2018年智能(néng)传感器研究现状及发展前景分(fēn)析

物(wù)联网已成為(wèi)信息科(kē)技发展趋势，各种智能(néng)设备将作為(wèi)传感器的载體(tǐ)，实现人、机、云端无缝的交互，让智能(néng)设备与人工智能(néng)(AI)结合从而拥有(yǒu)“智慧”，使得人體(tǐ)感知能(néng)力得到拓展和延伸。目前我國(guó)从事传感器的研制、生产和应用(yòng)的企业超过1700家，产业门类基本齐全，传感器产品达到10大类、42小(xiǎo)类、6000多(duō)个品种，无论是在健康医疗、城市规划，还是城市交通方面，传感器正在发挥着核心作用(yòng)。

此前，國(guó)家工业和信息化部下发意见函，中國(guó)工程院组织遴选的MEMS传感器产业化等16个项目，拟作為(wèi)《中國(guó)制造2025》2017年重大标志(zhì)性项目。随着更多(duō)的设备通过传感器焕发了第二春，而且提升了效率，那么下一代的工程师、创新(xīn)者和艺术家的使命是，发掘由数据构成的世界所给予的几乎无限的机会。

　
        1. 智能(néng)传感器简介
　　
        1.1 智能(néng)传感器的概念
 
智能(néng)传感器概念最早由美國(guó)宇航局在研发宇宙飞船过程中提出来，并于1979年形成产品。IEEE协会将能(néng)提供受控量或待感知量大小(xiǎo)且能(néng)典型简化其应用(yòng)于网络环境的集成的传感器称為(wèi)智能(néng)传感器。《现代新(xīn)型传感器原理(lǐ)与应用(yòng)》一书中认為(wèi)智能(néng)传感器是带微处理(lǐ)机的，兼有(yǒu)信息检测、信息记忆以及逻辑思维与判断功能(néng)的传感器。

智能(néng)传感器是正在高速发展的高新(xīn)技术，至今还未形成统一的规范化的定义，人们普遍认為(wèi)智能(néng)传感器是具有(yǒu)对外界环境等信息进行自动收集、数据处理(lǐ)以及自诊断与自适应能(néng)力的传感器。
 
　　1.2 智能(néng)传感器的功能(néng)
 
(1)自补偿与自诊断功能(néng)：通过微处理(lǐ)器中的诊断算法能(néng)够检验传感器的输出，并能(néng)够直接呈现诊断信息，使传感器具有(yǒu)自诊断的功能(néng)。

(2)信息存储与记忆功能(néng)：利用(yòng)自带空间对历史数据和各种必需的参数等的数据存储，极大地提升了控制器的性能(néng)。

(3)自學(xué)习与自适应功能(néng)：通过内嵌的具有(yǒu)高级编程功能(néng)的微处理(lǐ)器可(kě)以实现自學(xué)习功能(néng)，同时在工作过程中，智能(néng)传感器还能(néng)根据一定的行為(wèi)准则重构结构和参数，具有(yǒu)自适应的功能(néng)。

(4)数字输出功能(néng)：智能(néng)传感器内部集成了模数转换電(diàn)路，能(néng)够直接输出数字信号，缓解了控制器的信号处理(lǐ)压力。
 
　　2. 智能(néng)传感器应用(yòng)领域及其发展现状
 
　　2.1 土木(mù工程
 
我國(guó)作為(wèi)重大的土木(mù工程和基础设施大國(guó)，桥梁、水坝、核電(diàn)站、供水供電(diàn)系统工程等使用(yòng)年限長(cháng)达几十年，由于腐蚀作用(yòng)、材料老化等环境和自身因素，不可(kě)避免的造成工程损伤和灾害抵抗力下降等问题，因此智能(néng)传感器在土木(mù工程领域的作用(yòng)就显得尤為(wèi)重要。

