物聯網(IoT)應用-無論是用于城市基礎設施，或者應用于工廠還是可穿戴設備的應用-都使用大量傳感器收集數據，并通過Internet傳輸到基于云。基于云計算機上運行的分析軟件處理這些數據，生成對用戶有意義的信息，并向現場的執行器發出命令。

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傳感器是物聯網的關鍵組成部分，傳感器不是簡單的將物理變量轉換為電信號，而是發展成為更復雜的產品，以在物聯網環境中發揮技術和經濟上可行的作用。

本文介紹了IoT應用對傳感器的要求-必須采取什么措施才能實現IoT的大型傳感器陣列的特性。然后，介紹了制造商如何通過改進制造，更多集成和內置智能來做出響應，最終介紹了廣泛使用的智能傳感器的概念。

顯而易見，傳感器智能不僅能促發物聯網更多的連，還提供預測性維護，更靈活的制造和更高的生產率相關等好處。

物聯網對傳感器的要求

傳統上，傳感器是功能簡單的設備，可將物理變量轉換為電信號或電特性的變化。盡管此功能是必不可少的起點，但傳感器需要增加以下屬性以用于IoT組件：

• 成本低，可以經濟地大量部署
• 體積小巧，可以方便的安裝在任何環境中
• 無線，更方便的連接
• 自我識別和自我驗證
• 極低的功率，無需更換電池即可存活數年，或通過能量收集進行管理
• 堅固耐用，可減少或消除維護
• 自我診斷和自我修復
• 自校準，或通過無線鏈接接受校準命令
• 數據預處理，以減少網關，PLC和云資源上的負載

多個傳感器的信息可以組合使用，通過組合信息獲得更有價值的信息;例如，溫度傳感器和振動傳感器數據可用于檢測機械故障的發生。在某些情況下，兩個傳感器功能可在一臺設備中使用。在其他情況下，功能通過軟件組合在一起以創建“軟”傳感器。

制造商：智能傳感器解決方案

本節從構建模塊和制造的角度分析為物聯網應用開發的智能傳感器，然后回顧了傳感器內置智能帶來的一些優勢，尤其是自我診斷的可能性和維修。

智能傳感器中有什么功能?

我們已經介紹了物聯網對智能傳感器的要求，但是業界對此有何反應?現代智能傳感器內置了什么功能?

智能傳感器是作為IoT組件構建的，可以將它們正在測量的真實世界變量轉換為數字數據流，以傳輸到網關。如圖顯示了他們如何做到這一點。應用算法由內置微處理器單元(MPU)執行。它們可以運行濾波，補償和任何其他特定于過程的信號調理任務。

智能傳感器構建塊

微處理器單元(MPU)的智能功能還可用于許多其他功能，以減輕IoT的更多中央資源的負擔。例如，可以將校準數據發送到MPU，以便針對任何生產變化自動設置傳感器。MPU還可以發現任何開始超出可接受標準的生產參數，并相應地產生警告。然后，操作員可以在災難性故障發生之前采取預防措施。

如果合適，傳感器可以在“例外報告”模式下工作，在該模式下，僅當測得的變量值與先前的樣本值有顯著變化時，傳感器才傳輸數據。這既減輕了中央計算資源的負擔，又降低了智能傳感器的電源需求-通常是一項關鍵優勢，因為傳感器必須在沒有連接電源的情況下依靠電池或能量收集。

如果智能傳感器的探頭中包含兩個元素，則可以內置傳感器自診斷功能。可以立即檢測到其中一個傳感器元素輸出中出現的漂移。此外，如果傳感器完全失效(例如由于短路)，則可以使用第二個測量元件繼續該過程。或者，探針可以包含兩個傳感器，這些傳感器可以一起工作以改善監視反饋。

智能傳感器：一個實際示例

德州儀器(TI)開發的應用程序提供了一個智能傳感器的實際示例，以及構建塊協同工作以從模擬電流和溫度測量中生成有用的信息，并為其他功能提供智能。該應用程序使用超低功耗MSP430 MCU系列的變體來構建用于配電網絡的智能故障指示器。

