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至物联网为智能传感器带来契机

发布时间:2021-11-25

物联网为智能传感器带来契机

物联网的定义

物联网至今无确切的、统1的定义。有人提出:物联网是物与物之间相连的互联网,核心基础还是互联网。有人提出:物联网不是互联网的下1代,是互联网利用的拓展。物联网的内涵要比传感网大,比泛在网小,物联网要实现物到物、物到人、人到人的信息获得、传输、处理等管理功能。

笔者根据相关资料分析、整理,物联网的定义为 通过传感装置,按约定协议,将物与网连接,实现信息管理的1种网络。 这里的传感装置可以是智能传感器、射频辨认器RFID、其它获得信息的传感装置等。这里的网可以是互联网、传感网、局域网、个域网、以它网、现场总线等。

我国物联网整体尚处于起步阶段,为推动物联网产业发展,工业和信息化部将采取4大措施支持电信运营企业展开物联网技术创新与利用工程,主要是:

●突破关键技术,实现科技创新。如低能耗、低本钱、通用性、实时性、智能性等共性关键技术, 协同 处理技术,推行利用假设油箱中的油位低于高油窗技术等。

●制定发展计划,全面公道布局。重点发展传感器、MEMS传感器、智能网络传感器、传感器节点、传感器网关;超高频RFID、有源RFID和RFID中间件;重点发展物联网相干的终端装备、利用软件和信息服务。

●推动示范利用,带动产业价值。目前物联网的利用主要在8大方面,即工业领域、农业领域、智能电网、交通运输领域、物流领域、医疗卫生领域、节能环保领域、公共安全领域。建设利用示范工程,确立以利用带动产业发展模式,提升物联网在利用进程中产业链的整体价值。

●制定统1标准,保障健康发展。根据产业需求,构成技术创新、标准制定和知识产权调和互动机制。加强关键技术研究,建设标准验证、测试和仿真等标准服务平台,加快关键标准的制定、实行和利用。积极参与国际标准制定,整合国内研究气力构成协力,推动国内自主创新的研究成果推向国际。

智能传感器的发展

智能传感器这1概念是由国外引进的,通常定义为 带有微处理器,具有信息处理功能的传感器 。根据《敏感组件和传感器名词术语》国家标准,这里 传感器 的QEE-TECH工艺还允许客户能够针对专门的载荷引入和载荷散布而铺成各种各样的3维预成型件定义是:能感受规定的被丈量并按1定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感组件和转换组件组成。这里的 处理功能 主要包括:

●自检测、自修正、自保护功能。如自动收集数据、自检验、自处理、自动存贮和记忆;自校零、自校订、自标定、自补偿;自寻故障、自修正等。

●判断、决策、思惟功能。能根据输入信息进行判断和制定决策、通过软件控制做出多种决定。

●双向通讯、标准化数字输出或符号输出功能。特别要指出的是,智能传感器的概念是动态的、发展的、变化的。

80年代,将信号处理电路与传感器设计在1起,输出4~20mA电流或0~5V电压,这样的传感器为当时意义的智能传感器。我们称之为 代智能传感器 。

80年代末到90年代中后期,将单片微处理器嵌入传感器中,实现温补、修正、校准,同时由A/D变换器将摹拟信号转换为数字信号。这类类型的传感器不但有硬件,还可通过软件对信号进行简单处理,输出为数字信号。我们称之为 第2代智能传感器 。

现场总线 概念提出后,对传感器的设计提出了新要求,要求实现全数字、开放式的双向通讯,丈量和控制信息的交换在底层上主要是通过现场总线来完成,数据交换主要是通过Intranet等网络来实现,传感器设计上软件占主要地位,通过软件将传感器内部各个敏感单元或与外部的智能传感器单元联系在1起。我们称之为 第3代智能传感器 。

进入21世纪后,由于MEMS技术、低能耗的摹拟和数字电路技术、低能耗的无线射频技术、传感器技术的发展,使得开发小体积、低本钱、低功耗的微传感器成为可能。这类微传感器1般设备有:1个用于感知外界环境物理量的敏感组件,1个用于处理敏感组件收集信息的计算模块,1个用于通讯的无线电收发模块,1个为微传感器的各种操作提供能量的电源模块。我们称之为 第4代智能传感器 或 智能网络化传感器 。

智能网络化传感器的结构原理框图如图1所示。

智能传感器与物联网体系结构

智能传感器与物联网的体系结构如图2所示。物联网在改造和提升传统产业,和增进新兴产业发展,推动信息化在国民经济和社会生活及国防等方面的利用,优化国家重要基础设施的效能,增进节能减排和改进公共服务等方面作用巨大,意义深远。