哈尔滨工业大學(xué)的周智、欧进萍等人分(fēn)析了光纤光栅温度传感特性及其应变传感的温度补偿原理(lǐ)和方法，开发了一种满足工程应用(yòng)的光纤光栅封装传感器，建立了包括传感器、光开关、数据采集和控制软件在内的大规模、分(fēn)布式的光纤光栅智能(néng)监测系统，并将其成功的运用(yòng)到桥梁的实际施工中，将温度传感器与建筑材料复合，用(yòng)于桥梁的局部健康监测总并取得了良好的效果。
 
　　2.2 医學(xué)
 
在生物(wù)医學(xué)领域中，传感器作為(wèi)核心部件被应用(yòng)到了众多(duō)的检测仪器中，关乎到人體(tǐ)健康往往对医用(yòng)传感器有(yǒu)更高要求，不仅对其精确度、可(kě)靠性、抗干扰性，同时在传感器的體(tǐ)积、重量等外部特性上也有(yǒu)其特殊的要求，因此传感器在医學(xué)中的应用(yòng)在一定程度上反映了传感器的发展水平。

随着可(kě)穿戴式、可(kě)植入式微型智能(néng)传感器逐渐面世，医學(xué)检测仪器的发展有(yǒu)了里程碑式的飞跃。中山(shān)大學(xué)冯巍、陈仲本等人研究了一种人體(tǐ)实时监控系统，该系统利用(yòng)多(duō)个微型智能(néng)传感器通过基于蓝牙技术的无線(xiàn)网络实现人體(tǐ)健康数据获取、处理(lǐ)及通信等任務(wù)，主服務(wù)器对数据进行分(fēn)析计算后反馈给各个节点，实时监控被监测对象以避免突发性疾病，这种可(kě)穿戴式的智能(néng)传感器也可(kě)以在运用(yòng)于类似于足球比赛等高强度的體(tǐ)育比赛或运动员的高强度训练中。
 
　　2.3 汽車(chē)及交通
 
交通发展的逐渐走向體(tǐ)系化、规范化、智能(néng)化管理(lǐ)，在城市内建立完整的智能(néng)交通系统，利用(yòng)智能(néng)信息搜集与处理(lǐ)、数据通信等技术实现人、車(chē)和路信息的多(duō)元统一，进一步智能(néng)调控交通运行系统，利用(yòng)道路传感网络获取当前交通系统中基础设施、各类車(chē)辆以及人群移动的状态等数据，使交通系统实现智能(néng)检测与控制成為(wèi)可(kě)能(néng)。

目前在汽車(chē)安全行驶系统、車(chē)身系统、智能(néng)交通系统等领域已经实现了智能(néng)传感器的规模化生产，随着智能(néng)传感器的不断更新(xīn)改良，其在汽車(chē)领域的应用(yòng)已经比较广泛。轮胎压力监测系统(TPMS)是一种监测汽車(chē)轮胎压力和温度的智能(néng)监测系统，监视器收集各个轮胎的温度和压力数据，并根据轮胎温度和压力数据的异常情况发出不同的报警信号提醒驾驶者采取一定的措施，对防止重大交通事故发挥积极作用(yòng)。温州大學(xué)的雷鹏飞、沈华东等人对红外传感器在智能(néng)車(chē)避障系统的应用(yòng)进行了研究与设计，避障传感器放射的红外線(xiàn)在一定范围内遇到障碍物(wù)会被反射，传感器检测到红外線(xiàn)反射回的信号并发送给单片机，单片机通过输入内部的算法对車(chē)辆轮胎的方向、距离进行智能(néng)协调，从而完成躲避障碍物(wù)动作。同时独轮式平衡車(chē)作為(wèi)新(xīn)兴的个人交通工具也是利用(yòng)内置传感器收集用(yòng)户的姿势信息控制平衡車(chē)的前进方向与速度，成為(wèi)传感器在交通领域的一大创新(xīn)。
 
