器的性能。

(3)自學習與自适應功能：通過内嵌的具有高級編程功能的微處理器可以實現自學習功能，同時在工(gōng)作過程中(zhōng)，智能傳感器還能根據一(yī)定的行爲準則重構結構和參數，具有自适應的功能。

(4)數字輸出功能：智能傳感器内部集成了模數轉換電(diàn)路，能夠直接輸出數字信号，緩解了控制器的信号處理壓力。
 
　　2. 智能傳感器應用領域及其發展現狀
 
　　2.1 土木工(gōng)程
 
我(wǒ)(wǒ)國作爲重大(dà)的土木工(gōng)程和基礎設施大(dà)國，橋梁、水壩、核電(diàn)站、供水供電(diàn)系統工(gōng)程等使用年限長達幾十年，由于腐蝕作用、材料老化等環境和自身因素，不可避免的造成工(gōng)程損傷和災害抵抗力下(xià)降等問題，因此智能傳感器在土木工(gōng)程領域的作用就顯得尤爲重要。

哈爾濱工(gōng)業大(dà)學的周智、歐進萍等人分(fēn)析了光纖光栅溫度傳感特性及其應變傳感的溫度補償原理和方法，開(kāi)發了一(yī)種滿足工(gōng)程應用的光纖光栅封裝傳感器，建立了包括傳感器、光開(kāi)關、數據采集和控制軟件在内的大(dà)規模、分(fēn)布式的光纖光栅智能監測系統，并将其成功的運用到橋梁的實際施工(gōng)中(zhōng)，将溫度傳感器與建築材料複合，用于橋梁的局部健康監測總并取得了良好的效果。
 
　　2.2 醫學
 
在生(shēng)物(wù)醫學領域中(zhōng)，傳感器作爲核心部件被應用到了衆多的檢測儀器中(zhōng)，關乎到人體(tǐ)健康往往對醫用傳感器有更高要求，不僅對其精确度、可靠性、抗幹擾性，同時在傳感器的體(tǐ)積、重量等外(wài)部特性上也有其特殊的要求，因此傳感器在醫學中(zhōng)的應用在一(yī)定程度上反映了傳感器的發展水平。

随着可穿戴式、可植入式微型智能傳感器逐漸面世，醫學檢測儀器的發展有了裏程碑式的飛躍。中(zhōng)山大(dà)學馮巍、陳仲本等人研究了一(yī)種人體(tǐ)實時監控系統，該系統利用多個微型智能傳感器通過基于藍(lán)牙技術的無線網絡實現人體(tǐ)健康數據獲取、處理及通信等任務，主服務器對數據進行分(fēn)析計算後反饋給各個節點，實時監控被監測對象以避免突發性疾病，這種可穿戴式的智能傳感器也可以在運用于類似于足球比賽等高強度的體(tǐ)育比賽或運動員(yuán)的高強度訓練中(zhōng)。
 
　　2.3 汽車(chē)及交通
 
交通發展的逐漸走向體(tǐ)系化、規範化、智能化管理，在城市内建立完整的智能交通系統，利用智能信息搜集與處理、數據通信等技術實現人、車(chē)和路信息的多元統一(yī)，進一(yī)步智能調控交通運行系統，利用道路傳感網絡獲取當前交通系統中(zhōng)基礎設施、各類車(chē)輛以及人群移動的狀态等數據，使交通系統實現智能檢測與控制成爲可能。

目前在汽車(chē)安全行駛系統、車(chē)身系統、智能交通系統等領域已經實現了智能傳感器的規模化生(shēng)産，随着智能傳感器的不斷更新改良，其在汽車(chē)領域的應用已經比較廣泛。輪胎壓力監測系統(TPMS)是一(yī)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出不同的報警信号提醒駕駛者采取一(yī)定的措施，對防止重大(dà)交通事故發揮積極作用。溫州大(dà)學的雷鵬飛、沈華東等人對紅外(wài)傳感器在智能車(chē)避障系統的應用進行了研究與設計，避障傳感器放(fàng)射的紅外(wài)線在一(yī)定範圍内遇到障礙物(wù)會被反射，傳感器檢測到紅外(wài)線反射回的信号并發送給單片機，單片機通過輸入内部的算法對車(chē)輛輪胎的方向、距離(lí)進行智能協調，從而完成躲避障礙物(wù)動作。同時獨輪式平衡車(chē)作爲新興的個人交通工(gōng)具也是利用内置傳感器收集用戶的姿勢信息控制平衡車(chē)的前進方向與速度，成爲傳感器在交通領域的一(yī)大(dà)創新。
 
　　2.4 軍事與國防
 
軍事力量是衡量一(yī)國國防實力和綜合實力的關鍵指标，對于國防建設具有重要的作用。作爲軍事力量的重要組成部分(fēn)，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(zhōng)引入智能傳感器不僅能夠實時監測戰場形勢變化從而及時調整偵察和作戰計劃，而且可以通過應用各類微小(xiǎo)傳感裝置實現隐蔽性監視，爲摧毀敵人目标點和攻擊武裝力量奠定技術和環境基礎。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現潛水偵察，另外(wài)還在機身上裝有基于衛星導航的智能傳感器用于準确模拟戰場及其周邊地形，從而實現水陸兩栖作戰的完美配合。
 
　　2.5 家電(diàn)
 
鄭志(zhì)輝等人研究了紅外(wài)傳感器在智能雲空調上的應用，将紅外(wài)熱成像技術引入智能空調應用開(kāi)發，實現智能送風和智能啓停功能，根據室内溫度與用戶體(tǐ)感溫度的差異選擇是否開(kāi)啓空調，以及選擇送風方式及相應的調節參數，該應用搭配志(zhì)高雲平台實現智能防火(huǒ)功能，智能檢測、報警，用戶可通過APP了解現場情況。
 
