各類傳感器感知傳輸鋪就物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)

摘要：國(guó)大電器有限公司調(diào)查發(fā)現(xiàn)把物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈分為DCM三個(gè)大業(yè)務(wù)層面，同時(shí)DCM也是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的典型技術(shù)架構(gòu)，并且汽車空氣流量計(jì)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(chǔ)

　　感知與傳輸鋪就物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)

　　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(wú)源傳感器)組成，處于三層架構(gòu)的最底層，這也是物聯(lián)網(wǎng)最基礎(chǔ)的聯(lián)接和管理對(duì)象。最廣義來(lái)說(shuō)，傳感器是把各種非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置，非電量可以是物理量、化學(xué)量、生物量等等。

　　一說(shuō)到傳感器，可能大家就會(huì)往小的方面想，如上幾期提到的“電子塵?！薄Ｔ谖锫?lián)網(wǎng)的大概念下，一個(gè)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(gè)“大”的“智能物件”，它可以是一個(gè)機(jī)器人、一臺(tái)機(jī)床、一列火車，甚至是一個(gè)衛(wèi)星或太空探測(cè)器。這也是為什么在DCM劃分中用“Device”(設(shè)備或裝置)來(lái)描述物聯(lián)網(wǎng)底層的原因，筆者認(rèn)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(wú)源兩大類。有源傳感器將非電量轉(zhuǎn)換為電能量，無(wú)源程序傳感器不起能量轉(zhuǎn)換作用，只是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的量。每一類傳感器又可做進(jìn)一步細(xì)分，如圖1所示的生物傳感器、納米傳感器的細(xì)分。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注傳感器的實(shí)際應(yīng)用，下面是我們按應(yīng)用方式進(jìn)行的分類。

　　形形色色的傳感器

　　汽車傳感器: 它把汽車運(yùn)行中各種工況信息，如車速、各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況等，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸給計(jì)算機(jī)，測(cè)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(xué)原理測(cè)量液位，是壓力傳感器的一項(xiàng)重要應(yīng)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(zhì)的液位測(cè)量。

　　速度傳感器: 是一種將非電量(如速度、壓力)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓膫鞲衅?，適應(yīng)于速度監(jiān)測(cè)。

　　加速度傳感器: 是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備，可應(yīng)用在控制、手柄振動(dòng)和搖晃、儀器儀表、汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)、地震檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)、玩具、結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視、工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析，以及鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上。

　　核輻射傳感器: 利用放射性同位素來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，適用于核輻射監(jiān)測(cè)。

　　振動(dòng)傳感器: 是一種目前廣泛應(yīng)用的報(bào)警檢測(cè)傳感器，它內(nèi)部用壓電陶瓷片加彈簧重錘結(jié)構(gòu)檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，用于機(jī)動(dòng)車、保險(xiǎn)柜、庫(kù)房門窗等場(chǎng)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?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾螅淖杩?、介質(zhì)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(cè)。

　　氣敏傳感器: 是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器，適用于一氧化碳?xì)怏w、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(cè)等。

　　位置傳感器: 用來(lái)測(cè)量機(jī)器人自身位置的傳感器，適用于機(jī)器人控制系統(tǒng)。光敏傳感器: 是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，適用于對(duì)光的探測(cè); 還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)。

　　光纖傳感器: 是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)，適用于對(duì)磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。

　　納米傳感器: 運(yùn)用納米技術(shù)制造的傳感器，應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樯铩⒒瘜W(xué)、機(jī)械、航空、軍事等。

　　壓力傳感器: 是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)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(jī)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(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制。

　　激光傳感器: 利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和非電測(cè)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(jī)械電子傳感器，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和非電測(cè)量等。

　　半導(dǎo)體傳感器: 利用半導(dǎo)體材料的各種物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制成的傳感器，適用于工業(yè)自動(dòng)化、遙測(cè)、工業(yè)機(jī)器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程和生物工程。

　　氣壓傳感器: 用于測(cè)量氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，適用于與氣體壓強(qiáng)相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)， 也可以在生物和化學(xué)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量干燥、無(wú)腐蝕性的氣體壓強(qiáng)。

　　紅外線傳感器: 利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量、氣體成分分析和無(wú)損探傷，應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)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(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等。

　　遙感傳感器: 是測(cè)量和記錄被探測(cè)物體的電磁波特性的工具，用在地表物質(zhì)探測(cè)、遙感飛機(jī)上或是人造衛(wèi)星上。

　　高度傳感器: 其原理是測(cè)得滑臂與基準(zhǔn)線夾角的大小來(lái)?yè)Q算出相應(yīng)的熨平板高度，用于高度測(cè)量。

　　地磅傳感器: 是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)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(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)“圖像”的一種功能器件，廣泛用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量，尤其是適用于圖像識(shí)別技術(shù)。

　　厚度傳感器: 測(cè)量材料及其表面鍍層厚度的傳感器，用于厚度測(cè)量。

　　微波傳感器: 是利用微波特性來(lái)檢測(cè)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(jì)的像素，工業(yè)應(yīng)用包括檢驗(yàn)、計(jì)量、測(cè)量、定向、瑕疵檢測(cè)和分撿。

