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    1　傳感器在物聯網中的戰略意義

     傳感器是物聯網重要組成之一，是物聯網系統中關鍵組成部分。傳感器性能決定物聯網性能。傳感器技術的升級換代將提升網絡的升級換代。傳感器承載著“信息源頭”的重要作用。是工業化和信息化“兩化深度融合”的關鍵。因此，我們說各種類型的傳感器是物聯網的基礎和重要感知器件，是物聯網發展的最根本所在。傳感器在物聯網中戰略意義包括如下幾個方面：

    （1）傳感器是物聯網的重要組成之一；

    （2）傳感器的性能決定物聯網性能；

    （3）傳感器升級推動網絡升級；

    （4）傳感器是物聯網發展的瓶頸；

    （5）傳感器產業化決定物聯網市場應用前景。

    在大力發展物聯網的同時，如不發展我國傳感器技術，則大量國外傳感器將進入國內，傳感器市場將被國外占有，不僅經濟損失巨大，國家安全也無法保障。

    2　我國物聯網傳感技術發展現狀

    工信部電信研究院發布的2014年《物聯網白皮書》顯示，我國物聯網近幾年保持較高的增長速度，2013年我國整體產業規模達到5000億元，同比增長36.9%，其中傳感器產業突破1200億元，RFID產業突破300億元。預計到2015年，我國物聯網產業整體規模將超過7000億元，信息處理和應用服務逐步成為發展重點。在物聯網快速發展的今天，一個較為突出的問題是：傳感器環節是一個較為薄弱的環節，雖然物聯網產業鏈上的企業眾多，但是缺乏本土“旗艦型”企業。特別是基礎傳感器芯片研發力量弱，大部分芯片依賴進口。物聯網的發展呈現“兩邊高、中間低”的特點，終端、傳感器網絡和業務軟件是最大的價值點，純傳輸通道不到總體價值的10%，如果失去傳感器這個制高點，我國物聯網發展將不具備有利形勢，我國物聯網發展亟待攻破傳感器這個關鍵點。因此，我們說，作為“金字塔”的塔座，傳感器將會是整個鏈條需求總量最大和最基礎的環節。

    3　物聯網傳感器發展中存在的問題

    我國目前物聯網的主要應用是RFID應用。雖然電力、環保行業正在逐漸普及智能傳感器的物聯網應用，但還未形成一個龐大網絡。我國物聯網部分關鍵技術亟待突破。如傳感芯片、物聯網的統一標準等技術較其它發達國家差距較大，傳感器技術還有眾多問題需要解決。

    3.1　核心技術少，創新能力弱

    一些關鍵性技術尚未真正突破。如：設計技術、可靠性技術、封裝技術、裝備技術。其中：（1）傳感器的設計技術涉及多種學科、多種理論、多種工藝，設計過程復雜；（2）可靠性技術也是傳感器應用的重要指標，通常國產傳感器可靠性指標比國外同類產品低1~2個數量級；（3）封裝技術越來越受到傳感器業界的高度重視。實際上傳感器的封裝技術對傳感器性能特別是穩定性起著至關重要的作用；（4）裝備技術一直影響傳感器性能，嚴重制約了我國傳感器行業的獨立發展。

    3.2　缺乏應用的統一標準

    通過建立和完善傳感器及智能化儀器儀表標準體系，融合物聯網傳感器泛在感知的特點，行業要統一標準，該領域才可能形成大規模發展和應用。物聯網還會涉及很多跨行業合作，如果某些行業應用自己制訂一個標準，跨網或聯網應用就難以實現，從而產生大量“孤島”。如果標準不能統一，物聯網領域難以大規模發展和成長。我國物聯網的標準化組織，需要在政府統一領導下，跨行業、跨部門形成一個物聯網標準體系，唯有如此，我國的物聯網才會健康發展，物聯網才能真正成為一個戰略性產業。

    3.3　亟待掌握核心技術

    傳感器是一種能把被測量信息按一定規律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置，以滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示和控制的要求。如果把物聯網比作人，那么傳感器就像人體的五官。隨著技術的發展，促使傳感器向更加智能的方向發展，以嵌入式微處理器為核心，集成傳感單元，信號處理單元，和網絡接口單元，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網絡通信功能，從而實現信息采集、處理和傳輸真正統一協調。我國的傳感器核心芯片仍面臨著依賴進口，從技術到制造工藝，都落后于發達國家。傳感器是物聯網的基礎，沒有它，物聯網就是無源之水、無本之木。　

