物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用-無論是用于城市基礎設施，或者應用于工廠還是可穿戴設備的應用-都使用大量傳感器收集數(shù)據(jù)，并通過Internet傳輸?shù)交谠??；谠朴嬎銠C上運行的分析軟件處理這些數(shù)據(jù)，生成對用戶有意義的信息，并向現(xiàn)場的執(zhí)行器發(fā)出命令。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的關鍵組成部分，傳感器不是簡單的將物理變量轉(zhuǎn)換為電信號，而是發(fā)展成為更復雜的產(chǎn)品，以在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中發(fā)揮技術和經(jīng)濟上可行的作用。

本文介紹了IoT應用對傳感器的要求-必須采取什么措施才能實現(xiàn)IoT的大型傳感器陣列的特性。然后，介紹了制造商如何通過改進制造，更多集成和內(nèi)置智能來做出響應，最終介紹了廣泛使用的智能傳感器的概念。

顯而易見，傳感器智能不僅能促發(fā)物聯(lián)網(wǎng)更多的連，還提供預測性維護，更靈活的制造和更高的生產(chǎn)率相關等好處。

物聯(lián)網(wǎng)對傳感器的要求

傳統(tǒng)上，傳感器是功能簡單的設備，可將物理變量轉(zhuǎn)換為電信號或電特性的變化。盡管此功能是必不可少的起點，但傳感器需要增加以下屬性以用于IoT組件：

成本低，可以經(jīng)濟地大量部署體積小巧，可以方便的安裝在任何環(huán)境中無線，更方便的連接自我識別和自我驗證極低的功率，無需更換電池即可存活數(shù)年，或通過能量收集進行管理堅固耐用，可減少或消除維護自我診斷和自我修復自校準，或通過無線鏈接接受校準命令數(shù)據(jù)預處理，以減少網(wǎng)關，PLC和云資源上的負載

多個傳感器的信息可以組合使用，通過組合信息獲得更有價值的信息;例如，溫度傳感器和振動傳感器數(shù)據(jù)可用于檢測機械故障的發(fā)生。在某些情況下，兩個傳感器功能可在一臺設備中使用。在其他情況下，功能通過軟件組合在一起以創(chuàng)建“軟”傳感器。

制造商：智能傳感器解決方案

本節(jié)從構建模塊和制造的角度分析為物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)的智能傳感器，然后回顧了傳感器內(nèi)置智能帶來的一些優(yōu)勢，尤其是自我診斷的可能性和維修。

智能傳感器中有什么功能?

我們已經(jīng)介紹了物聯(lián)網(wǎng)對智能傳感器的要求，但是業(yè)界對此有何反應?現(xiàn)代智能傳感器內(nèi)置了什么功能?

智能傳感器是作為IoT組件構建的，可以將它們正在測量的真實世界變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)流，以傳輸?shù)骄W(wǎng)關。如圖顯示了他們?nèi)绾巫龅竭@一點。應用算法由內(nèi)置微處理器單元(MPU)執(zhí)行。它們可以運行濾波，補償和任何其他特定于過程的信號調(diào)理任務。

智能傳感器構建塊

微處理器單元(MPU)的智能功能還可用于許多其他功能，以減輕IoT的更多中央資源的負擔。例如，可以將校準數(shù)據(jù)發(fā)送到MPU，以便針對任何生產(chǎn)變化自動設置傳感器。MPU還可以發(fā)現(xiàn)任何開始超出可接受標準的生產(chǎn)參數(shù)，并相應地產(chǎn)生警告。然后，操作員可以在災難性故障發(fā)生之前采取預防措施。

如果合適，傳感器可以在“例外報告”模式下工作，在該模式下，僅當測得的變量值與先前的樣本值有顯著變化時，傳感器才傳輸數(shù)據(jù)。這既減輕了中央計算資源的負擔，又降低了智能傳感器的電源需求-通常是一項關鍵優(yōu)勢，因為傳感器必須在沒有連接電源的情況下依靠電池或能量收集。

如果智能傳感器的探頭中包含兩個元素，則可以內(nèi)置傳感器自診斷功能?？梢粤⒓礄z測到其中一個傳感器元素輸出中出現(xiàn)的漂移。此外，如果傳感器完全失效(例如由于短路)，則可以使用第二個測量元件繼續(xù)該過程?；蛘撸结樋梢园瑑蓚€傳感器，這些傳感器可以一起工作以改善監(jiān)視反饋。

智能傳感器：一個實際示例

德州儀器(TI)開發(fā)的應用程序提供了一個智能傳感器的實際示例，以及構建塊協(xié)同工作以從模擬電流和溫度測量中生成有用的信息，并為其他功能提供智能。該應用程序使用超低功耗MSP430 MCU系列的變體來構建用于配電網(wǎng)絡的智能故障指示器。

