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)代的基礎支撐。工信部數據顯示，2022年工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統已連接設備達到7900萬(wàn)臺，成為承載我國制造業(yè)高質(zhì)量、智能化發(fā)展的堅實(shí)基礎。
物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò )層、支撐層和應用層四部分構成，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，發(fā)揮著(zhù)不可或缺的關(guān)鍵作用。
物聯(lián)網(wǎng)架構示意
21世紀以來(lái)，傳感器逐漸由傳統型向智能型方向發(fā)展，智能傳感器的研究和應用越來(lái)越受到業(yè)界的重視。相對傳統傳感器，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、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(xiàn)狀態(tài)監測傳感器
根據國家標準 GB/T 7665-2005①的定義，傳感器是指能感受被測物理量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器作為連接物理世界和數字世界的橋梁，一般由傳感單元、計算單元和接口單元組成。
傳統傳感器輸出的多是模擬量信號②，本身不具備信號處理和組網(wǎng)功能，需連接到特定測量?jì)x表才能完成信號的處理和傳輸功能。智能傳感器則充分利用集成技術(shù)和微處理器③技術(shù)，可以將信號感知、信息存儲、信息處理、數據通信功能集于一體，輸出不限于可感知物理量的高層級的分析信息。總結來(lái)看，智能傳感器是集傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統級產(chǎn)品，其核心優(yōu)勢在于高復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：傳統傳感器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據處理能力。經(jīng)典的智能傳感器一般使用單片機④再加上控制規則進(jìn)行數據處理任務(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），而基于智能理論構建的智能傳感器具備更復雜的數據處理和邏輯推理能力，從而具有更高的智能化程度?；谥悄芾碚摰闹悄苡嬎隳K一般由傳感器嵌入式系統中的知識庫、推理引擎、知識學(xué)習程序和綜合數據庫四部分組成。
基于智能理論的智能傳感器的軟件模塊架構
智能傳感器的功能優(yōu)勢
ADVANTAGE
基于原始物理量的數據處理能力，智能傳感器相比傳統傳感器具有以下功能優(yōu)勢。
1）對傳感物理量的自校準和自動(dòng)補償功能（數據測量更精準）
智能傳感器可通過(guò)自動(dòng)校零去除零點(diǎn)，與標準參考基準實(shí)時(shí)對比，自動(dòng)進(jìn)行整體系統標定、非線(xiàn)性等系統誤差的校正，實(shí)時(shí)采集大量數據進(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)補償因工作條件與環(huán)境參數發(fā)生變化而引起的系統特性的漂移⑤，如環(huán)境溫度、系統供電電壓波動(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定性。
同時(shí)，由于智能傳感器具有數據存儲與信息處理功能，通過(guò)數字濾波⑥等相關(guān)分析處理，可去除輸入數據中的噪聲，自動(dòng)提取有用數據；通過(guò)數據融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，可消除多參數狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，實(shí)現動(dòng)態(tài)校準。2）對多物理量的復合敏感功能（實(shí)現難以直接檢測的狀態(tài)量的測量）真實(shí)物理世界的很多狀態(tài)量很難直接測量到，而智能傳感器可以通過(guò)同時(shí)測量多種物理量，并基于多物理量的復合分析間接給出更能全面反映物質(zhì)運動(dòng)規律的信息。比如，我們可以同時(shí)測量機器設備某一測點(diǎn)的三維振動(dòng)加速度、速度、位移、溫度等物理量，通過(guò)傳感測量模型，綜合分析出設備的實(shí)際運行狀態(tài)。3）對傳感器自身的自動(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和標定，以保證它在正常使用時(shí)具備足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現場(chǎng)拆卸，送到實(shí)驗室或檢驗部門(mén)進(jìn)行。對于在線(xiàn)測量傳感器出現異常則不能及時(shí)診斷。采用智能傳感器時(shí)，情況則大有改觀(guān)。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，診斷測試以確定組件有無(wú)故障。其次，根據使用時(shí)間，智能傳感器可以在線(xiàn)進(jìn)行校正，確保穩定可靠地工作運行。4）對歷史狀態(tài)的數據存儲功能（避免信號問(wèn)題造成數據丟失、支持更復雜的算法邏輯）智能傳感器可以對歷史采集的傳感數據、運行狀態(tài)信息進(jìn)行存儲，例如，生產(chǎn)日期和最終出廠(chǎng)測試結果等靜態(tài)數據、傳感器已工作多少小時(shí)、更換多少次電源等等。歷史數據的存儲功能不僅可以確保傳感數據不因網(wǎng)絡(luò )傳輸失敗而丟失，也可以支持傳感器對多包歷史數據進(jìn)行綜合分析，實(shí)現更智能的算法分析能力。5）對外界場(chǎng)景的自調整和自適應功能（更快的響應速度、更好的功耗控制）
