各類傳感器感知傳輸鋪就物聯(lián)網(wǎng)基礎

摘要：國大電器有限公司調查發(fā)現(xiàn)把物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈分為DCM三個大業(yè)務層面，同時DCM也是一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)基礎

　　感知與傳輸鋪就物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)(無源傳感器)組成，處于三層架構的最底層，這也是物聯(lián)網(wǎng)最基礎的聯(lián)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(lián)網(wǎng)的大概念下，一個泛在的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，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(wèi)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(lián)網(wǎng)底層的原因，筆者認為，這樣描述更符合物聯(lián)網(wǎng)目前的戰(zhàn)略地位。

　　傳統(tǒng)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(shù)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(lián)網(wǎng)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(fā)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(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)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?yōu)殡娏孔兓膫鞲衅鳎m應于速度監(jiān)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(tǒng)、玩具、結構物、環(huán)境監(jiān)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(tài)特性和安全保衛(wèi)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(jiān)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(chǎn)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(shù)發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏元件，適用于濕度監(jiān)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(tǒng)。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(jīng)過光纖送入調制器，使待測參數(shù)與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質發(fā)生變化，稱為被調制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調后，獲得被測參數(shù)，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(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)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(yè)。

　　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(chǎn)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(chǎn)、醫(yī)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(chǎn)、醫(yī)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(yè)自動化、遙測、工業(yè)機器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)療保健、醫(yī)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(yī)學、軍事、空間技術和環(huán)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(yè)、國防、生物醫(yī)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(wèi)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?yōu)榭蓽y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(yè)，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(shù)以千計的像素，工業(yè)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(fā)動機的空氣流量的傳感器，適用于汽車發(fā)動機。傳感器核心，在于聯(lián)網(wǎng)應用

　　2009年中國傳感器市場研究報告指出，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國已有1688家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應用，其中從事MEMS(因為在iPhone(手機上網(wǎng))和Wii等產(chǎn)品中的成功使用而受到廣泛關注和大力發(fā)展)研制生產(chǎn)的企業(yè)已經(jīng)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(guī)模生產(chǎn)技術則落后10～15年。

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

　　傳統(tǒng)的傳感器(包括執(zhí)行器)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一個關注點，但筆者認為物聯(lián)網(wǎng)的核心還是“聯(lián)網(wǎng)”和應用，傳感器是“點”的問題，不是“面”的問題，我們在傳統(tǒng)傳感器領域的落后狀況對我國在物聯(lián)網(wǎng)領域力爭世界產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點的努力不會起決定性的制約作用。

　　傳感網(wǎng)研究人群一般把傳感網(wǎng)和傳感器都當做感知層來對待。傳感網(wǎng)既然是“網(wǎng)”，本應該屬于傳輸層，但有一些和傳感器合為一體的傳感網(wǎng)應該屬于感知層，因此筆者認為傳感網(wǎng)介于傳輸層和感知層之間。圖2所示的ESN(Environmental Sensor Networks，環(huán)境傳感網(wǎng))、OSN(Object SensorNetworks，物體傳感網(wǎng))，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(wǎng)“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(jīng)提到過傳輸層主要分有線和無線兩種通信方式，目前業(yè)界在談論物聯(lián)網(wǎng)時，往往對無線通信方式談得很多，RFID、傳感網(wǎng)、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(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)來說可能處于同等重要、互相補充的作用，例如，工業(yè)化和信息化“兩化融合”業(yè)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(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)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(lián)網(wǎng)實際應用中考慮該選擇哪種技術時有所幫助。

　　物聯(lián)網(wǎng)之有線通信傳輸層

　　有線通信技術可分為短距離的現(xiàn)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(wǎng)絡(包括PSTN、ADSL和HFC數(shù)字電視Cable等)兩大類。

　　由于現(xiàn)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(wǎng)絡協(xié)議標準化，在工業(yè)信息化、樓宇自控等行業(yè)應用中，一般需要物聯(lián)網(wǎng)軟件、中間件(如同方的ezM2M物聯(lián)網(wǎng)業(yè)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(xiàn)高效率的互聯(lián)互通。

　　現(xiàn)有的電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和計算機網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務可以利用的中、長距離有線網(wǎng)絡。還有一些和這三大網(wǎng)絡規(guī)模相當?shù)奈垂_的覆蓋全國的專網(wǎng)，如公安系統(tǒng)的專網(wǎng)，據(jù)說國家電網(wǎng)的專網(wǎng)比有線電視網(wǎng)規(guī)模還要大。

　　有線廣域網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務中的使用。而無線廣域網(wǎng)可以通過發(fā)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(wǎng)絡為主的營運商也都有宏大的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務計劃，例如在智能家庭網(wǎng)關(Home Gateway)領域，歌華有線憑借機頂盒的部署基礎占據(jù)一定優(yōu)勢。

　　物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)(WWAN)和中、短距離的無線局域網(wǎng)(WLAN)，但無線網(wǎng)絡中還有一種超短距離的WPAN(無線個人網(wǎng)，Wireless Personal Area Networks)類別。

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