　　空氣流量傳感器: 是測(cè)定吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量的傳感器，適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。傳感器核心，在于聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

　　2009年中國(guó)傳感器市場(chǎng)研究報(bào)告指出，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已有1688家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，其中從事MEMS(因?yàn)樵?a target="_blank">iPhone(手機(jī)上網(wǎng))和Wii等產(chǎn)品中的成功使用而受到廣泛關(guān)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(guó)的傳感器同國(guó)外水平相比，新品研制仍落后國(guó)際水平5～10年，而規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)則落后10～15年。

　　傳感器解決的是“上行”的感知和監(jiān)測(cè)問(wèn)題，要實(shí)現(xiàn)控制，還需要“下行”的執(zhí)行器(如閥門等)來(lái)實(shí)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(xì)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(gè)關(guān)注點(diǎn)，但筆者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的核心還是“聯(lián)網(wǎng)”和應(yīng)用，傳感器是“點(diǎn)”的問(wèn)題，不是“面”的問(wèn)題，我們?cè)趥鹘y(tǒng)傳感器領(lǐng)域的落后狀況對(duì)我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域力爭(zhēng)世界產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)的努力不會(huì)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(dāng)做感知層來(lái)對(duì)待。傳感網(wǎng)既然是“網(wǎng)”，本應(yīng)該屬于傳輸層，但有一些和傳感器合為一體的傳感網(wǎng)應(yīng)該屬于感知層，因此筆者認(rèn)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(shí)也是傳感器和傳感網(wǎng)“二合一”的技術(shù)和應(yīng)用。

　　剖析傳輸層

　　上期文章在談到DCM劃分時(shí)曾經(jīng)提到過(guò)傳輸層主要分有線和無(wú)線兩種通信方式，目前業(yè)界在談?wù)撐锫?lián)網(wǎng)時(shí)，往往對(duì)無(wú)線通信方式談得很多，RFID、傳感網(wǎng)、3G等都屬于無(wú)線通信范疇，尤其是大家對(duì)3G技術(shù)寄予厚望 。筆者認(rèn)為，目前兩種通信方式對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)可能處于同等重要、互相補(bǔ)充的作用，例如，工業(yè)化和信息化“兩化融合”業(yè)務(wù)中大部分還是有線通信，智能樓宇等領(lǐng)域也還是以有線通信為主。

　　勿庸置疑，有線通信將來(lái)會(huì)成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要支撐，但無(wú)線通信技術(shù)也是不可或缺的。下面我們對(duì)兩種技術(shù)的應(yīng)用范圍做了一些歸類整理，也許會(huì)對(duì)大家在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中考慮該選擇哪種技術(shù)時(shí)有所幫助。

　　物聯(lián)網(wǎng)之有線通信傳輸層

　　有線通信技術(shù)可分為短距離的現(xiàn)場(chǎng)總線(Field Bus，也包括PLC電力線載波等技術(shù))和中、長(zhǎng)距離(WAN)的廣域網(wǎng)絡(luò)(包括PSTN、ADSL和HFC數(shù)字電視Cable等)兩大類。

　　由于現(xiàn)場(chǎng)總線種類繁多，已存在巨大的部署量，難以通過(guò)一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，在工業(yè)信息化、樓宇自控等行業(yè)應(yīng)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(wù)基礎(chǔ)中間件)通過(guò)軟件總線(如MQ，ESB等)加適配器(Adaptor)的方式實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)可以利用的中、長(zhǎng)距離有線網(wǎng)絡(luò)。還有一些和這三大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相當(dāng)?shù)奈垂_的覆蓋全國(guó)的專網(wǎng)，如公安系統(tǒng)的專網(wǎng)，據(jù)說(shuō)國(guó)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(yīng)用中的一個(gè)劣勢(shì)就是眾所周知的IP地址不夠的問(wèn)題，在IPv6未全面實(shí)施之前，這個(gè)問(wèn)題將制約有線網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中的使用。而無(wú)線廣域網(wǎng)可以通過(guò)發(fā)SIM卡(電話ID號(hào)碼)的方式解決每個(gè)智能物件對(duì)應(yīng)一個(gè)ID(號(hào)碼)的問(wèn)題。盡管如此，中國(guó)電信、歌華有線等以有線網(wǎng)絡(luò)為主的營(yíng)運(yùn)商也都有宏大的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)計(jì)劃，例如在智能家庭網(wǎng)關(guān)(Home Gateway)領(lǐng)域，歌華有線憑借機(jī)頂盒的部署基礎(chǔ)占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。

　　物聯(lián)網(wǎng)之無(wú)線通信傳輸層

　　和有線通信一樣，無(wú)線通信也可分為長(zhǎng)距離的無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)和中、短距離的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)，但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中還有一種超短距離的WPAN(無(wú)線個(gè)人網(wǎng)，Wireless Personal Area Networks)類別。

　　傳感網(wǎng)主要由WLAN或WPAN技術(shù)作為支撐，結(jié)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。