Με την άφιξη της ευφυούς εποχής, η έρευνα και η εφαρμογή διαφόρων έξυπνων αισθητήρων υπογραμμίστηκαν ολοένα και περισσότερο. Οι έξυπνοι αισθητήρες διαθέτουν επίσης πλούσιες δυνατότητες επεξεργασίας πληροφοριών με βάση τους παραδοσιακούς αισθητήρες και μπορούν να παρέχουν πιο ολοκληρωμένες λειτουργίες.
Το παρόν έγγραφο εισάγει την τρέχουσα ερευνητική κατάσταση της κοινώς χρησιμοποιούμενης θερμοκρασίας, πίεσης, αδρανειακής, βιοχημικής και RFID αισθητήρων και των βασικών ρόλων τους στη βιομηχανική αναβάθμιση και καινοτόμες εφαρμογές όπως το Διαδίκτυο των πραγμάτων (IoT), η εικονική πραγματικότητα (VR), η ρομποτική, η υγειονομική περίθαλψη, κ.λπ., και προσβλέπει στη μελλοντική τάση ανάπτυξης των έξυπνων αισθητήρων.
Ο έξυπνος αισθητήρας (έξυπνος αισθητήρας) αναφέρεται στον αισθητήρα με ανίχνευση πληροφοριών, επεξεργασία πληροφοριών, μνήμη πληροφοριών, λειτουργίες λογικής σκέψης και κρίσης.
Σε σχέση με τους παραδοσιακούς αισθητήρες που παρέχουν μόνο σήματα αναλογικής τάσης που χαρακτηρίζουν τη φυσική ποσότητα που πρέπει να μετρηθεί, οι έξυπνοι αισθητήρες κάνουν πλήρη χρήση της τεχνολογίας ενσωμάτωσης και της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστών, ρυθμίζουν την αντίληψη, την επεξεργασία πληροφοριών, την επικοινωνία σε ένα και μπορούν να παρέχουν ένα ορισμένο επίπεδο γνώσης των πληροφοριών που διαδίδονται σε ψηφιακή μορφή.
Δεδομένου ότι η NASA (NASA) πρότεινε την έννοια των έξυπνων αισθητήρων στη δεκαετία του 1980, μετά από δεκαετίες ανάπτυξης, οι έξυπνοι αισθητήρες έχουν γίνει μια σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης της τεχνολογίας αισθητήρων, που αντιπροσωπεύουν τις βιομηχανικές και τεχνολογικές ερευνητικές δυνατότητες μιας χώρας.
Η σημασία των αισθητήρων που οδηγείται από την τρέχουσα έξυπνη εποχή, η σημασία των αισθητήρων έχει γίνει πιο εμφανής, όχι μόνο στο "Made in China 2025", "Germany 2020 High-Tech Strategy" και στην Ευρωπαϊκή Ένωση, τις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Νότια Κορέα, τη Σιγκαπούρη κ.λπ. . παίζει βασικό ρόλο.
Υψηλής απόδοσης, εξαιρετικά αξιόπιστα πολυλειτουργικά σύνθετα αυτόματα συστήματα μέτρησης και ελέγχου και η αύξηση και η ανάπτυξη του Διαδικτύου των πραγμάτων που βασίζονται στην τεχνολογία ταυτοποίησης ραδιοσυχνότητας, επισημαίνει όλο και περισσότερο τη σημασία των έξυπνων αισθητήρων με αντίληψη, γνωστική ικανότητα και έντονη και γρήγορη. Ανάπτυξη του επείγοντος.
Με την ανάπτυξη τεχνολογίας MEMS συμβατά με CMOS, η ανάπτυξη μικροσκοπικών έξυπνων αισθητήρων έχει λάβει ισχυρή τεχνική υποστήριξη, η έξυπνη βιομηχανία αισθητήρων αντιμετωπίζει μια πολύ σημαντική ιστορική ευκαιρία ανάπτυξης.
Το παρόν έγγραφο συνοψίζει την κατάσταση ανάπτυξης διαφόρων ειδών τεχνολογιών και εφαρμογών έξυπνων αισθητήρων και κάνει μια προοπτική για τη μελλοντική τάση ανάπτυξης.
