这个世界从未如此渴望这些传感器

2022-07-05 5033

  这个世界从未如此渴望这些传感器


  到2027年,全球智能传感器市场份额将达到1435.5亿美元,智能传感器拥有巨大的市场成长空间。

 

  其中,物联网是智能传感器的强劲增长引擎之一,小型化、智能化的智能传感器加速推动物联网落地,同时物联网也为传感器带来更多的发展需求。本文来自电子工程专辑,着眼整个物联网电子行业的发展,探讨物联网智能传感器应用的新一轮变革。MEMS传感器将占据超过50%市场份额,还有那些传感器在物联网中获得巨大收益?


  物联网真的来了,这个世界从未如此渴望这些传感器!

传感器与智能传感器

传感器是一种可以将特定物理量(如光、声音、压力、温度、振动、湿度、速度、加速度、特定化学成分或气体的存在、运动、灰尘颗粒的存在等)转换为电信号来检测、测量或指示它们的装置。当传感器感知并发送信息时,执行器被激活并开始运作。执行器接收信号并设置其所需的动作,以便能在环境中采取行动。智能传感器是指能够对外界环境信息进行感知、采集并自主判断、分析和处理的智能化传感器件。智能传感器具有信息采集、处理、交换、存储和传输功能的多元件集成电路,是集传感器、通信模块、微处理器、驱动与接口,以及软件算法于一体的系统级器件,具有自学习、自诊断和自补偿能力,以及感知融合和灵活的通信能力。与一般传感器相比,智能传感器具有如下优点:

· 自检、自校准和自诊断:自诊断功能在接通电源时进行自检,并通过诊断测试来确定组件是否出现故障。此外,还可以根据使用时间在线修正,微处理器利用存储的测量特性数据进行比对验证。

· 感应融合:智能传感器可同时测量多个物理量和化学量,给出能更全面反映物质运动规律的信息。例如,融合液体传感器可以同时测量介质的温度、流量、压力和密度。如何机械传感器可以同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移等。

· 精度高:智能传感器具有信息处理功能,不仅可以通过软件校正各种确定性系统误差,还可以适当补偿随机误差、降低噪声,从而大大提高传感器精度。

· 可靠性高:集成的传感器系统消除了传统结构的一些不可靠因素,提高了整个系统的抗干扰性能。同时还具有诊断、校准和数据存储功能,稳定性好。

· 性价比高:在同等精度要求下,多功能智能传感器的性价比明显高于功能单一的普通传感器,尤其是在集成更便宜的微控制器之后。

· 功能多样化:智能传感器可实现多传感器多参数综合测量,通过编程扩大测量和使用范围;具有一定的自适应能力,可根据检测对象或条件的变化,相应地改变输出数据的范围形式;具有数字通讯接口功能,可直接发送到远程计算机进行处理;具有多种数据输出形式,适用于各种应用系统。

· 信号归一化:传感器的模拟信号通过放大器归一化,然后通过模数转换器转换成数字信号。微处理器又以串行、并行、频率、相位和脉冲等多种数字传输形式进行数字归一化。

 

智能可穿戴设备

在很多可穿戴设备中,传感器都是核心器件,也是设备的主要价值诉求。例如,智能手表和智能手环是围绕提供人体健康追踪和运动数据而构建的产品,并逐渐朝着与医疗保健相关的方向发展。虚拟现实、增强现实和混合现实(VR/AR/MR)设备依靠一整套传感器(包括RGB摄像头、惯导、3D摄像头、力度/压力传感器等组合),使得用户能够与周围环境及虚拟内容进行交互。其它可穿戴产品类别(例如电子皮肤贴片、TWS耳机、智能服装等)也都相似,需要一套核心传感器实现人与环境交互。

智能可穿戴设备包括五大模块:处理器和存储器、电源、无线通信、传感器、执行器。其中,传感器是五大模块的创新要素,是人与物沟通的“芯”。得益于传感器技术的进步,可穿戴设备现在可以实现更精准的数据监测。



可穿戴设备中集成了很多种传感器,其中主要包括:

· 运动型传感器:包括陀螺仪、加速度计、压力传感器和磁力计等。它们主要用在手环等设备中,主要功能是在智能设备中完成运动监测、导航和人机交互。通过运动型传感器随时记录和分析人体活动情况,用户就可以知道自己跑步的步数、骑车的距离、睡眠时间和能量的消耗等运动和身体数据。

· 生物型传感器:包括血糖传感器、血压传感器、心电传感器、体温传感器、脑电波传感器、肌电传感器等。主要用于医疗电子设备中,例如血压计等。这里设备利用生物传感器采集人体信号,经过信号处理来完成健康预警和病情的监控功能。

· 环境传感器:包括温湿度传感器、紫外线传感器、颗粒物传感器、气体传感器、pH传感器、气压传感器等,可用于PM2.5便携式检测仪、口罩、便携式个人综合环境监测终端等设备中,通过测试环境数据完成环境监测、天气预报和健康提醒。

智能家居

智能家居(Smart Home)是以住宅为载体,将安防监控、家电控制、灯光控制、背景音乐、语音声控融为一体,通过综合布线、网络通信、安全防范、自动控制和音视频等技术将家居生活有关的设备智能地联系起来,以集中管理,从而提供更具便捷性、舒适性、安全性、节能性的家庭生活环境。



这些智能家居设备都离不开一个重要的配件,就是传感器。智能家居系统由传感器、执行器、控制中枢、通信网络等部分组成,通过各种类型的传感器获取室内环境的各种数据,目前在家庭中使用比较多的传感器有以下几种:

