智能传感器的广泛应用与物联网

智能传感器作为整个物联网的最前端，已广泛应用于航天、航海、国防、工农业、医疗、交通和机器人等各个领域。

①航空航天领域。为检测制造载人飞船的材料是否达到使用寿命，及时了解航天器舱内设施以及各个关键部件结构的健康状况，在舱身各部位安装传感器和接收器，构成监测网络，提供了一种结构健康监测的实现方法。

②海洋监测领域。开发海洋资源的前提是海洋信息的实时收集与监测，包括对海水温度、盐度、深度和海况等基本海洋信息的智能采集，成为保证海洋环境监测的基础。

③国防军事领域。军事力量是衡量国防实力的关键指标，其武器装备智能化水平对于国防建设具有重要的作用。在武器装备系统中引入智能传感器不仅能够实时监测战场形势变化，从而及时调整侦察和作战计划，而且可以通过应用各类微小传感装置实现隐蔽性监视，为摧毁敌人目标点和攻击武装力量奠定基础。

④工业生产领域。智能传感器是支撑智能制造的必备基础。为实现对产品质量指标（如黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）快速直接测量并在线控制，智能传感器通过测量与产品质量指标有函数关系的生产过程参数（如温度、压力、流量等），再利用智能算法建立的数学模型推断出产品的质量，这种方法称为模型化测量。

⑤智慧农业领域。智慧农业依托安置在农产品种植区的各个传感器节点和通信网络，实时监测温度、湿度、光照、环境气体组分等农业生产的田间智慧种植数据，实现可视化智能监管、智能预警等。

⑥生物医学领域。生物医学传感器作为核心部件应用到了众多的检测仪器中，由于关乎人体健康，对医用传感器往往有更高要求，不仅对其精确度、可靠性、抗干扰性，同时在传感器的体积、重量等外部特性上也有特殊的要求，因此传感器在医学中的应用在一定程度上反映了传感器的发展水平。随着可穿戴式、可植入式微型智能传感器逐渐面世，如测量血液流动的微型化压力传感器可以放在注射器针头内送进血管，医学检测仪器的发展有了里程碑式的飞跃。

⑦自动驾驶与机器人领域。用于自动驾驶汽车上的常见的传感器有激光雷达、图像传感器、毫米波雷达等。机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能，传感器在机器人控制中起了非常重要的作用，传感器智能化水平决定着未来机器人可达到的类似人类的感知功能和反应能力。

【例10.1】　智能传感器在机器人中的应用。

①机器人用位置检测传感器。

机器人用位置检测传感器主要由微型限位开关、光电断路器和电磁式接近开关等构成。微型限位开关的实现原理是在移动体上安装一挡块，该物体移至一定位置后，挡块碰上机械开关，引起开关触点的开闭，从而通过控制电路，控制机器人的动作。光电断路器由发光二极管、光电三极管组成，当被测物体移动时，隔断其“光路”，引起光电三极管输出电位的变化。电磁式接近开关利用感应线圈靠近磁性物体，从而产生感应信号控制触点的导通与关闭。

②机器人用位移检测传感器和角位移检测传感器。

机器人用位移检测传感器主要有直线电位器、可调变压器等。机器人用角位移检测传感器除了有旋转式电位器、旋转式可调变压器外，还有鉴相器、光电式编码器等。鉴相器由互相正交的两个线圈组成定子和转子，它们之间的磁耦合在互为平行时最大，垂直时为零，因而产生的电压信号随转子和定子相对角度变化而变化。

③机器人用速度检测传感器。

机器人用速度检测传感器常用的有测速发电机及脉冲发生器两类，它不仅可以测试速度，还可以测试动态响应补偿。测速发电机的输出是与转速成正比的连续信号，而脉冲发生器是一种数字型速度传感器，其结构与光电编码器类似，同时检测输出脉冲数和脉冲频率，以便确定旋转速度。

④机器人用加速度检测传感器。

机器人用加速度检测传感器主要有差动变压器型和应变仪型。差动变压器型加速度传感器由弹簧支撑的铁芯和转轴构成。当速度变化时，由于惯性，铁芯产生位移，因为铁芯处于差动变压器中，所以差动变压器线圈中将产生相应的信号，用来检测加速度。应变仪型加速度传感器是由质量块和粘贴有应变片的弹簧片构成，加速度的变化将引起应变片的尺寸产生微小变化，因而可得到所需要的加速度信号。

