各類傳感器感知傳輸鋪就物聯網基礎

摘要：國大電器有限公司調查發現把物聯網產業鏈分為DCM三個大業務層面，同時DCM也是一個物聯網系統的典型技術架構，并且汽車空氣流量計和壓力傳感器占有重要的組成部分。形形色色的傳感器感知傳輸鋪就物聯網基礎

　　感知與傳輸鋪就物聯網基礎

　　傳感器可“大”可“小”

　　感知層由傳感器和部分與傳感器連成一體的傳感網(無源傳感器)組成，處于三層架構的最底層，這也是物聯網最基礎的聯接和管理對象。最廣義來說，傳感器是把各種非電量轉換成電量的裝置，非電量可以是物理量、化學量、生物量等等。

　　一說到傳感器，可能大家就會往小的方面想，如上幾期提到的“電子塵埃”。在物聯網的大概念下，一個泛在的物聯網系統，隨著參照物的不同，傳感器可以是一個“大”的“智能物件”，它可以是一個機器人、一臺機床、一列火車，甚至是一個衛星或太空探測器。這也是為什么在DCM劃分中用“Device”(設備或裝置)來描述物聯網底層的原因，筆者認為，這樣描述更符合物聯網目前的戰略地位。

　　傳統的、狹義的傳感器種類已有很多，而且有多種分類方法，例如，可分為有源和無源兩大類。有源傳感器將非電量轉換為電能量，無源程序傳感器不起能量轉換作用，只是將被測非電量轉換為電參數的量。每一類傳感器又可做進一步細分，如圖1所示的生物傳感器、納米傳感器的細分。物聯網關注傳感器的實際應用，下面是我們按應用方式進行的分類。

　　形形色色的傳感器

　　汽車傳感器: 它把汽車運行中各種工況信息，如車速、各種介質的溫度、發動機運轉工況等，轉化成電信號輸給計算機，測量溫度、壓力、流量、位置、氣體濃度、速度、光亮度、干濕度、距離等。

　　液位傳感器: 利用流體靜力學原理測量液位，是壓力傳感器的一項重要應用，適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環保等系統和行業的各種介質的液位測量。

　　速度傳感器: 是一種將非電量(如速度、壓力)的變化轉變為電量變化的傳感器，適應于速度監測。

　　加速度傳感器: 是一種能夠測量加速力的電子設備，可應用在控制、手柄振動和搖晃、儀器儀表、汽車制動啟動檢測、地震檢測、報警系統、玩具、結構物、環境監視、工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析，以及鼠標，高層建筑結構動態特性和安全保衛振動偵察上。

　　核輻射傳感器: 利用放射性同位素來進行測量的傳感器，適用于核輻射監測。

　　振動傳感器: 是一種目前廣泛應用的報警檢測傳感器，它內部用壓電陶瓷片加彈簧重錘結構檢測振動信號，用于機動車、保險柜、庫房門窗等場合的防盜裝置中。

　　濕度傳感器: 分為電阻式和電容式兩種，產品的基本形式都為在基片涂覆感濕材料形成感濕膜。空氣中的水蒸汽吸附于感濕材料后，元件的阻抗、介質常數發生很大的變化，從而制成濕敏元件，適用于濕度監測。

　　氣敏傳感器: 是一種檢測特定氣體的傳感器，適用于一氧化碳氣體、瓦斯氣體、煤氣、氟利昂(R11、R12)、呼氣中乙醇、人體口腔口臭的檢測等。

　　位置傳感器: 用來測量機器人自身位置的傳感器，適用于機器人控制系統。光敏傳感器: 是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，適用于對光的探測; 還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測。

　　光纖傳感器: 是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質發生變化，稱為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數，適用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。

　　納米傳感器: 運用納米技術制造的傳感器，應用領域為生物、化學、機械、航空、軍事等。

　　壓力傳感器: 是工業實踐中最為常用的一種傳感器，廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。

　　位移傳感器: 又稱為線性傳感器，它分為電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波式位移傳感器、霍爾式位移傳感器，主要應用在自動化裝備生產線對模擬量的智能控制。

　　激光傳感器: 利用激光技術進行測量的傳感器，廣泛應用于國防、生產、醫學和非電測量等。

　　MEMS傳感器: 包含硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機械電子傳感器，廣泛應用于國防、生產、醫學和非電測量等。

　　半導體傳感器: 利用半導體材料的各種物理、化學和生物學特性制成的傳感器，適用于工業自動化、遙測、工業機器人、家用電器、環境污染監測、醫療保健、醫藥工程和生物工程。

　　氣壓傳感器: 用于測量氣體的絕對壓強，適用于與氣體壓強相關的物理實驗， 也可以在生物和化學實驗中測量干燥、無腐蝕性的氣體壓強。

　　紅外線傳感器: 利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器，常用于無接觸溫度測量、氣體成分分析和無損探傷，應用在醫學、軍事、空間技術和環境工程等。

