智能傳感器的研究現(xiàn)狀及展望

物聯(lián)網(wǎng)已成為信息科技發(fā)展趨勢，各種智能設(shè)備將作為傳感器的載體，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、云端無縫的交互，讓智能設(shè)備與人工智能（AI）結(jié)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(chǎn)和應(yīng)用的企業(yè)超過1700家，產(chǎn)業(yè)門類基本齊全，傳感器產(chǎn)品達(dá)到10大類、42小類、6000多個(gè)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(chǎn)業(yè)化等16個(gè)項(xiàng)目，擬作為《中國制造2025》2017年重大標(biāo)志性項(xiàng)目。隨著更多的設(shè)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(shù)家的使命是，發(fā)掘由數(shù)據(jù)構(gòu)成的世界所給予的幾乎無限的機(jī)會(huì)。

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(chǎn)品。IEEE協(xié)會(huì)將能提供受控量或待感知量大小且能典型簡化其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的集成的傳感器稱為智能傳感器。《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》一書中認(rèn)為智能傳感器是帶微處理機(jī)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(shù)，至今還未形成統(tǒng)一的規(guī)范化的定義，人們普遍認(rèn)為智能傳感器是具有對(duì)外界環(huán)境等信息進(jìn)行自動(dòng)收集、數(shù)據(jù)處理以及自診斷與自適應(yīng)能力的傳感器。

1.2 智能傳感器的功能

(1)自補(bǔ)償與自診斷功能：通過微處理器中的診斷算法能夠檢驗(yàn)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(chǔ)與記憶功能：利用自帶空間對(duì)歷史數(shù)據(jù)和各種必需的參數(shù)等的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，極大地提升了控制器的性能。

(3)自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能：通過內(nèi)嵌的具有高級(jí)編程功能的微處理器可以實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能，同時(shí)在工作過程中，智能傳感器還能根據(jù)一定的行為準(zhǔn)則重構(gòu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，具有自適應(yīng)的功能。

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

2. 智能傳感器應(yīng)用領(lǐng)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(chǔ)設(shè)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(dá)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(zāi)害抵抗力下降等問題，因此智能傳感器在土木工程領(lǐng)域的作用就顯得尤為重要。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的周智、歐進(jìn)萍等人分析了光纖光柵溫度傳感特性及其應(yīng)變傳感的溫度補(bǔ)償原理和方法，開發(fā)了一種滿足工程應(yīng)用的光纖光柵封裝傳感器，建立了包括傳感器、光開關(guān)、數(shù)據(jù)采集和控制軟件在內(nèi)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(yùn)用到橋梁的實(shí)際施工中，將溫度傳感器與建筑材料復(fù)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(xué)

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，傳感器作為核心部件被應(yīng)用到了眾多的檢測儀器中，關(guān)乎到人體健康往往對(duì)醫(yī)用傳感器有更高要求，不僅對(duì)其精確度、可靠性、抗干擾性，同時(shí)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(xué)中的應(yīng)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(xué)檢測儀器的發(fā)展有了里程碑式的飛躍。中山大學(xué)馮巍、陳仲本等人研究了一種人體實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多個(gè)微型智能傳感器通過基于藍(lán)牙技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人體健康數(shù)據(jù)獲取、處理及通信等任務(wù)，主服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算后反饋給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控被監(jiān)測對(duì)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(yùn)用于類似于足球比賽等高強(qiáng)度的體育比賽或運(yùn)動(dòng)員的高強(qiáng)度訓(xùn)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(nèi)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(jù)通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)人、車和路信息的多元統(tǒng)一，進(jìn)一步智能調(diào)控交通運(yùn)行系統(tǒng)，利用道路傳感網(wǎng)絡(luò)獲取當(dāng)前交通系統(tǒng)中基礎(chǔ)設(shè)施、各類車輛以及人群移動(dòng)的狀態(tài)等數(shù)據(jù)，使交通系統(tǒng)實(shí)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(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能傳感器的規(guī)?；a(chǎn)，隨著智能傳感器的不斷更新改良，其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)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(gè)輪胎的溫度和壓力數(shù)據(jù)，并根據(jù)輪胎溫度和壓力數(shù)據(jù)的異常情況發(fā)出不同的報(bào)警信號(hào)提醒駕駛者采取一定的措施，對(duì)防止重大交通事故發(fā)揮積極作用。溫州大學(xué)的雷鵬飛、沈華東等人對(duì)紅外傳感器在智能車避障系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，避障傳感器放射的紅外線在一定范圍內(nèi)遇到障礙物會(huì)被反射，傳感器檢測到紅外線反射回的信號(hào)并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過輸入內(nèi)部的算法對(duì)車輛輪胎的方向、距離進(jìn)行智能協(xié)調(diào)，從而完成躲避障礙物動(dòng)作。同時(shí)獨(dú)輪式平衡車作為新興的個(gè)人交通工具也是利用內(nèi)置傳感器收集用戶的姿勢信息控制平衡車的前進(jìn)方向與速度，成為傳感器在交通領(lǐng)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(shí)力和綜合實(shí)力的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于國防建設(shè)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(duì)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?qū)崟r(shí)監(jiān)測戰(zhàn)場形勢變化從而及時(shí)調(diào)整偵察和作戰(zhàn)計(jì)劃，而且可以通過應(yīng)用各類微小傳感裝置實(shí)現(xiàn)隱蔽性監(jiān)視，為摧毀敵人目標(biāo)點(diǎn)和攻擊武裝力量奠定技術(shù)和環(huán)境基礎(chǔ)。美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的地面?zhèn)刹?a target="_blank">機(jī)器人在機(jī)身上裝有具備俯仰角度和側(cè)傾角的智能傳感器，這種裝備主要用于實(shí)現(xiàn)潛水偵察，另外還在機(jī)身上裝有基于衛(wèi)星導(dǎo)航的智能傳感器用于準(zhǔn)確模擬戰(zhàn)場及其周邊地形，從而實(shí)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(diào)上的應(yīng)用，將紅外熱成像技術(shù)引入智能空調(diào)應(yīng)用開發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能送風(fēng)和智能啟停功能，根據(jù)室內(nèi)溫度與用戶體感溫度的差異選擇是否開啟空調(diào)，以及選擇送風(fēng)方式及相應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，該應(yīng)用搭配志高云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能防火功能，智能檢測、報(bào)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(shè)備，能夠通過微型貼身傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄用戶的飲食、睡眠、健身等數(shù)據(jù)，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)同步到智能手機(jī)、平板等電子設(shè)備上，用數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活。桂林電子科技大學(xué)的李易陸、陳洪波等人設(shè)計(jì)了一種基于MEMS數(shù)據(jù)輸出加速度傳感器與超低功耗單片機(jī)的智能記步手環(huán)，該手環(huán)利用傳感器隨時(shí)隨地記錄運(yùn)動(dòng)者的步行量、卡路里消耗等信息，通過藍(lán)牙方式傳輸?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)步功能的良好適應(yīng)，也提高了智能手環(huán)的可靠性運(yùn)行。Helios設(shè)計(jì)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(yīng)用上反饋著裝、防曬等的涂抹情況，智能戒指就可以根據(jù)當(dāng)天的紫外線按強(qiáng)度提供準(zhǔn)確的結(jié)果幫助用戶確定日光浴時(shí)長等。

