智能傳感器能夠更精確、更自動化地收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并減少精確記錄信息中的錯誤噪聲。這些設(shè)備用于各種環(huán)境中的監(jiān)控機制，包括智能電網(wǎng)、戰(zhàn)場偵察、勘探和科學(xué)應(yīng)用。

　　智能傳感器也是物聯(lián)網(wǎng)中至關(guān)重要的組成部分。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為幾乎任何事物提供唯一的標(biāo)識符，并通過互聯(lián)網(wǎng)或類似的傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸來自或關(guān)于這些事物的數(shù)據(jù)。智能傳感器的一種實現(xiàn)方式是作為無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的組件。這些網(wǎng)絡(luò)可以包含數(shù)千個節(jié)點，每個節(jié)點都連接到一個或多個其他傳感器和傳感器集線器以及各個執(zhí)行器。

　　低功耗移動微處理器通常在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中提供計算資源。智能傳感器至少由傳感器、微處理器和某種無線通信技術(shù)組成。計算資源是物理設(shè)計不可或缺的一部分。僅將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程處理的傳感器不被視為智能傳感器。

　　智能傳感器除了主傳感器外，還可能包含其他幾個組件。這些組件包括換能器、放大器、激勵控制器、模擬濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和補償電路，這些電路內(nèi)置了對不理想的測量值或輸出進行校正的功能。智能傳感器還包含軟件定義的元件，提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理和與外部設(shè)備通信等功能。

　　智能傳感器如何工作?

　　智能傳感器將原始基礎(chǔ)傳感器連接到集成計算資源，以便處理傳感器的輸入?；A(chǔ)傳感器是提供傳感功能的組件。它可能被設(shè)計用于感測熱量、光線或壓力。通常，基礎(chǔ)傳感器會根據(jù)應(yīng)用算法產(chǎn)生模擬信號，該信號必須經(jīng)過處理才能使用。此過程也稱為信號處理。

　　智能傳感器的集成技術(shù)在信號處理中發(fā)揮了重要作用。板載微處理器采用一種稱為濾波的技術(shù)來消除信號噪聲，并將傳感器信號轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)字格式。

　　智能傳感器技術(shù)還包含集成通信功能，可連接到私有云計算環(huán)境或互聯(lián)網(wǎng)。這使得傳感器能夠與外部設(shè)備通信。

　　智能傳感器的用途是什么?

　　智能傳感器用途廣泛。它們通常用于工業(yè)環(huán)境，是工業(yè) 4.0 以及工業(yè)自動化、機器人技術(shù)和其他先進儀器儀表背后的驅(qū)動力。

　　工廠使用智能傳感器進行診斷。智能溫度傳感器可確保機器不會過熱，振動傳感器可監(jiān)測存在振動松動風(fēng)險的機器。智能傳感器還支持過程控制，例如監(jiān)控制造過程并進行必要的調(diào)整，以達到質(zhì)量和生產(chǎn)目標(biāo)。智能傳感器可以自動執(zhí)行這些曾經(jīng)需要手動完成的任務(wù)。

　　智能傳感器在現(xiàn)代安防系統(tǒng)的發(fā)展中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。熱成像傳感器可以檢測入侵者的體溫。同樣，智能鎖、運動傳感器以及門窗傳感器等設(shè)備通常連接到一個公共網(wǎng)絡(luò)。這使得安全傳感器能夠協(xié)同工作，從而構(gòu)建全面的安全狀態(tài)圖。它們常用于家庭和工業(yè)應(yīng)用中，以檢測各種泄漏。

　　以下是智能傳感器的一些其他用途：

　　基礎(chǔ)設(shè)施。公用事業(yè)和能源公司使用智能傳感器來管理電網(wǎng)，識別潛在的基礎(chǔ)設(shè)施問題(例如水管和污水管道泄漏)，并收集能源和公用事業(yè)使用數(shù)據(jù)。

　　農(nóng)業(yè)。智能傳感器分析氣候，跟蹤土壤濕度、環(huán)境溫度和濕度，以及追蹤牲畜。

　　物流。這些應(yīng)用包括使用 RFID 設(shè)備跟蹤機動車輛并提高庫存管理效率。

　　公共部門。政府機構(gòu)，尤其是管理智慧城市的政府機構(gòu)，使用智能傳感器來監(jiān)測交通流量、快速響應(yīng)緊急情況以及監(jiān)測空氣質(zhì)量。

