徐文劼

(上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院在線檢測與通用計(jì)量技術(shù)研究所,上海 201203)

淺談物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器特性及其分類

徐文劼

(上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院在線檢測與通用計(jì)量技術(shù)研究所,上海 201203)

智能特性是區(qū)別智能傳感器和一般工業(yè)傳感器的重要特征，智能化是傳感器重要的發(fā)展方向。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)核心部件——智能傳感器進(jìn)行了調(diào)查和研究，針對(duì)其通用特性進(jìn)行了簡要介紹，進(jìn)一步對(duì)傳感器信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、信息交互、邏輯判斷等多個(gè)過程的智能特性和在實(shí)際應(yīng)用中的物聯(lián)網(wǎng)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析和解讀。結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，基于傳感器材料和制造工藝等傳統(tǒng)分類方法，對(duì)智能傳感器進(jìn)行多角度分類，同時(shí)提出傳感器模塊的組成、集成、信號(hào)處理器種類、網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制和組網(wǎng)應(yīng)用等智能化分類依據(jù)。鑒于當(dāng)今業(yè)界在傳感器的系統(tǒng)化分類方面尚未形成統(tǒng)一的共識(shí)，相關(guān)研究為相應(yīng)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了參考和指南，尤其對(duì)智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)化工作具有較強(qiáng)的借鑒價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)； 智能傳感器；射頻識(shí)別技術(shù); 數(shù)據(jù)融合； 安全機(jī)制

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)領(lǐng)域的一次重大變革，其被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，是通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1-2]。作為世界下一次信息技術(shù)浪潮和新經(jīng)濟(jì)引擎，物聯(lián)網(wǎng)是繼通信網(wǎng)之后的另一個(gè)萬億級(jí)市場。我國早在2009年便針對(duì)該領(lǐng)域提出了“感知中國”這一概念。

要將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，必然要實(shí)現(xiàn)物品的智能識(shí)別、定位、收集、跟蹤、監(jiān)控和處理，這也決定了智能傳感器在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的基礎(chǔ)作用與核心地位。

本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器，分析其智能特性，并介紹一些較為前沿的智能傳感器分類方式，為規(guī)范生產(chǎn)、使用和檢驗(yàn)評(píng)定智能傳感器提供一定的參考。

1 智能傳感器

智能傳感器是具有與外部系統(tǒng)雙向通信手段，用于發(fā)送測量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令的傳感器。其既能夠完成信號(hào)探測、變換處理、邏輯判斷、功能計(jì)算、與外部系統(tǒng)雙向通信，又可實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自診斷。

智能傳感器組成如圖1所示，一般包含傳感單元、智能計(jì)算單元和接口單元。傳感單元負(fù)責(zé)信號(hào)的采集。智能計(jì)算單元根據(jù)設(shè)定，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到特定的輸出結(jié)果。智能傳感器通過網(wǎng)絡(luò)接口與物聯(lián)網(wǎng)其他裝置進(jìn)行雙向通信。

圖1 智能傳感器組成圖

2 物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器特性

智能傳感器的性能決定了物聯(lián)網(wǎng)性能。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)獲得信息的唯一途徑，傳感器采集信息的能力和質(zhì)量將直接影響計(jì)算單元對(duì)信息的處理與傳輸，其特性對(duì)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)有著舉足輕重的作用。

2.1 通用特性

智能傳感器與普通傳感器一樣，具有許多通用特性，具體分為靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是被測量處于穩(wěn)態(tài)情況下，傳感器的輸出量與輸入量之間的關(guān)系，包括測量范圍、準(zhǔn)確度、線性度、分辨率、重復(fù)性、穩(wěn)定性等；動(dòng)態(tài)特性是與被測量隨時(shí)間變化有關(guān)的傳感器特性，包括頻率響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間等。這些技術(shù)指標(biāo)較為常見，本文不再展開。

2.2 智能特性

智能傳感器的智能特性是其區(qū)別于普通傳感器的重要技術(shù)指標(biāo)[3]。傳感器的智能特性體現(xiàn)在：傳感器工作過程中利用數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，對(duì)其內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少外部因素的不利影響，從而得到最佳結(jié)果。

考慮到智能傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀和種類的多樣性，智能傳感器在信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、信息交互和邏輯判斷等過程中表現(xiàn)出如下智能特性。

①數(shù)據(jù)預(yù)處理。智能傳感器對(duì)數(shù)字化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)校、自動(dòng)平衡、自動(dòng)補(bǔ)償和自選量程等功能。

