1.2 傳感技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程

“這些年計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)發(fā)展很快啊，沒聽說傳感技術(shù)有什么重大的突破?！?吳小白說。

“也不能說傳感技術(shù)沒有突破，比如在生物傳感器、化學(xué)傳感器、智能傳感器等方面還是有所突破的，但發(fā)展速度上，傳感技術(shù)與無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)相比緩慢了很多，尤其在我國，傳感技術(shù)的發(fā)展滯后于發(fā)達(dá)國家?！?武先生說道。

“啊，多么希望我們國家已成為感知強國！” 吳小白道。

“是啊，我也希望如此??！未來傳感器的集成度越來越高，一個傳感器會集成很多功能。功能雖多了，但卻要求越做越小，越來越節(jié)能，成本也要越降越低！” 武先生道。

“這不是既讓馬兒跑得快，又讓馬兒少吃草！” 吳小白道。

“沒辦法。競爭態(tài)勢使然！” 武先生說道，“我們只有在這些發(fā)展方向上努力，才能迎頭趕上?。　?/p>

1.2.1 前世今生

物聯(lián)網(wǎng)的三大基礎(chǔ)技術(shù)是傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)。這三大技術(shù)各有各的發(fā)展歷程。我們這里重點介紹傳感技術(shù)的發(fā)展歷程。

有一句話說，計算機硬件的發(fā)展遵循摩爾定律，每18個月其硬件中的晶體管集成度就提升一倍，硬件的性能也提升一倍。遺憾的是，傳感技術(shù)的發(fā)展并沒有遵循這個規(guī)律，而是緩慢得多，如圖1-10所示。與計算機技術(shù)和通信技術(shù)相比，傳感技術(shù)的發(fā)展有些落后，不少先進(jìn)的成果仍停留在實驗研究階段，并沒有投入實際生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用中。

20世紀(jì)50年代，在歐美國家的軍事技術(shù)、航空航天領(lǐng)域的試驗研究過程中，傳感器技術(shù)開始發(fā)展。最開始的傳感器利用材料的結(jié)構(gòu)參量變化來感受和測量信號，例如電阻應(yīng)變式傳感器，當(dāng)金屬材料發(fā)生彈性形變時，電阻值相應(yīng)發(fā)生變化來將被測量轉(zhuǎn)化成電信號的。

20世紀(jì)70年代開始，利用半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件的某些特性，利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。這就是固體傳感器時代。結(jié)構(gòu)傳感器和固體傳感器均屬于模擬傳感器階段。

20世紀(jì)70年代末，隨著集成技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成傳感器。集成傳感器功能多、成本低、性能良好。這個階段傳感器技術(shù)開始從模擬向數(shù)字方向發(fā)展。

20世紀(jì)80年代，微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了智能傳感器。一開始，把信號轉(zhuǎn)換電路和微型計算機、存儲器及接口集成在一個芯片上，和傳感器結(jié)合在一起，就是智能傳感器，其具有檢測、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力。20世紀(jì)90年代后，智能化測量技術(shù)促使傳感器本身實現(xiàn)智能化，具有了自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯(lián)網(wǎng)通信功能等。

由于智能傳感器的有線部署成本高，安裝困難。人們自然會想到進(jìn)行低功耗、微型化的無線傳感器的研究。隨著近距離無線通信技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)90年代，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸成熟。傳感器技術(shù)發(fā)展歷程如圖1-11所示。

進(jìn)入21世紀(jì)，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展大幅提升了信息處理效率。LTE、5G的NB-IoT等無線通信技術(shù)快速發(fā)展，提升了信息傳輸?shù)男?。傳感器新材料、新工藝、新?yīng)用等不斷出現(xiàn)，檢測技術(shù)、控制技術(shù)得到了發(fā)展，信息采集能力、測量精度和可靠性得到了根本上的提升；與此同時，傳感器在進(jìn)一步微型化、網(wǎng)絡(luò)化。幾種趨勢合在一起，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的進(jìn)一步成熟，如圖1-12所示。