　　智能家居。擁有智能家居的消費者使用傳感器來追蹤和運行恒溫器、家電性能、室內(nèi)外照明以及安防系統(tǒng)。

　　醫(yī)療保健。智能傳感器收集患者的健康數(shù)據(jù)，例如心率和血氧水平;監(jiān)測醫(yī)院智能醫(yī)療系統(tǒng)的性能并提供環(huán)境數(shù)據(jù)。

　　智能傳感器有哪些不同類型?

　　目前使用的專用傳感器種類繁多。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中常用的智能傳感器主要有五種：

　　液位傳感器。它們用于測量容器內(nèi)空間的體積。車輛的燃油表可能連接到液位傳感器，用于監(jiān)測油箱中的燃油液位。

　　溫度傳感器。它們用于監(jiān)測組件的溫度，以便在溫度過高或過低時采取糾正措施。例如，溫度傳感器可以確保機器不會過熱。

　　壓力傳感器。它們用于監(jiān)測管道中氣體或流體的壓力。壓力突然下降可能表示存在泄漏或流量控制系統(tǒng)問題。

　　紅外傳感器。這些傳感器用于熱成像攝像機和非接觸式紅外測溫儀的溫度監(jiān)測。其他紅外傳感器是光學(xué)傳感器，其頻率經(jīng)過調(diào)整，使其能夠探測紅外光譜中的光線。這些傳感器用于醫(yī)療設(shè)備(例如脈搏血氧儀)以及用于遠程控制操作的電子設(shè)備。

　　接近傳感器。這些傳感器用于檢測人或物體相對于傳感器的位置。在零售環(huán)境中，接近傳感器可以追蹤顧客在店內(nèi)的活動軌跡。

　　運動傳感器。與接近傳感器類似，這些傳感器可以檢測運動;它們通常是樓宇和家庭安防系統(tǒng)的一部分。

　　流量傳感器。這些傳感器可以監(jiān)測家庭供水系統(tǒng)是否漏水，并在檢測到漏水時發(fā)出警報。

　　其他智能傳感器可以監(jiān)測電力消耗、工廠設(shè)備的振動、濕度、水分和光照。

　　智能傳感器的優(yōu)缺點是什么?

　　智能傳感器具有一系列優(yōu)勢，但也存在挑戰(zhàn)和缺點。

　　智能傳感器的優(yōu)勢

　　智能傳感器的優(yōu)勢在用于條件惡劣或偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)采集時最為顯著。以下優(yōu)勢取決于在最需要的地方部署合適的傳感器類型：

　　能源效率和可持續(xù)性。智能傳感器可以編程，使其對周圍環(huán)境條件(例如溫度、濕度、水分或聲學(xué))的細微變化高度敏感或敏感。這些高度精確可靠的測量提供了一定程度的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，有助于提高能源效率和可持續(xù)性。

　　在惡劣環(huán)境中訪問數(shù)據(jù)。智能傳感器可以在人們難以到達或危險的偏遠地區(qū)采集數(shù)據(jù)。遠程操作的無線智能傳感器在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中尤其有用。

　　實時、高性能。當(dāng)需要實時數(shù)據(jù)時，智能傳感器可以一致、快速地采集數(shù)據(jù)。

　　內(nèi)置分析和處理功能。與傳統(tǒng)傳感器不同，智能傳感器內(nèi)置了對接收信號和數(shù)據(jù)進行分析和處理的功能，從而提高了效率，因為它們需要的外部分析工具或資源更少。

　　智能傳感器的缺點

　　智能傳感器開發(fā)商一直在不斷升級其產(chǎn)品以解決其缺點。這些缺點包括：

　　易受篡改和黑客攻擊。如果設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)安全措施不足，惡意行為者(尤其是那些試圖訪問用于私人用途的收集數(shù)據(jù)的惡意行為者)就有可能得逞。

