浅析“传感器”与物联网

郭剑平

(中国中轻国际工程有限公司，北京100000)

1999年，美国召开的移动计算和网络国际会议上提出了“物联网”(The Internet of things)这个概念，即刻在世界范围内引起了极大地轰动.国家间、企业间、产业间竞争格局，即刻间发生了重大动荡和变化.十年后，美国总统奥巴马在召开的一次“圆桌会议”上，又首次提出了“智慧地球”的概念，并将物联网上升为:振兴美国经济两大重点之一、国家创新战略重点之一.同年，温家宝总理也提出了要“感知中国”，将物联网正式列为国家五大新兴战略性产业之一，并写入了“政府工作报告”.随后，欧盟制定了促进物联网发展的十四点行动计划;日本制定了U－Japan计划.发达国家在加大力度发展传感器核心芯片、嵌入式操作系统、智能计算等技术的同时，加快物联网相关标准的制定和产业化的进程，在日趋激烈的国际竞争中，抢夺先机，以求占尽优势，提升本国的地位.

物联网究其实质是:继计算机、互联网、移动通信之后，集编码技术、射频识别技术(RFID)、云计算技术、嵌入式技术、自动化技术、无线数据通讯技术、纳米技术、传感器等技术之大成，而构建的一个、全球物品信息实时共享的、实物联网的智能化技术网络.是将识别、定位、跟踪、监控、管理为一体的，满足现实需要及产业应用的局域网、专用网.简言之，物联网展现的是一个充满智能的世界.其市场规模之巨大、涉及产业群之众、产业链之长，应用领域之广泛，是所有技术都不可比拟的、最具发展潜力的现代化技术!使下个世纪人类面临着一个前所未有的发展机遇!是“全球经济复苏的技术动力”!“新的经济增长点”!这必将催化世界生产力的巨大变革、注定会从根本上引起经济结构的调整、社会生产和经济发展方式的深度变革;也必将引起各国重新构造建和重塑本国家长期竞争的社会新模式.

近十多年来，我国积极采取各项政策措施，致力于关键核心技术的突破，加强国际国内标准规范的制定，推动九大典型应用示范.已取得了500项以上重要研究成果，200项以上国家和行业标准;培育和发展了10个产业集聚区，100多家骨干企业，形成了一个门类齐全、布局合理、结构优化、完善的物联网产业体系.

同时，“物联网技术”、“物联网世界”、“物联网世界门户网站”、“物联中国”、“国脉物联网”等主流媒体也相继问世;北京邮电大学、南京邮电大学，作为“感知中国”中心，围绕着计算机控制、网络多媒体、无线通信、光通信、传感网、以及电子、自动化等技术领域，加紧研发和人才培养;江南大学也于2010年，组建了全国第一所“物联网学院”，为提升战略新兴产业以最快的速度培养人才.为适应物联网的需求，中国移动、中国电信、中国联通“三网合一“已成定势，并分别向工信产业部申请了物联网专用号段一万多，号码数量均可达一亿以上.所有这一切，必将推动我国在国防军事、工业与自动化、智能交通、智能电网、智能物流、智能家居、医疗保健、金融服务、环境与安全检测等重点领域，有更加广泛的应用和长足的发展.

物联网从技术角度来看，涵盖了:由各种私有网、互联网、广电网及云计算平台等组成的传输层;由输入、输出接口、控制终端、电脑、手机等组成的应用层;以及由各类传感器、各种编码、RFID标签和读写器等终端组成的感知层.下面就物联网的几个环节做一简单分析探讨.

(1)关于云计算(cloud computing)问题:云计算把大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，对传感器获取的数据进行决策，改变对象的行为进行控制和反馈，使得数以亿计的各类物品，实现动态管理，即是说完成物联网的智能处理.目前，IBM的蓝云、亚马逊的Ainazon EC2、谷歌的 Google AppEngine、微软的windons Azure就是四款较成熟实用的产品.其他新产品正在不断涌现，方案逐渐完善，计算日趋成熟.

(2)关于HTML数据交换标准问题:三网合一之后，扩展了路由和寻址能力、增加了身份验证、提高了数据一致性和保密性、有更高带宽的IPv6，已取代了IPv 4技术;物联网很多不能运行IP stack的低层通信介质，通过UID等软件标准得以解决.至于数据表达、交换、处理标准(TML标准)，国外已有ONS/ PML标准、NGTP标准，以及EDDL、M2MXML等;传感层的数据格式和模型亦有Sensor ML、IRIG、TEDS等，都解决得较好.我们将这些标准融合，实现统一的HTML物联网数据交换的应用标准，是很快可以实现的.

