智能傳感器及其在體溫檢測中的應用

高文飛 臧傳治 吳金財

沈陽工業大學人工智能學院，遼寧沈陽 110870

0 前言

智能傳感器是一種集成化的信息感知檢測裝置，負責信息的采集、處理等工作。隨著5G 網絡技術的廣泛普及，傳感器數據信號傳輸作為現代信息化三大基礎之一，相較于傳統傳感器而言，增加了信息自動處理、自動交換等功能，從本質上使之更加精確地感知、傳遞監測信息，向數字智能化、網絡集成化方向延伸發展[1]。

隨著新興敏感元器件浪潮的掀起，其新鮮活力將不斷地注入科研生產，協助工業線運作體系轉型，使智能家居、無人駕駛、互聯萬物等場景由淺入深地步入普通人的生活范疇，深度感知后按標準信號形式輸出[2]。在信號采集、數據處理、信息交互、邏輯判斷等方面體現傳感器的智能特性，并實質性地說明了它在整個大數據物聯網時代網絡架構中占有主要價值地位，發揮其不可磨滅的成效，而傳感器的參數捕捉質量與使用壽命是設備的生產、器件加工所看重的性能評價指標，也是科研探究不可缺失的一面“鏡子”。

本文梳理其分類、結構特點、發展態勢、應用領域及功能作用等方面內容，并提出新型測溫傳感應用，一定程度上為相關領域學者提供學術參考依據。

1 智慧傳感器的發展歷程

智慧傳感器發展歷程大致歷經3 個階段，如圖1 所示。“智能傳感器”最初是由NASA 開發宇宙飛船時提出，并于1979 年制成初步產品[3]，憑借其高效價值和發展態勢，在不同領域得已廣泛普及，形成良好的經濟效益和社會效果。

后續，校方及政府各界將大力助推項目性能層面的技術科研探索，從以下途徑提升其性能：（1）結構材料特性的研發到選擇，保證元器件主要指標能達所屬環境、用戶的苛刻要求，針對其他場合再考慮是否放寬次要指標；（2）產生系統偏差時采用補償修正的方式，預測誤差變化規律，利用電子電路或軟件算法在傳感器內/外修正必要參數指標；（3）利用差動方式減小波動、抵消共模誤差，改善數據輸出的非線性問題，并提高感知靈敏度、穩定性；（4）提高傳感器的性能穩定，從應變材料、元器件和整體進行穩定性處理，減少誤差，保證穩定，做好內/外信號屏蔽隔離、噪聲抑制。

2 智能傳感器基本架構

國內外學者普遍認同微型計算機處理器是邁向智能化的核心之要，經軟件算法、控制定義策略、調節梳理機制等過程來優化調節數據處理效率和精度。智能傳感器的組成架構如圖2 所示。將傳感器與微計算處理器二者融合，搭配輔助電路、信息自處理校正技術后集成于嵌入式微處理芯片上，便是所謂的“智能傳感器”，具備部分智能化特性，而未來將迅猛發展的高新技術匯入其中，相信能對感知參量持續進行前/后精確計算、共享存儲、數理統計分析等一系列優化進程。

智能傳感器的優勢體現層面如圖3 所示。與傳統“sensor”相比，其價值優勢上更加全面，有代表性。智能傳感元器件比普通測量型儀器具有更好的測量性能和較長的使用壽命，經軟件算法削弱誤差干擾、數值分析、特征提取、殘值補償自動化進程、輸出線性化來提高對被測量參量的深層感知反饋和處理效率質量，能夠代替部分硬件實現信息處理任務。利用經濟成本低、體積質量小的MCU 強大數據記憶存儲處理能力，對數據進行周期性參數測量，獲取數據特征的新量值并能記錄最大/小量值，擴展其性能，提升功能，之后可用神經網絡技術消除交叉靈敏度的影響，提升參數測量過程中的高分辨力。

我國對于傳感特性的研究已邁入國際化，但在儀器顯示可靠性、產品感知分裝性、仿真設計貼合性、精密儀器加工性幾種方面仍具有較大差距[5]。未來，智能傳感器隨著材料特性研究加深不斷順應科技化發展大趨勢，將不斷衍生至物、化、生各個領域空間。傳感器分類標準與方法也不盡相同，常見的分類格式有按工作原理、輸入量、輸出量、被測量、能量關系分類的，但基本原理都是基于人的感官感受不斷實踐磨合，根據實際經驗提出來的。然而，根據所測試參量、監測環境等主觀因素外，盡可能地兼顧結構組成、易換度、是否易維修等因素來選擇合適的器件同樣是必要的。可參照圖4 所示的智能傳感器不同層次分類結構圖，結合感應原理、測量量程、靈敏度、響應特性來綜合選擇。

3 典型智能傳感器

3.1 光纖式

相較于傳統式，干涉型光纖傳感器以光為傳輸敏感介質，因載體光絕緣性好、抗電磁干擾強、屏蔽性好、靈敏度高，同時能在極端的測量環境下具備抗腐蝕、防爆、光路清晰等優勢，更改光波長、相角等主要參數能夠輕易感知外界參量，具備光纖傳感器和干涉測量的優點。常見的干涉型光纖傳感器有邁克爾遜光纖傳感器和馬赫-曾徳爾干涉型光纖傳感器[6]。

