1.2 傳感技術的發展進程

“這些年計算機技術和無線通信技術發展很快啊，沒聽說傳感技術有什么重大的突破?！?吳小白說。

“也不能說傳感技術沒有突破，比如在生物傳感器、化學傳感器、智能傳感器等方面還是有所突破的，但發展速度上，傳感技術與無線通信技術、計算機技術相比緩慢了很多，尤其在我國，傳感技術的發展滯后于發達國家。” 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。競爭態勢使然！” 武先生說道，“我們只有在這些發展方向上努力，才能迎頭趕上?。　?/p>

1.2.1 前世今生

物聯網的三大基礎技術是傳感技術、通信技術、計算機技術。這三大技術各有各的發展歷程。我們這里重點介紹傳感技術的發展歷程。

有一句話說，計算機硬件的發展遵循摩爾定律，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，傳感技術的發展并沒有遵循這個規律，而是緩慢得多，如圖1-10所示。與計算機技術和通信技術相比，傳感技術的發展有些落后，不少先進的成果仍停留在實驗研究階段，并沒有投入實際生產與廣泛應用中。

20世紀50年代，在歐美國家的軍事技術、航空航天領域的試驗研究過程中，傳感器技術開始發展。最開始的傳感器利用材料的結構參量變化來感受和測量信號，例如電阻應變式傳感器，當金屬材料發生彈性形變時，電阻值相應發生變化來將被測量轉化成電信號的。

20世紀70年代開始，利用半導體、電介質、磁性材料等固體元件的某些特性，利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應，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。結構傳感器和固體傳感器均屬于模擬傳感器階段。

20世紀70年代末，隨著集成技術、微電子技術及計算機技術的發展，出現了集成傳感器。集成傳感器功能多、成本低、性能良好。這個階段傳感器技術開始從模擬向數字方向發展。

20世紀80年代，微型計算機技術與檢測技術相結合產生了智能傳感器。一開始，把信號轉換電路和微型計算機、存儲器及接口集成在一個芯片上，和傳感器結合在一起，就是智能傳感器，其具有檢測、數據處理以及自適應能力。20世紀90年代后，智能化測量技術促使傳感器本身實現智能化，具有了自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。

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的發展，在20世紀90年代，無線傳感器網絡技術逐漸成熟。傳感器技術發展歷程如圖1-11所示。

進入21世紀，計算機技術的飛速發展大幅提升了信息處理效率。LTE、5G的NB-IoT等無線通信技術快速發展，提升了信息傳輸的效率。傳感器新材料、新工藝、新應用等不斷出現，檢測技術、控制技術得到了發展，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，傳感器在進一步微型化、網絡化。幾種趨勢合在一起，促進了物聯網感知技術的進一步成熟，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業，在國際市場中已經占有了重要的份額。在軍事領域，美國的激光制導技術發展迅猛，導彈發射的精度大幅提高；在航空航天領域，美國研制的高精度、高耐性紅外測溫傳感器，在惡劣的環境中，仍能準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，應用了大量的電子紅外光電傳感器，車輛上也應用了激光防撞雷達、紅外夜視裝置、導航用的光纖陀螺等。

我國近年來的傳感技術也有了實質性突破，一大批高精尖的傳感器技術，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、市政等諸多領域。但我國在物聯網感知技術的發展過程中還是有如圖1-13所示的問題需要克服。

1.2.2 發展趨勢

隨著5G基礎通信網絡建設的完善以及物聯網終端種類的持續增長，受益于物聯網各場景應用需求的暴增，有權威機構預測，到2025年，全球物聯網連接數量將達1000億。未來10年，物聯網將有上萬億元的市場，其產業規模將比互聯網大數倍，前景可觀！

如果我國建設物聯網使用的大量傳感器、信號處理和識別系統，還依賴于從歐美國家進口，就相當于被他人勒緊了脖子，物聯網的發展將受制于人。可以這么說，物聯網感知層技術產業化水平，決定了我國企業在物聯網市場的發展前景。

進入物聯網時代，為了適應各種應用場景，傳感技術呈現出了新的發展趨勢，如圖1-14所示。

（1） 開發和應用新的傳感器材料

傳感器技術升級換代的重要推動力就是新材料的應用。傳統的傳感器材料有半導體材料、陶瓷材料、光導材料、超導材料，非晶態材料、薄膜材料等。新型的光電敏感材料，具有檢測距離遠、分辨率高、響應快、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、生物醫學、環境監測等方面有著廣泛的應用前景；新型的納米材料促進了傳感器向微型方向的發展。隨著未來物聯網應用場景的不斷拓寬，人們將會開發出更多優質的傳感器新材料，新材料的應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，由點到面到體，可以實現多維參數的圖像化呈現。如醫學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、干擾補償等功能集成一體的傳感器，具有了很好的自適應性，在工業機器人領域得到了大量應用。

（3） 無線網絡化

無線網絡技術與傳感器技術的結合就是無線傳感網技術。在網絡中，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。多個傳感器節點組成一個網絡，每一個傳感器節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化成數字信號。節點與節點之間可以彼此通信，也可以和中央處理中心進行聯系。無線傳感器網絡是由多學科高度交叉的新興熱點研究領域。隨著在工業、農業、軍事、環境、醫療、智能家居、智慧城市等領域應用需求的增多，傳感器的無線網絡化應用將會越來越成熟。