安裝后，故障指示器將通過提供有關網絡故障部分的信息來降低運營成本和服務中斷。同時，該設備可通過減少對危險故障診斷程序的需求來提高安全性并減少設備損壞。為了保證故障指示器的位置靈活性，主要由電池供電，因此也非常需要低功率運行。

故障指示器(安裝在架空電力線網絡的交界處)將有關輸電線路中溫度和電流的測量數據無線發送到安裝在電線桿上的集中器/終端單元。集中器使用GSM調制解調器將數據傳遞到蜂窩網絡，以將實時信息中繼到主站。主站還可以通過同一數據路徑控制并在故障指示器上運行診斷。

與主站的持續連接具有多個優點。首先是能夠遠程監視故障情況，而不是在現場進行搜索。智能故障指示器還可以不斷監視溫度和電流，以便主站的控制器具有有關配電網絡的實時狀態信息。電力運營商可以快速識別故障位置，最大程度地減少停電時間，甚至在發生故障之前采取措施。主站的工作人員可以按要求的時間間隔對故障指示器進行診斷，以檢查其是否正常工作。

圖2.基于MSP430 FRAM MCU的智能故障指示器的功能框圖

上圖是基于TI MSP430鐵電隨機存取存儲器(FRAM)微控制器(MCU)組成的智能故障指示器的功能框圖。電流傳感器產生與電力線電流成比例的模擬電壓。運算放大器(運放)放大并過濾該電壓信號。MCU上的模數轉換器(ADC)對運算放大器的輸出進行采樣。來自ADC的數字流然后由運行在CPU或加速器上的軟件進行分析。運算放大器輸出還連接到MCU上的比較器。如果輸入電平超出預定閾值，則比較器將向MCU中的中央處理單元(CPU)生成標志。

MSP430的計算能力允許進行頻域電流測量分析，比以前的時域方法更深入地了解電源線狀態。快速的FRAM讀寫速度支持模式分析的數據積累，而MCU的超低功耗工作模式則可以延長電池壽命。

制造

為了發揮物聯網的全部價值，傳感器制造方法必須繼續減少傳感器組件和系統的尺寸，重量，功耗和成本(SWaP-C)。傳感器包裝也需要采用同樣的趨勢，傳感器包裝目前占總成本和外形尺寸的80%。

當微機電系統(MEMS)傳感器元件與CMOS集成電路(IC)緊密集成時，就會形成智能傳感器。這些IC提供器件偏置，信號放大和其他信號處理功能。最初，所使用的晶圓級真空封裝(WLVP)技術僅包括離散傳感器設備，而智能傳感器是通過將離散MEMS芯片通過封裝或板基板通過IC芯片連接到IC芯片而實現的，這種方法稱為多芯片集成。一種改進的方法是在稱為片上系統(SoC)的結構中，直接互連CMOS IC和傳感器元件，而無需使用封裝或板上的布線層。與分立式多芯片封裝方法相比，SoC通常更復雜，但可減小占位面積，

智能傳感器智能的其他優勢

智能光電傳感器可以檢測物體結構中的圖案及其變化。這自動發生在傳感器中，而不發生在任何外部計算元件中。這增加了處理吞吐量，并減少了中央處理器(或本地PLC)的處理負荷。

制造靈活性得到了提高-在當今競爭激烈的環境中，這是至關重要的優勢。每次需要更換產品時，都可以使用合適的參數對智能傳感器進行遠程編程。甚至可以按批量生產價格為單個單位批量設置生產，檢驗，包裝和發貨，因此每個消費者都可以收到個性化的一次性產品。

線性位置傳感器的反饋傳統上一直受到與系統噪聲，信號衰減和響應動態有關的問題的困擾。每個傳感器都需要調整以克服這些問題。霍尼韋爾提供其SPS-L075-HALS智能位置傳感器的解決方案。這些可以通過使用ASIC和MR(磁阻)傳感器陣列的專利組合進行自校準。這樣可以準確可靠地確定附著在移動物體(例如電梯，閥門或機械)上的磁鐵的位置。