　　2.6 電(diàn)子裝備
 
智能手環是最常見的一(yī)種可穿戴式的電(diàn)子設備，能夠通過微型貼身傳感器實時監測并記錄用戶的飲食、睡眠、健身等數據，同時将這些數據同步到智能手機、平闆等電(diàn)子設備上，用數據指導健康生(shēng)活。桂林電(diàn)子科技大(dà)學的李易陸、陳洪波等人設計了一(yī)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，該手環利用傳感器随時随地記錄運動者的步行量、卡路裏消耗等信息，通過藍(lán)牙方式傳輸到手機，實現了計步功能的良好适應，也提高了智能手環的可靠性運行。Helios設計了一(yī)款配備了UV紫外(wài)線傳感器的智能戒指，用戶隻需在Helios應用上反饋着裝、防曬等的塗抹情況，智能戒指就可以根據當天的紫外(wài)線按強度提供準确的結果幫助用戶确定日光浴時長等。
 
　　2.7 農業
 
智慧農業是現代農業發展的高級階段，涉及到應用傳感和測量技術、自動控制技術、計算機與通信技術等智能信息技術，依托安置在農産品種植區的各個傳感器節點和通信網絡，實施監測農業生(shēng)産的田間智慧種植數據，實現可視化管理、智能預警等，因此傳感器技術是現代農業發展的一(yī)項關鍵技術。

中(zhōng)國農業大(dà)學的承洋洋、王庫、劉超等人設計開(kāi)發了一(yī)種農業環境智能監控系統，通過分(fēn)布式的傳感器節點構建ZigBee無線傳感網絡，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，并将這些信息與攝像頭收集的圖像數據彙集到一(yī)起，通過無線電(diàn)台傳輸到遠程服務器上，遠程監控農業生(shēng)産中(zhōng)的環境問題，實現農業生(shēng)産管理的智能化與高效率。
 
　　2.8 海洋探測
 
　　開(kāi)發海洋資(zī)源的前提是海洋信息的實時收集與檢測，随着物(wù)聯網技術在海洋環境領域的廣泛應用，爲實現海洋環境實時監測、海洋信息實時采集，海洋信息智能采集成爲保證海洋環境監測的基礎。楊秀芳等人設計開(kāi)發了基于無線傳感器的信息采集系統，通過構建無線傳感器網絡，實時提供海洋環境數據，充分(fēn)利用ZigBee網絡優勢，通過智能激活傳感器節點所形成的最佳時間間隔減少網絡成型時間，降低功耗和複雜(zá)度的同時延長無線傳感器網絡的生(shēng)存時間，保證傳感器能夠長時間對海洋環境進行實時監測以及海洋信息的實時采集，對未來海洋環境保護和資(zī)源開(kāi)發具有一(yī)定的價值。
 
　　2.9 航空航天
 
NASA爲檢測制造航天飛機的材料是否達到使用壽命，需要經常檢測運載火(huǒ)箭的艙内設施以及各個關鍵部件結構的的健康狀況，因此美國斯坦福大(dà)學開(kāi)發了一(yī)項斯坦福多緻動器接收轉換(SMART)層專利技術，艙身各部分(fēn)安裝傳感器接收器，在接收到中(zhōng)央傳感器發射的電(diàn)磁波，将其轉換爲實時數據并傳輸到計算機中(zhōng)，計算機利用自身的一(yī)套算法處理該數據并實現信息反饋，提供了一(yī)種結構健康監測的實現方法。
 
　　3. 展望
 
　   3.1 MEMS傳感器
 
MEMS傳感器是利用MEMS技術制備的新一(yī)代傳感器件。MEMS是一(yī)個獨立的智能微小(xiǎo)系統，其系統尺寸在幾毫米乃至更小(xiǎo)，其内部結構一(yī)般在微米甚至納米量級，可大(dà)批量生(shēng)産，常見的産品包括MEMS氣體(tǐ)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS濕度傳感器、MEMS光學傳感器、MEMS加速度計、MEMS麥克風及MEMS陀螺儀等以及它們的集成産品。
 
　　3.2 仿生(shēng)傳感器
 
仿生(shēng)傳感器是将生(shēng)物(wù)物(wù)質作爲識别标識與待測物(wù)質發生(shēng)生(shēng)物(wù)學反應，産生(shēng)的信息将會轉化成物(wù)理、化學信号并輸出的裝置。仿生(shēng)傳感器運用于農業生(shēng)産能夠快速地對農産品品質、土壤污染情況進行檢測，是目前研究和應用最廣泛的智能傳感器。
 
　　3.3 電(diàn)化學傳感器
 
電(diàn)化學傳感器能夠對諸如pH值、離(lí)子活度的等土壤數據進行直接測量，是農業領域中(zhōng)的一(yī)個新的重要應用。中(zhōng)國科學院上海應用物(wù)理研究所在2014年研究發布了一(yī)種基于氣泡介導的電(diàn)化學生(shēng)物(wù)傳感器，單一(yī)反應實現免疫分(fēn)析的問題得到解決，并且能夠快速準确地檢測多種疾病的标志(zhì)物(wù)，該傳感器有望爲現場生(shēng)化檢測提供新的手段。
 
　　4. 小(xiǎo)結
 
智能傳感器是物(wù)聯網發展的最重要的技術之一(yī)，在爲傳統行業注入新鮮血液的同時也引領了傳感器産業的潮流，在醫學、工(gōng)業、海洋、航天、軍事、農業等領域均發揮着核心作用，随着智能傳感器技術的發展，新一(yī)代智能傳感器将結合人工(gōng)神經網絡、人工(gōng)智能等技術不斷完善其功能，具有十分(fēn)可觀的發展前景。