目前，以日本和歐美等國家為代表的傳感器產(chǎn)業(yè)，在國際市場中已經(jīng)占有了重要的份額。在軍事領(lǐng)域，美國的激光制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展迅猛，導(dǎo)彈發(fā)射的精度大幅提高；在航空航天領(lǐng)域，美國研制的高精度、高耐性紅外測溫傳感器，在惡劣的環(huán)境中，仍能準(zhǔn)確測量出運行中的飛行器各部件的溫度；在城市交通管理方面，在事故路段檢測及排障過程中，應(yīng)用了大量的電子紅外光電傳感器，車輛上也應(yīng)用了激光防撞雷達(dá)、紅外夜視裝置、導(dǎo)航用的光纖陀螺等。

我國近年來的傳感技術(shù)也有了實質(zhì)性突破，一大批高精尖的傳感器技術(shù)，已廣泛地運用在我國的軍事、航空航天、自動化、交通、車輛工程、市政等諸多領(lǐng)域。但我國在物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的發(fā)展過程中還是有如圖1-13所示的問題需要克服。

1.2.2 發(fā)展趨勢

隨著5G基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的完善以及物聯(lián)網(wǎng)終端種類的持續(xù)增長，受益于物聯(lián)網(wǎng)各場景應(yīng)用需求的暴增，有權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量將達(dá)1000億。未來10年，物聯(lián)網(wǎng)將有上萬億元的市場，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模將比互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)倍，前景可觀！

如果我國建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)使用的大量傳感器、信號處理和識別系統(tǒng)，還依賴于從歐美國家進(jìn)口，就相當(dāng)于被他人勒緊了脖子，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將受制于人。可以這么說，物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)產(chǎn)業(yè)化水平，決定了我國企業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)市場的發(fā)展前景。

進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時代，為了適應(yīng)各種應(yīng)用場景，傳感技術(shù)呈現(xiàn)出了新的發(fā)展趨勢，如圖1-14所示。

（1） 開發(fā)和應(yīng)用新的傳感器材料

傳感器技術(shù)升級換代的重要推動力就是新材料的應(yīng)用。傳統(tǒng)的傳感器材料有半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、光導(dǎo)材料、超導(dǎo)材料，非晶態(tài)材料、薄膜材料等。新型的光電敏感材料，具有檢測距離遠(yuǎn)、分辨率高、響應(yīng)快、檢測物體范圍廣等特點；生物敏感材料由于其選擇性好、靈敏度高、成本低，在食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等方面有著廣泛的應(yīng)用前景；新型的納米材料促進(jìn)了傳感器向微型方向的發(fā)展。隨著未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的不斷拓寬，人們將會開發(fā)出更多優(yōu)質(zhì)的傳感器新材料，新材料的應(yīng)用水平將會不斷提升。

（2） 提升傳感器的集成度

傳感器集成度的提高有兩個方向：一個是在同一個芯片上集成很多類型的傳感器；另一個是傳感器與后續(xù)其他功能電路的集成化。這兩個方向都是傳感器的多功能化方向。一個多傳感器集成的芯片，可以檢測的參數(shù)，由點到面到體，可以實現(xiàn)多維參數(shù)的圖像化呈現(xiàn)。如醫(yī)學(xué)臨床上使用的一種傳感器，芯片尺寸僅為2.5 mm×0.5 mm，可快速檢測出一滴血液中Na⁺、K⁺和H⁺等多種離子的濃度。一個將傳感檢測功能與放大、運算、干擾補償?shù)裙δ芗梢惑w的傳感器，具有了很好的自適應(yīng)性，在工業(yè)機器人領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。

（3） 無線網(wǎng)絡(luò)化

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器技術(shù)的結(jié)合就是無線傳感網(wǎng)技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，傳感器被用來收集各種測量，如溫度的高低、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。多個傳感器節(jié)點組成一個網(wǎng)絡(luò)，每一個傳感器節(jié)點可以看作是一個快速運算的微型計算機，將傳感器收集到的信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。節(jié)點與節(jié)點之間可以彼此通信，也可以和中央處理中心進(jìn)行聯(lián)系。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多學(xué)科高度交叉的新興熱點研究領(lǐng)域。隨著在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療、智能家居、智慧城市等領(lǐng)域應(yīng)用需求的增多，傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用將會越來越成熟。

