物联网传感技术应用与发展

秦皇岛秦冶重工有限公司设计院 张虎

物联网传感技术应用与发展

秦皇岛秦冶重工有限公司设计院 张虎

1 传感器在物联网中的战略意义

传感器是物联网重要组成之一，是物联网系统中关键组成部分。传感器性能决定物联网性能。传感器技术的升级换代将提升网络的升级换代。传感器承载着“信息源头”的重要作用。是工业化和信息化“两化深度融合”的关键。因此，我们说各种类型的传感器是物联网的基础和重要感知器件，是物联网发展的最根本所在。传感器在物联网中战略意义包括如下几个方面：

（1）传感器是物联网的重要组成之一；

（2）传感器的性能决定物联网性能；

（3）传感器升级推动网络升级；

（4）传感器是物联网发展的瓶颈；

（5）传感器产业化决定物联网市场应用前景。

在大力发展物联网的同时，如不发展我国传感器技术，则大量国外传感器将进入国内，传感器市场将被国外占有，不仅经济损失巨大，国家安全也无法保障。

2 我国物联网传感技术发展现状

工信部电信研究院发布的2014年《物联网白皮书》显示，我国物联网近几年保持较高的增长速度，2013年我国整体产业规模达到5000亿元，同比增长36.9%，其中传感器产业突破1200亿元，RFID产业突破300亿元。预计到2015年，我国物联网产业整体规模将超过7000亿元，信息处理和应用服务逐步成为发展重点。在物联网快速发展的今天，一个较为突出的问题是：传感器环节是一个较为薄弱的环节，虽然物联网产业链上的企业众多，但是缺乏本土“旗舰型”企业。特别是基础传感器芯片研发力量弱，大部分芯片依赖进口。物联网的发展呈现“两边高、中间低”的特点，终端、传感器网络和业务软件是最大的价值点，纯传输通道不到总体价值的10%，如果失去传感器这个制高点，我国物联网发展将不具备有利形势，我国物联网发展亟待攻破传感器这个关键点。因此，我们说，作为“金字塔”的塔座，传感器将会是整个链条需求总量最大和最基础的环节。

3 物联网传感器发展中存在的问题

我国目前物联网的主要应用是RFID应用。虽然电力、环保行业正在逐渐普及智能传感器的物联网应用，但还未形成一个庞大网络。我国物联网部分关键技术亟待突破。如传感芯片、物联网的统一标准等技术较其它发达国家差距较大，传感器技术还有众多问题需要解决。

3.1 核心技术少，创新能力弱

一些关键性技术尚未真正突破。如：设计技术、可靠性技术、封装技术、装备技术。其中：（1）传感器的设计技术涉及多种学科、多种理论、多种工艺，设计过程复杂；（2）可靠性技术也是传感器应用的重要指标，通常国产传感器可靠性指标比国外同类产品低1～2个数量级；（3）封装技术越来越受到传感器业界的高度重视。实际上传感器的封装技术对传感器性能特别是稳定性起着至关重要的作用；（4）装备技术一直影响传感器性能，严重制约了我国传感器行业的独立发展。

3.2 缺乏应用的统一标准

通过建立和完善传感器及智能化仪器仪表标准体系，融合物联网传感器泛在感知的特点，行业要统一标准，该领域才可能形成大规模发展和应用。物联网还会涉及很多跨行业合作，如果某些行业应用自己制订一个标准，跨网或联网应用就难以实现，从而产生大量“孤岛”。如果标准不能统一，物联网领域难以大规模发展和成长。我国物联网的标准化组织，需要在政府统一领导下，跨行业、跨部门形成一个物联网标准体系，唯有如此，我国的物联网才会健康发展，物联网才能真正成为一个战略性产业。

3.3 亟待掌握核心技术

传感器是一种能把被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息传输、处理、记录、显示和控制的要求。如果把物联网比作人，那么传感器就像人体的五官。随着技术的发展，促使传感器向更加智能的方向发展，以嵌入式微处理器为核心，集成传感单元，信号处理单元，和网络接口单元，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息采集、处理和传输真正统一协调。我国的传感器核心芯片仍面临着依赖进口，从技术到制造工艺，都落后于发达国家。传感器是物联网的基础，没有它，物联网就是无源之水、无本之木。