智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據系統工作情況對各部分的供電情況、數據采集頻率、與云平臺的數據傳輸速率等參數進(jìn)行自適應調整，使系統工作在最佳響應工作模式和最優(yōu)低功耗狀態(tài)并優(yōu)化傳輸效率。比如，對于機械設備狀態(tài)監測場(chǎng)景的智能傳感器，可以在設備啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)調高采集頻率，以實(shí)現更快的狀態(tài)變化響應速度；在設備停機時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠模式，以延長(cháng)電池續航時(shí)間等。
6）支持多工作模式的軟件組態(tài)功能（支持更多應用場(chǎng)景）
智能傳感器可支持用戶(hù)通過(guò)軟件控制實(shí)現對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、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(lèi)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）基于數據特征的算法判斷和決策處理功能（更智能的傳感模式）除了對原始傳感數據進(jìn)行再次校準和補償外，智能傳感器還支持對原始數據進(jìn)行特征提取，并基于數據特征實(shí)現更復雜的邊緣計算⑦模式，實(shí)現業(yè)務(wù)級的智能決策處理能力。比如，機械設備狀態(tài)監測場(chǎng)景的智能傳感器可以在邊緣側實(shí)現設備異常故障的識別，并在識別到設備故障后立即觸發(fā)數據上報和更密集的數據采集模式。
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，隨著(zhù)MEMS⑧等技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器將向硬件集成化、多數據融合、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)的應用也將使智能傳感器具有更高級的智能功能。隨著(zhù)細分應用需求的增多，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，這也對傳感器的邊緣計算能力提出了更高的要求。
智能傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎支撐，其發(fā)展將在傳統產(chǎn)業(yè)的轉型升級中發(fā)揮至關(guān)重要的驅動(dòng)作用，如傳統工業(yè)的升級、傳統設備的智能化升級等，在助力中國制造轉向中國智造的發(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標準號：中文標準名稱(chēng)傳感器通用術(shù)語(yǔ)，英文標準名稱(chēng)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：本標準規定了傳感器的產(chǎn)品名稱(chēng)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：以電壓、電流等形式表示的傳感器信號。
③微處理器：由一片或少數幾片大規模集成電路組成的中央處理器。這些電路執行控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能。
④單片機：一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術(shù)把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時(shí)器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動(dòng)電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個(gè)小而完善的微型計算機系統，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應用。
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(zhù)時(shí)間變化的現象。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結構參數；二是周?chē)h(huán)境(如溫度、濕度等)。
⑥數字濾波技術(shù)：是指在軟件中對采集到的數據進(jìn)行電磁兼容消除干擾的處理。一般來(lái)說(shuō)，除了在硬件中對信號采取抗干擾措施之外，還要在軟件中進(jìn)行數字濾波的處理，以進(jìn)一步消除附加在數據中的各式各樣的干擾，使采集到的數據能夠真實(shí)的反映現場(chǎng)的工藝實(shí)際情況。
⑦邊緣計算：是指在靠近物或數據源頭的一側，采用網(wǎng)絡(luò )、計算、存儲、應用核心能力為一體的開(kāi)放平臺，就近提供最近端服務(wù)。其應用程序在邊緣側發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)響應，滿(mǎn)足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。邊緣計算處于物理實(shí)體和工業(yè)連接之間，或處于物理實(shí)體的頂端。而云端計算，仍然可以訪(fǎng)問(wèn)邊緣計算的歷史數據。
⑧MEMS：微機電系統（ Micro - Electro - Mechanical Systems）的英文縮寫(xiě)。它是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起，組成具有多功能的微型系統，集成于大尺寸系統中，從而大幅度地提高系統的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。