1 πλούσιοι και ποικίλοι ευφυείς αισθητήρες που
Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι ανάγκες διαφόρων ευφυών εφαρμογών, οι κατηγορίες αισθητήρων είναι πολύ διαφορετικές, όπως: περιβαλλοντικοί αισθητήρες, αδρανειακοί αισθητήρες, αναλογικοί αισθητήρες, μαγνητικοί αισθητήρες, βιοαισθητήρες, αισθητήρες υπέρυθρων, αισθητήρες κραδασμών, αισθητήρες πίεσης, υπερήχοι αισθητήρες και ούτω καθεξής.
Μεταξύ αυτών, χρησιμοποιούνται συχνότερα οι ακόλουθοι αισθητήρες.
Περιβαλλοντικοί αισθητήρες, κυρίως αισθητήρες αερίου, αισθητήρες βαρομετρικής πίεσης, αισθητήρες θερμοκρασίας, αισθητήρες υγρασίας και ούτω καθεξής.Οι αισθητήρες αερίου μπορούν να εφαρμοστούν σε καθαριστές αέρα, οθόνες DUI, ανιχνευτές φορμαλδεΰδης και άλλα τοξικά αέρια σε έπιπλα σπιτιού, καθώς και συσκευές ανίχνευσης για βιομηχανικά καυσαέρια. Καθώς οι άνθρωποι δίνουν προσοχή στα περιβαλλοντικά ζητήματα, η σημασία των περιβαλλοντικών αισθητήρων γίνεται ολοένα και πιο εμφανής και υπάρχει πολύ περιθώριο ανάπτυξης στο μέλλον.
Αδρανειακοί αισθητήρες, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε φορητά προϊόντα, όπως έξυπνα βραχιόλια, έξυπνα ρολόγια, κράνη VR και ούτω καθεξής.Ο αδρανειακός αισθητήρας χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της παρακολούθησης και της ταυτοποίησης της κίνησης, ενημερώνοντας τον φορέα για το ποσό της άσκησης, τις θερμίδες που καταναλώνονται και την επίδραση της άσκησης εκείνη την ημέρα.
Μαγνητικοί αισθητήρες, οι οποίοι χρησιμοποιούνται κυρίως σε οικιακές συσκευές, όπως οι καφετιέρες, οι θερμοσίφωνες, τα κλιματιστικά κλπ., Χρησιμοποιούνται για να ανιχνεύσουν πόσο η γωνία έχει μετατραπεί ή πόσο ταξίδια έχει γίνει και συνήθως εμφανίζονται στον πίνακα ελέγχου. Επιπλέον, οι μαγνητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται επίσης σε μαγνήτες πόρτας και μαγνήτες παραθύρων κλπ. Η νοημοσύνη και η ακρίβεια των ρομπότ χρειάζονται επίσης μαγνητικούς αισθητήρες για υποστήριξη.
Αναλογικοί αισθητήρες, οι οποίοι χρησιμοποιούνται κυρίως σε έξυπνες ιατρικές συσκευές,μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εισροές για σήματα όπως ο καρδιακός παλμός και τα ηλεκτροκαρδιογραφήματα και να απεικονίσουν την έξοδο των δεδομένων υγείας, έτσι ώστε οι χρήστες να μπορούν να κατανοήσουν τα δεδομένα υγείας και άσκησης από πρώτο χέρι.
Οι αισθητήρες υπέρυθρων χρησιμοποιούνται συχνά σε κάμερες υπέρυθρων, σαρωτικά ρομπότ και άλλα έξυπνα σπίτια.
2 πρόοδος της τεχνικής έρευνας σε έξυπνους αισθητήρες
Ένας πραγματικά έξυπνος αισθητήρας πρέπει να έχει τις ακόλουθες λειτουργίες:
1) λειτουργίες αυτο-βαθμονόμησης, αυτο-βαθμονόμησης και αυτόματης αντιστάθμισης.
2) αυτόματες λειτουργίες συλλογής δεδομένων, λογικής κρίσης και επεξεργασίας δεδομένων ·
3) λειτουργίες αυτο-προσαρμογής και αυτο-προσαρμογής.
