智能傳感器的研究現(xiàn)狀及展望

物聯(lián)網已成為信息科技發(fā)展趨勢，各種智能設備將作為傳感器的載體，實現(xiàn)人、機、云端無縫的交互，讓智能設備與人工智能（AI）結合從而擁有“智慧”，使得人體感知能力得到拓展和延伸。目前我國從事傳感器的研制、生產和應用的企業(yè)超過1700家，產業(yè)門類基本齊全，傳感器產品達到10大類、42小類、6000多個品種，無論是在健康醫(yī)療、城市規(guī)劃，還是城市交通方面，傳感器正在發(fā)揮著核心作用。

此前，國家工業(yè)和信息化部下發(fā)意見函，中國工程院組織遴選的MEMS傳感器產業(yè)化等16個項目，擬作為《中國制造2025》2017年重大標志性項目。隨著更多的設備通過傳感器煥發(fā)了第二春，而且提升了效率，那么下一代的工程師、創(chuàng)新者和藝術家的使命是，發(fā)掘由數(shù)據構成的世界所給予的幾乎無限的機會。

1. 智能傳感器
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(fā)宇宙飛船過程中提出來，并于1979年形成產品。IEEE協(xié)會將能提供受控量或待感知量大小且能典型簡化其應用于網絡環(huán)境的集成的傳感器稱為智能傳感器?！冬F(xiàn)代新型傳感器原理與應用》一書中認為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(fā)展的高新技術，至今還未形成統(tǒng)一的規(guī)范化的定義，人們普遍認為智能傳感器是具有對外界環(huán)境等信息進行自動收集、數(shù)據處理以及自診斷與自適應能力的傳感器。

1.2 智能傳感器的功能

(1)自補償與自診斷功能：通過微處理器中的診斷算法能夠檢驗傳感器的輸出，并能夠直接呈現(xiàn)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：利用自帶空間對歷史數(shù)據和各種必需的參數(shù)等的數(shù)據存儲，極大地提升了控制器的性能。

(3)自學習與自適應功能：通過內嵌的具有高級編程功能的微處理器可以實現(xiàn)自學習功能，同時在工作過程中，智能傳感器還能根據一定的行為準則重構結構和參數(shù)，具有自適應的功能。

(4)數(shù)字輸出功能：智能傳感器內部集成了模數(shù)轉換電路，能夠直接輸出數(shù)字信號，緩解了控制器的信號處理壓力。

2. 智能傳感器應用領域及其發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 土木工程

我國作為重大的土木工程和基礎設施大國，橋梁、水壩、核電站、供水供電系統(tǒng)工程等使用年限長達幾十年，由于腐蝕作用、材料老化等環(huán)境和自身因素，不可避免的造成工程損傷和災害抵抗力下降等問題，因此智能傳感器在土木工程領域的作用就顯得尤為重要。

哈爾濱工業(yè)大學的周智、歐進萍等人分析了光纖光柵溫度傳感特性及其應變傳感的溫度補償原理和方法，開發(fā)了一種滿足工程應用的光纖光柵封裝傳感器，建立了包括傳感器、光開關、數(shù)據采集和控制軟件在內的大規(guī)模、分布式的光纖光柵智能監(jiān)測系統(tǒng)，并將其成功的運用到橋梁的實際施工中，將溫度傳感器與建筑材料復合，用于橋梁的局部健康監(jiān)測總并取得了良好的效果。

2.2 醫(yī)學

在生物醫(yī)學領域中，傳感器作為核心部件被應用到了眾多的檢測儀器中，關乎到人體健康往往對醫(yī)用傳感器有更高要求，不僅對其精確度、可靠性、抗干擾性，同時在傳感器的體積、重量等外部特性上也有其特殊的要求，因此傳感器在醫(yī)學中的應用在一定程度上反映了傳感器的發(fā)展水平。

隨著可穿戴式、可植入式微型智能傳感器逐漸面世，醫(yī)學檢測儀器的發(fā)展有了里程碑式的飛躍。中山大學馮巍、陳仲本等人研究了一種人體實時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多個微型智能傳感器通過基于藍牙技術的無線網絡實現(xiàn)人體健康數(shù)據獲取、處理及通信等任務，主服務器對數(shù)據進行分析計算后反饋給各個節(jié)點，實時監(jiān)控被監(jiān)測對象以避免突發(fā)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育比賽或運動員的高強度訓練中。

