面向物聯網的組合式傳感器關鍵技術研究及應用

徐榮+劉克禮+劉輝

摘 要：物聯網的產生使物與物之間的通信交流得以實現，但是其自身也存在著發展的局限性，其中傳感器技術是關乎物聯網應用推廣的關鍵。本文通過深入研究組合式傳感器的原理，選用具備獨特優勢的傳感材料優勢互補地進行組合設計，得到了兼具多種特性、更好性能的組合式溫度傳感器，通過驗證說明了其實用價值。

關鍵詞：物聯網；組合式傳感器；關鍵技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.226

在新一代的信息技術發展過程中，物聯網技術發展迅速，世界各國紛紛采取行動開展這項技術研究，以求帶動經濟社會各領域的發展。物聯網是一種融合發展的技術，是在原有基礎上的提升、匯總和融合。物聯網行業的發展迫切需要提升獲取數據的可靠性和精準度，而感知技術是攝取物理信息的關鍵。傳感器技術是生產生活領域中數據信息的主要獲取途徑，市場對新型傳感器的需求旺盛，所以可以以此項技術為突破口，實現物聯網的進階發展和普及使用。

1 物聯網技術概述

1.1 物聯網技術

物聯網技術來源于互聯網技術，是互聯網的應用和拓展，是當今信息化時代發展階段中的新一代信息技術的重要組成部分[1]。它可以收集任何所需的信息，并與互聯網結合運行，任何物品之間都可以通過物聯網進行信息的交換和交流。物聯網是一項綜合性的技術，不僅能夠解決生活生產各領域所遇到的問題，同時與大數據的結合可實現數據的可視化，帶來新的實用價值。因此，在物聯網應用拓展方面進行實踐創新將會是推動物聯網技術和社會各領域發展的重要方向。

1.2 物聯網優勢和效益

物聯網技術發展不僅順應了信息化時代發展的潮流，還能夠推動當前社會的進步和發展，帶來巨大的經濟效益。在現實生活中，它的影響是十分顯著的，優化了人們的生活方式，使人們生活更加便捷，實現了生活智能化、安全化、舒適化、節能化、科技化等。同時物聯網還影響著不同行業的進步發展，優化各領域的監控管理體系，提供給社會一個較好的發展環境。在經濟效益方面，各國政府都將物聯網技術作為拯救實體經濟的重要解決途徑，是互聯網時代后最有希望開創新時代的新興技術。

2 傳感器技術概述

傳感器是能感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器可以通過改良實現物聯網應用拓展的創新，以幫助實現信息的數字化、智能化、系統化和網絡化等[2]。在傳感器的使用中，需要達到比較優良的控制性能，使傳感器能夠感測到被測量信息的變化并進行輸出和顯示，因此在應用中精準選擇傳感器的基本性能就尤為重要。

2.1 單一傳感器優缺點

以溫度傳感器為例，不同的溫度傳感器有不同的優點，適用于不同的應用領域，但是利用單一敏感材料的溫度傳感器想同時獲得既快速穩定又精準度高的測量結果會有很大的困難。溫度是動態變化的，如果只使用某一種敏感材料的溫度傳感器在實際應用中很難達到最佳測量效果，將會影響到物聯網的普及應用。

2.2 組合式傳感器優缺點

將具有不同功能、不同材質的傳感器進行搭配，按照其優缺點進行互補組合后形成的傳感器同時使用多種傳感材料同步測量、處理同一參數，充分挖掘每一個傳感器的優點，均衡測量的穩定性與快速性、靈敏性與線性，可輸出更好的測量結果，提高輸入和輸出的可靠性[3] 。例如將穩定性較好但靈敏度較低的傳感材料與靈敏度較高、反應迅速但穩定性不好的材料進行組合，便能得到一種兼備靈敏度高、反應速度快、穩定性好等多種特性的組合式溫度傳感器。

3 組合式傳感器研究設計

物聯網技術的發展迫切需要提高接入數據的可靠性和準確性，而傳感器則是采集數據信息的主要途徑，所以通過傳感器獲得精確的所需信息是急需解決的問題。優勢互補的組合式的溫度傳感器便能實現信息輸入輸出的可靠性。在組合式溫度傳感器的設計中，為了使溫度傳感器具有較好的穩定性、線性、響應特性，選擇將鉑材料電阻與半導體材料電阻來組合。

鉑電阻是利用電阻率隨溫度變化而變化熱電阻效應制作而成的，鉑電阻穩定性好、準確度高、測溫范圍廣、線性度好；半導體材料是近些年來的發展迅速的一類材料，利用半導體材料制作的熱敏電阻溫度傳感器擁有較高的靈敏度，較寬測量范圍，較小的體積，但溫度漂移嚴重。如果將兩者融合在一起形成優勢互補，將大大拓展溫度傳感器的測量范圍，為物聯網技術服務的拓展提供數據支持。