②自動(dòng)校準(zhǔn)。智能傳感器可根據(jù)操作者輸入的零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量，調(diào)用自動(dòng)校準(zhǔn)軟件對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零和校準(zhǔn)[4-6]。

③自動(dòng)診斷。智能傳感器在工作過程中可進(jìn)行自檢，判斷傳感器各部分是否正常運(yùn)行，并進(jìn)行故障定位。

④自適應(yīng)。智能傳感器在工作過程中能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)自身模型和參數(shù)，以適應(yīng)外部環(huán)境的變化，從而保證其基本功能和性能。

⑤雙向通信。智能傳感器采用雙向通信接口，向外部設(shè)備發(fā)送測量、狀態(tài)信息，并能接收和處理外部設(shè)備發(fā)出的指令。

⑥智能組態(tài)。智能傳感器設(shè)有多種模塊化的硬件和軟件，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，操作者可改變其模塊的組合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多傳感單元、多參量的復(fù)合測量。

⑦信息存儲(chǔ)和記憶。智能傳感器可存儲(chǔ)傳感器的特征數(shù)據(jù)和組態(tài)信息，如裝置歷史信息、校正數(shù)據(jù)、測量參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等，在斷電重連后能夠自動(dòng)恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，也能根據(jù)應(yīng)用需要隨時(shí)調(diào)整其工作狀態(tài)。

⑧自推演。智能傳感器可根據(jù)數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果或其他途徑得到的信息進(jìn)行多級(jí)推理和預(yù)測，并輸出結(jié)果。

⑨自學(xué)習(xí)。智能傳感器可根據(jù)外部環(huán)境的變化和歷史經(jīng)驗(yàn)，主動(dòng)改進(jìn)/優(yōu)化自身模型、算法和參數(shù)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)特性

為了更好地適配物聯(lián)網(wǎng)，智能傳感器應(yīng)具備一些面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特性，在物聯(lián)網(wǎng)條件下應(yīng)具有即聯(lián)即用的能力，主要表現(xiàn)在其具有自動(dòng)描述、自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)組織(包括自動(dòng)組網(wǎng))等特性。

①自動(dòng)描述。智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中能自動(dòng)向外部設(shè)備發(fā)出信息，描述自身的位置、功能和狀態(tài)等。

②自動(dòng)識(shí)別。智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中能自動(dòng)識(shí)別自身在網(wǎng)絡(luò)中的位置，外部設(shè)備發(fā)出的指令和信號(hào)，以及網(wǎng)絡(luò)中的其他信息。

③自動(dòng)組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)無需依賴任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，智能傳感器啟動(dòng)后通過協(xié)調(diào)各自的行為，即可快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)即聯(lián)即用。

④互操作性。智能傳感器可與物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)其他智能傳感器或外部設(shè)備進(jìn)行相互操控。當(dāng)某一傳感器偵測到異常數(shù)據(jù)時(shí)，它可以獲得周圍傳感器的測量數(shù)據(jù)，以輔助判斷是自身測量出現(xiàn)錯(cuò)誤，還是被測量本身出現(xiàn)異常。同時(shí)，它也能根據(jù)情況，要求周圍傳感器加大采樣頻率等。

⑤數(shù)據(jù)安全特性。智能傳感器應(yīng)具有數(shù)據(jù)傳輸安全和數(shù)據(jù)處理安全特性，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和真實(shí)性。

3 智能傳感器的分類

傳感器的分類對(duì)該產(chǎn)品的生產(chǎn)、應(yīng)用、研究和發(fā)展有著很大的指導(dǎo)意義，而要對(duì)現(xiàn)有品種繁多的傳感器進(jìn)行分類則很難達(dá)到一個(gè)統(tǒng)一的意見，業(yè)界也尚未形式一個(gè)成熟的分類體系。本文僅探討一些有代表性的智能傳感器分類方式，為實(shí)際應(yīng)用提供建議和指南。

3.1 通用分類

傳感器通用分類方式較為多樣，比如按傳感器材料、工作原理、輸出信號(hào)類型、工作機(jī)理、檢測對(duì)象和制作工藝等進(jìn)行分類。

傳感器通用分類示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器通用分類示意圖

按傳感器制作工藝，傳感器可分為以下幾種類型。

①集成傳感器。采用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造。通常還將用于初步處理被測信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。

②薄膜傳感器。通過真空沉積技術(shù)，在介質(zhì)襯底(基板)上形成敏感材料的薄膜。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。

③厚膜傳感器。利用敏感材料的漿料，涂覆在基片上制成，通常在涂覆后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。