    4　我國物聯網傳感器關鍵技術的突破

    目前國內物聯網總體還處于起步階段，為推進物聯網產業發展，未來5年應集中資源攻克共性關鍵技術，保證持續發展。我國在基礎芯片設計、高端傳感器制造、智能信息處理等產業環節依然薄弱。對此，工信部發布2014年物聯網工作要點：突破核心關鍵技術，重點推進傳感器、傳輸及信息處理的技術研發。

    所謂關鍵技術主要集中在無線傳感器網絡節點與傳感器網關、系統微型化技術、超高頻RFID、智能無線傳感器技術應用上。具體如下：

    （1）集成一體化。目前統稱為微機電系統（MEMS）。即單片集成CMOS—MEMS技術，利用由MEMS技術制作的敏感元件和大規模集成電路工藝技術制作的微處理器、信號調理電路、網絡接口等集成在一塊芯片上，構成智能傳感器系統。

    （2）MSC、ANSYS設計軟件在集成化智能傳感器系統的應用集成化智能傳感器系統數學模型的建立、仿真及試驗；集成化智能傳感器系統可靠性、電磁兼容性、環境適應性的設計原則與方法；集成化智能傳感器系統低功耗、微型化、高性能芯片設計；集成化智能傳感器系統結構設計和封裝技術。

    （3）高準確度。傳感器結構一體化將使遲滯、重復性指標大為改善，準確度得到有效提高。后續的信號調理電路與敏感電路一體化后，將大大減少由引線長度帶來的寄生參量的影響，這對電容式傳感器有特別重要的意義。

    （4）多功能化。微/納米級敏感元件結構的實現，特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個智能網絡傳感器，如可同時集成壓力、壓差及溫度參量的敏感元件，這樣不僅增加傳感器功能，而且可以通過數據融合技術消除交叉靈敏度的影響，提高傳感器的穩定與準確度。

    （5）全數字化。數字量的使用將為智能網絡傳感器提供極為穩定的性能，準確度高、不需A-D轉換器便能與微處理器方便接口。

    由此，我們可以看到，在“十三五”期間，解決上述關鍵點，對物聯網的發展應用起著至關重要的作用。

    5　物聯網中的新型傳感器

    5.1　MEMS傳感器

    采用微機電系統技術，其特點為：

    微型化；

    以硅為基材，機械電氣性能優良；

    批量生產，用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS；

    集成化。可以把不同功能、不同敏感方向的多個傳感器或執行器集于一體，形成復雜的微系統；

    多學科交叉。MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，集成了當今科學技術發展的許多尖端成果。

    5.2　微小位移測量傳感器

    在測量領域中，利用光使微小位移測量裝置具有耐噪聲及高準確度化，并引入半導體激光器，使其裝置小型化。

    單片微型編碼器，開發出與以往的尺寸比為1∶100的超小型且高分辨率測定位移的微型編碼器；

    利用面發光激光器（VCSEL）的編碼器；

    利用光柵影像的集成型編碼器；

    干涉型位移傳感器，利用塞納克效應的角度傳感器；

    利用復合共振的位移傳感器。

    5.3　多普勒傳感器

    5.4　表面波傳感器

    5.5　太赫茲傳感器

    5.6　氣壓傳感器

    5.7　熱線式風速傳感器

    5.8　薄膜式風速傳感器

    5.9　數字式風速/溫度傳感器

    未來物聯網將大量應用新型傳感器，實現高精度、高可靠性的感知。

    6　物聯網傳感器展望

    傳感器技術的進步讓我們看到物聯網發展朝著更美好的未來邁進。“十三五”期間物聯網將快速發展，逐步縮小與國外差別。目前，我國光纖傳感器和光柵傳感器方面已取得重大進展，在石油、鋼鐵、運輸等行業實現了批量應用。

    在未來的物聯網上需要將部分數據處理功能放在末端（減少網絡上傳輸數據容量），因此智能傳感器就成為了發展方向。同時傳感器作為物聯網基礎，在“十三五”期間迫切需要通過建立和完善傳感器及智能化儀器儀表標準體系，以物聯網關鍵技術和現有標準為基礎，提煉我國自主知識產權的關鍵技術進行國際標準化，推動我國物聯網的健康發展。

    參考文獻：

    [1]丁露, 倪佳. 物聯網與傳感器技術發展綜述[J]. 中國儀器儀表, 2013, 09.

    [2]范茂軍. 物聯網與傳感器技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2012.

    [3]張春紅, 等. 物聯網技術與應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2011.

    作者簡介

    張虎（1954-），遼寧大連人，高級工程師，現就職于秦皇島秦冶重工有限公司設計院，主要研究方向為工業自動化及物聯網技術。

    摘自《自動化博覽》5月刊