根據測量方式又分為多/單光纖光柵測量。原理：用2 段不同溫度系數和應變靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度應變傳感器，確定2 個光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度系數進行監測反饋。常見的光纖光柵型傳感器有應變感應器、水聽器、光纖陀螺儀，如表1 所示。軍事上常用于探測海底船只和航海導航[7]。

3.2 半導體式

半導體作為敏感元器件，由近百種物、化、生型材料融合制成，巧用半導體光譜、短點流比、波長、溫度等感知特性，特殊的結構能使元器件對溫度、波長、顏色、濕度等產生靈敏應變，具有敏感度好、響應快、構造簡單、質量輕、集成化等優勢，現已用于工業自動化、遙控感知、機器人、家電[8]、生態保護、生物醫療等領域，以及檢測物理、化學、生命類敏感被檢測參數中。半導體式傳感器典型類型如表2所示。

半導體和光纖傳感器可實時監測患者體溫，將數據傳輸到設備或系統，并使用人工智能算法分析數據，自動報警，避免漏掉重要信息，從而提高病床管理的智能化程度。多個測量點可獲得更準確的數據，與智能手環或穿戴設備結合，實現無縫監測和數據共享。分析數據有助于了解患者病情，調整治療方案，提高醫療效率，降低誤診率[9]。

3.3 醫療級溫度傳感器

目前，溫感可通過終端設備來監測被檢測對象溫度狀況，如：間接掌握病人體征，一定程度上減輕醫務人員壓力，減少出入病區頻次，降低感柒。這類溫感能夠涉及日常各個領域，協助老人或殘疾人士開展監測，給其日常生活帶來便捷。

3.3.1 熱電偶式

熱電偶感溫元件由2 種材料電導體構成回路，兩邊存有溫差回路便產生電流量，中間就產生熱電動勢；相反，異樣熱電偶形成異同的熱電動勢，但僅與熱電極材料相關，與熱電偶長短、孔徑不相干。熱電偶的種類確認后，其熱電動勢只與熱電偶工作端與冷端溫度差相關，該類傳感器具有感知精確、覆蓋面廣、測量平穩等優點。本文案例為實現體感測溫智能化，可使用微控制器和其他電子元件來對熱電偶傳感器進行自動校準和補償。此外，可將傳感器與計算機連接，以便對數據進行實時監測和分析。

3.3.2 熱電阻式

電阻式溫度傳感器（RTD）對溫度敏感。元件可采用纏線、薄膜等類型。一般由鉑、鎳或銅做成金屬探頭，利用恒流電源法、工作電壓比例法、電橋法，憑借電阻隨溫度而線性轉變的特性，依據測量電阻值實現溫度感知。醫學應用如：片狀熱敏電阻器測量表皮溫度。該類感應器具有價格低、反應靈敏、技術成熟、熱敏電阻器靈巧、體型小等優勢，為實現該設備智能化，可使用自動補償技術來消除由線路電阻和溫度梯度引起的誤差。此外，還可使用數字信號處理器（DSP）來提高傳感器的響應速度和精度[10]。

4 醫療級溫度傳感器的應用新場景

4.1 數據、信息融合

硬件配置分成系統采集和顯示。網絡移動式體溫監測流程如圖5 所示。采集設備用MTSO1 片狀混和式溫度傳感器測量處理芯片采集人體溫度值，經MH2103ACCT6 單片機芯片獲得采集數據（增強型，真隨機數，硬件加密算法單元，32 位核心的帶128K字節至256 K 字節閃存的微控制器、USB、CAN、17個定時器、3 個ADC、2 個DAC、15 個通信接口），并對其進行數據轉換、測算、存儲等操作，之后將規范信號傳導給Wi-Fi 模塊，根據無線網絡向數據協調器推送數據，后端系統根據STM32F103ZET6 無線網絡 Wi-Fi 模塊從局域網絡中接受信息數據，將數據輸送到眼控儀顯示端予以處理并顯示。

物間互融互合涉及載體單元分布式整合，多個傳感器聯合協作處理方式提高整體感知系統架構效率穩定程度，抑制少量元件伴有的局限性、不確定性、模糊性。為了在抽象層次水平上構建更高效率的檢測體系，實現高效率收集檢測量和被檢測物體信息量來削弱系統滋生的誤差，也將利用蟻群算法、專家系統、模糊技術、遺傳算法等成熟推理方法來不斷使抽象的數據利用規則來清晰化、線性化輸出，并融合神經網絡，憑借其強大的模型遞歸計算能力來預測感知數據的關聯程度等。