(3)关于M2M(Machine to machine)技术问题:机器到机器通信是物联网主要应用形式，它巨大的发展平台涵盖着农业、金融、市政、物业、生活等各个方面.据有关报道，移动的M2M终端达到300万台，南方电网、北京、重庆已安装了104万台无线电表远程抄表系统，江西2万台电力变压器运行实时监测，电信的M2M通信协议(MDMP也进入了2.0版本开发，这一切都说明了M2M技术及标准已日趋成熟.

(4)关于无线网络问题:无线网络是实现“无线城市”的重要环节.据报道，移动发布的“宜居通”，实现了TD—SCDMA无线通信技术与物联网的结合.不但可以实现手机远距离遥控，完成设防、撤防，又可完成一般通信、并具有无线上网等功能.它代表了第三代移动通信系统、宽带的无线通信网络.只要发挥TD优势，推动无线传感网与TD网的融合，构建起适应物联网应用的GPRS/TD/SWSN(无线传感网)融合的网络，是不需要多长的时间即可实现的.

(5)关于编码技术问题:二维条形码到目前为止，应用已十分广泛，随处可见，技术已经成熟.主要针对物流领域的EPC编码(64位、96位、256位的ID编码)，已形成具有可视性、可编性，较成熟的集成框架——EPC网络.技术难度不大，也已得到较全面的解决.

(6)关于中间件(Savan)技术;中间件(Middleware)是物联网的核心.介于RFID阅读器与企业应用之间的中间件Savan技术，在完成对企业应用中的阅读器读取标签的数据进行过滤汇集、计算等操作过程中，大大减少从阅读器传往企业的数据量，提升了准确度.它所提供与ONS、PLM服务器及其他Savant互操作功能，亦容易得到彻底解决.

(7)关于射频识别(RFID)技术:物联网的信息采集、模式识别的RFID技术，在已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等技术的基础上，完成对多类传感器提供的海量信息完成接收、识别、转换，处理成适合网络传输的数据格式，正确无误地，及时传送到分布式处理中心，或IDC集中处理中心.前述的条形码、EPC编码所代表的物体的“智能标签”，就是通过RFID进行识别、读取的.它是物联网的门户、信息的入口通道.RFID中有很多已是成熟技术，进一步开发应用也不是比较容易.

(8)关于物联网终端问题:终端连接的是传感器和传输层，实现数据的采集、处理、加工、转换、汇集，向网络层发送数据.终端有许多不同的应用领域、又各有不同的数据传输量、不同的性能结构，不同的使用要求，不同的连接和不同的传输方式.但无论是工业设备检测或农业检测终端、以太终端或WI_ FI终端、单一功能终端或通用智能终端、数据透传终端或非透传终端等等.最大的障碍就是终端的硬件、数据、协议几个标准化问题.只要组织好终端设备企业、运营商共同定制接口规范和通讯规范，也容易得以解决.

(9)关于传感器的问题:回顾计算机和互联网的发展历程，对全球著名的通讯公司、计算机公司、互联网公司、软件公司，我们总能数出一些，像微软、戴尔、IBM、惠普、诺基亚、中兴、联想，谷歌、百度、新浪等，但全球著名的传感器公司又有那家?这不能不引起我们的深思!

虽然，近几年来，工农业生产、国防军事、交通运输、楼宇智能、家庭生活等领域，各类传感器的应用在不断增多，自动化程度也有了较大的提高.

虽然，在国家大力加强传感器开发应用一系列政策指导和支持下，形成了一定的产业基础;在技术创新、自主研发、成果转化方面取得较大进展，比如，研制出了国际先进的光纤传感器、世界第一颗二维码解码芯片;一批基于微机电系统(MEMS)技术的新型传感器也已进入市场，但这绝满足不了物联网应用的需求!

在国内长期“重软轻硬”的大环境下，传感器产业发展是最慢的，而且存在许多短期难以解决得瓶颈.2009年，温总理指出:“在传感网络发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫感知中国中心”.据了解，到目前为止全国已有1600家企事业单位在从事传感器的研制、生产和应用，这确实是一个良好的开端.因为，传感器制约着物联网的发展，“没有传感器，就没有物联网”，就没有感知中国，没有智慧地球!突破物联网的这第一核心技术，加快传感器的开发已刻不容缓，发展传感器任重而道远!

