随着物联网的发展,最终会把我们带到一个被传感器包围的智能世界。

 

01、传感器是物联网发展的基石
雷军说过这样一句名言:“站在风口处,猪也能飞起来,长出一个小翅膀,就能飞得更高”。随着工信部在 6 月 6 号发放 5G 正式商用牌照,5G 的到来似乎将物联网推到了一个风口处,而物联网的小翅膀是什么呢,或许不同的人有不同的答案,而传感器无疑是其中一个重要的选项。

 


图一:物联网层次结构

 

从物联网层次结构图中可以看到物联网主要是由:感知层、网络层、支撑层和应用层四部分构成。有句俗话说得好:下层基础决定上层建筑。传感器作为物联网感知层的重要组成部分之一,作为整个物联网的基础,其重要性是不言而喻的。

 

物联网系统中的海量数据信息来源于终端设备,而终端设备数据来源可归根于传感器,传感器赋予了万物“感官”功能,如人类依靠视觉、听觉、嗅觉、触觉感知周围环境,同样物体通过各种传感器也能感知周围环境。且比人类感知更准确、感知范围更广。例如人类无法通过触觉准确感知某物体具体温度值,也无法感知上千高温,也不能辨别细微的温度变化,但传感器可以。可以说传感器就是“万物互联”时代物体与物体之间交流的“语言”。

 

02、“传感器”肩负重任
 正因为感知层是物联网的根底和核心,所以传感器技术在整个物联网行业的发展中扮演着非常重要的角色,也成为了制约我国物联网发展的最大瓶颈。

 

物联网自提出到如今已经二十多年,但传感器部署规模并未普及,致使没有足够物理层,导致数据不足,从源头上制约产业发展。传感器部署作为物联网基础设施,多年前就有国家提出万亿传感器革命,旨在推动社会基础设施和公共服务中每年使用 1 万亿个传感器,并预计在 2030 年后将 100 万亿传感器嵌入到各种场所。

 

我国早在 20 世纪 60 年代开始涉足传感器制造业,经历了多年的发展,大体可分为三代:

 

第一代:是结构型传感器,它利用结构参量变化来感受和转化信号。

 

 

第二代:传感器是 20 世纪 70 年代开始发展起来的固体传感器, 这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。

 


第三代:传感器是 80 年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力,具有高精度、成本低、功能多样化、自动化强等特点,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。

 

 

智能传感器具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储功能的多元件集成电路,是集传感芯片、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品。

 

在物联网这个智能感知时代,智能传感器是实现物联网的关键技术之一,在很多物联网场景下的传感器都具有智能传感器的特点,它在工业、农业、医疗、交通等领域将发挥巨大作用,在未来的传感器市场上,智能传感器的比重会越来越大。

 


数据来源:互联网(2018 年数据)

 

从 2018 年的全球传感器行业市场份额调查数据中可以得知,美国、日本、德国占据全球传感器市场七成份额,而我国仅占到 10%左右。由此可见,我国的市场占额与某些发达国家相比还有很大的差距。

 

在传统的传感器市场,我国企业由于起步晚、核心材料缺失、技术落后及产业生态缺失等,整个传感器处于缓慢发展的状态。随着物联网的推进,传感器在各大领域的作用越来越明显,我国的传感器企业也迎来了新的机遇。目前中国已经成为全球最大的物联网市场,未来仍有较大的发展空间,物联网需要各式各样的智能传感器,在这一点上我国企业与国外站在了同一起跑线上,智能传感器将是我国未来实现赶超的一个重要的机会。

 

03、传感器的趋势所在
小小传感器驱动数字变革,工厂带来数字化为背景的一场全新工业革命,从无处不在的智能摄像头到部署在城市各个角落的各种传感器,以此对城市各种数据进行收集,并经云端 AI 技术处理后,有助于提高对交通和街道等城市公共管理能力,仿佛这一切都是建立在传感器上的,那么未来传感器会朝着什么样的方向发展呢?

 

(1)微型化

微型传感器是基于半导体集成电路技术发展的 MEMS(microelectro-mechanicalsystems 微电子机械系统)技术,利用微机械加工技术将微米级的敏感组件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上,具有体积小、成本低、便于集成等明显优势,并可以提高系统测试精度。现在已经开始用基于 MEMS 技术的传感器来取代已有的产品。随着微电子加工技术特别是纳米加工技术的进一步发展,传感器技术还将从微型传感器进化到纳米传感器。微型传感器的研制和应用将越来越受到各个领域的青睐。

 

(2)智能化

智能化传感器是由一个或多个敏感元件、微处理器、外围控制及通讯电路、智能软件系统相结合的产物,它兼有监测、判断、信息处理等功能。与传统传感器相比,它具有很多特点。例如,它可以确定传感器工作状态,对测量资料进行修正,以便减少环境因素如温度、湿度引起的误差;它可以用软件解决硬件难以解决的问题;它可以完成资料计算与处理工作等。而且智能传感器的精度、量程覆盖范围、信噪比、智能水平、远程可维护性、准确度、稳定性、可靠性和互换性都远高于一般的传感器。

 

(3)仿生化

仿生传感器是通过对人的种种行为如视觉、听觉、感觉、嗅觉和思维等进行模拟,研制出的自动捕获信息、处理信息、模仿人类的行为装置,是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透发展起来的一种新型的信息技术。随着生物技术和其他技术的进一步发展,在不久的将来,模拟生体功能的仿生传感器将超过人类五官的能力,完善目前机器人的视觉、味觉、触觉和对目标物体进行操作的能力。我们将看到仿生传感器应用的广阔前景。

 

(4)无线网络化

随着通讯技术的发展、无线技术的广泛应用,无线技术也应用到传感器技术中来。比如水文观测中通过传感器收集到水文的信息,然后通过无线技术发送到集中控制平台,这样我们就可以在控制平台上监测到各个点的水文信息。在航天技术中我们通过卫星把传感器的采集数据发回地面,从而了解到到太空中的各种情况。

 

04、机遇与挑战
中国物联网产业将成为万亿元级的新兴产业,物联网具有十分广阔的发展前景。而传感器是构成物联网的基础探测终端,作为物联网发展的重要技术,传感器技术自然成为市场关注的焦点。传感器的应用市场是非常广泛的,这对传感器行业而言无疑是一个极大的机遇。

 

也正如大连理工大学唐祯安教授所说:“物联网对传感器行业的挑战在于对传感器产品的多品种的需求,能够满足万事万物的测量要求;传感器的集成化,满足检测、处理、传输系统的综合要求;传感器的网络化以及低功耗特性,打造绿色电子,支持低碳环保的应用需求。”这无疑也是对传感器行业的一个巨大的挑战。

 

物联网和传感器必定是相辅相成的。