物联网智能传感器技术

物联网(IoT)应用-无论是用于城市基础设施，或者应用于工厂还是可穿戴设备的应用-都使用大量传感器收集数据，并通过Internet传输到基于云。基于云计算机上运行的分析软件处理这些数据，生成对用户有意义的信息，并向现场的执行器发出命令。

传感器是物联网的关键组成部分，传感器不是简单的将物理变量转换为电信号，而是发展成为更复杂的产品，以在物联网环境中发挥技术和经济上可行的作用。

本文介绍了IoT应用对传感器的要求-必须采取什么措施才能实现IoT的大型传感器阵列的特性。然后，介绍了制造商如何通过改进制造，更多集成和内置智能来做出响应，最终介绍了广泛使用的智能传感器的概念。

显而易见，传感器智能不仅能促发物联网更多的连，还提供预测性维护，更灵活的制造和更高的生产率相关等好处。

物联网对传感器的要求

传统上，传感器是功能简单的设备，可将物理变量转换为电信号或电特性的变化。尽管此功能是必不可少的起点，但传感器需要增加以下属性以用于IoT组件：

成本低，可以经济地大量部署体积小巧，可以方便的安装在任何环境中无线，更方便的连接自我识别和自我验证极低的功率，无需更换电池即可存活数年，或通过能量收集进行管理坚固耐用，可减少或消除维护自我诊断和自我修复自校准，或通过无线链接接受校准命令数据预处理，以减少网关，PLC和云资源上的负载

多个传感器的信息可以组合使用，通过组合信息获得更有价值的信息;例如，温度传感器和振动传感器数据可用于检测机械故障的发生。在某些情况下，两个传感器功能可在一台设备中使用。在其他情况下，功能通过软件组合在一起以创建“软”传感器。

制造商：智能传感器解决方案

本节从构建模块和制造的角度分析为物联网应用开发的智能传感器，然后回顾了传感器内置智能带来的一些优势，尤其是自我诊断的可能性和维修。

智能传感器中有什么功能?

我们已经介绍了物联网对智能传感器的要求，但是业界对此有何反应?现代智能传感器内置了什么功能?

智能传感器是作为IoT组件构建的，可以将它们正在测量的真实世界变量转换为数字数据流，以传输到网关。如图显示了他们如何做到这一点。应用算法由内置微处理器单元(MPU)执行。它们可以运行滤波，补偿和任何其他特定于过程的信号调理任务。

智能传感器构建块

微处理器单元(MPU)的智能功能还可用于许多其他功能，以减轻IoT的更多中央资源的负担。例如，可以将校准数据发送到MPU，以便针对任何生产变化自动设置传感器。MPU还可以发现任何开始超出可接受标准的生产参数，并相应地产生警告。然后，操作员可以在灾难性故障发生之前采取预防措施。

如果合适，传感器可以在“例外报告”模式下工作，在该模式下，仅当测得的变量值与先前的样本值有显着变化时，传感器才传输数据。这既减轻了中央计算资源的负担，又降低了智能传感器的电源需求-通常是一项关键优势，因为传感器必须在没有连接电源的情况下依靠电池或能量收集。

如果智能传感器的探头中包含两个元素，则可以内置传感器自诊断功能。可以立即检测到其中一个传感器元素输出中出现的漂移。此外，如果传感器完全失效(例如由于短路)，则可以使用第二个测量元件继续该过程。或者，探针可以包含两个传感器，这些传感器可以一起工作以改善监视反馈。

智能传感器：一个实际示例

德州仪器(TI)开发的应用程序提供了一个智能传感器的实际示例，以及构建块协同工作以从模拟电流和温度测量中生成有用的信息，并为其他功能提供智能。该应用程序使用超低功耗MSP430 MCU系列的变体来构建用于配电网络的智能故障指示器。

安装后，故障指示器将通过提供有关网络故障部分的信息来降低运营成本和服务中断。同时，该设备可通过减少对危险故障诊断程序的需求来提高安全性并减少设备损坏。为了保证故障指示器的位置灵活性，主要由电池供电，因此也非常需要低功率运行。

故障指示器(安装在架空电力线网络的交界处)将有关输电线路中温度和电流的测量数据无线发送到安装在电线杆上的集中器/终端单元。集中器使用GSM调制解调器将数据传递到蜂窝网络，以将实时信息中继到主站。主站还可以通过同一数据路径控制并在故障指示器上运行诊断。

与主站的持续连接具有多个优点。首先是能够远程监视故障情况，而不是在现场进行搜索。智能故障指示器还可以不断监视温度和电流，以便主站的控制器具有有关配电网络的实时状态信息。电力运营商可以快速识别故障位置，最大程度地减少停电时间，甚至在发生故障之前采取措施。主站的工作人员可以按要求的时间间隔对故障指示器进行诊断，以检查其是否正常工作。

图2.基于MSP430 FRAM MCU的智能故障指示器的功能框图

上图是基于TI MSP430铁电随机存取存储器(FRAM)微控制器(MCU)组成的智能故障指示器的功能框图。电流传感器产生与电力线电流成比例的模拟电压。运算放大器(运放)放大并过滤该电压信号。MCU上的模数转换器(ADC)对运算放大器的输出进行采样。来自ADC的数字流然后由运行在CPU或加速器上的软件进行分析。运算放大器输出还连接到MCU上的比较器。如果输入电平超出预定阈值，则比较器将向MCU中的中央处理单元(CPU)生成标志。

MSP430的计算能力允许进行频域电流测量分析，比以前的时域方法更深入地了解电源线状态。快速的FRAM读写速度支持模式分析的数据积累，而MCU的超低功耗工作模式则可以延长电池寿命。