3.1 組合式傳感器的基本工作原理

傳感器在控制系統中作為信息感測環節，需要將被測量的變化量轉換為電量，它的靜態特性和動態特性都十分關鍵，組合傳感器利用不同傳感材料同時測量某一參數，可很好的利用每個傳感材料的特性，均衡測量所需的動、靜態參數，其基本工作原理圖如3-1所示：

3.2 組合式傳感器的設計

本文以組合式的溫度傳感器設計為例，為獲得更好的靜、動態特性，選用鉑材料和半導體熱敏材料來設計該傳感器，將采集的數據輸入單片機處理器利用聯邦卡爾曼算法對數據進行處理，傳感器結構如圖3-2所示。

4 面向物聯網的組合式傳感器的應用

當前，傳感器技術發展滯后嚴重制約著國內物聯網應用技術的發展。基于物聯網技術，對傳感器進行創新性研究和設計，探索傳感器的集成化、多功能化、智能化，利用兩種或多種傳感材料進行組合設計優勢互補，從而獲得更加精準的測量結果。

本文的傳感器驗證系統主要包括2個溫度傳感器、1個路由器、1個傳感器信息接收模塊及上位機。傳感器節點A為熱敏材料傳感器，傳感器節點B為鉑材料傳感器，主要進行數據采集，將所采集的數據轉換為溫度值上傳至路由節點，然后由路由器傳輸到數據接收模塊，傳輸至上位機通過卡爾曼算法進行優化處理，方便顯示、記錄、存儲。組合式溫度傳感器系統的工作流程如下：（1）打開相關數據接收點，搭建并開啟系統的傳輸網絡，打開電腦端的數據采集軟件，（2）開啟溫度傳感器，將溫度傳感器數據采集點加入網絡，開啟路由器節點，并將路由器也加入網絡。傳感器對數據進行AD采集，并將所采集的數據轉換為溫度值，然后將數據傳向接收模塊。（3）數據接收模塊在接到數據后，利用串口將數據發送到上位機，電腦端對所得到數據處理并分析，將當前的溫度顯示出來并存入數據庫。組合式傳感器系統的體系結構如圖 4-1所示。

經過對系統的測試，組合式溫度傳感器在驗證過程中基本實現了預期的功能，系統可以實時的采集并顯示所預測到的溫度值，同時在上位機軟件界面設置了異常報警功能。

5 總結與展望

在信息爆炸的時代，數據的規模越來越大，如何快速獲得精確有效的數據顯得尤為重要。傳感器負責物聯網的信息采集和匯聚，傳感器技術的發展直接決定物聯網技術應用的推廣領域范圍和深度。目前，傳感器技術的發展主要有以下幾個方面的趨勢：探索開發具有新效應的敏感功能材料，研制出基于新原理的傳感器；研究生物感官，開發仿生傳感器；探索傳感器的集成化和多功能化，在同一芯片上集成多個傳感器形成一維線型或二維陣列型傳感器。本文通過對組合傳感器基本工作原理的分析，確定了各傳感器的不同特性，以溫度傳感器為例，確定了鉑材料和熱敏材料作為組合式傳感器的兩種材料，完成了傳感器設計和系統測試。組合式溫度傳感器在驗證過程中基本實現了預期的功能，系統可以通過所搭建的網絡傳輸系統實時的采集并顯示所預測到的溫度值。

在越來越多的同類型的、不同類型的原始檢測數據被采集的背景下，結合多傳感器組合技術就能得到更加真實準確的測量結果。以組合傳感器的方式對物聯網的關鍵技術進行創新性地改良和設計，不僅可以滿足物聯網對大規模信息處理的要求，還能推動實現物聯網的大規模普及和廣泛適用。在未來，物聯網技術和多種傳感器組合技術的結合有著廣闊的發展前景，對基于物聯網的組合式傳感器的關鍵技術的研究和設計具有非常實用的價值和意義。

參考文獻：

[1]胡素青.崛起中的物聯網[J].金融科技時代，2012（07）：31-34.

[2]阮禮鵬.傳感器技術研究現狀與展望[J].科學與財富，2015（22）：144-145.

[3]周艷平，丁紀祥等.一種基于Kalman濾波算法的組合式溫度傳感器的研究[J].工業儀表與自動化裝置，2016（05）：109-112，120.

作者簡介：徐榮（1984-）女，安徽宿松人，碩士，講師，研究方向：傳感器及測控技術。