近期物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，逐漸成為信息化時(shí)代的核心以及智能化時(shí)代的基礎(chǔ)支撐。工信部數(shù)據(jù)顯示，2022年工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已連接設(shè)備達(dá)到7900萬(wàn)臺(tái)，成為承載我國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量、智能化發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和應(yīng)用層四部分構(gòu)成，傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成部分之一，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用。
物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)示意
21世紀(jì)以來(lái)，傳感器逐漸由傳統(tǒng)型向智能型方向發(fā)展，智能傳感器的研究和應(yīng)用越來(lái)越受到業(yè)界的重視。相對(duì)傳統(tǒng)傳感器，智能傳感器到底智在何處？
什么是智能傳感器
DEFINITION
智能傳感器是指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。
智能無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 7665-2005①的定義，傳感器是指能感受被測(cè)物理量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器作為連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁，一般由傳感單元、計(jì)算單元和接口單元組成。
傳統(tǒng)傳感器輸出的多是模擬量信號(hào)②，本身不具備信號(hào)處理和組網(wǎng)功能，需連接到特定測(cè)量?jī)x表才能完成信號(hào)的處理和傳輸功能。智能傳感器則充分利用集成技術(shù)和微處理器③技術(shù)，可以將信號(hào)感知、信息存儲(chǔ)、信息處理、數(shù)據(jù)通信功能集于一體，輸出不限于可感知物理量的高層級(jí)的分析信息。總結(jié)來(lái)看，智能傳感器是集傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅(qū)動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品，其核心優(yōu)勢(shì)在于高復(fù)雜度的信息處理能力，以及高集成度的信息傳輸能力。
硬件模塊架構(gòu)：傳統(tǒng)傳感器VS智能傳感器
智能傳感器的智能程度取決于基于嵌入式微處理器的數(shù)據(jù)處理能力。經(jīng)典的智能傳感器一般使用單片機(jī)④再加上控制規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)，較少涉及智能理論（人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊技術(shù)等），而基于智能理論構(gòu)建的智能傳感器具備更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和邏輯推理能力，從而具有更高的智能化程度。基于智能理論的智能計(jì)算模塊一般由傳感器嵌入式系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)、推理引擎、知識(shí)學(xué)習(xí)程序和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)四部分組成。
基于智能理論的智能傳感器的軟件模塊架構(gòu)
智能傳感器的功能優(yōu)勢(shì)
ADVANTAGE
基于原始物理量的數(shù)據(jù)處理能力，智能傳感器相比傳統(tǒng)傳感器具有以下功能優(yōu)勢(shì)。
1）對(duì)傳感物理量的自校準(zhǔn)和自動(dòng)補(bǔ)償功能（數(shù)據(jù)測(cè)量更精準(zhǔn)）
智能傳感器可通過(guò)自動(dòng)校零去除零點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比，自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定、非線性等系統(tǒng)誤差的校正，實(shí)時(shí)采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，消除偶然誤差影響，保證智能傳感器的高精度。智能傳感器能自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化而引起的系統(tǒng)特性的漂移⑤，如環(huán)境溫度、系統(tǒng)供電電壓波動(dòng)而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度的漂移，保證傳感器的高可靠性和高穩(wěn)定性。
同時(shí)，由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與信息處理功能，通過(guò)數(shù)字濾波⑥等相關(guān)分析處理，可去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，自動(dòng)提取有用數(shù)據(jù)；通過(guò)數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。2）對(duì)多物理量的復(fù)合敏感功能（實(shí)現(xiàn)難以直接檢測(cè)的狀態(tài)量的測(cè)量）真實(shí)物理世界的很多狀態(tài)量很難直接測(cè)量到，而智能傳感器可以通過(guò)同時(shí)測(cè)量多種物理量，并基于多物理量的復(fù)合分析間接給出更能全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。比如，我們可以同時(shí)測(cè)量機(jī)器設(shè)備某一測(cè)點(diǎn)的三維振動(dòng)加速度、速度、位移、溫度等物理量，通過(guò)傳感測(cè)量模型，綜合分析出設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。3）對(duì)傳感器自身的自動(dòng)診斷功能（自檢使傳感器更可靠）普通傳感器需要定期檢驗(yàn)和標(biāo)定，以保證它在正常使用時(shí)具備足夠的準(zhǔn)確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場(chǎng)拆卸，送到實(shí)驗(yàn)室或檢驗(yàn)部門進(jìn)行。對(duì)于在線測(cè)量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時(shí)診斷。采用智能傳感器時(shí)，情況則大有改觀。首先，在電源接通時(shí)自診斷功能啟動(dòng)，傳感器進(jìn)行自檢，診斷測(cè)試以確定組件有無(wú)故障。其次，根據(jù)使用時(shí)間，智能傳感器可以在線進(jìn)行校正，確保穩(wěn)定可靠地工作運(yùn)行。4）對(duì)歷史狀態(tài)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能（避免信號(hào)問(wèn)題造成數(shù)據(jù)丟失、支持更復(fù)雜的算法邏輯）智能傳感器可以對(duì)歷史采集的傳感數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，例如，生產(chǎn)日期和最終出廠測(cè)試結(jié)果等靜態(tài)數(shù)據(jù)、傳感器已工作多少小時(shí)、更換多少次電源等等。歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能不僅可以確保傳感數(shù)據(jù)不因網(wǎng)絡(luò)傳輸失敗而丟失，也可以支持傳感器對(duì)多包歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)更智能的算法分析能力。5）對(duì)外界場(chǎng)景的自調(diào)整和自適應(yīng)功能（更快的響應(yīng)速度、更好的功耗控制）
