1　傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的戰略意義

     傳感器是物聯(lián)網(wǎng)重要組成之一，是物聯(lián)網(wǎng)系統中關(guān)鍵組成部分。傳感器性能決定物聯(lián)網(wǎng)性能。傳感器技術(shù)的升級換代將提升網(wǎng)絡(luò )的升級換代。傳感器承載著(zhù)“信息源頭”的重要作用。是工業(yè)化和信息化“兩化深度融合”的關(guān)鍵。因此，我們說(shuō)各種類(lèi)型的傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎和重要感知器件，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最根本所在。傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中戰略意義包括如下幾個(gè)方面：

    （1）傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成之一；

    （2）傳感器的性能決定物聯(lián)網(wǎng)性能；

    （3）傳感器升級推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )升級；

    （4）傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸；

    （5）傳感器產(chǎn)業(yè)化決定物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)應用前景。

    在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)，如不發(fā)展我國傳感器技術(shù)，則大量國外傳感器將進(jìn)入國內，傳感器市場(chǎng)將被國外占有，不僅經(jīng)濟損失巨大，國家安全也無(wú)法保障。

    2　我國物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)發(fā)展現狀

    工信部電信研究院發(fā)布的2014年《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)》顯示，我國物聯(lián)網(wǎng)近幾年保持較高的增長(cháng)速度，2013年我國整體產(chǎn)業(yè)規模達到5000億元，同比增長(cháng)36.9%，其中傳感器產(chǎn)業(yè)突破1200億元，RFID產(chǎn)業(yè)突破300億元。預計到2015年，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)整體規模將超過(guò)7000億元，信息處理和應用服務(wù)逐步成為發(fā)展重點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，一個(gè)較為突出的問(wèn)題是：傳感器環(huán)節是一個(gè)較為薄弱的環(huán)節，雖然物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)眾多，但是缺乏本土“旗艦型”企業(yè)。特別是基礎傳感器芯片研發(fā)力量弱，大部分芯片依賴(lài)進(jìn)口。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現“兩邊高、中間低”的特點(diǎn)，終端、傳感器網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)軟件是最大的價(jià)值點(diǎn)，純傳輸通道不到總體價(jià)值的10%，如果失去傳感器這個(gè)制高點(diǎn)，我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將不具備有利形勢，我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟待攻破傳感器這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。因此，我們說(shuō)，作為“金字塔”的塔座，傳感器將會(huì )是整個(gè)鏈條需求總量最大和最基礎的環(huán)節。

    3　物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)展中存在的問(wèn)題

    我國目前物聯(lián)網(wǎng)的主要應用是RFID應用。雖然電力、環(huán)保行業(yè)正在逐漸普及智能傳感器的物聯(lián)網(wǎng)應用，但還未形成一個(gè)龐大網(wǎng)絡(luò )。我國物聯(lián)網(wǎng)部分關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。如傳感芯片、物聯(lián)網(wǎng)的統一標準等技術(shù)較其它發(fā)達國家差距較大，傳感器技術(shù)還有眾多問(wèn)題需要解決。

    3.1　核心技術(shù)少，創(chuàng )新能力弱

    一些關(guān)鍵性技術(shù)尚未真正突破。如：設計技術(shù)、可靠性技術(shù)、封裝技術(shù)、裝備技術(shù)。其中：（1）傳感器的設計技術(shù)涉及多種學(xué)科、多種理論、多種工藝，設計過(guò)程復雜；（2）可靠性技術(shù)也是傳感器應用的重要指標，通常國產(chǎn)傳感器可靠性指標比國外同類(lèi)產(chǎn)品低1~2個(gè)數量級；（3）封裝技術(shù)越來(lái)越受到傳感器業(yè)界的高度重視。實(shí)際上傳感器的封裝技術(shù)對傳感器性能特別是穩定性起著(zhù)至關(guān)重要的作用；（4）裝備技術(shù)一直影響傳感器性能，嚴重制約了我國傳感器行業(yè)的獨立發(fā)展。

    3.2　缺乏應用的統一標準

    通過(guò)建立和完善傳感器及智能化儀器儀表標準體系，融合物聯(lián)網(wǎng)傳感器泛在感知的特點(diǎn)，行業(yè)要統一標準，該領(lǐng)域才可能形成大規模發(fā)展和應用。物聯(lián)網(wǎng)還會(huì )涉及很多跨行業(yè)合作，如果某些行業(yè)應用自己制訂一個(gè)標準，跨網(wǎng)或聯(lián)網(wǎng)應用就難以實(shí)現，從而產(chǎn)生大量“孤島”。如果標準不能統一，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域難以大規模發(fā)展和成長(cháng)。我國物聯(lián)網(wǎng)的標準化組織，需要在政府統一領(lǐng)導下，跨行業(yè)、跨部門(mén)形成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)標準體系，唯有如此，我國的物聯(lián)網(wǎng)才會(huì )健康發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)才能真正成為一個(gè)戰略性產(chǎn)業(yè)。

    3.3　亟待掌握核心技術(shù)

    傳感器是一種能把被測量信息按一定規律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置，以滿(mǎn)足信息傳輸、處理、記錄、顯示和控制的要求。如果把物聯(lián)網(wǎng)比作人，那么傳感器就像人體的五官。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，促使傳感器向更加智能的方向發(fā)展，以嵌入式微處理器為核心，集成傳感單元，信號處理單元，和網(wǎng)絡(luò )接口單元，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網(wǎng)絡(luò )通信功能，從而實(shí)現信息采集、處理和傳輸真正統一協(xié)調。我國的傳感器核心芯片仍面臨著(zhù)依賴(lài)進(jìn)口，從技術(shù)到制造工藝，都落后于發(fā)達國家。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，沒(méi)有它，物聯(lián)網(wǎng)就是無(wú)源之水、無(wú)本之木?！?br />
    4　我國物聯(lián)網(wǎng)傳感器關(guān)鍵技術(shù)的突破