2.3 汽車及交通

交通發(fā)展的逐漸走向體系化、規(guī)范化、智能化管理，在城市內建立完整的智能交通系統(tǒng)，利用智能信息搜集與處理、數(shù)據通信等技術實現(xiàn)人、車和路信息的多元統(tǒng)一，進一步智能調控交通運行系統(tǒng)，利用道路傳感網絡獲取當前交通系統(tǒng)中基礎設施、各類車輛以及人群移動的狀態(tài)等數(shù)據，使交通系統(tǒng)實現(xiàn)智能檢測與控制成為可能。

目前在汽車安全行駛系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)等領域已經實現(xiàn)了智能傳感器的規(guī)?；a，隨著智能傳感器的不斷更新改良，其在汽車領域的應用已經比較廣泛。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）是一種監(jiān)測汽車輪胎壓力和溫度的智能監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)視器收集各個輪胎的溫度和壓力數(shù)據，并根據輪胎溫度和壓力數(shù)據的異常情況發(fā)出不同的報警信號提醒駕駛者采取一定的措施，對防止重大交通事故發(fā)揮積極作用。溫州大學的雷鵬飛、沈華東等人對紅外傳感器在智能車避障系統(tǒng)的應用進行了研究與設計，避障傳感器放射的紅外線在一定范圍內遇到障礙物會被反射，傳感器檢測到紅外線反射回的信號并發(fā)送給單片機，單片機通過輸入內部的算法對車輛輪胎的方向、距離進行智能協(xié)調，從而完成躲避障礙物動作。同時獨輪式平衡車作為新興的個人交通工具也是利用內置傳感器收集用戶的姿勢信息控制平衡車的前進方向與速度，成為傳感器在交通領域的一大創(chuàng)新。

2.4 軍事與國防

軍事力量是衡量一國國防實力和綜合實力的關鍵指標，對于國防建設具有重要的作用。作為軍事力量的重要組成部分，武器系統(tǒng)的性能決定了軍事隊伍作戰(zhàn)的成敗，在武器系統(tǒng)中引入智能傳感器不僅能夠實時監(jiān)測戰(zhàn)場形勢變化從而及時調整偵察和作戰(zhàn)計劃，而且可以通過應用各類微小傳感裝置實現(xiàn)隱蔽性監(jiān)視，為摧毀敵人目標點和攻擊武裝力量奠定技術和環(huán)境基礎。美國海軍陸戰(zhàn)隊的地面?zhèn)刹?a target="_blank">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(xiàn)潛水偵察，另外還在機身上裝有基于衛(wèi)星導航的智能傳感器用于準確模擬戰(zhàn)場及其周邊地形，從而實現(xiàn)水陸兩棲作戰(zhàn)的完美配合。

2.5 家電

鄭志輝等人研究了紅外傳感器在智能云空調上的應用，將紅外熱成像技術引入智能空調應用開發(fā)，實現(xiàn)智能送風和智能啟停功能，根據室內溫度與用戶體感溫度的差異選擇是否開啟空調，以及選擇送風方式及相應的調節(jié)參數(shù)，該應用搭配志高云平臺實現(xiàn)智能防火功能，智能檢測、報警，用戶可通過APP了解現(xiàn)場情況。

2.6 電子裝備

智能手環(huán)是最常見的一種可穿戴式的電子設備，能夠通過微型貼身傳感器實時監(jiān)測并記錄用戶的飲食、睡眠、健身等數(shù)據，同時將這些數(shù)據同步到智能手機、平板等電子設備上，用數(shù)據指導健康生活。桂林電子科技大學的李易陸、陳洪波等人設計了一種基于MEMS數(shù)據輸出加速度傳感器與超低功耗單片機的智能記步手環(huán)，該手環(huán)利用傳感器隨時隨地記錄運動者的步行量、卡路里消耗等信息，通過藍牙方式傳輸?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/107/" target="_blank">手機，實現(xiàn)了計步功能的良好適應，也提高了智能手環(huán)的可靠性運行。Helios設計了一款配備了UV紫外線傳感器的智能戒指，用戶只需在Helios應用上反饋著裝、防曬等的涂抹情況，智能戒指就可以根據當天的紫外線按強度提供準確的結果幫助用戶確定日光浴時長等。