　　超聲波傳感器: 是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，廣泛應用在工業、國防、生物醫學等。

　　遙感傳感器: 是測量和記錄被探測物體的電磁波特性的工具，用在地表物質探測、遙感飛機上或是人造衛星上。

　　高度傳感器: 其原理是測得滑臂與基準線夾角的大小來換算出相應的熨平板高度，用于高度測量。

　　地磅傳感器: 是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置，用于稱重。

　　圖像傳感器: 是利用光電器件的光電轉換功能，將其感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號“圖像”的一種功能器件，廣泛用于自動控制和自動測量，尤其是適用于圖像識別技術。

　　厚度傳感器: 測量材料及其表面鍍層厚度的傳感器，用于厚度測量。

　　微波傳感器: 是利用微波特性來檢測一些物理量的器件，廣泛用于工業，交通及民用裝置中。

　　視覺傳感器: 能從一整幅圖像捕獲光線數以千計的像素，工業應用包括檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測和分撿。

　　空氣流量傳感器: 是測定吸入發動機的空氣流量的傳感器，適用于汽車發動機。傳感器核心，在于聯網應用

　　2009年中國傳感器市場研究報告指出，據不完全統計，目前我國已有1688家企事業單位從事傳感器的研制、生產和應用，其中從事MEMS(因為在iPhone(手機上網)和Wii等產品中的成功使用而受到廣泛關注和大力發展)研制生產的企業已經有50多家。我國的傳感器同國外水平相比，新品研制仍落后國際水平5～10年，而規模生產技術則落后10～15年。

　　傳感器解決的是“上行”的感知和監測問題，要實現控制，還需要“下行”的執行器(如閥門等)來實現完整的“管控一體化”。 執行器也是目前物聯網討論中往往被忽視的一環，它的原理和分類和傳感器基本類似，這里不再細述。

　　傳統的傳感器(包括執行器)是物聯網產業的一個關注點，但筆者認為物聯網的核心還是“聯網”和應用，傳感器是“點”的問題，不是“面”的問題，我們在傳統傳感器領域的落后狀況對我國在物聯網領域力爭世界產業發展制高點的努力不會起決定性的制約作用。

　　傳感網研究人群一般把傳感網和傳感器都當做感知層來對待。傳感網既然是“網”，本應該屬于傳輸層，但有一些和傳感器合為一體的傳感網應該屬于感知層，因此筆者認為傳感網介于傳輸層和感知層之間。圖2所示的ESN(Environmental Sensor Networks，環境傳感網)、OSN(Object SensorNetworks，物體傳感網)，以及前文中提到的VSN、BSN都屬于“二合一”的感知層。此外，RFID其實也是傳感器和傳感網“二合一”的技術和應用。

　　剖析傳輸層

　　上期文章在談到DCM劃分時曾經提到過傳輸層主要分有線和無線兩種通信方式，目前業界在談論物聯網時，往往對無線通信方式談得很多，RFID、傳感網、3G等都屬于無線通信范疇，尤其是大家對3G技術寄予厚望 。筆者認為，目前兩種通信方式對物聯網產業來說可能處于同等重要、互相補充的作用，例如，工業化和信息化“兩化融合”業務中大部分還是有線通信，智能樓宇等領域也還是以有線通信為主。

　　勿庸置疑，有線通信將來會成為物聯網產業發展的主要支撐，但無線通信技術也是不可或缺的。下面我們對兩種技術的應用范圍做了一些歸類整理，也許會對大家在物聯網實際應用中考慮該選擇哪種技術時有所幫助。

　　物聯網之有線通信傳輸層

　　有線通信技術可分為短距離的現場總線(Field Bus，也包括PLC電力線載波等技術)和中、長距離(WAN)的廣域網絡(包括PSTN、ADSL和HFC數字電視Cable等)兩大類。

　　由于現場總線種類繁多，已存在巨大的部署量，難以通過一個通用網絡協議標準化，在工業信息化、樓宇自控等行業應用中，一般需要物聯網軟件、中間件(如同方的ezM2M物聯網業務基礎中間件)通過軟件總線(如MQ，ESB等)加適配器(Adaptor)的方式實現高效率的互聯互通。

　　現有的電信網、有線電視網和計算機網是物聯網業務可以利用的中、長距離有線網絡。還有一些和這三大網絡規模相當的未公開的覆蓋全國的專網，如公安系統的專網，據說國家電網的專網比有線電視網規模還要大。

　　有線廣域網在物聯網應用中的一個劣勢就是眾所周知的IP地址不夠的問題，在IPv6未全面實施之前，這個問題將制約有線網在物聯網業務中的使用。而無線廣域網可以通過發SIM卡(電話ID號碼)的方式解決每個智能物件對應一個ID(號碼)的問題。盡管如此，中國電信、歌華有線等以有線網絡為主的營運商也都有宏大的物聯網業務計劃，例如在智能家庭網關(Home Gateway)領域，歌華有線憑借機頂盒的部署基礎占據一定優勢。

　　物聯網之無線通信傳輸層

　　和有線通信一樣，無線通信也可分為長距離的無線廣域網(WWAN)和中、短距離的無線局域網(WLAN)，但無線網絡中還有一種超短距離的WPAN(無線個人網，Wireless Personal Area Networks)類別。

　　傳感網主要由WLAN或WPAN技術作為支撐，結合傳感器。 “傳感器”和“傳感網”二合一的RFID的傳輸部分也是屬于WPAN或WLAN。