智能传感器是物联网中必不可少的重要组成部份,智能传这对再生塑料造粒机装备商而言感器的特性如精度、稳定性、可靠性、抗干扰能力、环境适应性、功耗、本钱、价格等性能,直接影响物联网性能的优劣和大范围的推行、利用。

智能传感器设计与开发要求

为了满足物联网大范围、低本钱、无随着光栅的移动人值守、环境复杂、电池供电等外界环境条件,智能传感器的设计需满足以下条件:

小型化物联网的特点要求传感器节点小型化。可采取MEMS技术、IC技术,但必须斟酌它们之间的兼容性和可行性。小型化与器件封装有极大关系,智能传感器小型化封装成为关键技术之1。

低本钱低本钱是物联网大范围利用的条件,因此必须保证低本钱。低本钱与产业计划、市场需求、工艺水平、劳动力资本等有关。不但有技术问题,还与国家政策、导向有关。从技术层面看,在产品设计时必须贯彻低本钱设计原则。

低功耗因物联网是靠电池长时间供电,为节俭能源,智能传感器必须采取低功耗供电。

抗干扰能抗电磁幅射、雷电、强电场、高湿、障碍物等卑劣环境。

灵活性传感器节点在物联网中利用时,节点通过提供1系列的软、硬件标准,能实现面向利用的灵活编程要求。

智能传感器设计方法

系统构成智能网络化传感器系统有4部份组成,即数据收集子系统、数据处理子系统、无线通讯子系统、电源子系统。数据收集子系统中,敏感组件面对的是外界环境的摹拟信号,与环境中检测的物理量有关,为了满足控制实时性要求,信号采样必须保证实时性,要求输出的信号为数字信号。

数据处理子系统由微控制器、存贮器、嵌入式操作系统、测试和下载接口构成,微控制器是1个低功耗的系统级芯片,可以把收集子系统的信息经A/D转化成相应的数据直接处理。存贮器用于存贮数据、丈量值及其它用户定义的数据。嵌入式实时操作系统,用于提供实时的调度与管理。接口为调试和下载程序提供标准接口。无线通讯子系统由天线连接器和无线射频电路组成。电源子系统由电源供电单元和动态电源管理单元构成;动态电源管理单元支持运行相应的低功耗运算法则,大限度延长电池的使用寿命。

信号处理方法在网络化使用环境中,即插即用是对网络中的每一个装备基本的要求。但由敏感组件检测的物理量其输入输出关系不肯定,有些是线性的,通常是非线性的,必须保证系统准确辨认被测对象,肯定被测对象信号位置,肯定被测对象经过敏感组件后输入输出的关系,肯定输入输出的物理量。类似于传统传感器设计时触及的性能标定问题,信号处理必须满足上述要求。

接口设计智能网络化传感器在物联网中利用时,通常触及流程工业连续测控领域,可用于不同的网络场合,遵守不同的协议标准,要保证所设计的传感器完全满足这些协议较困难,就必须斟酌接口问题,接口设计是智能网络化传感器与普通传感器的区分之1。

软件工具开发传统传感器的研发主要由硬件构成,研究对象局限于传感机理、材料、结构、工艺等物理方面,而智能传感器的智能性则是在硬件基础上通过软件实现其价值,软件在智能传感器中占有重要成分,而智能化的程度与软件开发水平成正比。软件开发工具包括设计、通讯、管理等,1般C、Labview,ActiveX等工具软件都可完成,用于实现传感器模型建立、标定参数建立、佳标定模型选择等。

智能传感器的关键技术

智能传感器在硬件制造方面的关键技术主要有:

●智能传感器模块中各芯片的设计技术。设计必须满足小型化、低本钱、低功耗、抗干扰、灵活性要求,利用Ansys和MSC.Patran、MSC.Marc、MSC.Fatigue软件进行芯片设计和仿真。需建立数学模型、线路设计、可靠性设计等工作。

●智能传感器的制备工艺技术。需突破MEMS工艺与集成电路IC工艺的相容性技术,智能传感器的小型化封装技术,智能传感器范围化生产技术等。

●智能传感器的可靠性技术。目前国产传感器大问题是产品可靠性不高,直接影响传感器利用,可靠性性设计、可靠性实验、可靠性挑选、可靠性管理这些技术问题必须贯穿产品制备始终。

●智能传感器接口技术,特别是与外部网络的接口。