安裝后，故障指示器將通過提供有關網(wǎng)絡故障部分的信息來降低運營成本和服務中斷。同時，該設備可通過減少對危險故障診斷程序的需求來提高安全性并減少設備損壞。為了保證故障指示器的位置靈活性，主要由電池供電，因此也非常需要低功率運行。

故障指示器(安裝在架空電力線網(wǎng)絡的交界處)將有關輸電線路中溫度和電流的測量數(shù)據(jù)無線發(fā)送到安裝在電線桿上的集中器/終端單元。集中器使用GSM調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)傳遞到蜂窩網(wǎng)絡，以將實時信息中繼到主站。主站還可以通過同一數(shù)據(jù)路徑控制并在故障指示器上運行診斷。

與主站的持續(xù)連接具有多個優(yōu)點。首先是能夠遠程監(jiān)視故障情況，而不是在現(xiàn)場進行搜索。智能故障指示器還可以不斷監(jiān)視溫度和電流，以便主站的控制器具有有關配電網(wǎng)絡的實時狀態(tài)信息。電力運營商可以快速識別故障位置，最大程度地減少停電時間，甚至在發(fā)生故障之前采取措施。主站的工作人員可以按要求的時間間隔對故障指示器進行診斷，以檢查其是否正常工作。

圖2.基于MSP430 FRAM MCU的智能故障指示器的功能框圖

上圖是基于TI MSP430鐵電隨機存取存儲器(FRAM)微控制器(MCU)組成的智能故障指示器的功能框圖。電流傳感器產(chǎn)生與電力線電流成比例的模擬電壓。運算放大器(運放)放大并過濾該電壓信號。MCU上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對運算放大器的輸出進行采樣。來自ADC的數(shù)字流然后由運行在CPU或加速器上的軟件進行分析。運算放大器輸出還連接到MCU上的比較器。如果輸入電平超出預定閾值，則比較器將向MCU中的中央處理單元(CPU)生成標志。

MSP430的計算能力允許進行頻域電流測量分析，比以前的時域方法更深入地了解電源線狀態(tài)?？焖俚腇RAM讀寫速度支持模式分析的數(shù)據(jù)積累，而MCU的超低功耗工作模式則可以延長電池壽命。

制造

為了發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的全部價值，傳感器制造方法必須繼續(xù)減少傳感器組件和系統(tǒng)的尺寸，重量，功耗和成本(SWaP-C)。傳感器包裝也需要采用同樣的趨勢，傳感器包裝目前占總成本和外形尺寸的80%。

當微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器元件與CMOS集成電路(IC)緊密集成時，就會形成智能傳感器。這些IC提供器件偏置，信號放大和其他信號處理功能。最初，所使用的晶圓級真空封裝(WLVP)技術僅包括離散傳感器設備，而智能傳感器是通過將離散MEMS芯片通過封裝或板基板通過IC芯片連接到IC芯片而實現(xiàn)的，這種方法稱為多芯片集成。一種改進的方法是在稱為片上系統(tǒng)(SoC)的結(jié)構中，直接互連CMOS IC和傳感器元件，而無需使用封裝或板上的布線層。與分立式多芯片封裝方法相比，SoC通常更復雜，但可減小占位面積，

智能傳感器智能的其他優(yōu)勢

智能光電傳感器可以檢測物體結(jié)構中的圖案及其變化。這自動發(fā)生在傳感器中，而不發(fā)生在任何外部計算元件中。這增加了處理吞吐量，并減少了中央處理器(或本地PLC)的處理負荷。

制造靈活性得到了提高-在當今競爭激烈的環(huán)境中，這是至關重要的優(yōu)勢。每次需要更換產(chǎn)品時，都可以使用合適的參數(shù)對智能傳感器進行遠程編程。甚至可以按批量生產(chǎn)價格為單個單位批量設置生產(chǎn)，檢驗，包裝和發(fā)貨，因此每個消費者都可以收到個性化的一次性產(chǎn)品。

線性位置傳感器的反饋傳統(tǒng)上一直受到與系統(tǒng)噪聲，信號衰減和響應動態(tài)有關的問題的困擾。每個傳感器都需要調(diào)整以克服這些問題?；裟犴f爾提供其SPS-L075-HALS智能位置傳感器的解決方案。這些可以通過使用ASIC和MR(磁阻)傳感器陣列的專利組合進行自校準。這樣可以準確可靠地確定附著在移動物體(例如電梯，閥門或機械)上的磁鐵的位置。