（4） 小型化、微型化

傳感器新型材料的使用、集成度的提升，可以促進(jìn)傳感器的小型化、微型化。微型化傳感器占用空間小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高、成本低、能耗低，便于安裝和維護。醫(yī)學(xué)上有一種 “神經(jīng)塵?！?傳感器，只有一粒沙子大小 （長3 mm，高1 mm，寬0.8 mm），這種微型傳感器的晶體管負(fù)責(zé)搜集神經(jīng)和肌肉組織的信息，然后以超聲波的形式，將相應(yīng)信息反饋給體外的接收器，為醫(yī)生確認(rèn)病情提供參考。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，微型傳感器可測量的物理量、化學(xué)量和生物量會越來越多。在航空、遠(yuǎn)距離探測、醫(yī)療及工業(yè)自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用也會越來越多。

（5） 提高傳感器的智能化水平

智能傳感器是微處理器與傳感器的結(jié)合，既能夠采集信息，又可以進(jìn)行信息的處理和存儲，進(jìn)行邏輯思考和決策。智能傳感器設(shè)有數(shù)字通信接口，可以直接與其所屬計算機進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)和信息交換。隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，智能傳感器將在自適應(yīng)、自維護、運算能力、實時性等方面得到進(jìn)一步提升。

總之，現(xiàn)代傳感器正從傳統(tǒng)的單一功能朝著集成化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、系統(tǒng)化、微型化、智能化、多功能化、光機電一體化、無維護化的方向發(fā)展，與此同時，傳感器的功耗將越來越低，精度和可靠性將越來越高，測量范圍將越來越寬。

1.2.3 應(yīng)用場景

物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵是不斷延伸的，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是不斷拓展的，物聯(lián)網(wǎng)的定義也是開放的。物聯(lián)網(wǎng)的未來就是要把所有工業(yè)的、民用的東西都接入網(wǎng)絡(luò)，大到大型工業(yè)設(shè)備，小到汽車、空調(diào)、電冰箱、微波爐，甚至是自己的水杯。

但物聯(lián)網(wǎng)本身不可能一步到位，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用場景的豐富，未來將會有更多的東西連接到網(wǎng)絡(luò)中。在不久的將來，物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)量將大大超過人與人通信的業(yè)務(wù)量。用于動物、植物和物品的傳感器、電子標(biāo)簽及配套裝置的數(shù)量將大大超過手機的數(shù)量。一個有效的物聯(lián)網(wǎng)要智能地發(fā)揮作用，需要具備一定的規(guī)模性，例如，一個城市有500萬輛汽車，如果只在500輛汽車上裝上車聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)，就不可能形成一個智能交通系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)可以用于公共事業(yè)、工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)、居民生活、軍事等各行各業(yè)，如圖1-15所示。不同的應(yīng)用場景將需要不同的傳感技術(shù)。

在這些應(yīng)用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的傳感層起到的作用主要有標(biāo)識對象、狀態(tài)監(jiān)控、對象跟蹤和對象控制，如圖1-16所示。

1） 標(biāo)識對象：標(biāo)識特定的對象、區(qū)分特定的對象。例如，生活中，我們經(jīng)常用到各種智能卡，看到各種條碼和二維碼標(biāo)簽，這些都是可以獲得對象的識別信息和擴展信息的途徑。

2） 狀態(tài)監(jiān)控：利用各種類型的傳感器實現(xiàn)對某個對象實時狀態(tài)的測量和行為監(jiān)控。例如，分布在市區(qū)的各個噪聲探頭可以監(jiān)測噪聲污染；通過二氧化碳傳感器監(jiān)控大氣中二氧化碳的濃度。超市中的商品采用磁性防盜標(biāo)簽，通過是否消磁來判斷交費與否兩種狀態(tài)；商品付費以后，收銀臺就會消磁；在出口處利用磁性感應(yīng)傳感器來檢測，如果沒有消磁，就是沒有交費，就會報警給超市工作人員。