⑤听觉传感器。

听觉传感器是利用语音信息处理技术制成的。若仅要求它对声音产生反应，可选用一个开关量输出形式的听觉传感器。这种传感器比较简单，只需用一个声-电转换器就能实现。但一个高级的机器人不仅能够听懂人的语言指令，而且能讲出人能听懂的语言，前者为语音识别技术，后者为语音合成技术。

⑥光电式接近传感器。

光电式接近传感器安装在机器人手或脚上，能够检测机器人手臂或腿部运动路线上的各种物体。

⑦嗅觉传感器。

嗅觉传感器仿真人鼻功能，能感受各种气味，用来识别其所在环境中的有害气体，并测定有害气体的含量。常用的嗅觉传感器是半导体气体传感器，它利用半导体气敏元件的物理性质变化，测定特定的气体成分及其含量。

【例10.2】　智能传感器在物联网中的应用。

①基于物联网技术的农业环境监测。

在现代农业领域，物联网技术可在监控农作物生长状况、土壤灌溉情况、环境生态因子变化、畜禽水产养殖场环境状况以及农产品安全溯源等方面发挥作用。如图10.24所示，通过收集温度、湿度、养分、风力、大气、降雨、pH等土壤、植物、水体和环境数据信息，进行远程监控和管理。ZigBee技术由于模块的功耗和成本较低，时延较短，组网节点容量较大，在农业信息采集和远程监控中得到了广泛的应用。物联网技术可广泛应用于温室栽培设施的精准化管理，控制系统根据监测到的实时数据将温室内水、肥、气、光、热等植物生长所必需的条件调节到最佳状态，以保证栽培作物的产量和品质。

图10.24　基于物联网技术的农业环境监测站(www.xing528.com)

②基于物联网技术的节能减排系统。

智能节能系统如图10.25所示，主要由终端控制系统、物联网网关以及家庭内部的家电网络和传感器网络等几部分组成。网络总体上分为家庭外部网络和家庭内部网络两部分，分别对应因特网和ZigBee网络。物联网网关是系统的灵魂和核心控制所在，它一般是一台装载了嵌入式操作系统平台的专用主机，并且外接一个ZigBee短程无线收发模块，以实现对家庭区域网内的各种信息家电和传感器的控制。物联网网关对外可以提供各种远程智能控制接口，操作者可以通过任何一台连接Internet的PC访问Web页面，通过该网关，对家中的终端节点进行数据访问或控制。终端节点单元包括射频收发模块、传感器或受控终端以及两者之间的接口控制模块。射频收发模块作为系统中网络节点的通信接口，负责网络中各节点设备的网络无线连接和无线数据或指令的收发。系统的终端传感或受控单元主要负责电量、温度等各种数据的采集以及对各种家电的控制。这种控制或检测功能需要通过接口控制模块直接操作并完成。

图10.25　基于物联网技术的智能节能系统

【例10.3】　自动驾驶中的传感技术。

自动驾驶汽车的自动驾驶系统包括三大模块，即环境感知模块、行为决策模块和运动控制模块。

①环境感知模块。

环境感知模块主要由传感器和算法两部分组成。目前主流传感器包括激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、单目或多目摄像头、组合导航系统终端等，用于获取车身状态的信息。激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达主要用来测距，在理想状态下车辆可以探测到周围所有的障碍物并计算出与障碍物之间的距离；单目或多目摄像头利用计算机视觉技术使自动驾驶汽车能够实时识别交通信号灯、交通标志、车道线、近距离低速障碍物等，同时加上与道路基础设施及云端数据库的通信，实时识别自动驾驶汽车一定范围内的所有物体，包括人员、车辆、建筑区、鸟类、自行车等。除了这些判断路况的传感器外，自动驾驶汽车本身还有车速、加速度、转角度等车况传感器。

②行为决策模块。

行为决策是指自动驾驶汽车根据路网信息、获取的交通环境信息和自身行驶状态，产生遵守交通规则的驾驶决策的过程。行为决策模块主要由自动驾驶汽车搭载的计算机和通信设备组成的控制中心完成，它将接收到的多源异构传感器数据进行分析处理，得出控制策略并下达控制指令，且整个过程必须达到实时，所以控制中心必须具备极高性能的实时运算能力，以及实现路径规划、障碍物躲避、加速度控制、姿态控制等多种功能的软件算法。此外，自动驾驶汽车需要不断向云端数据中心上传和接收实时数据，必须具备高速率的无线通信设备。