4.2 集成化、功能化

傳統醫療方式已無法達到現代康養要求。本文中所提出的體溫監測應用模式在提高醫療質量的同時還可進一步降低醫療成本費，搭配使用自主研發的視覺驅動智能康復護理床，能夠高效率、個性化地開展醫療監護。效果實現流程如圖6 所示，其選用傳感網絡互聯開展分布式部署，采集用戶體溫等主要參數，并即時上傳至監護中心云端備份紀錄日志，為醫務人員做出確診判斷及預測提供數據支撐[11]。

在主要參數設定時，需對一些指標值開展設定，如：設定護理床起背、落腿、側翻轉角度、速率、高度等，做到定位值全自動預警信息，降低突發狀況出現概率，與此同時，確保相關負責人第一時間獲取預警提醒。此外，人性化選控頁面設計對提升醫療質量有很大成效，可以讓用戶選控更為暖心應手。本文中所提出的傳感控制策略，旨在利用客戶視覺效果運動軌跡，完成開啟功能圖標驅使眼動儀機器設備運作，導出數據信號，操縱電機運作箱，最后更改康復治療床運作情況，完成左/右邊翻轉、起背、落腿、校準等相關作用。MTS01 混合高精密溫度傳感器則在存儲傳遞中能夠進行自動式檢測記錄，減少人為要素干擾，提升數據的可靠性。設備模型效果如圖7 所示。在本文提出的測控系統中，溫度測量傳感片狀體占有面積特別小，且置入原材料之中能夠充分確保用戶運作過程中的舒適安全性、效率可靠性，同時能源消耗較低，并將人體的體征數據保存到云端，支持導出打印，便于后期查看，具有很高的使用價值[12]。

5 智能化傳感技術發展方向

新原理、新材料、新技術應用的探索已愈發成熟，新特性、新構造、新應用也層出不窮，已經成為發展的主要轉向態勢。

5.1 智能化

智能化目標：不斷接近人的思維，根據經驗做出決策，預測結果發生，完成信息處理變換、數值分析、雙向通信、復合系統檢測、人機對話、軟件組合式測量等相關工作。現階段，將智能化傳感技術與電力電子技術結合的軟測量、神經網絡模型算法的AI 傳感產物已規模性交付使用，充分展現智能化的靈活穩定性、可靠性。

5.2 移動低功耗無源化

開發低功耗和便攜式產品是大勢所趨。本文所述的智能康養傳感設備能夠最大化利用材料資源適應環境，實現異地數據共享互聯。以互聯網為基礎，引入物聯網移動化，實現物-物間交換、通信，按照一定的協議來將體征數據傳遞顯示，實現智能化的識別瀏覽、管理感知、故障自我診斷[12]，使其操作流程不斷簡化、人性化。關鍵在于解決互聯網資源容量、通信能力、內存空間等限制和傳感元件的可維護、可擴展性。這也給未來設備與云計算服務、物聯網融合協作埋下了“種子”[6]。

5.3 材料新穎化

伴隨著小型化和集成化微機電生產加工技術的高速發展，為契合新環境要求，提升元件性能，材料技術開發是提升性能、效率、穩定性重要途徑，同時愈發彰顯新式敏感材料的技術性價值。半導體材料生產加工技術被加入到傳感器生產制造中，完成了工業化生產，為傳感器的微型化帶來了極為重要的技術支撐。有機材料、結構陶瓷、超導體、納米復合材料等已成為產品研發熱點[13]。

5.4 集成化的實現

高集成度、超小型、自補償能力強也是當前傳感器集成的主要發展方向。功能結構集成化產物日益流行，包括2 種形式：一是線形融合；二是多用途集成，即將數據處理、資料存放、雙向通信等功能集成。微處理器和接口電路融合，在實現自檢測、軟件自校準、數據通信等功能基礎上，引入硬件多維化和陣列化，軟件融入神經網絡、模糊技術、專家遺傳算法等，從而使其真正意義上具備高度智能，再經處理數據、目標檢測規劃、特征提取等處理進程來實現實時感知、辨識、記憶等功能特點。

6 結束語

智能醫療護理正處于跨界融合、加速創新、萬物智能的新態勢[14]。隨著物聯網等信息化浪潮的發展，高精度智慧傳感器與AI融合后的產物是大數據信息傳遞中的重要媒介階段，具備更好的市場發展前景和生命力，憑借發展基礎和自身物質特性（感知、記憶、互聯、控制），相信能夠不斷帶動智慧家電生產、智能城市制造、工業自動化、醫療器械、農業畜牧業、航空航天、軍工裝備、企業生產線等新舊行業崛起發展，其在相關領域占比情況如圖8 所示。

本文提出的視覺驅動的智能康復護理傳感機制與互聯網平臺終端間的連接，需實現物-物間的感應采集、標定自校準、監測分析、限定反饋、補償修正計算、顯示存儲、病床運作等核心環節操作。相信在未來，隨著對傳感電子元器件領域研發重視程度的加深，深度-神經網絡模型產物所占比重不斷拓寬，能夠持續優化數據的采集處理過程，降低誤差影響，精準迅速感知被測參量，提高檢測的效率質量。這也展現出智慧傳感器在科技化現代社會中將持續展現其功能和不可或缺的核心地位[15]。