④陶瓷傳感器。采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。

3.2 智能化分類

智能傳感器的分類可從智能化角度開展，如按智能傳感器結(jié)構(gòu)、智能化技術(shù)和信號(hào)處理硬件等。

(1)按智能傳感器結(jié)構(gòu)分類。

①模塊式智能傳感器。

模塊式智能傳感器是將傳統(tǒng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和帶總線接口的微處理器組合為一個(gè)整體而構(gòu)成的智能傳感器系統(tǒng)。其在傳統(tǒng)傳感器的信號(hào)處理電路后連接具有數(shù)據(jù)總線接口的微處理器，以此實(shí)現(xiàn)傳感器智能化，使之具備信號(hào)調(diào)理電路、微處理器及應(yīng)用軟件、顯示電路和D/A轉(zhuǎn)換輸出接口等配套模塊。

模塊式智能傳感器示意圖如圖3所示。

圖3 模塊式智能傳感器示意圖

②集成式智能傳感器。

集成式智能傳感器采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，將傳感器敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、接口電路和微處理器等集成在同一塊芯片上。

集成式智能傳感器示意圖如圖4所示。

圖4 集成式智能傳感器示意圖

③混合式智能傳感器。

混合式智能傳感器是將傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)以不同的組合方式集成在數(shù)塊芯片上，并封裝在一個(gè)外殼中。

混合式智能傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 混合式智能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

(2)按信號(hào)處理硬件分類。

智能傳感器最常見的是以CPU作為運(yùn)算和處理核心，這也是其區(qū)別于一般傳感器的重要特征。實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中也常出現(xiàn)其他運(yùn)算、處理和控制核心，可依此對(duì)智能傳感器進(jìn)行分類。智能傳感器信號(hào)處理硬件如表1所示。

表1 智能傳感器信號(hào)處理硬件表

3.3 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)分類

智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用密不可分，考慮到智能傳感器在整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)中的形態(tài)，可從物聯(lián)網(wǎng)角度對(duì)智能傳感器進(jìn)行分類[6-10]。以下僅介紹按節(jié)點(diǎn)類型和物聯(lián)網(wǎng)安全機(jī)制的分類。

3.3.1 按傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型分類

按智能傳感器在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的角色類型進(jìn)行分類，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，傳感器網(wǎng)絡(luò)一般按平面結(jié)構(gòu)和分簇結(jié)構(gòu)來構(gòu)建。在平面結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過其他傳感器逐條地進(jìn)行傳輸，監(jiān)測數(shù)據(jù)將傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，再統(tǒng)一進(jìn)行后續(xù)傳輸。分簇結(jié)構(gòu)是將傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)組成，其中各個(gè)簇頭又形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。

(1)按平面結(jié)構(gòu)下的傳感器節(jié)點(diǎn)分類。

①普通節(jié)點(diǎn)型智能傳感器。

作為普通節(jié)點(diǎn)的智能傳感器，具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端的功能。此類傳感器可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，一般與其他傳感器協(xié)作完成某些特定任務(wù)。

②轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)型智能傳感器。

作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的智能傳感器，具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由器的功能。此類傳感器可對(duì)其他節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理。

③匯聚節(jié)點(diǎn)型智能傳感器。

作為匯聚節(jié)點(diǎn)的智能傳感器，其數(shù)據(jù)處理能力、儲(chǔ)存能力和信息通信能力都相對(duì)較強(qiáng)。此類傳感器負(fù)責(zé)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

(2)按分簇結(jié)構(gòu)下的傳感器節(jié)點(diǎn)分類。

①簇成員節(jié)點(diǎn)型智能傳感器。

簇成員節(jié)點(diǎn)服務(wù)于自身所在的簇，其主要功能即為簇頭采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭進(jìn)行后續(xù)操作。

②簇頭節(jié)點(diǎn)型智能傳感器。

簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)中各個(gè)簇之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，即各個(gè)簇頭又形成了一個(gè)信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量。簇頭可以預(yù)先設(shè)定，也可通過分簇算法產(chǎn)生。

在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)還有其他構(gòu)建形式，此時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體問題進(jìn)行具體分析。

3.3.2 按物聯(lián)網(wǎng)安全機(jī)制分類

為保障物聯(lián)網(wǎng)的安全性，可采用高效冗余的密碼算法、安全有效的密鑰管理、輕量級(jí)的安全協(xié)議等策略或機(jī)制，在感知層實(shí)現(xiàn)基于節(jié)點(diǎn)的安全，為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供安全基礎(chǔ)設(shè)施[4]。智能傳感器采用的安全機(jī)制可包含且不限于以下幾種。