4 我国物联网传感器关键技术的突破

目前国内物联网总体还处于起步阶段，为推进物联网产业发展，未来5年应集中资源攻克共性关键技术，保证持续发展。我国在基础芯片设计、高端传感器制造、智能信息处理等产业环节依然薄弱。对此，工信部发布2014年物联网工作要点：突破核心关键技术，重点推进传感器、传输及信息处理的技术研发。

所谓关键技术主要集中在无线传感器网络节点与传感器网关、系统微型化技术、超高频RFID、智能无线传感器技术应用上。具体如下：

（1）集成一体化。目前统称为微机电系统（MEMS）。即单片集成CMOS—MEMS技术，利用由MEMS技术制作的敏感元件和大规模集成电路工艺技术制作的微处理器、信号调理电路、网络接口等集成在一块芯片上，构成智能传感器系统。

（2）MSC、ANSYS设计软件在集成化智能传感器系统的应用集成化智能传感器系统数学模型的建立、仿真及试验；集成化智能传感器系统可靠性、电磁兼容性、环境适应性的设计原则与方法；集成化智能传感器系统低功耗、微型化、高性能芯片设计；集成化智能传感器系统结构设计和封装技术。

（3）高准确度。传感器结构一体化将使迟滞、重复性指标大为改善，准确度得到有效提高。后续的信号调理电路与敏感电路一体化后，将大大减少由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器有特别重要的意义。

（4）多功能化。微/纳米级敏感元件结构的实现，特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个智能网络传感器，如可同时集成压力、压差及温度参量的敏感元件，这样不仅增加传感器功能，而且可以通过数据融合技术消除交叉灵敏度的影响，提高传感器的稳定与准确度。

（5）全数字化。数字量的使用将为智能网络传感器提供极为稳定的性能，准确度高、不需A-D转换器便能与微处理器方便接口。

由此，我们可以看到，在“十三五”期间，解决上述关键点，对物联网的发展应用起着至关重要的作用。

5 物联网中的新型传感器

5.1 MEMS传感器

采用微机电系统技术，其特点为：

· 微型化；

· 以硅为基材，机械电气性能优良；

· 批量生产，用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS；

· 集成化。可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集于一体，形成复杂的微系统；

· 多学科交叉。MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，集成了当今科学技术发展的许多尖端成果。

5.2 微小位移测量传感器

在测量领域中，利用光使微小位移测量装置具有耐噪声及高准确度化，并引入半导体激光器，使其装置小型化。

· 单片微型编码器，开发出与以往的尺寸比为1∶100的超小型且高分辨率测定位移的微型编码器；

· 利用面发光激光器（VCSEL）的编码器；

· 利用光栅影像的集成型编码器；

· 干涉型位移传感器，利用塞纳克效应的角度传感器；

· 利用复合共振的位移传感器。

5.3 多普勒传感器

5.4 表面波传感器

5.5 太赫兹传感器

5.6 气压传感器

5.7 热线式风速传感器

5.8 薄膜式风速传感器

5.9 数字式风速/温度传感器

未来物联网将大量应用新型传感器，实现高精度、高可靠性的感知。

6 物联网传感器展望

传感器技术的进步让我们看到物联网发展朝着更美好的未来迈进。“十三五”期间物联网将快速发展，逐步缩小与国外差别。目前，我国光纤传感器和光栅传感器方面已取得重大进展，在石油、钢铁、运输等行业实现了批量应用。

在未来的物联网上需要将部分数据处理功能放在末端（减少网络上传输数据容量），因此智能传感器就成为了发展方向。同时传感器作为物联网基础，在“十三五”期间迫切需要通过建立和完善传感器及智能化仪器仪表标准体系，以物联网关键技术和现有标准为基础，提炼我国自主知识产权的关键技术进行国际标准化，推动我国物联网的健康发展。

[1]丁露, 倪佳. 物联网与传感器技术发展综述[J]. 中国仪器仪表, 2013, 09.

[2]范茂军. 物联网与传感器技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012.

[3]张春红, 等. 物联网技术与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011.

★ 张虎（1954-），辽宁大连人，高级工程师，现就职于秦皇岛秦冶重工有限公司设计院，主要研究方向为工业自动化及物联网技术。