　　2.4 军事与國(guó)防
 
军事力量是衡量一國(guó)國(guó)防实力和综合实力的关键指标，对于國(guó)防建设具有(yǒu)重要的作用(yòng)。作為(wèi)军事力量的重要组成部分(fēn)，武器系统的性能(néng)决定了军事队伍作战的成败，在武器系统中引入智能(néng)传感器不仅能(néng)够实时监测战场形势变化从而及时调整侦察和作战计划，而且可(kě)以通过应用(yòng)各类微小(xiǎo)传感装置实现隐蔽性监视，為(wèi)摧毁敌人目标点和攻击武装力量奠定技术和环境基础。美國(guó)海军陆战队的地面侦查机器人在机身上装有(yǒu)具备俯仰角度和侧倾角的智能(néng)传感器，这种装备主要用(yòng)于实现潜水侦察，另外还在机身上装有(yǒu)基于卫星导航的智能(néng)传感器用(yòng)于准确模拟战场及其周边地形，从而实现水陆两栖作战的完美配合。
 
　　2.5 家電(diàn)
 
郑志(zhì)辉等人研究了红外传感器在智能(néng)云空调上的应用(yòng)，将红外热成像技术引入智能(néng)空调应用(yòng)开发，实现智能(néng)送风和智能(néng)启停功能(néng)，根据室内温度与用(yòng)户體(tǐ)感温度的差异选择是否开启空调，以及选择送风方式及相应的调节参数，该应用(yòng)搭配志(zhì)高云平台实现智能(néng)防火功能(néng)，智能(néng)检测、报警，用(yòng)户可(kě)通过APP了解现场情况。
 
　　2.6 電(diàn)子装备
 
智能(néng)手环是最常见的一种可(kě)穿戴式的電(diàn)子设备，能(néng)够通过微型贴身传感器实时监测并记录用(yòng)户的饮食、睡眠、健身等数据，同时将这些数据同步到智能(néng)手机、平板等電(diàn)子设备上，用(yòng)数据指导健康生活。桂林電(diàn)子科(kē)技大學(xué)的李易陆、陈洪波等人设计了一种基于MEMS数据输出加速度传感器与超低功耗单片机的智能(néng)记步手环，该手环利用(yòng)传感器随时随地记录运动者的步行量、卡路里消耗等信息，通过蓝牙方式传输到手机，实现了计步功能(néng)的良好适应，也提高了智能(néng)手环的可(kě)靠性运行。Helios设计了一款配备了UV紫外線(xiàn)传感器的智能(néng)戒指，用(yòng)户只需在Helios应用(yòng)上反馈着装、防晒等的涂抹情况，智能(néng)戒指就可(kě)以根据当天的紫外線(xiàn)按强度提供准确的结果帮助用(yòng)户确定日光浴时長(cháng)等。
 
　　2.7 农业
 
智慧农业是现代农业发展的高级阶段，涉及到应用(yòng)传感和测量技术、自动控制技术、计算机与通信技术等智能(néng)信息技术，依托安置在农产品种植區(qū)的各个传感器节点和通信网络，实施监测农业生产的田间智慧种植数据，实现可(kě)视化管理(lǐ)、智能(néng)预警等，因此传感器技术是现代农业发展的一项关键技术。

中國(guó)农业大學(xué)的承洋洋、王库、刘超等人设计开发了一种农业环境智能(néng)监控系统，通过分(fēn)布式的传感器节点构建ZigBee无線(xiàn)传感网络，采集和传输空气温湿度、二氧化碳浓度、土壤温湿度和光照强度等信息，并将这些信息与摄像头收集的图像数据汇集到一起，通过无線(xiàn)電(diàn)台传输到遠(yuǎn)程服務(wù)器上，遠(yuǎn)程监控农业生产中的环境问题，实现农业生产管理(lǐ)的智能(néng)化与高效率。
 