3） 對象跟蹤：跟蹤對象的運動軌跡。例如，通過GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤車輛位置，通過交通路口的攝像頭捕捉實時交通流視頻等。

4） 對象控制：物聯(lián)網(wǎng)可以依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，將對象行為的改變反饋給中心平臺，中心平臺經(jīng)過分析形成指令來控制對象的行為。例如，在市政路燈管理中，根據(jù)光線的強弱調(diào)整路燈的亮度，可以起到節(jié)約電能的作用；根據(jù)車輛的流量自動調(diào)整紅綠燈間隔，可以提升路口通行效率。

近年來，智慧城市的概念被提出，并在城市建設(shè)中開始實施。智慧城市并不是一個單一的物聯(lián)網(wǎng)概念，它包含非常綜合的應(yīng)用場景，如圖1-17所示。智慧城市就是運用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段檢測、分析整合城市運行管理職能所需的各項關(guān)鍵信息，從而對包括市政、交通、環(huán)保、公共安全、物流、醫(yī)療、城市服務(wù)等活動在內(nèi)的各種需求做出響應(yīng)，是一種科學(xué)的城市管理和運行的方案。類似的概念還有智慧小區(qū)、智慧校園等。

智慧城市是基于對周圍環(huán)境的感知，從而對城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)實時控制，實現(xiàn)城市的數(shù)字化管理和安全監(jiān)控。居民生活中離不開的水、電、氣、暖，可以通過遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)開啟、停用，通過遠(yuǎn)程抄表實現(xiàn)使用量的監(jiān)控。智能視覺系統(tǒng)使用智能傳感器節(jié)點對交通流量進(jìn)行監(jiān)測、對交通違法行為進(jìn)行監(jiān)控、對交通故障進(jìn)行處理等；通過裝在路邊的汽車檢測傳感器、雷達(dá)偵測和攝像頭等設(shè)備組成的智能停車系統(tǒng)可以幫助駕駛員迅速地找到停車位，從而讓城市停車場的管理更加高效；公交視頻監(jiān)控、智能公交站臺、電子票務(wù)、車管專家和公交手機一卡通使人們出行更加方便；通過氣體、排放物的遠(yuǎn)程監(jiān)測，可以實現(xiàn)城市的智能環(huán)保管理。

在城市園林管理中，通過實時對溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤溫度、葉面濕度等參數(shù)的測量，實現(xiàn)對指定設(shè)備自動關(guān)啟的遠(yuǎn)程控制。在健康領(lǐng)域，智能手環(huán)和手表可以提供計步和跟蹤、緊急呼叫、熱量統(tǒng)計、心率監(jiān)測、定位、鍛煉類型判斷、睡眠質(zhì)量分析、爬樓層數(shù)統(tǒng)計和音樂控制等功能；通過心臟監(jiān)測、活動量監(jiān)測、睡眠質(zhì)量的監(jiān)測來實現(xiàn)人們健康狀態(tài)的遠(yuǎn)程管理；在醫(yī)院，病人的全部治療過程都可以納入監(jiān)測管理流程中，實現(xiàn)智慧醫(yī)療。在物流領(lǐng)域，打造集物品標(biāo)識、物品分揀、物品跟蹤、倉儲管理、小區(qū)物流管理、信息展現(xiàn)、電子商務(wù)、金融質(zhì)押、安保、海關(guān)保稅等功能為一體的綜合物流信息服務(wù)平臺?，F(xiàn)在在城市推行的天網(wǎng)工程、雪亮工程，通過部署大量的城市視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)城鄉(xiāng)一體的無死角的智能安防；在機場、車站等人流密集區(qū)域，人員的安檢、物品的安檢、場景的治安狀況通過物聯(lián)網(wǎng)都可以實現(xiàn)有效管理。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用包羅萬象，不僅限于此，這里只是列舉了有代表性的應(yīng)用場景。在生活和生產(chǎn)過程中，大家將會接觸越來越多的應(yīng)用場景。