制造

为了发挥物联网的全部价值，传感器制造方法必须继续减少传感器组件和系统的尺寸，重量，功耗和成本(SWaP-C)。传感器包装也需要采用同样的趋势，传感器包装目前占总成本和外形尺寸的80%。

当微机电系统(MEMS)传感器元件与CMOS集成电路(IC)紧密集成时，就会形成智能传感器。这些IC提供器件偏置，信号放大和其他信号处理功能。最初，所使用的晶圆级真空封装(WLVP)技术仅包括离散传感器设备，而智能传感器是通过将离散MEMS芯片通过封装或板基板通过IC芯片连接到IC芯片而实现的，这种方法称为多芯片集成。一种改进的方法是在称为片上系统(SoC)的结构中，直接互连CMOS IC和传感器元件，而无需使用封装或板上的布线层。与分立式多芯片封装方法相比，SoC通常更复杂，但可减小占位面积，

智能传感器智能的其他优势

智能光电传感器可以检测物体结构中的图案及其变化。这自动发生在传感器中，而不发生在任何外部计算元件中。这增加了处理吞吐量，并减少了中央处理器(或本地PLC)的处理负荷。

制造灵活性得到了提高-在当今竞争激烈的环境中，这是至关重要的优势。每次需要更换产品时，都可以使用合适的参数对智能传感器进行远程编程。甚至可以按批量生产价格为单个单位批量设置生产，检验，包装和发货，因此每个消费者都可以收到个性化的一次性产品。

线性位置传感器的反馈传统上一直受到与系统噪声，信号衰减和响应动态有关的问题的困扰。每个传感器都需要调整以克服这些问题。霍尼韦尔提供其SPS-L075-HALS智能位置传感器的解决方案。这些可以通过使用ASIC和MR(磁阻)传感器阵列的专利组合进行自校准。这样可以准确可靠地确定附着在移动物体(例如电梯，阀门或机械)上的磁铁的位置。

MR阵列测量沿磁体行进方向安装的MR传感器的输出。输出和MR传感器序列确定最接近磁体位置中心的一对传感器。然后，使用该对输出确定它们之间的磁体位置。这种非接触式技术可以提供更长的使用寿命和耐用性，并减少停机时间。自我诊断功能可以进一步减少停机时间。

这些传感器还会满足其他IoT智能传感器要求。它们的小尺寸允许在空间有限的地方进行安装，而IP67和IP69K密封选项允许在恶劣的环境中进行部署。它们足够聪明，可以替换几个传感器和开关组件，以及以前也需要的额外接线，外部组件和连接。该传感器用于航空航天，医疗和工业应用。

具有自我诊断和维修功能的智能传感器

智能传感器还可以非常适合对安全至关重要的应用，例如检测有害气体，火灾或入侵者。在这些环境中的条件可能很恶劣，传感器可能难以检修或更换电池，但是高可靠性至关重要。南布列塔尼大学Lab-STICC研究中心的一个团队正在开发一种解决方案，该解决方案通过使用可自我诊断和自我修复的双探头和硬件来提高可靠性。

他们项目的最终目标是将描述的所有元素集成到单个离散设备中，适用于诸如港口或仓库等区域的有害气体检测等应用。该项目的重点是可以查明内部故障并采取纠正措施以提高可靠性和能效的节点。这样可以减少节点的漏洞并降低维护成本。该设计认识到此类传感器的局限性：电池自主性受限，能量收集受制于不可靠的能源行为，有限的处理和存储资源以及对无线通信的需求。

无线传感器节点的硬件配置

该节点配备了两个传感器。在正常操作期间，第一个捕获环境数据，而第二个仅由用户激活以验证所获取的数据。如果第一个传感器发生故障，则节点的可靠性会降低，而电池电量会浪费在为无法正常工作的传感器供电上。但是，如果节点断开第一个传感器的连接并切换到第二个传感器，则不会浪费能量，并且可以保持节点的可靠性。

因此，该项目的目标是基于功能和物理测试开发一种新颖的自诊断功能，以检测无线传感器节点任何组件中的硬件故障。该方法可以准确地标识出哪个节点组件发生故障，并指示适当的补救措施。

图3显示了可自我重新配置的传感器节点的硬件配置。它的组件包括处理器，RAM / FLASH存储器，用于与环境连接的执行器和传感器接口(IAS)，用于发送和接收数据的无线电收发器模块(RTM)以及带有电源开关的电池(DC-DC)转换器)。该节点还包括与FPGA可配置区域结合的电源和可用性管理器(PAM)。第一个被认为是最佳利用能量，自动诊断和容错的智能部分，而另一个则增强了传感器节点的可用性。

自诊断传感器节点的问题和纠正措施

图中的表显示了传感器节点如何响应各种节点问题。该FPGA包含一个软核8051 CPU，该软核在需要提高性能时会激活，或者在出现故障时更换主处理器。FPGA是Actel IGL00V2型，因其可靠性和低功耗而被选择。该节点的其余部分包括PIC处理器，RAM存储器，Miwi无线电收发器模块，两个Oldham OLCT 80气体检测器，LM3100和MAX618电源开关以及一个电池。

结论

在本文中，我们看到了芯片制造商和研究人员如何响应物联网对智能传感器的需求。这在一定程度上是向基本换能器功能添加智能和通信功能的问题，但同时也涉及改进的制造。通过将MEMS传感器元件和CMOS计算组件集成到单个基板上，智能传感器可以以小型，低成本的封装实现，该封装可以嵌入到空间受限的应用中，并具有适应环境的能力。

因此，物联网设计人员可以提供所需的传感器-体积小，价格便宜，具有弹性和低功耗，足以无处不在地部署，同时具有智能功能，可以传递有用的信息和原始数据。它们还可以接受进来的命令进行重新校准以适应生产变化，因此还可以实现更灵活，更精细的自动化。

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