2.7 農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，涉及到應(yīng)用傳感和測量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)等智能信息技術(shù)，依托安置在農(nóng)產(chǎn)品種植區(qū)的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的田間智慧種植數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化管理、智能預(yù)警等，因此傳感器技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的承洋洋、王庫、劉超等人設(shè)計(jì)開發(fā)了一種農(nóng)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(diǎn)構(gòu)建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，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(qiáng)度等信息，并將這些信息與攝像頭收集的圖像數(shù)據(jù)匯集到一起，通過無線電臺(tái)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器上，遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(shí)時(shí)收集與檢測，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測、海洋信息實(shí)時(shí)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(chǔ)。楊秀芳等人設(shè)計(jì)開發(fā)了基于無線傳感器的信息采集系統(tǒng)，通過構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)提供海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，充分利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，通過智能激活傳感器節(jié)點(diǎn)所形成的最佳時(shí)間間隔減少網(wǎng)絡(luò)成型時(shí)間，降低功耗和復(fù)雜度的同時(shí)延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，保證傳感器能夠長時(shí)間對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以及海洋信息的實(shí)時(shí)采集，對(duì)未來海洋環(huán)境保護(hù)和資源開發(fā)具有一定的價(jià)值。

2.9 航空航天

NASA為檢測制造航天飛機(jī)的材料是否達(dá)到使用壽命，需要經(jīng)常檢測運(yùn)載火箭的艙內(nèi)設(shè)施以及各個(gè)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的的健康狀況，因此美國斯坦福大學(xué)開發(fā)了一項(xiàng)斯坦福多致動(dòng)器接收轉(zhuǎn)換（SMART）層專利技術(shù)，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(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)利用自身的一套算法處理該數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)信息反饋，提供了一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)方法。

3. 展望

3.1 MEMS傳感器

MEMS傳感器是利用MEMS技術(shù)制備的新一代傳感器件。MEMS是一個(gè)獨(dú)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(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，可大批量生產(chǎn)，常見的產(chǎn)品包括MEMS氣體傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS濕度傳感器、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)及MEMS陀螺儀等以及它們的集成產(chǎn)品。

3.2 仿生傳感器

仿生傳感器是將生物物質(zhì)作為識(shí)別標(biāo)識(shí)與待測物質(zhì)發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息將會(huì)轉(zhuǎn)化成物理、化學(xué)信號(hào)并輸出的裝置。仿生傳感器運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠快速地對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、土壤污染情況進(jìn)行檢測，是目前研究和應(yīng)用最廣泛的智能傳感器。

3.3 電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器能夠?qū)χT如pH值、離子活度的等土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行直接測量，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的一個(gè)新的重要應(yīng)用。中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所在2014年研究發(fā)布了一種基于氣泡介導(dǎo)的電化學(xué)生物傳感器，單一反應(yīng)實(shí)現(xiàn)免疫分析的問題得到解決，并且能夠快速準(zhǔn)確地檢測多種疾病的標(biāo)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(jié)

智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最重要的技術(shù)之一，在為傳統(tǒng)行業(yè)注入新鮮血液的同時(shí)也引領(lǐng)了傳感器產(chǎn)業(yè)的潮流，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、海洋、航天、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均發(fā)揮著核心作用，隨著智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，新一代智能傳感器將結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)不斷完善其功能，具有十分可觀的發(fā)展前景。