(4) ορισμένο βαθμό λειτουργιών αποθήκευσης, αναγνώρισης και επεξεργασίας πληροφοριών ·
5) αμφίδρομη επικοινωνία, τυπική ψηφιακή έξοδος ή λειτουργία εξόδου συμβόλων.
(6) Αλγοριθμική κρίση, λειτουργίες λήψης αποφάσεων και επεξεργασίας.
Το παρακάτω είναι ένα παράδειγμα που χρησιμοποιούνται συνήθως αισθητήρες θερμοκρασίας, πίεσης, αδρανειακού, βιοχημικού και RFID για την εισαγωγή της προόδου της έρευνας της ευφυούς ανίχνευσης.
2.1 Έξυπνοι αισθητήρες θερμοκρασίας
Η ανάπτυξη αισθητήρων θερμοκρασίας έχει περάσει από τα ακόλουθαΤρία στάδια: παραδοσιακοί διακριτοί αισθητήρες θερμοκρασίας, αναλογικοί ενσωματωμένοι αισθητήρες θερμοκρασίας και ευφυείς αισθητήρες θερμοκρασίας στο σύνολό τους.
Στον 21ο αιώνα, οι ευφυείς αισθητήρες θερμοκρασίας κινούνται προς υψηλή ακρίβεια, πολυλειτουργική τυποποίηση λεωφορείων, υψηλή αξιοπιστία και ασφάλεια, ανάπτυξη εικονικών αισθητήρων και αισθητήρων δικτύου, ανάπτυξη μονολιθικού συστήματος μέτρησης θερμοκρασίας και άλλων κατευθύνσεων ταχείας ανάπτυξης.
Ο τρέχων αισθητήρας έξυπνης θερμοκρασίας περιέχει έναν αισθητήρα θερμοκρασίας, τον μετατροπέα A/D, τον επεξεργαστή σήματος, τα κυκλώματα μνήμης και διασύνδεσης, ορισμένα προϊόντα διαθέτουν επίσης πολυπλέκτη, κεντρικό ελεγκτή, αποθήκευση τυχαίας πρόσβασης και μνήμη μόνο για ανάγνωση.
Οι ευφυείς αισθητήρες θερμοκρασίας χαρακτηρίζονται από τη δυνατότητα δεδομένων θερμοκρασίας εξόδου και του σχετικού όγκου ελέγχου της θερμοκρασίας, προσαρμοσμένος σε μια ποικιλία μικροελεγκτή και βασίζεται στο υλικό μέσω του λογισμικού για την επίτευξη της λειτουργίας δοκιμής, ο βαθμός νοημοσύνης εξαρτάται από το επίπεδο της ανάπτυξης λογισμικού.
(1) Βελτιώστε την ακρίβεια και την ανάλυση μέτρησης
Οι πρώτοι ευφυείς αισθητήρες θερμοκρασίας ξεκίνησαν στα μέσα -1990 s, χρησιμοποιώντας 8- μετατροπέα bit a/d, η ακρίβεια μέτρησης της θερμοκρασίας είναι χαμηλή, η ανάλυση μπορεί να φτάσει μόνο σε 1 βαθμό.
Επί του παρόντος, οι ξένες χώρες έχουν ξεκινήσει μια ποικιλία αισθητήρων θερμοκρασίας υψηλής ακρίβειας, υψηλής ανάλυσης, χρησιμοποιώντας μετατροπέα 9 ~ 12- bit a/d, η ανάλυση μπορεί να φτάσει 0. 5 ~ {{6 }}. 625 βαθμός. Από τον νεοεμφανιζόμενο DS 1624- πληκτρολογήστε ευφυή αισθητήρα θερμοκρασίας υψηλής ανάλυσης που μπορεί να εξάγει {{1 0} bit Binary Data, ανάλυση τόσο υψηλής όσο 0. , ακρίβεια μέτρησης θερμοκρασίας ± 0,2 βαθμού.
