传感器为什么对物联网如此重要?

村田中文技术社区 发表于 2018-04-12 15:51:24 收藏 已收藏
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传感器为什么对物联网如此重要?

村田中文技术社区 发表于 2018-04-12 15:51:24 收藏

软银的孙正义有过一个很有趣的理论,他认为寒武纪生命大爆发的原因之一是生物获得了眼睛这一“传感器”。有了眼睛之后,生物开始追逐捕食其他生物,更为重要的是,眼睛作为传感器可以收集大量的数据,随着数据量的增加,大脑的学习周期就会加快,进一步推动了之后的生物进化。

如今的物联网世界正在发生相同的事情,据预测,到2035年将有超过1万亿个IoT设备可以在云端保存传感器数据。如果真的存在寒武纪爆发,那么物联网爆发也会来临。

传感器为什么对物联网如此重要?

人们借助于眼、耳、口、鼻等感觉器官来从外界获取信息,但是在研究自然现象和生产活动中,单靠人们自身感官的功能就远远不够了。物联网传感器正是在这种情况下应运而生,可以说,传感器是人类五官的延长,又被称之为“电五官”。

新技术革命的到来,使得世界正在从移动互联网向万物互联的新时代过渡,彼时,不光人与人,人与物、物与物之间都能实现互联,由此产生的海量数据将会彻底改变人们的生活,甚至重塑整个商业社会。而这其中,以传感器为核心的传感技术是数据采集的入口,是物联网的神经末梢,是所有系统获取数据信息的唯一方式和手段,也是实现大数据分析的基础与核心。

从物联网的四层架构来看,感知层位于通信层、平台层和应用层的底部,也就是整个物联网金字塔的奠基,如果没法准确可靠的从物理实体中获得数据,物联网无异于空中楼阁。

目前,物联网传感器已经渗透到诸如工业生产、农业种植、商业服务等各个领域,从智慧城市到智能制造,从智慧医疗到智能家居,传感器早已无处不在。

在传统农业中,人们获取农田信息的方式很有限,主要是通过人工测量,不但不够及时、精确,还会消耗大量的人力。例如,人们从很早就注意到了二氧化碳浓度、温湿度对食用菌等温室作物生长的影响,但基本沿用老办法,让工作人员每天去每个大棚里用检测仪检测二氧化碳浓度,然后开启风机,打开侧窗、天窗。但是现在,通过使用无线传感网络可以有效快速获取精确的作物环境和作物信息,如果能进一步将系统与天窗、风机等产生联动,将大大节省人力,提高效率。此外,在监视农作物灌溉情况、土壤空气变化、畜禽舍环境状况以及大面积的地表检测等方面,传感技术正在发挥着越来越重要的作用。

在工业领域,工业传感器技术已成为各工业企业在高新技术发展方面争夺的一个制高点。据相关机构预测,到2020年工业传感器市场规模将达308亿。自动化生产过程中,传感器更是必不可缺的基础元器件,制造商要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,保障产品达到最好的质量。而且如果能进一步将传感器技术和物联网平台技术结合,还可能在设备出现故障之前就提前发现问题,这即是所谓的“预测性维护”,由此,制造商可以从被动服务变成主动服务,并由此开拓以服务为中心的新商业模式。

在智能家居等商业领域,传感器同样发挥着巨大的作用。理想情况下,智能互联的家居应该能够想人们所想,感人们所感,不用人们手动操控就自己做出一些明智决策。比如,热红外传感器可以检测到人体的存在,当我们在看电视的时候,离开电视机三分钟后,传感器检测不到人体了,电视机就自动进入休眠状态,再过两分钟要还没有人,就可以自动关机了。同理,传感器也可以在智能空调中起到作用,它能判断人在屋内的位置,并把空调的风向转向相应的对象。家庭安防也离不开传感器,在家里安装一个超声波传感器后,一旦有人进来,整个超声波波形发生改变,接受器就会及时发出警报。

“物联天下、传感先行”已经成为当今物联网行业的普遍共识。随着物联网向各个垂直行业进一步深入拓展,传感器行业将随之被引爆。万亿级别的物联网市场规模意味着传感器市场的巨大前景,这对村田制作所这样的公司来说,即是机遇,亦是挑战。

物联网时代对传感器的发展要求

从19世纪60年代诞生至今,传感器的历史已经有150余年了,在移动互联网时代,手机的普及促进了传感器的极大发展,但也决定了很多类型的传感器是专为手机而设计的。物联网时代的“物”在对传感和连接的需求上与手机有很大的差别,所以也对传感技术提出了更多、更高的要求。总结来说,传感器在朝着高精度、小型化、低功耗、智能化等方向进化。

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高精度、高质量

如果传感器收集的数据信息出错,那么相当于从源头上出错,后面一切数据的传输、分析、应用也就没了意义,所以传感器的精度和质量是保障物联网愿景的一道重要基线。想象一下,如果一辆智能网联汽车传感器的精度和质量不达标,这就意味着在意外情况发生的那几毫秒内系统无法做出正确决策,从而严重威胁驾驶员的安全。