2.7 農業(yè)

智慧農業(yè)是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)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，依托安置在農產品種植區(qū)的各個傳感器節(jié)點和通信網絡，實施監(jiān)測農業(yè)生產的田間智慧種植數(shù)據，實現(xiàn)可視化管理、智能預警等，因此傳感器技術是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的一項關鍵技術。

中國農業(yè)大學的承洋洋、王庫、劉超等人設計開發(fā)了一種農業(yè)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過分布式的傳感器節(jié)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，并將這些信息與攝像頭收集的圖像數(shù)據匯集到一起，通過無線電臺傳輸?shù)竭h程服務器上，遠程監(jiān)控農業(yè)生產中的環(huán)境問題，實現(xiàn)農業(yè)生產管理的智能化與高效率。

2.8 海洋探測

開發(fā)海洋資源的前提是海洋信息的實時收集與檢測，隨著物聯(lián)網技術在海洋環(huán)境領域的廣泛應用，為實現(xiàn)海洋環(huán)境實時監(jiān)測、海洋信息實時采集，海洋信息智能采集成為保證海洋環(huán)境監(jiān)測的基礎。楊秀芳等人設計開發(fā)了基于無線傳感器的信息采集系統(tǒng)，通過構建無線傳感器網絡，實時提供海洋環(huán)境數(shù)據，充分利用ZigBee網絡優(yōu)勢，通過智能激活傳感器節(jié)點所形成的最佳時間間隔減少網絡成型時間，降低功耗和復雜度的同時延長無線傳感器網絡的生存時間，保證傳感器能夠長時間對海洋環(huán)境進行實時監(jiān)測以及海洋信息的實時采集，對未來海洋環(huán)境保護和資源開發(fā)具有一定的價值。

2.9 航空航天

NASA為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箭的艙內設施以及各個關鍵部件結構的的健康狀況，因此美國斯坦福大學開發(fā)了一項斯坦福多致動器接收轉換（SMART）層專利技術，艙身各部分安裝傳感器接收器，在接收到中央傳感器發(fā)射的電磁波，將其轉換為實時數(shù)據并傳輸?shù)接嬎銠C中，計算機利用自身的一套算法處理該數(shù)據并實現(xiàn)信息反饋，提供了一種結構健康監(jiān)測的實現(xiàn)方法。

3. 展望

3.1 MEMS傳感器

MEMS傳感器是利用MEMS技術制備的新一代傳感器件。MEMS是一個獨立的智能微小系統(tǒng)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級，可大批量生產，常見的產品包括MEMS氣體傳感器、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產品。

3.2 仿生傳感器

仿生傳感器是將生物物質作為識別標識與待測物質發(fā)生生物學反應，產生的信息將會轉化成物理、化學信號并輸出的裝置。仿生傳感器運用于農業(yè)生產能夠快速地對農產品品質、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 電化學傳感器

電化學傳感器能夠對諸如pH值、離子活度的等土壤數(shù)據進行直接測量，是農業(yè)領域中的一個新的重要應用。中國科學院上海應用物理研究所在2014年研究發(fā)布了一種基于氣泡介導的電化學生物傳感器，單一反應實現(xiàn)免疫分析的問題得到解決，并且能夠快速準確地檢測多種疾病的標志物，該傳感器有望為現(xiàn)場生化檢測提供新的手段。

4 小結

智能傳感器是物聯(lián)網發(fā)展的最重要的技術之一，在為傳統(tǒng)行業(yè)注入新鮮血液的同時也引領了傳感器產業(yè)的潮流，在醫(yī)學、工業(yè)、海洋、航天、軍事、農業(yè)等領域均發(fā)揮著核心作用，隨著智能傳感器技術的發(fā)展，新一代智能傳感器將結合人工神經網絡、人工智能等技術不斷完善其功能，具有十分可觀的發(fā)展前景。