    目前國內物聯(lián)網(wǎng)總體還處于起步階段，為推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，未來(lái)5年應集中資源攻克共性關(guān)鍵技術(shù)，保證持續發(fā)展。我國在基礎芯片設計、高端傳感器制造、智能信息處理等產(chǎn)業(yè)環(huán)節依然薄弱。對此，工信部發(fā)布2014年物聯(lián)網(wǎng)工作要點(diǎn)：突破核心關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)推進(jìn)傳感器、傳輸及信息處理的技術(shù)研發(fā)。

    所謂關(guān)鍵技術(shù)主要集中在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)與傳感器網(wǎng)關(guān)、系統微型化技術(shù)、超高頻RFID、智能無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)應用上。具體如下：

    （1）集成一體化。目前統稱(chēng)為微機電系統（MEMS）。即單片集成CMOS—MEMS技術(shù)，利用由MEMS技術(shù)制作的敏感元件和大規模集成電路工藝技術(shù)制作的微處理器、信號調理電路、網(wǎng)絡(luò )接口等集成在一塊芯片上，構成智能傳感器系統。

    （2）MSC、ANSYS設計軟件在集成化智能傳感器系統的應用集成化智能傳感器系統數學(xué)模型的建立、仿真及試驗；集成化智能傳感器系統可靠性、電磁兼容性、環(huán)境適應性的設計原則與方法；集成化智能傳感器系統低功耗、微型化、高性能芯片設計；集成化智能傳感器系統結構設計和封裝技術(shù)。

    （3）高準確度。傳感器結構一體化將使遲滯、重復性指標大為改善，準確度得到有效提高。后續的信號調理電路與敏感電路一體化后，將大大減少由引線(xiàn)長(cháng)度帶來(lái)的寄生參量的影響，這對電容式傳感器有特別重要的意義。

    （4）多功能化。微/納米級敏感元件結構的實(shí)現，特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個(gè)智能網(wǎng)絡(luò )傳感器，如可同時(shí)集成壓力、壓差及溫度參量的敏感元件，這樣不僅增加傳感器功能，而且可以通過(guò)數據融合技術(shù)消除交叉靈敏度的影響，提高傳感器的穩定與準確度。

    （5）全數字化。數字量的使用將為智能網(wǎng)絡(luò )傳感器提供極為穩定的性能，準確度高、不需A-D轉換器便能與微處理器方便接口。

    由此，我們可以看到，在“十三五”期間，解決上述關(guān)鍵點(diǎn)，對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展應用起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

    5　物聯(lián)網(wǎng)中的新型傳感器

    5.1　MEMS傳感器

    采用微機電系統技術(shù)，其特點(diǎn)為：

    微型化；

    以硅為基材，機械電氣性能優(yōu)良；

    批量生產(chǎn)，用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機電裝置或完整的MEMS；

    集成化?？梢园巡煌δ?、不同敏感方向的多個(gè)傳感器或執行器集于一體，形成復雜的微系統；

    多學(xué)科交叉。MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，集成了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

    5.2　微小位移測量傳感器

    在測量領(lǐng)域中，利用光使微小位移測量裝置具有耐噪聲及高準確度化，并引入半導體激光器，使其裝置小型化。

    單片微型編碼器，開(kāi)發(fā)出與以往的尺寸比為1∶100的超小型且高分辨率測定位移的微型編碼器；

    利用面發(fā)光激光器（VCSEL）的編碼器；

    利用光柵影像的集成型編碼器；

    干涉型位移傳感器，利用塞納克效應的角度傳感器；

    利用復合共振的位移傳感器。

    5.3　多普勒傳感器

    5.4　表面波傳感器

    5.5　太赫茲傳感器

    5.6　氣壓傳感器

    5.7　熱線(xiàn)式風(fēng)速傳感器

    5.8　薄膜式風(fēng)速傳感器

    5.9　數字式風(fēng)速/溫度傳感器

    未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)將大量應用新型傳感器，實(shí)現高精度、高可靠性的感知。

    6　物聯(lián)網(wǎng)傳感器展望

    傳感器技術(shù)的進(jìn)步讓我們看到物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展朝著(zhù)更美好的未來(lái)邁進(jìn)。“十三五”期間物聯(lián)網(wǎng)將快速發(fā)展，逐步縮小與國外差別。目前，我國光纖傳感器和光柵傳感器方面已取得重大進(jìn)展，在石油、鋼鐵、運輸等行業(yè)實(shí)現了批量應用。

    在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)上需要將部分數據處理功能放在末端（減少網(wǎng)絡(luò )上傳輸數據容量），因此智能傳感器就成為了發(fā)展方向。同時(shí)傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)基礎，在“十三五”期間迫切需要通過(guò)建立和完善傳感器及智能化儀器儀表標準體系，以物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和現有標準為基礎，提煉我國自主知識產(chǎn)權的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行國際標準化，推動(dòng)我國物聯(lián)網(wǎng)的健康發(fā)展。

    參考文獻：

    [1]丁露, 倪佳. 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 中國儀器儀表, 2013, 09.

    [2]范茂軍. 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.

    [3]張春紅, 等. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2011.

    作者簡(jiǎn)介

    張虎（1954-），遼寧大連人，高級工程師，現就職于秦皇島秦冶重工有限公司設計院，主要研究方向為工業(yè)自動(dòng)化及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

    摘自《自動(dòng)化博覽》5月刊