　　成本。許多設(shè)備價格昂貴，而且隨著時間的推移，所需的維護成本也可能高得令人望而卻步。

　　維護。由于數(shù)據(jù)延遲或其他問題，傳感器有時需要重新校準(zhǔn)或升級。位于偏遠地區(qū)或具有挑戰(zhàn)性環(huán)境中的傳感器可能難以維護，維護成本也很高。

　　專業(yè)知識。智能傳感器系統(tǒng)通常需要具備一定的 IT 專業(yè)知識，而并非所有組織都具備這些專業(yè)知識。可能需要招聘新員工或進行培訓(xùn)。

　　物聯(lián)網(wǎng)部署要求。無論是在智能家居還是工業(yè)環(huán)境中，在部署物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之前都必須考慮其他因素，例如所需的功耗、穩(wěn)定的在線連接需求以及處理大量數(shù)據(jù)的能力。

　　智能傳感器與基礎(chǔ)傳感器有何不同?

　　智能傳感器包含嵌入式數(shù)字運動處理器 (DMP)，而基礎(chǔ)傳感器則沒有。DMP 是集成在傳感器中的微處理器。它使傳感器能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)進行板載處理。這可能意味著對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化、濾除電信號中的噪聲或執(zhí)行其他類型的信號調(diào)理。無論如何，智能傳感器在與外部設(shè)備通信之前都會進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理。

　　基礎(chǔ)傳感器是指未配備 DMP 或其他計算資源來處理數(shù)據(jù)的傳感器。智能傳感器可以生成可立即使用的輸出，而基礎(chǔ)傳感器的輸出是原始數(shù)據(jù)，通常必須轉(zhuǎn)換為可用格式。

　　智能傳感器通常比基礎(chǔ)傳感器更受歡迎，因為它們本身就具備處理能力。即便如此，在某些情況下，使用基礎(chǔ)傳感器可能更具優(yōu)勢。如果工程師正在設(shè)計設(shè)備并需要完全控制傳感器輸入，那么基礎(chǔ)傳感器將是更佳選擇。基礎(chǔ)傳感器的成本也低于智能傳感器，因為它們包含的組件更少。

　　智能傳感器的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)和框架

　　由于其日益增長的重要性和應(yīng)用，已涌現(xiàn)出多項標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、框架和組織，以支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的智能傳感器技術(shù)：

　　IEEE 1451。IEEE 制定了這些智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)。1451.0 描述了核心功能和連接要求。該系列的其他標(biāo)準(zhǔn)包括傳感器電子數(shù)據(jù)表和多種通信協(xié)議的詳細信息。

　　ISO/IEC 21813:2019。該國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會框架允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(包括智能傳感器)相互交換信息。

　　ISO/IEC 27400:2022。該標(biāo)準(zhǔn)提供了物聯(lián)網(wǎng)安全和隱私方面的指導(dǎo)。

　　IoXt 聯(lián)盟認證。這是一個支持制定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全管理指南的行業(yè)組織。

　　英國《2024 年產(chǎn)品安全和電信基礎(chǔ)設(shè)施法案》。該法案規(guī)定了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全要求。

　　《通用數(shù)據(jù)保護條例》。這項歐盟法規(guī)對收集個人數(shù)據(jù)的智能傳感器提出了要求。

　　美國食品藥品監(jiān)督管理局 (FDA)。該機構(gòu)對健康相關(guān)的智能傳感器設(shè)備(例如植入物和診斷設(shè)備)有相關(guān)要求。

　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST)。NIST 的 SP 800-213 (2021) 標(biāo)準(zhǔn)為美國物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)安全制定了指導(dǎo)和要求。

　　智能傳感器的未來

　　預(yù)計智能傳感器應(yīng)用增長的關(guān)鍵驅(qū)動力將是智慧城市、下一代基礎(chǔ)設(shè)施管理和工業(yè)生產(chǎn)管理。其他預(yù)計將大量應(yīng)用的領(lǐng)域包括醫(yī)療保健，尤其是可穿戴設(shè)備;基于邊緣的人工智能技術(shù)集成;以及無人駕駛汽車，這些都將依賴于智能傳感器提供的信息。預(yù)計人工智能也將成為許多市場智能傳感器發(fā)展的主要驅(qū)動力。