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　　自溫家寶總理發表“感知中國”重要講話以來，物聯網這一概念，在全國如雨后春筍、如火如荼。物聯網的提出與興起，對傳感器特別是智能化傳感器的發展帶來了前所未有的空間與契機，希望在傳感器業界引起廣泛的注意和足夠的重視。

　　物聯網的定義

　　物聯網至今無確切的、統一的定義。有人提出：物聯網是物與物之間相連的互聯網，核心基礎仍是互聯網。有人提出：物聯網不是互聯網的下一代，是互聯網應用的拓展。物聯網的內涵要比傳感網大，比泛在網小，物聯網要實現物到物、物到人、人到人的信息獲取、傳輸、處理等管理功能。

　　筆者根據有關資料分析、整理，物聯網的定義為“通過傳感裝置（器），按約定協議，將物與網連接，實現信息管理的一種網絡。”這里的傳感裝置可以是智能傳感器（對連續控制領域）、射頻識別器RFID（對離散控制領域）、其它獲取信息的傳感裝置等。這里的網可以是互聯網、傳感網、局域網、個域網、以它網、現場總線等。

　　我國物聯網總體尚處于起步階段，為推進物聯網產業發展，工業和信息化部將采取四大措施支持電信運營企業開展物聯網技術創新與應用工程，主要是：

　　● 突破關鍵技術，實現科技創新。如低能耗、低成本、通用性、實時性、智能性等共性關鍵技術，“協同”處理技術，推廣應用技術等。

　　● 制訂發展規劃，全面合理布局。重點發展高端傳感器、MEMS傳感器、智能網絡傳感器、傳感器節點、傳感器網關；超高頻RFID、有源RFID和RFID中間件；重點發展物聯網相關的終端設備、應用軟件和信息服務。

　　● 推動示范應用，帶動產業價值。目前物聯網的應用主要在八大方面，即工業領域、農業領域、智能電網、交通運輸領域、物流領域、醫療衛生領域、節能環保領域、公共安全領域。建設應用示范工程，確立以應用帶動產業發展模式，提升物聯網在應用過程中產業鏈的整體價值。

　　● 制訂統一標準，保障健康發展。根據產業需求，形成技術創新、標準制訂和知識產權協調互動機制。加強關鍵技術研究，建設標準驗證、測試和仿真等標準服務平臺，加快關鍵標準的制訂、實施和應用。積極參與國際標準制訂，整合國內研究力量形成合力，推動國內自主創新的研究成果推向國際。

　　智能傳感器的發展

　　智能傳感器這一概念是由國外引進的，通常定義為“帶有微處理器，具有信息處理功能的傳感器”。根據《敏感組件和傳感器名詞術語》國家標準，這里“傳感器”的定義是：能感受規定的被測量并按一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常有敏感組件和轉換組件組成。這里的“處理功能”主要包括：

　　● 自檢測、自修正、自保護功能。如自動采集數據、自檢驗、自處理、自動存貯和記憶；自校零、自校正、自標定、自補償；自尋故障、自修正等。

　　● 判斷、決策、思維功能。能根據輸入信息進行判斷和制定決策、通過軟件控制做出多種決定。

　　● 雙向通信、標準化數字輸出或符號輸出功能。特別要指出的是，智能傳感器的概念是動態的、發展的、變化的。

　　80年代，將信號處理電路（濾波、放大、調零）與傳感器設計在一起，輸出4～20mA電流或0～5V電壓，這樣的傳感器為當時意義的智能傳感器。我們稱之為“第一代智能傳感器”。

　　80年代末到90年代中后期，將單片微處理器嵌入傳感器中，實現溫補、修正、校準，同時由A/D變換器將模擬信號轉換為數字信號。這種類型的傳感器不但有硬件，還可通過軟件對信號進行簡單處理，輸出為數字信號。我們稱之為“第二代智能傳感器”。

　　“現場總線”概念提出后，對傳感器的設計提出了新要求，要求實現全數字、開放式的雙向通信，測量和控制信息的交換在底層上主要是通過現場總線來完成，數據交換主要是通過Intranet等網絡來實現，傳感器設計上軟件占主要地位，通過軟件將傳感器內部各個敏感單元或與外部的智能傳感器單元聯系在一起。我們稱之為“第三代智能傳感器”。

　　進入21世紀后，由于MEMS技術、低能耗的模擬和數字電路技術、低能耗的無線射頻（RF）技術、傳感器技術的發展，使得開發小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能。這種微傳感器一般裝備有：一個用于感知外界環境物理量的敏感組件（如壓力、溫度、濕度、光、聲、磁等），一個用于處理敏感組件采集信息的計算模塊，一個用于通信的無線電收發模塊，一個為微傳感器的各種操作提供能量的電源模塊。我們稱之為“第四代智能傳感器”或“智能網絡化傳感器”。