　　2.8 海洋探测
 
　　开发海洋资源的前提是海洋信息的实时收集与检测，随着物(wù)联网技术在海洋环境领域的广泛应用(yòng)，為(wèi)实现海洋环境实时监测、海洋信息实时采集，海洋信息智能(néng)采集成為(wèi)保证海洋环境监测的基础。杨秀芳等人设计开发了基于无線(xiàn)传感器的信息采集系统，通过构建无線(xiàn)传感器网络，实时提供海洋环境数据，充分(fēn)利用(yòng)ZigBee网络优势，通过智能(néng)激活传感器节点所形成的最佳时间间隔减少网络成型时间，降低功耗和复杂度的同时延長(cháng)无線(xiàn)传感器网络的生存时间，保证传感器能(néng)够長(cháng)时间对海洋环境进行实时监测以及海洋信息的实时采集，对未来海洋环境保护和资源开发具有(yǒu)一定的价值。
 
　　2.9 航空航天
 
NASA為(wèi)检测制造航天飞机的材料是否达到使用(yòng)寿命，需要经常检测运载火箭的舱内设施以及各个关键部件结构的的健康状况，因此美國(guó)斯坦福大學(xué)开发了一项斯坦福多(duō)致动器接收转换(SMART)层专利技术，舱身各部分(fēn)安装传感器接收器，在接收到中央传感器发射的電(diàn)磁波，将其转换為(wèi)实时数据并传输到计算机中，计算机利用(yòng)自身的一套算法处理(lǐ)该数据并实现信息反馈，提供了一种结构健康监测的实现方法。
 
　　3. 展望
 
　   3.1 MEMS传感器
 
MEMS传感器是利用(yòng)MEMS技术制备的新(xīn)一代传感器件。MEMS是一个独立的智能(néng)微小(xiǎo)系统，其系统尺寸在几毫米乃至更小(xiǎo)，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，可(kě)大批量生产，常见的产品包括MEMS气體(tǐ)传感器、MEMS压力传感器、MEMS湿度传感器、MEMS光學(xué)传感器、MEMS加速度计、MEMS麦克风及MEMS陀螺仪等以及它们的集成产品。
 
　　3.2 仿生传感器
 
仿生传感器是将生物(wù)物(wù)质作為(wèi)识别标识与待测物(wù)质发生生物(wù)學(xué)反应，产生的信息将会转化成物(wù)理(lǐ)、化學(xué)信号并输出的装置。仿生传感器运用(yòng)于农业生产能(néng)够快速地对农产品品质、土壤污染情况进行检测，是目前研究和应用(yòng)最广泛的智能(néng)传感器。
 
　　3.3 電(diàn)化學(xué)传感器
 
電(diàn)化學(xué)传感器能(néng)够对诸如pH值、离子活度的等土壤数据进行直接测量，是农业领域中的一个新(xīn)的重要应用(yòng)。中國(guó)科(kē)學(xué)院上海应用(yòng)物(wù)理(lǐ)研究所在2014年研究发布了一种基于气泡介导的電(diàn)化學(xué)生物(wù)传感器，单一反应实现免疫分(fēn)析的问题得到解决，并且能(néng)够快速准确地检测多(duō)种疾病的标志(zhì)物(wù)，该传感器有(yǒu)望為(wèi)现场生化检测提供新(xīn)的手段。
 
　　4. 小(xiǎo)结
 
智能(néng)传感器是物(wù)联网发展的最重要的技术之一，在為(wèi)传统行业注入新(xīn)鲜血液的同时也引领了传感器产业的潮流，在医學(xué)、工业、海洋、航天、军事、农业等领域均发挥着核心作用(yòng)，随着智能(néng)传感器技术的发展，新(xīn)一代智能(néng)传感器将结合人工神经网络、人工智能(néng)等技术不断完善其功能(néng)，具有(yǒu)十分(fēn)可(kě)观的发展前景。