Προκειμένου να βελτιωθεί ο ρυθμός μετατροπής του ευφυούς αισθητήρα θερμοκρασίας πολλαπλών καναλιών, υπάρχουν επίσης μάρκες χρησιμοποιώντας μετατροπέα διαδοχικής προσέγγισης υψηλής ταχύτητας. AD7817 Τύπος 5- κανάλι ευφυής αισθητήρας θερμοκρασίας, για παράδειγμα, είναι ο τοπικός αισθητήρας, κάθε χρόνος μετατροπής απομακρυσμένου αισθητήρα μόνο 27 ms, 9 ms, αντίστοιχα.
Από την άποψη της μέτρησης θερμοκρασίας υψηλής ακρίβειας, ορισμένοι μελετητές έχουν σχεδιάσει έναν αισθητήρα ψηφιακής θερμοκρασίας υψηλής απόδοσης, ο οποίος αποτελείται από έναν συντονιστή διαταραχής ρύθμισης χαλαζία, ένα ψηφιακό κύκλωμα διασύνδεσης και έναν αλγόριθμο επαναφοράς αισθητήρα με βάση τη συστοιχία πύλης πεδίου και και Η ευαισθησία του αισθητήρα μπορεί να φτάσει στον αριθμό του βαθμού 10 -6, δηλαδή την ανάλυση μέτρησης θερμοκρασίας του 0.
(2) βελτιωμένες λειτουργίες δοκιμής
Η νέα λειτουργία δοκιμής αισθητήρα ευφυούς θερμοκρασίας ενισχύεται συνεχώς. Οι ευφυείς αισθητήρες θερμοκρασίας έχουν μια ποικιλία λειτουργικών τρόπων λειτουργίας για να διαλέξετε, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας μεμονωμένης μετατροπής, της λειτουργίας συνεχούς μετατροπής, της λειτουργίας αναμονής και ορισμένων προσθέτουν επίσης λειτουργία επέκτασης ορίων χαμηλής θερμοκρασίας.
Για ορισμένους ευφυείς αισθητήρες θερμοκρασίας, ο κεντρικός υπολογιστής (εξωτερικός μικροεπεξεργαστής ή μικροελεγκτής) μπορεί επίσης να ρυθμιστεί μέσω των αντίστοιχων καταχωρητών του ρυθμού μετατροπής A/D, ανάλυσης και μέγιστου χρόνου μετατροπής.
Επιπλέον, οι ευφυείς αισθητήρες θερμοκρασίας αναπτύσσονται από ένα μονό κανάλι σε κατεύθυνση πολλαπλών καναλιών, η οποία δημιουργεί καλές συνθήκες για την ανάπτυξη συστήματος μέτρησης και ελέγχου θερμοκρασίας πολλαπλών καναλιών.
(3) Τυποποίηση και τυποποίηση της τεχνολογίας διαύλου
Επί του παρόντος, η τεχνολογία του διαύλου αισθητήρα ευφυούς θερμοκρασίας έχει επίσης τυποποιηθεί και κανονικοποιηθεί, ο δίαυλος που χρησιμοποιείται είναι κυρίως λεωφορείο μονής σύρματος (Wire), λεωφορείο I 2 C, λεωφορείο SMBUS και λεωφορείο SPI.
(4) Σχεδιασμός αξιοπιστίας και ασφάλειας
Προκειμένου να αποφευχθεί η ψευδή δράση όταν το σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας υποβάλλεται σε παρεμβολές θορύβου, στην εσωτερική της κατανάλωσης των ευφυών αισθητήρων θερμοκρασίας, έχει ρυθμιστεί προγραμματιζόμενος μετρητής ουράς σφάλματος, αφιερωμένο στον καθορισμό του αριθμού των φορές που επιτρέπεται να υπερβαίνει η τιμή θερμοκρασίας τα ανώτερα και κάτω όρια. Η θύρα διακοπής μπορεί να ενεργοποιηθεί μόνο όταν ο αριθμός των φορές η μετρούμενη θερμοκρασία υπερβαίνει συνεχώς το ανώτερο όριο ή πέφτει κάτω από το κατώτερο όριο φθάνει στον καθορισμένο αριθμό φορές, γεγονός που αποφεύγει την επίδραση περιστασιακής παρεμβολής θορύβου στο σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας.