　　智能網絡化傳感器的結構原理框圖如圖1所示。
 

圖1、智能傳感器結構原理框圖

　　智能傳感器與物聯網體系結構

　　智能傳感器與物聯網的體系結構如圖2所示。物聯網在改造和提升傳統產業，引領和促進新興產業發展，推動信息化在國民經濟和社會生活及國防等方面的應用，優化國家重要基礎設施的效能，促進節能減排和改進公共服務等方面作用巨大，意義深遠。
 

圖2、智能傳感器與物聯網體系結構

　　智能傳感器是物聯網中必不可少的重要組成部分，智能傳感器的特性如精度、穩定性、可靠性、抗干擾能力、環境適應性、功耗、成本、價格等性能，直接影響物聯網性能的優劣和大規模的推廣、應用。

　　智能傳感器設計與開發要求

　　為了滿足物聯網大規模、低成本、無人值守、環境復雜、電池供電等外界環境條件，智能傳感器的設計需滿足以下條件：

　　小型化 物聯網的特點要求傳感器節點小型化。可采用MEMS技術、IC技術，但必須考慮它們之間的兼容性和可行性。小型化與器件封裝有極大關系，智能傳感器小型化封裝成為關鍵技術之一。

　　低成本 低成本是物聯網大規模應用的前提，因此必須保證低成本。低成本與產業規劃、市場需求、工藝水平、勞動力資本等有關。不僅有技術問題，還與國家政策、導向有關。從技術層面看，在產品設計時必須貫徹低成本設計原則。

　　低功耗 因物聯網是靠電池長期供電，為節約能源，智能傳感器必須采用低功耗供電。

　　抗干擾 能抗電磁幅射、雷電、強電場、高濕、障礙物等惡劣環境。

　　靈活性 傳感器節點在物聯網中應用時，節點通過提供一系列的軟、硬件標準，能實現面向應用的靈活編程要求。

　　智能傳感器設計方法

　　系統構成 智能網絡化傳感器系統有四部分組成，即數據采集子系統、數據處理子系統、無線通信子系統、電源子系統。數據采集子系統中，敏感組件面對的是外界環境的模擬信號，與環境中檢測的物理量有關，為了滿足控制實時性要求，信號采樣必須保證實時性，要求輸出的信號為數字信號。數據處理子系統由微控制器、存貯器、嵌入式操作系統、測試和下載接口構成，微控制器是一個低功耗的系統級芯片，可以把采集子系統的信息經A/D轉化成相應的數據直接處理。存貯器用于存貯數據、測量值及其它用戶定義的數據。嵌入式實時操作系統，用于提供實時的調度與管理。接口為調試和下載程序提供標準接口。無線通信子系統由天線連接器和無線射頻電路組成。電源子系統由電源供電單元和動態電源管理單元構成；動態電源管理單元支持運行相應的低功耗運算法則，最大限度延長電池的使用壽命。

　　信號處理方法 在網絡化使用環境中，即插即用是對網絡中的每個設備最基本的要求。但由敏感組件檢測的物理量其輸入輸出關系不確定，有些是線性的，通常是非線性的，必須保證系統準確識別被測對象，確定被測對象信號位置，確定被測對象經由敏感組件后輸入輸出的關系，確定輸入輸出的物理量。類似于傳統傳感器設計時涉及的性能標定問題，信號處理必須滿足上述要求。

　　接口設計 智能網絡化傳感器在物聯網中應用時，通常涉及流程工業連續測控領域，可用于不同的網絡場合，遵循不同的協議標準，要保證所設計的傳感器完全滿足這些協議較困難，就必須考慮接口問題，接口設計是智能網絡化傳感器與普通傳感器的區別之一。

　　軟件工具開發 傳統傳感器的研發主要由硬件構成，研究對象局限于傳感機理、材料、結構、工藝等物理方面，而智能傳感器的智能性則是在硬件基礎上通過軟件實現其價值，軟件在智能傳感器中占有重要成份，而智能化的程度與軟件開發水平成正比。軟件開發工具包括設計、通信、管理等，一般C、Labview，ActiveX等工具軟件均可完成，用于實現傳感器模型建立、標定參數建立、最佳標定模型選擇等。

　　智能傳感器的關鍵技術

　　智能傳感器在硬件制造方面的關鍵技術主要有：

　　● 智能傳感器模塊中各芯片的設計技術。設計必須滿足小型化、低成本、低功耗、抗干擾、靈活性要求，利用Ansys和MSC.Patran、MSC.Marc、MSC.Fatigue軟件進行芯片設計和仿真。需建立數學模型、線路設計、可靠性設計等工作。

　　● 智能傳感器的制備工藝技術。需突破MEMS工藝與集成電路IC工藝的相容性技術，智能傳感器的小型化封裝技術，智能傳感器規模化生產技術等。

　　● 智能傳感器的可靠性技術。目前國產傳感器最大問題是產品可靠性不高，直接影響傳感器應用，可靠性性設計、可靠性試驗、可靠性篩選、可靠性管理這些技術問題必須貫穿產品制備始終。

　　● 智能傳感器接口技術，特別是與外部網絡的接口。

　　● 智能傳感器的標準制訂。(end)