③运动控制模块。

运动控制模块是根据规划的行驶轨迹和速度，以及当前的位置、姿态和速度，产生对油门、刹车、方向盘和变速杆的控制命令。对于传统燃油汽车，其发动机自动控制系统、自动变速箱、电子制动等系统的控制已成熟，车身电子稳定系统、驱动防滑系统、定速巡航系统、自适应巡航系统等也已经广泛使用。对于电动汽车而言，其拥有更高效率的电机、优良的调速性能、宽泛的调速区间，这些特性决定了电动汽车更容易实现自动驾驶，也将成为未来自动驾驶的主力。

【例10.4】　可穿戴技术中的传感器。

可穿戴无线传感器网络，一般由穿戴在人体上的可穿戴设备或医疗器械（见图10.26），以及普通传感器节点、汇聚节点和远程控制节点组成。可穿戴设备与医疗器械等分布式地构成自组织网络，普通的传感器节点通过对人体的各项重要指标进行数据收集，并将处理后的信息发送给汇聚节点，作为可穿戴无线传感器网络的核心，汇聚节点一般具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，因此对能量的需求也很大。汇聚节点将来自各传感器节点的信息进行处理后发送给远程控制节点，远程控制节点对整个可穿戴无线传感器网络进行控制和管理操作，同时会对传感器节点下达监测任务和数据收集等指令。各个节点互相通信、协调工作，才能保证可穿戴无线传感器网络整体能够稳定工作，满足人们的应用需求。

图10.26　可穿戴设备中的传感器

目前，可穿戴无线传感器设备的应用领域日趋广泛，在人们运动健身过程中，通过佩戴手环等可穿戴设备，可以实时了解自身的身体状况（心率、血压、血糖等），防止因运动过度产生的一些不良影响。同时可以将自身的体能信息发送给亲人或医院，在受到意外伤害时可以得到及时的救助。在医疗领域，可穿戴传感器的摆放位置已经覆盖了身体的各个部位，穿戴方便简单，便于收集人体血压、血氧、体温、心率、心电图、呼吸等临床观察的各种体征信息，具有低负荷、可移动操作、使用简便、支持无线数据传输等特点，对疾病诊疗起着关键作用。在军事方面，为每一名士兵佩戴可穿戴设备，检测士兵身体状况的同时可以准确定位到士兵在战场中的位置，这在战争中是至关重要的。不仅如此，士兵也可以将自己所勘察的敌情通过可穿戴无线传感器设备发送给指挥中心，指挥中心通过每个士兵发送回来的信息可以更好地对战场数据进行评估，制定相应的作战策略。在工业上，给工人们佩戴的可穿戴无线传感器设备可以对工作环境进行检测，一旦发现异常，立刻组织人群疏散和撤离。当发生紧急情况时，可以通过工人们身上佩戴的可穿戴设备准确快速找到受困人员，尽最大努力保护生命财产安全。

【例10.5】　虚拟现实技术。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种能够使人以沉浸的方式进入和体验人为创造的虚拟世界的计算机仿真技术，具有沉浸性、交互性、多感知性、构想性、自主性等特点（图10.27）。随着5G高速传输、物联网、人工智能、柔性显示、移动式高性能图形计算等技术的出现，为VR技术进入商用奠定了基础。目前，基于虚拟现实技术的应用和设备已经开始出现在教育、传媒、娱乐、医疗、遗产保护等诸多领域。

图10.27　虚拟现实技术

虚拟现实的关键技术主要包括：

①动态环境建模技术：虚拟环境的建立是VR系统的核心内容，目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。

②实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，那么关键就是“实时”生成。为保证实时，至少保证图形的刷新频率最好高于30帧/s。

③立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的力学和触觉传感装置的研究有待进一步深入，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。

④应用系统开发工具：虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。想要达到这一目的，则需要研究虚拟现实的开发工具。

⑤系统集成技术：VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用，集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。

在国际上，VR技术已经逐渐走向成熟，并且向着视觉、听觉、触觉多感官沉浸式体验的方向发展。同时，相应硬件设备也在朝着微型化、移动化发展。随着VR设备便携化和小型化，微型传感器的空间定位能力逐渐增强，基于有限空间定位技术的VR装置可以迅速将周边的环境虚拟化，相应技术研发和应用的热潮已拉开序幕。轻量级的Web VR可以通过网页将虚拟空间应用到整个互联网，这意味着可以以即插即用的方式将更加生动的内容呈现到传播、教育、娱乐领域。另外，图像识别技术、眼球追踪技术、语义与情感识别技术、大数据技术以及信息融合技术，也可能使VR技术在智慧城市、智慧工业、数字孪生领域得到更为广泛的应用和推广。