Προκειμένου να αποφευχθεί η βλάβη στο τσιπ λόγω της ανθρώπινης ηλεκτροστατικής εκκένωσης, ορισμένοι ευφυείς αισθητήρες θερμοκρασίας έχουν επίσης αυξήσει το κύκλωμα ηλεκτροστατικής προστασίας, μπορούν γενικά να αντέξουν 1 ~ 4 kV ηλεκτροστατικής τάσης εκφόρτισης.
Για παράδειγμα, η σειριακή διασύνδεση αισθητήρα ευφυούς θερμοκρασίας TCN75, οι εξόδους σήματος διακοπής/σύγκρισης και οι εισόδους διευθύνσεων μπορούν να αντέξουν 1 kV τάσης ηλεκτροστατικής εκφόρτισης. LM83 Ο ευφυής αισθητήρας θερμοκρασίας μπορεί να αντέξει 4 kV τάσης ηλεκτροστατικής εκκένωσης.
2.2 Αισθητήρες έξυπνης πίεσης
Οι ευφυείς αισθητήρες πίεσης είναι ένας συνδυασμός μικροεπεξεργαστών και αισθητήρων πίεσης, έτσι ώστε οι διαδρομές εφαρμογής τους να μπορούν να χωριστούν σε: μη ενσωματωμένους ευφυείς αισθητήρες πίεσης, ενσωματωμένους ευφυείς αισθητήρες πίεσης και υβριδικούς ευφυείς αισθητήρες πίεσης.
Οι μη ενσωματωμένοι αισθητήρες έξυπνης πίεσης είναι συστήματα έξυπνων αισθητήρων πίεσης που συνδυάζουν τους παραδοσιακούς αισθητήρες πίεσης, τα κυκλώματα προετοιμασίας σήματος και τους μικροεπεξεργαστές με διεπαφές ψηφιακού διαύλου σε ένα μόνο σύστημα.
Αυτός ο μη ενσωματωμένος αισθητήρας πίεσης είναι στην πραγματικότητα ένα συμβατικό σύστημα αισθητήρων πίεσης με πρόσθετη σύνδεση μικροεπεξεργαστή. Ως εκ τούτου, είναι ένας από τους ταχύτερους τρόπους και μέσα για να πραγματοποιηθεί ένα σύστημα έξυπνης πίεσης.
Ο ολοκληρωμένος ευφυής αισθητήρας πίεσης είναι μια μονολιθική ενσωμάτωση των ευαίσθητων σε πίεση στοιχεία με την επεξεργασία σήματος, τη βαθμονόμηση, την αντιστάθμιση, τον μικροελεγκτή, κλπ. Υιοθετεί κυρίως τεχνολογία μικροηλεκτρομηχανικού συστήματος (MEMS) και τεχνολογία μεγάλης κλίμακας ολοκληρωμένης διαδικασίας κυκλώματος και χρησιμοποιεί πυρίτιο ως υλικό βάσης ως βασικό υλικό Για να φτιάξετε τα ευαίσθητα στοιχεία, τα κυκλώματα ρύθμισης σήματος και τις μονάδες μικροεπεξεργαστή και τα ενσωματώνει σε ένα μόνο τσιπ.
Με την ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας μικροηλεκτρονικής και την εφαρμογή της μικρο-νανοτεχνολογίας, ο προκύπτων αισθητήρας έξυπνης πίεσης έχει τα χαρακτηριστικά της μικροσκοπικοποίησης, της δομικής ολοκλήρωσης, της υψηλής ακρίβειας, της πολλαπλής λειτουργίας, της συστοιχίας, της πλήρους ψηφιοποίησης, της εύκολης χρήσης, της εύχρηστης λειτουργίας και έτσι επί.
Ο υβριδικός ευφυής αισθητήρας πίεσης είναι ανάλογα με τις ανάγκες και τις δυνατότητες του συστήματος διαφόρων ολοκληρωμένων συνδέσεων, όπως ευαίσθητες μονάδες, κυκλώματα ρύθμισης σήματος, μονάδες μικροεπεξεργαστή, ψηφιακές διεπαφές λεωφορείων, σε διαφορετικούς συνδυασμούς που ενσωματώνονται σε 2 ~ 3 μάρκες και συσκευασμένες σε ένα κέλυφος .