MR陣列測量沿磁體行進方向安裝的MR傳感器的輸出。輸出和MR傳感器序列確定最接近磁體位置中心的一對傳感器。然后，使用該對輸出確定它們之間的磁體位置。這種非接觸式技術可以提供更長的使用壽命和耐用性，并減少停機時間。自我診斷功能可以進一步減少停機時間。

這些傳感器還會滿足其他IoT智能傳感器要求。它們的小尺寸允許在空間有限的地方進行安裝，而IP67和IP69K密封選項允許在惡劣的環(huán)境中進行部署。它們足夠聰明，可以替換幾個傳感器和開關組件，以及以前也需要的額外接線，外部組件和連接。該傳感器用于航空航天，醫(yī)療和工業(yè)應用。

具有自我診斷和維修功能的智能傳感器

智能傳感器還可以非常適合對安全至關重要的應用，例如檢測有害氣體，火災或入侵者。在這些環(huán)境中的條件可能很惡劣，傳感器可能難以檢修或更換電池，但是高可靠性至關重要。南布列塔尼大學Lab-STICC研究中心的一個團隊正在開發(fā)一種解決方案，該解決方案通過使用可自我診斷和自我修復的雙探頭和硬件來提高可靠性。

他們項目的最終目標是將描述的所有元素集成到單個離散設備中，適用于諸如港口或倉庫等區(qū)域的有害氣體檢測等應用。該項目的重點是可以查明內(nèi)部故障并采取糾正措施以提高可靠性和能效的節(jié)點。這樣可以減少節(jié)點的漏洞并降低維護成本。該設計認識到此類傳感器的局限性：電池自主性受限，能量收集受制于不可靠的能源行為，有限的處理和存儲資源以及對無線通信的需求。

無線傳感器節(jié)點的硬件配置

該節(jié)點配備了兩個傳感器。在正常操作期間，第一個捕獲環(huán)境數(shù)據(jù)，而第二個僅由用戶激活以驗證所獲取的數(shù)據(jù)。如果第一個傳感器發(fā)生故障，則節(jié)點的可靠性會降低，而電池電量會浪費在為無法正常工作的傳感器供電上。但是，如果節(jié)點斷開第一個傳感器的連接并切換到第二個傳感器，則不會浪費能量，并且可以保持節(jié)點的可靠性。

因此，該項目的目標是基于功能和物理測試開發(fā)一種新穎的自診斷功能，以檢測無線傳感器節(jié)點任何組件中的硬件故障。該方法可以準確地標識出哪個節(jié)點組件發(fā)生故障，并指示適當?shù)难a救措施。

圖3顯示了可自我重新配置的傳感器節(jié)點的硬件配置。它的組件包括處理器，RAM / FLASH存儲器，用于與環(huán)境連接的執(zhí)行器和傳感器接口(IAS)，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的無線電收發(fā)器模塊(RTM)以及帶有電源開關的電池(DC-DC)轉(zhuǎn)換器)。該節(jié)點還包括與FPGA可配置區(qū)域結(jié)合的電源和可用性管理器(PAM)。第一個被認為是最佳利用能量，自動診斷和容錯的智能部分，而另一個則增強了傳感器節(jié)點的可用性。

自診斷傳感器節(jié)點的問題和糾正措施

圖中的表顯示了傳感器節(jié)點如何響應各種節(jié)點問題。該FPGA包含一個軟核8051 CPU，該軟核在需要提高性能時會激活，或者在出現(xiàn)故障時更換主處理器。FPGA是Actel IGL00V2型，因其可靠性和低功耗而被選擇。該節(jié)點的其余部分包括PIC處理器，RAM存儲器，Miwi無線電收發(fā)器模塊，兩個Oldham OLCT 80氣體檢測器，LM3100和MAX618電源開關以及一個電池。

結(jié)論

在本文中，我們看到了芯片制造商和研究人員如何響應物聯(lián)網(wǎng)對智能傳感器的需求。這在一定程度上是向基本換能器功能添加智能和通信功能的問題，但同時也涉及改進的制造。通過將MEMS傳感器元件和CMOS計算組件集成到單個基板上，智能傳感器可以以小型，低成本的封裝實現(xiàn)，該封裝可以嵌入到空間受限的應用中，并具有適應環(huán)境的能力。

因此，物聯(lián)網(wǎng)設計人員可以提供所需的傳感器-體積小，價格便宜，具有彈性和低功耗，足以無處不在地部署，同時具有智能功能，可以傳遞有用的信息和原始數(shù)據(jù)。它們還可以接受進來的命令進行重新校準以適應生產(chǎn)變化，因此還可以實現(xiàn)更靈活，更精細的自動化。