传感器产业发展迟缓的第二原因是:由于传感器目前应用领域还很有限，形不成大批量生产，导致成本居高不下，返过来又限制了它的应用.其次，由于现有的传感器行业分散凌乱，缺乏统筹规划而形不成规模.再次，由于我们的高等院校、科研院所，跟风二十多年，瞄准的是计算机、互联网、各种应用软件的开发.在传感器研发方面投入少之又少，致使人才匮乏极其严重，人才的培养跟不上发展，根本满足不了物联网发展的需求，但归根结底是由于传感器本身技术的复杂性所致.

我们知道:传感器要按照被测量参数来划分有:重力、压力、拉力、张力、力矩、线位移、角位移、压强、距离、位置、速度、加速度、转速、厚度、长度、液位、振动、惯性、表面粗糙度混浊度、流量、流速、温度、湿度、尺度、声强、声压、光照度、光强度、超声、次声、可燃气、有毒气体、其他气体、粉尘、烟雾、噪声、滑觉、压觉、视觉、电导率、PH值、红外、激光、图像、字符识别等等.

按结构形式又分为:电阻应变式、电位器式、固态压阻式、热电阻式、热电偶式、热敏电阻式、双金属片式、弹簧式、自感式、互感式、电涡流式、感应同步式、磁感应式、磁栅式、电容式、容栅式、霍尔式、声表面波式、光栅式、光纤式、光学编码式、激光式、红外式、图像式、陀螺式、波纹管式、气动量式、开关式、模拟型、计数型、代码型、液体压力平衡式、有源型、无源型、微型集成、复合式等等.

按材料、制造原理来划分又有:晶体半导体式、非晶半导体式、精细陶瓷式、光刻扩散式、各向异性腐蚀式、纳米技术式、高分子压电式、约瑟夫逊应变式、光子滞后效应式、现状记忆合金式、吸收效应式、核磁共振式、仿生式、蓝宝石、微熔式、溅射薄膜式、陶瓷硅压阳式，以及V－zotov等.当然，MEMS微电机技术和纳米技术仍然是传感器主流制造技术.

其次，传感器还有它的静态特性、动态特性，稳定性、抗干扰性、通用性、频率阶跃特性、重复性、精确度、灵敏度、功耗、量程、过载能力、温度范围、环境参数、校准标定、自动调零、自动校准、自动量程转换、自动选择功能、自动数据处理、自动误差修正、自动定时测量、自动故障诊断、复合检测功能等智能化程度特性等.

总之，传感器行业是一个高度综合性、专业性很强的行业，技术难度大，制造工艺复杂.它不但涉及材料问题、加工技术、电子技术等问题，而且，由于自然量多变性、应用的多样性，加之以它的研发要依赖于自然学科几乎绝大多数基础理论，因为每一参数的检测可依据不同的原理，每一原理又有不同的优缺点;所以，要制造出体积小、精度高、适应环境能力强、感知复杂指标能力强的传感器有很大的难度.何况，掌握各种传感器的技术性能，在不同环境中的应用，本身就是一门专业性很强、难度极高的技术.所有这一切是我们要尽快发展传感器产业面临的最严峻的问题!

综上所述，要突破传感器的瓶颈，除了加强科研机构的基础理论研究，边缘科学理论的研究;从物联网发展的整体和全局需要出发，要有总体研究、生产规划，减少重复设计费用之外，充分发挥高等院校的作用，围绕物联网的发展，开办相关、相近专业，加强物联网、传感器等课程的比重，加强实验室建设，尽快培养出研发、应用、维护等各层次，更多更好综合性、专业性人才，这才是重中之重.

［1］张建民.传感器与检测技术.机械工业出版社，2000，3

［2］谢双雄.传感器技术.中国计量出版社，2005，8

［3］郎为民.射频识别(RFID)技术原理与应用.机械工业出版社，2006，08

［4］张云勇.中间件技术原理与应用.清华大学出版社，2004，10

［5］周洪波.物联网:技术、应用、标准和商业模式2010，07

［6］孙雷.无线传感器网络概述(WSN)南开大学