Η υβριδική ολοκλήρωση για την επίτευξη νοημοσύνης είναι ένα ευφυές μονοπάτι που είναι κατάλληλο για την τρέχουσα τεχνολογική ανάπτυξη. Στο σύστημα ευφυούς αισθητήρων πίεσης, ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να πραγματοποιήσει τον έλεγχο του λογισμικού του αισθητήρα σύμφωνα με το δεδομένο πρόγραμμα, αλλάζοντας τον αισθητήρα από μία μόνο λειτουργία σε μια πολλαπλών λειτουργιών. Οι ευφυείς αισθητήρες πίεσης έχουν γενικά τις ακόλουθες βασικές λειτουργίες.
(1) Λειτουργίες επεξεργασίας δεδομένων.Οι ευφυείς αισθητήρες πίεσης όχι μόνο μετρούν τις μετρούμενες παραμέτρους, αλλά και σύμφωνα με τις γνωστές μετρούμενες παραμέτρους, μπορούν να μηδενιστούν αυτόματα, αυτόματα ισορροπημένες, αυτόματα αντισταθμισμένες και ούτω καθεξής.
(2) Αυτόματη διαγνωστική λειτουργία.Αυτή είναι η κύρια λειτουργία των ευφυών αισθητήρων πίεσης, των ευφυών αισθητήρων πίεσης μέσω του λογισμικού διάγνωσης σφαλμάτων και του λογισμικού αυτοεξυπηρέτησης, των αυτόματων αισθητήρων και της κατάστασης του συστήματος για τακτική και ακανόνιστη ανίχνευση, δοκιμές, έγκαιρη ανίχνευση βλαβών, για να βοηθήσουν στη διάγνωση της αιτίας της αποτυχίας, της τοποθεσίας και της δίωξης λειτουργικών συμβουλών.
(3) Λειτουργία διαμόρφωσης λογισμικού.Ευφυείς αισθητήρες πίεσης λόγω της χρήσης μικροεπεξεργαστών, έτσι ώστε να μην υπάρχουν μόνο τα απαραίτητα εξαρτήματα υλικού, όπως η ανίχνευση, η ενίσχυση, το A / D, το D / A, οι διεπαφές επικοινωνίας κ.λπ., αλλά και οι πόροι λογισμικού για τον έλεγχο και την επεξεργασία του δεδομένα. Στον έξυπνο αισθητήρα πίεσης, υπάρχει ένα πολυ-μοντελικό υλικό και λογισμικό που ρυθμίζεται έτσι ώστε ο χρήστης να μπορεί να στείλει εντολές μέσω του μικροεπεξεργαστή για να ολοκληρώσει διαφορετικές λειτουργίες, γεγονός που αυξάνει την ευελιξία και την αξιοπιστία του αισθητήρα.
2.3 Ευφυείς αδρανειακούς αισθητήρες
Οι αδρανειακοί αισθητήρες, ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος αισθητήρων MEMS, περιλαμβάνουν επιταχυνσιόμετρα, γυροσκόπια και αισθητήρες προσανατολισμού. Η τεχνολογία MEMS έχει το μοναδικό πλεονέκτημα των μικροσκοπικών αδρανειακών αισθητήρων και μειώνοντας το κόστος.
Οι σημερινές αδρανειακές μονάδες μέτρησης (IMUs) μπορούν να ενσωματώσουν ένα τριαξονικό επιταχυνσιόμετρο, το τριαξονικό γυροσκόπιο και το τριαξονικό μαγνητόμετρο σε μέγεθος 10 mm x 10 mm x 4 mm με κόστος μικρότερο από ένα δολάριο. Αυτή η μονάδα αδρανειακής μέτρησης μπορεί να εφαρμοστεί σε smartphones και φορητές συσκευές για την πραγματοποίηση λειτουργιών αθλητισμού και υγείας, συμπεριλαμβανομένης της παρακολούθησης βάδισης, της καταμέτρησης βημάτων, της ανίχνευσης πτώσης, της παρακολούθησης του ύπνου, της εσωτερικής πλοήγησης κλπ.