（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、反應快、靈敏度高、成本低、能耗低，便于安裝和維護。醫學上有一種 “神經塵?！?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責搜集神經和肌肉組織的信息，然后以超聲波的形式，將相應信息反饋給體外的接收器，為醫生確認病情提供參考。隨著傳感技術的發展，微型傳感器可測量的物理量、化學量和生物量會越來越多。在航空、遠距離探測、醫療及工業自動化等領域的應用也會越來越多。

（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合，既能夠采集信息，又可以進行信息的處理和存儲，進行邏輯思考和決策。智能傳感器設有數字通信接口，可以直接與其所屬計算機進行通信聯絡和信息交換。隨著微處理器技術的不斷發展，智能傳感器將在自適應、自維護、運算能力、實時性等方面得到進一步提升。

總之，現代傳感器正從傳統的單一功能朝著集成化、無線化、網絡化、數字化、系統化、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 應用場景

物聯網的內涵是不斷延伸的，物聯網的應用是不斷拓展的，物聯網的定義也是開放的。物聯網的未來就是要把所有工業的、民用的東西都接入網絡，大到大型工業設備，小到汽車、空調、電冰箱、微波爐，甚至是自己的水杯。

但物聯網本身不可能一步到位，隨著傳感技術的發展、應用場景的豐富，未來將會有更多的東西連接到網絡中。在不久的將來，物物互聯的業務量將大大超過人與人通信的業務量。用于動物、植物和物品的傳感器、電子標簽及配套裝置的數量將大大超過手機的數量。一個有效的物聯網要智能地發揮作用，需要具備一定的規模性，例如，一個城市有500萬輛汽車，如果只在500輛汽車上裝上車聯網傳感系統，就不可能形成一個智能交通系統。

物聯網可以用于公共事業、工業自動化、農業、居民生活、軍事等各行各業，如圖1-15所示。不同的應用場景將需要不同的傳感技術。

在這些應用領域，物聯網的傳感層起到的作用主要有標識對象、狀態監控、對象跟蹤和對象控制，如圖1-16所示。

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

2） 狀態監控：利用各種類型的傳感器實現對某個對象實時狀態的測量和行為監控。例如，分布在市區的各個噪聲探頭可以監測噪聲污染；通過二氧化碳傳感器監控大氣中二氧化碳的濃度。超市中的商品采用磁性防盜標簽，通過是否消磁來判斷交費與否兩種狀態；商品付費以后，收銀臺就會消磁；在出口處利用磁性感應傳感器來檢測，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、北斗衛星導航系統跟蹤車輛位置，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：物聯網可以依據傳感器網絡采集的數據進行決策，將對象行為的改變反饋給中心平臺，中心平臺經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，根據光線的強弱調整路燈的亮度，可以起到節約電能的作用；根據車輛的流量自動調整紅綠燈間隔，可以提升路口通行效率。

近年來，智慧城市的概念被提出，并在城市建設中開始實施。智慧城市并不是一個單一的物聯網概念，它包含非常綜合的應用場景，如圖1-17所示。智慧城市就是運用物聯網的技術手段檢測、分析整合城市運行管理職能所需的各項關鍵信息，從而對包括市政、交通、環保、公共安全、物流、醫療、城市服務等活動在內的各種需求做出響應，是一種科學的城市管理和運行的方案。類似的概念還有智慧小區、智慧校園等。

智慧城市是基于對周圍環境的感知，從而對城市重要的基礎設施實現實時控制，實現城市的數字化管理和安全監控。居民生活中離不開的水、電、氣、暖，可以通過遠程控制實現開啟、停用，通過遠程抄表實現使用量的監控。智能視覺系統使用智能傳感器節點對交通流量進行監測、對交通違法行為進行監控、對交通故障進行處理等；通過裝在路邊的汽車檢測傳感器、雷達偵測和攝像頭等設備組成的智能停車系統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；公交視頻監控、智能公交站臺、電子票務、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、排放物的遠程監測，可以實現城市的智能環保管理。

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、葉面濕度等參數的測量，實現對指定設備自動關啟的遠程控制。在健康領域，智能手環和手表可以提供計步和跟蹤、緊急呼叫、熱量統計、心率監測、定位、鍛煉類型判斷、睡眠質量分析、爬樓層數統計和音樂控制等功能；通過心臟監測、活動量監測、睡眠質量的監測來實現人們健康狀態的遠程管理；在醫院，病人的全部治療過程都可以納入監測管理流程中，實現智慧醫療。在物流領域，打造集物品標識、物品分揀、物品跟蹤、倉儲管理、小區物流管理、信息展現、電子商務、金融質押、安保、海關保稅等功能為一體的綜合物流信息服務平臺?，F在在城市推行的天網工程、雪亮工程，通過部署大量的城市視覺系統，實現城鄉一體的無死角的智能安防；在機場、車站等人流密集區域，人員的安檢、物品的安檢、場景的治安狀況通過物聯網都可以實現有效管理。

物聯網的應用包羅萬象，不僅限于此，這里只是列舉了有代表性的應用場景。在生活和生產過程中，大家將會接觸越來越多的應用場景。