· 温度传感器:在智能家居中可以保证室温的恒定。温度传感器可以根据季节的变化或者用户的需求来调整温度。通过温度传感器可以采集温度信息,将温度的信息传递给计算机系统,继而通过中央控制体系传输给空调,实现智能家居的温度控制。

· 图像传感器:在智能家居系统中,通过PC端的监控,可以将信息发送给用户的手机或者电脑,实现远程监控。在智能监控中,利用图像传感器可以进行光电转换。摄像头主要由CCD或CMOS传感器组成,实现对智能家居的全面控制。

· 光电传感器:通过光电传感器可以实现对智能家居的全面控制。利用光阻可以设计自动照明灯,通过红外线感应系统,可以实现对居家的便利化照明,不需要人为进行控制。另外,在光电传感器的运用中,通过红外线传感器可以实现对水龙头、温度计湿度等多种条件的控制,这样可以节约相应的资源,且会提升用户的享受。

· 空气传感器:空气传感器则可以为用户实时监测监控的环境,一旦超出安全指标即可触发家中的空气净化设备来净化空气,为家人营造健康的空气环境。空气传感器可嵌入各种与空气中悬浮颗粒物浓度相关的仪器仪表或环境改善设备,实时监测空气质量。


智慧城市

智慧城市是指使用信息和通信技术(ICT)框架来改善城市管理并鼓励经济增长的城市。ICT与连接的网络(IoT)进行交互,它可以接收,分析和传输有关当前状况和事件的数据。物联网包括可城市更高效或更易访问的任何设备,包括手机、智能车辆、安全摄像机,以及嵌入在道路中的传感器等。智慧城市的三个主要特征是:物理和技术基础设施、环境监测和响应能力,以及为公民提供的智慧服务。一个智慧的城市由三个层次构成。首先是技术基础,其中包括大量的智能手机和通过高速通信网络连接的传感器;第二层由特定应用组成,要将原始数据转换为警报、洞察和行动都需要适当的工具;第三层是城市、企业和公众的利用情况。许多应用只有在被广泛采用并设法改变行为的情况下才能成功,比如引导人们在下班时间使用公共交通、改变路线、减少能源和水的消耗,或在一天中的不同时间段使用,以及通过预防性自我保健减少医疗保健系统的压力等。



在智慧城市中,传感器、摄像头、无线设备和数据中心的网络构成了关键的基础架构。其中传感是智能基础架构的核心,传感器是城市景观中隐藏但无处不在的组成部分,是任何智能控制系统的重要组成部分。传感器网络包括声学、激光雷达、雷达、3D摄像头传感器、环境传感器、流量传感器、气体传感器以及湿度和温度传感器等。集成的传感器系统有助于与应用和集中式平台建立无缝互连的网络。为特定目的而建立的传感器网络(例如路灯)可以启用其他几个连接的应用,例如环境监控、公共安全,这种集中式网络将有助于减少重复的投资成本,并且不需要多个单独的复杂网络。未来智慧城市主要利用四大传感器技术来扩展其智慧功能——电子传感器、红外传感器、热传感器以及接近传感器和激光雷达传感器。

· 电子传感器:电子传感器部署在环境监视传感器和速度计传感器中,这些传感器通常部署在智慧城市网络中以执行各种任务,例如监视电源和电流水平以进行故障检测。

· 红外传感器:红外传感器有助于在动态和不稳定的环境中无偏见地生成数据,从而有助于智慧城市中的决策。

· 雷达传感器可利用复杂的计算机数据来分析重要的现场信息。

· 热传感器:热传感器对能量分布进行精确跟踪,而其他智能传感器则可以管理需求侧能量。因此,智能电网传感器有助于提高能源效率。

· 接近传感器和激光雷达传感器:帮助开发自动车辆系统,这对于使城市完全智能化至关重要。

智能交通

智能交通就是利用各种智能技术和装备,推动交通的数字化、网联化和智能化。其中,网联化对于智能交通的发展至关重要。利用物联网,可以让交通各环节和各方面成功联网,不仅能有效增强交通监管、升级交通服务,同时还能进一步完善现有交通业态。



智能交通系统(ITS)应用在城市交通中主要体现在微观的交通信息采集、交通控制和诱导等方面,通过提高对交通信息的有效使用和管理来提高交通系统的效 率,主要是由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统间数据传输与通信等子系统组成。信息采集子系统通过传感器采集车辆和路面信息,策略控制子系统根据设定的目标(如通行量最大、或平均候车时间最短等)运用计算方法(例如模糊控制、遗传算法等)计算出最佳方案,并输出控制信号给执行子系统(一般是交通信号控制器),以引导和控制车辆的通行,达到预设的目标。 在智能交通系统里,传感器就如同人的五官一样,发挥着不可替代的重要作用,并且在交通运输的各个领域有着广泛的应用。例如,由无线传感器构成的传感网络具备优良特性,可以为智能交通系统的信息采集提供一种有效手段,而且可以检测路口各个方向上的车辆,并根据监测结果,改进简化、改进信号控制算法并提高交通效率。此外,无线传感器网络还可以应用于执行子系统中的控制子系统和引导子系统等方面,如改进信号控制器,实现智能交通系统的公交优先功能。而位置传感器能够有助实现节能、减排等功能。传感器除了能帮助追踪高速公路实时路况之外,还能提供驾驶行驶时间的预测数据,这些数据将会以动态消息标志(DMS)陈列在高速公路的上方供驾驶参考。大量数据亦有助于交通规划,为未来的高速公路改善计划与决策提供更多有利信息,助力智能交通行业的建设。

 

结语

动感传感认为物联网的发展为传感器带来了海量的需求,这个世界从来没有一个时代像现在这样渴望各种传感器。

物联网时代刚刚开始,传感器开始走向制造的舞台中央。

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文章来源:1. Allied Market Research

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