而村田可靠的元器件和解决方案,则可以在车辆网时代为司机提供更加安心的驾驶体验。全中国超过百分之七十的汽车都采用了村田的超声波传感器,这些超声波传感器主要用在测距,它可以精确的探测到目标与设备之间的距离,实时反馈信号,防止意外的发生。

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小型化

随着以智能手机为中心的移动设备向多功能、高性能化发展,要求电路板内的部件数量更多、体积更小。因此,传感器正在逐渐采用集成化技术,以实现高性能化和小型化。集成温度传感器、集成压力传感器等早已被广泛使用,今后将有更多集成传感器被开发出来。

村田制作所推出了一款AMR传感器,能够帮助客户大大腾出有效空间。该传感器是一种利用根据从特定方向来的磁场的强度所产生磁阻值变化制成的磁传感器,主要应用于手机和笔记本电脑、检测冰箱和门的开闭,以及检测智能仪表的旋转灯方面。目前,为了检测立体空间的磁场必须组合复数(3~6个)磁传感器,村田制作所通过和日本电气株式会社(NEC)的技术结合,成功的完成了360度全方位同感度磁场检测传感器的开发,在同样情况下,只要一个就能起到组合磁传感器相同的作用。

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低功耗

手机上的微博、微信、视频、游戏,都是电量消耗的大户,我们也早已习惯了每天充电、出远门充电宝不离身的日子,但你能想象假如烟雾报警器、智能摄像头等互联设备也需要天天调换电池会是怎样一种蹩脚的情景吗?和手机不同,很多物联网设备地处人们不常接触的区域,所以对功耗有极致的要求,从而决定了传感器的功耗也要很低,否则运营成本太高。

众所周知,气压传感器普遍具有易受环境温度影响,导致气压数据漂移的问题。鉴于此,村田推出了一款高精度、低功耗、高温度稳定性的气压传感器;结合静电容量型MEMS技术,大大改良了新型气压传感器对温度漂移的性能,使其几乎完全可以不受到影响的情况下取得正确的数据;另一方面提升了新型传感器的降低其噪声水平(0.5Parms),充分实现其高精度数据检测;同时又实现了“低功耗”,通过采用静电容量型,可以为装载设备的节能作出贡献。

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智能化

随着互联设备的激增,数据呈现爆炸式增长,中心化的云端已经“不堪重负”,更重要的是,对于智能制造或智慧交通等应用场景,云端分析的延迟会使数据价值呈现“断崖式”下跌,于是,边缘智能开始兴起。

传感器是很好的边缘节点,用嵌入式技术将传感器与微处理器集成为一体,使其成为具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信功能的智能数据终端设备,这就是所谓的智能传感器。这种传感器具有自学习、自诊断和自补偿能力、复合感知能力以及灵活的通信能力。这样,传感器在感知物理世界的时候反馈给物联网系统的数据就会更准确,更全面,达到精确感知的目的。

传感器和无线通信技术的结合

传感器采集到的数据之后该怎么办?当然是要进一步将数据传输到平台,进行分析和应用,这其中,通信网络是数据传输的管道。除了传感器,在无线通信领域村田也有很多产品,比如村田2.4GHz的通讯模块早已在各行各业扮演着举足轻重的角色,从手机内的Wi-Fi模块,到汽车内使用的蓝牙模块,再到智能家居涉及到的ZigBee模块,村田将传感器和无线通信结合起来,为客户提供场景化的整体解决方案。

但传统的广域无线网络连接解决方案(2G GSM/3G WCDMA/4G LTE)对很多现有的物联网用例来说都是“杀鸡用了宰牛刀”,一个井盖或一个水表并不需要每天发送大量的数据,它们需要的是适合于它们的物联网连接,这就是低功耗广域网(LPWAN)近年来如此蓬勃发展的主要原因。

LPWAN领域最重要的两种技术莫过于基于授权频谱的NB-IoT和基于非授权频谱的LoRa,这些技术具有低功耗、广覆盖、大连接、低带宽、低成本的典型特点,特别适合包括抄表、停车在内的物联网典型应用场景。

村田对LPWAN市场的高速增长十分重视,并在该领域抢得先机。

例如在我国中西部地区,畜牧业发达,但由于地广人稀,很难对牛羊等畜牧资产进行有效的管理。传统的方法是依靠人力进行牛羊管理,其弊端十分明显:需要非常有经验的人才可以进行畜牧管理,另外牛羊等畜牧资产的丢失也是目前十分棘手的问题,LoRa技术的出现则可以大大改善目前的情况。当用户使用了装载有村田LoRa模块的定位器之后,就可以进行远距离的畜牧管理,不用担心畜牧资产的丢失,不仅提高了可靠性,也大大降低了人力成本,同时配合其低功耗的特点,可以长时间使用,降低成本及维护费用。

图:村田LoRa模块

紧跟技术潮流,定位市场痛点是村田一直以来努力的方向。未来,村田将在先进的传感器及无线通信领域继续不断创新,全力支持中国物联网技术的发展。

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