MR陣列測量沿磁體行進方向安裝的MR傳感器的輸出。輸出和MR傳感器序列確定最接近磁體位置中心的一對傳感器。然后，使用該對輸出確定它們之間的磁體位置。這種非接觸式技術可以提供更長的使用壽命和耐用性，并減少停機時間。自我診斷功能可以進一步減少停機時間。

這些傳感器還會滿足其他IoT智能傳感器要求。它們的小尺寸允許在空間有限的地方進行安裝，而IP67和IP69K密封選項允許在惡劣的環境中進行部署。它們足夠聰明，可以替換幾個傳感器和開關組件，以及以前也需要的額外接線，外部組件和連接。該傳感器用于航空航天，醫療和工業應用。

具有自我診斷和維修功能的智能傳感器

智能傳感器還可以非常適合對安全至關重要的應用，例如檢測有害氣體，火災或入侵者。在這些環境中的條件可能很惡劣，傳感器可能難以檢修或更換電池，但是高可靠性至關重要。南布列塔尼大學Lab-STICC研究中心的一個團隊正在開發一種解決方案，該解決方案通過使用可自我診斷和自我修復的雙探頭和硬件來提高可靠性。

他們項目的最終目標是將描述的所有元素集成到單個離散設備中，適用于諸如港口或倉庫等區域的有害氣體檢測等應用。該項目的重點是可以查明內部故障并采取糾正措施以提高可靠性和能效的節點。這樣可以減少節點的漏洞并降低維護成本。該設計認識到此類傳感器的局限性：電池自主性受限，能量收集受制于不可靠的能源行為，有限的處理和存儲資源以及對無線通信的需求。

無線傳感器節點的硬件配置

該節點配備了兩個傳感器。在正常操作期間，第一個捕獲環境數據，而第二個僅由用戶激活以驗證所獲取的數據。如果第一個傳感器發生故障，則節點的可靠性會降低，而電池電量會浪費在為無法正常工作的傳感器供電上。但是，如果節點斷開第一個傳感器的連接并切換到第二個傳感器，則不會浪費能量，并且可以保持節點的可靠性。

因此，該項目的目標是基于功能和物理測試開發一種新穎的自診斷功能，以檢測無線傳感器節點任何組件中的硬件故障。該方法可以準確地標識出哪個節點組件發生故障，并指示適當的補救措施。

圖3顯示了可自我重新配置的傳感器節點的硬件配置。它的組件包括處理器，RAM / FLASH存儲器，用于與環境連接的執行器和傳感器接口(IAS)，用于發送和接收數據的無線電收發器模塊(RTM)以及帶有電源開關的電池(DC-DC)轉換器)。該節點還包括與FPGA可配置區域結合的電源和可用性管理器(PAM)。第一個被認為是最佳利用能量，自動診斷和容錯的智能部分，而另一個則增強了傳感器節點的可用性。

自診斷傳感器節點的問題和糾正措施

圖中的表顯示了傳感器節點如何響應各種節點問題。該FPGA包含一個軟核8051 CPU，該軟核在需要提高性能時會激活，或者在出現故障時更換主處理器。FPGA是Actel IGL00V2型，因其可靠性和低功耗而被選擇。該節點的其余部分包括PIC處理器，RAM存儲器，Miwi無線電收發器模塊，兩個Oldham OLCT 80氣體檢測器，LM3100和MAX618電源開關以及一個電池。

結論

在本文中，我們看到了芯片制造商和研究人員如何響應物聯網對智能傳感器的需求。這在一定程度上是向基本換能器功能添加智能和通信功能的問題，但同時也涉及改進的制造。通過將MEMS傳感器元件和CMOS計算組件集成到單個基板上，智能傳感器可以以小型，低成本的封裝實現，該封裝可以嵌入到空間受限的應用中，并具有適應環境的能力。

因此，物聯網設計人員可以提供所需的傳感器-體積小，價格便宜，具有彈性和低功耗，足以無處不在地部署，同時具有智能功能，可以傳遞有用的信息和原始數據。它們還可以接受進來的命令進行重新校準以適應生產變化，因此還可以實現更靈活，更精細的自動化。