①密鑰管理機(jī)制。

智能傳感器可采用密鑰管理來滿足其安全需求。常見的密鑰管理方案包括隨機(jī)密鑰預(yù)分配模型及其改進(jìn)算法、基于信息部署的密鑰管理方案、基于密鑰分配中心的密鑰管理方案以及基于非對(duì)稱密碼算法的密鑰管理方案。

②訪問控制機(jī)制。

智能傳感器可采用訪問控制機(jī)制來滿足其安全需求。訪問控制機(jī)制以控制用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的訪問為目的，能夠防止未授權(quán)用戶訪問傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)。訪問控制機(jī)制包括自主訪問控制和強(qiáng)制訪問控制。

③鑒別機(jī)制。

智能傳感器可通過幾種鑒別機(jī)制協(xié)作，滿足其安全需求。鑒別機(jī)制主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的鑒別，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)用戶的鑒別和傳感器網(wǎng)絡(luò)消息的鑒別。

④路由安全機(jī)制。

智能傳感器可通過路由安全機(jī)制滿足其安全需求。路由安全機(jī)制是以保證網(wǎng)絡(luò)在受到攻擊時(shí)仍能進(jìn)行正確的路由發(fā)現(xiàn)、構(gòu)建和維護(hù)為目標(biāo)的安全機(jī)制，包括數(shù)據(jù)保密和鑒別機(jī)制、數(shù)據(jù)完整性和新鮮性校驗(yàn)機(jī)制、設(shè)備和身份鑒別機(jī)制以及路由消息廣播鑒別機(jī)制。

⑤數(shù)據(jù)融合安全機(jī)制。

智能傳感器可通過數(shù)據(jù)融合安全機(jī)制滿足其安全需求。數(shù)據(jù)融合安全機(jī)制以保障數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)傳輸安全、數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確性為目的，通過加密、安全路由、融合算法的設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)間的交互證明、節(jié)點(diǎn)采集信息的抽樣、采集信息的簽名等機(jī)制達(dá)成。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)概念于1999年被提出，已經(jīng)經(jīng)歷了一段時(shí)間的發(fā)展。國內(nèi)僅射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification,RFID)應(yīng)用較廣，而智能傳感器相關(guān)領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展在我國仍可謂方興未艾。我國的傳感器制造經(jīng)過一段摸索已經(jīng)打下了不錯(cuò)的基礎(chǔ)，而研發(fā)領(lǐng)域還有待提高。隨著新一波物聯(lián)網(wǎng)熱潮的來襲，智能傳感器產(chǎn)業(yè)必將成為重中之重，相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化程度和科研水平也正在提高?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，智能家居、智能交通和智能城市等概念的落實(shí)將真正實(shí)現(xiàn)“感知中國”。

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Brief Discussion on the Characteristics and Classification of Intelligent Sensors in IoT

XU Wenjie

(On-line Monitoring and Measurement Technology Insitute,Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology,Shanghai 201203,China)

The intelligent characteristics are the important features to be used to distinguish intelligent sensor and general industrial sensor;intellectualization is an important developing direction of sensors. The core part of IoT,i.e.,intelligent sensors are investigated and researched;their general characteristics are introduced in brief,and the intelligent characteristics of multiple processes for signal acquisition,data processing,information interaction,and logic judgement,as well as the IoT characteristics in practical applications are analyzed and interpreted in further. Combining with the current industrial status and applicational situation,based on the traditional classifications in accordance with the materials and manufacturing processes of sensors,the multi-angle and multi-faceted classification of intelligent sensors is conducted. In addition,the basis of intellectualization classification,including the composition,integration and the types of signal processor of sensor module;security mechanism of network,and networking application,etc.,are put forward. Due to the unified consensus for systematic classification of sensors has not yet formed in industries today,related research provides reference and guidance for practical applications in corresponding fields,especially for the standardization of intelligent sensors.

Internet of things; Intelligent sensor; Radio frequency identification devices(RFID); Data fusion; Security mechanism

徐文劼(1988—)，男，碩士,工程師,主要從事溫度、壓力及電學(xué)類儀表在線計(jì)量,焓差實(shí)驗(yàn)裝置和工業(yè)爐窯計(jì)量方法、工業(yè)過程控制標(biāo)準(zhǔn)化的研究。E-mail:xuwj@simt.com.cn。

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703012

修改稿收到日期:2016-10-23