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万物传感时代来临 已“武装到牙齿”

未知 2019-07-16 10:53

  苹果新一代手机iPhone 6和智能手表的亮相,让全球众多苹果手机的追随者又有了一次彻夜排队的理由。赋予苹果手机越来越强大功能的,不仅是越来越强大的芯片,更重要的是手机上越来越多、越来越精良的传感器。

  数年前,当乔布斯拿着苹果手机晃一晃就可以让它有所反应的时候,手机的智能化时代真正开始了。几年后,手机从一种通讯工具变成了一个人们离不开的伙伴。

  让手机具备这样魔力的,是触摸屏、陀螺仪、加速度计等各式各样的传感器。

  触摸屏是一种电容触摸传感器。用于感受手机位置和运动的,是陀螺仪和加速感应器。当你接电话把耳朵贴到屏幕上时,让屏幕变暗并关闭触摸屏的是红外线接近传感器。根据环境光线强弱自动调节屏幕亮度的,是环境光传感器。当然,还有用于导航的指南针磁阻传感器,以及用光电传感器制作的摄像头。

  在9月9日的发布会上,最大的亮点还是苹果在传感器运用上的突破。iPhone 6手机增加了集合多种传感器的动作协感应器,可以用来测量海拔高度的气压传感器,可以实现指纹支付的近场通讯模块和指纹传感器。iWatch背后的四个环状传感器,原理是通过LED光照射到皮肤上形成反射,以此判断血管的运动、检测佩戴者的脉搏。

  不仅仅是手机,在汽车、家用电器、可穿戴设备上,以及工业自动化领域,越来越多的传感器成为机器的耳目。

  普通公众了解甚少的是,即将给人们生活方式带来更大变化的物联网,其最核心的基础技术也是传感器。有科学家预言,传感器将像人体的五官一样,在未来充满各个领域和空间。

  当下,随着物联网时代的开启,各式各样的传感器正成为无处不在的神经元,全球对于传感器的需求也开始呈现爆发性的增长。但是,在这一次盛宴开启的前夜,业界又遗憾地发现,中国似乎又落伍了。

  在德国的博世,美国的霍尼韦尔、飞思卡尔这些传感器巨头享受它们厚积薄发带来的收益时,中国企业如何从中分一杯羹?

  模仿人体五官

  传感器就好像是人的五官。中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣对财新记者说,人类在计算机的时代,解决了大脑的模拟问题,相当于用0和1实现了信息的数字化,利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代,开始模拟五官。

  传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器,功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成,能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说,是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。

  传感器的发展,最早是来自工业自动化的推动。

  出于提高效率的目的,工业生产开始由中央控制室控制各个生产节点上的参量,包括流量、物位、温度和压力四大参数,催生了传感器的发展。这个趋势从上世纪70年代开始,到现在也是传感器应用最多的一种形式。

  清华大学精密仪器系教授董永贵告诉财新记者,在传感器这一概念出现之前,早期的测量仪器中其实就有传感器,只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。所以,中国在1980年以前,介绍传感器的教科书叫做非电量的电测量。

  传感器概念的出现其实是测量仪器逐步走向模块化的结果。此后,传感器从整套仪器系统中独立出来,单独作为一个功能器件进行研究、生产、销售。

  根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器两大类。物理传感器应用的是物理效应,将被测信号量的微小变化转换成电信号,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

  化学传感器则是以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。近年来,出现了利用各种生物特性做成的生物型传感器,用以检测与识别生物体内化学成分。

  在董永贵看来,严格来说传感器不算是一个单纯的学科方向,因为各个学科都有研究传感器的。依据新发现的物理现象、化学效应制造的新的传感器,实际上是对别的专业基础研究成果的二次开发。

  他说,伴随电子电路技术的飞速发展,越来越多的测量问题集中到了传感器这一环节上。最终,传感器的性能决定了整套测量仪器的性能。这是传感器发展最重要的推动力。

  模拟人的五官,只是传感器的一个比较形象的说法。传感器技术发展相对成熟的,还是工业测量中经常用到的如力、加速度、压力、温度等物理量。对于真实人的感觉,包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉,从传感器的角度来看,大部分不是很成熟。

  视觉、听觉可认为是物理量,相对好一些,触觉就比较差一些,至于嗅觉及味觉,由于涉及到生物化学量的测量,工作机理比较复杂,远未达到技术成熟的阶段。他说。

  传感器的市场,其实是由应用推动的。比如,化学工业中,压力、流量传感器市场相当大;汽车工业中,转速、加速度等传感器市场非常大。基于微电子机械系统(MEMS)的加速度传感器现在技术较为成熟,对汽车工业的需求拉动功不可没。

  MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是指可批量制作的,集微型机械结构、微型传感器、微型执行器、通信等于一体的微型器件或系统。它体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高,适于批量化生产,易于集成和实现智能化,同时也能实现某些传统机械传感器所不能实现的功能。

  谷歌已经花费了五年的时间来研发无人驾驶汽车。这些汽车上已经没有了加速踏板、刹车踏板和后视镜,而是通过内部的传感器和车载电脑来控制汽车的运行。

  在各类传感器的帮助下,过去属于人与人之间的互联网,延伸和扩展到了任何物品与物品之间。

  1999年,在美国召开的移动计算和网络国际会议就提出,传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇;2003年,美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

  2005年国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》。该报告指出,无所不在的物联网通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术(RFID)、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。

  美国权威咨询机构FORRESTER预测,到2020年,世界上物物互联的业务,跟人与人通信的业务相比,将达到30比1,因此,物联网被称为是下一个万亿级的通信业务。

  以前是我们找客户去推荐M2M(机器对机器)业务,现在是客户来找我们,是否能够提供合适的解决方案。美国电话电报公司(ATT)商业解决方案M2M业务开发部门业务总监肖恩霍兰(Sean Horan)告诉财新记者。

  M2M就是把物与物联系起来,以达到人与物、物与物的实时交流,是物联网的最直接实现方式。

  M2M技术,可以在运输过程中确保昂贵货物的安全,可以为运输中的冷藏货柜监测位置和温度,可以远程诊断发动机的状态,车主还可以实时接受导航和交通信息。

  根据ATT的评估,到2020年,全球M2M的连接数量将达到500亿。实际上,随着M2M解决方案的日渐成熟,通信、传感设备成本的下降,物联网将逐步渗入各个行业。

  汽车、机械、大型设备等机器的全球互联,利用新的分析技术和商业智能解决方案,可以从海量数据中抽取出更多有价值的信息,也可以为客户提供更多的增值服务。

  物联网最核心、最基础的就是传感器。中国物联网研究发展中心主任叶甜春对财新记者说,没有传感器就没有办法让机器自动感知信息。正是因为有了传感器加入网络,物联网的概念才被提出来。

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