智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況對(duì)各部分的供電情況、數(shù)據(jù)采集頻率、與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸速率等參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使系統(tǒng)工作在最佳響應(yīng)工作模式和最優(yōu)低功耗狀態(tài)并優(yōu)化傳輸效率。比如，對(duì)于機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的智能傳感器，可以在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)調(diào)高采集頻率，以實(shí)現(xiàn)更快的狀態(tài)變化響應(yīng)速度；在設(shè)備停機(jī)時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠模式，以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間等。
6）支持多工作模式的軟件組態(tài)功能（支持更多應(yīng)用場(chǎng)景）
智能傳感器可支持用戶通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)對(duì)多種工作模式的配置切換。比如傳感器的采集模式、采集參數(shù)、上傳頻率等組態(tài)配置。利用智能傳感器的組態(tài)功能可使同一類型的傳感器工作在最佳狀態(tài)，并且能在不同場(chǎng)景從事不同的工作，增加了傳感器的靈活性和可靠性。
7）基于數(shù)據(jù)特征的算法判斷和決策處理功能（更智能的傳感模式）除了對(duì)原始傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行再次校準(zhǔn)和補(bǔ)償外，智能傳感器還支持對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，并基于數(shù)據(jù)特征實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邊緣計(jì)算⑦模式，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)級(jí)的智能決策處理能力。比如，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的智能傳感器可以在邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常故障的識(shí)別，并在識(shí)別到設(shè)備故障后立即觸發(fā)數(shù)據(jù)上報(bào)和更密集的數(shù)據(jù)采集模式。
智能傳感器的發(fā)展前景
PROSPECT
智能傳感器方向是傳感器發(fā)展的總趨勢(shì)，隨著MEMS⑧等技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器將向硬件集成化、多數(shù)據(jù)融合、微功耗及無(wú)源化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。同時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信息處理等技術(shù)的應(yīng)用也將使智能傳感器具有更高級(jí)的智能功能。隨著細(xì)分應(yīng)用需求的增多，智能傳感器上的軟件算法和方案的重要性也將越來(lái)越凸顯，這也對(duì)傳感器的邊緣計(jì)算能力提出了更高的要求。
智能傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐，其發(fā)展將在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)中發(fā)揮至關(guān)重要的驅(qū)動(dòng)作用，如傳統(tǒng)工業(yè)的升級(jí)、傳統(tǒng)設(shè)備的智能化升級(jí)等，在助力中國(guó)制造轉(zhuǎn)向中國(guó)智造的發(fā)展歷程中，智能傳感器將擁有更加廣闊的市場(chǎng)前景。
釋義：
①GB/T 7665-2005標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：中文標(biāo)準(zhǔn)名稱傳感器通用術(shù)語(yǔ)，英文標(biāo)準(zhǔn)名稱General terminology for transducers，發(fā)布日期2005年07月29日，實(shí)施日期2006年02月01日，適用范圍：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了傳感器的產(chǎn)品名稱和性能特性術(shù)語(yǔ)，適用于傳感器的生產(chǎn)、科學(xué)研究、教學(xué)以及其他有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
②模擬量信號(hào)：以電壓、電流等形式表示的傳感器信號(hào)。
③微處理器：由一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。這些電路執(zhí)行控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能。
④單片機(jī)：一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
⑤傳感器漂移：是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)。
⑥數(shù)字濾波技術(shù)：是指在軟件中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行電磁兼容消除干擾的處理。一般來(lái)說(shuō)，除了在硬件中對(duì)信號(hào)采取抗干擾措施之外，還要在軟件中進(jìn)行數(shù)字濾波的處理，以進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的各式各樣的干擾，使采集到的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)的反映現(xiàn)場(chǎng)的工藝實(shí)際情況。
⑦邊緣計(jì)算：是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開(kāi)放平臺(tái)，就近提供最近端服務(wù)。其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。邊緣計(jì)算處于物理實(shí)體和工業(yè)連接之間，或處于物理實(shí)體的頂端。而云端計(jì)算，仍然可以訪問(wèn)邊緣計(jì)算的歷史數(shù)據(jù)。
⑧MEMS：微機(jī)電系統(tǒng)（ Micro - Electro - Mechanical Systems）的英文縮寫(xiě)。它是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。
