傳感器為什么對(duì)物聯(lián)網(wǎng)如此重要？

人們借助于眼、耳、口、鼻等感覺(jué)器官來(lái)從外界獲取信息，但是在研究自然現(xiàn)象和生產(chǎn)活動(dòng)中，單靠人們自身感官的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。物聯(lián)網(wǎng)傳感器正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，可以說(shuō)，傳感器是人類(lèi)五官的延長(zhǎng)，又被稱(chēng)之為“電五官”。

新技術(shù)革命的到來(lái)，使得世界正在從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)向萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代過(guò)渡，彼時(shí)，不光人與人，人與物、物與物之間都能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，由此產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)將會(huì)徹底改變?nèi)藗兊纳?，甚至重塑整個(gè)商業(yè)社會(huì)。而這其中，以傳感器為核心的傳感技術(shù)是數(shù)據(jù)采集的入口，是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，是所有系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)信息的唯一方式和手段，也是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)與核心。

從物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)來(lái)看，感知層位于通信層、平臺(tái)層和應(yīng)用層的底部，也就是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)金字塔的奠基，如果沒(méi)法準(zhǔn)確可靠的從物理實(shí)體中獲得數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)異于空中樓閣。

目前，物聯(lián)網(wǎng)傳感器已經(jīng)滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植、商業(yè)服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域，從智慧城市到智能制造，從智慧醫(yī)療到智能家居，傳感器早已無(wú)處不在。

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，人們獲取農(nóng)田信息的方式很有限，主要是通過(guò)人工測(cè)量，不但不夠及時(shí)、精確，還會(huì)消耗大量的人力。例如，人們從很早就注意到了二氧化碳濃度、溫濕度對(duì)食用菌等溫室作物生長(zhǎng)的影響，但基本沿用老辦法，讓工作人員每天去每個(gè)大棚里用檢測(cè)儀檢測(cè)二氧化碳濃度，然后開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，打開(kāi)側(cè)窗、天窗。但是現(xiàn)在，通過(guò)使用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以有效快速獲取精確的作物環(huán)境和作物信息，如果能進(jìn)一步將系統(tǒng)與天窗、風(fēng)機(jī)等產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，將大大節(jié)省人力，提高效率。此外，在監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變化、畜禽舍環(huán)境狀況以及大面積的地表檢測(cè)等方面，傳感技術(shù)正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

在工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)傳感器技術(shù)已成為各工業(yè)企業(yè)在高新技術(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2020年工業(yè)傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)308億。自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，傳感器更是必不可缺的基礎(chǔ)元器件，制造商要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，保障產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。而且如果能進(jìn)一步將傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)結(jié)合，還可能在設(shè)備出現(xiàn)故障之前就提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，這即是所謂的“預(yù)測(cè)性維護(hù)”，由此，制造商可以從被動(dòng)服務(wù)變成主動(dòng)服務(wù)，并由此開(kāi)拓以服務(wù)為中心的新商業(yè)模式。

在智能家居等商業(yè)領(lǐng)域，傳感器同樣發(fā)揮著巨大的作用。理想情況下，智能互聯(lián)的家居應(yīng)該能夠想人們所想，感人們所感，不用人們手動(dòng)操控就自己做出一些明智決策。比如，熱紅外傳感器可以檢測(cè)到人體的存在，當(dāng)我們?cè)诳措娨暤臅r(shí)候，離開(kāi)電視機(jī)三分鐘后，傳感器檢測(cè)不到人體了，電視機(jī)就自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，再過(guò)兩分鐘要還沒(méi)有人，就可以自動(dòng)關(guān)機(jī)了。同理，傳感器也可以在智能空調(diào)中起到作用，它能判斷人在屋內(nèi)的位置，并把空調(diào)的風(fēng)向轉(zhuǎn)向相應(yīng)的對(duì)象。家庭安防也離不開(kāi)傳感器，在家里安裝一個(gè)超聲波傳感器后，一旦有人進(jìn)來(lái)，整個(gè)超聲波波形發(fā)生改變，接受器就會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

“物聯(lián)天下、傳感先行”已經(jīng)成為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的普遍共識(shí)。隨著物聯(lián)網(wǎng)向各個(gè)垂直行業(yè)進(jìn)一步深入拓展，傳感器行業(yè)將隨之被引爆。萬(wàn)億級(jí)別的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模意味著傳感器市場(chǎng)的巨大前景，這對(duì)村田制作所這樣的公司來(lái)說(shuō)，即是機(jī)遇，亦是挑戰(zhàn)。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)傳感器的發(fā)展要求

從19世紀(jì)60年代誕生至今，傳感器的歷史已經(jīng)有150余年了，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，手機(jī)的普及促進(jìn)了傳感器的極大發(fā)展，但也決定了很多類(lèi)型的傳感器是專(zhuān)為手機(jī)而設(shè)計(jì)的。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的“物”在對(duì)傳感和連接的需求上與手機(jī)有很大的差別，所以也對(duì)傳感技術(shù)提出了更多、更高的要求?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，傳感器在朝著高精度、小型化、低功耗、智能化等方向進(jìn)化。

1高精度、高質(zhì)量

如果傳感器收集的數(shù)據(jù)信息出錯(cuò)，那么相當(dāng)于從源頭上出錯(cuò)，后面一切數(shù)據(jù)的傳輸、分析、應(yīng)用也就沒(méi)了意義，所以傳感器的精度和質(zhì)量是保障物聯(lián)網(wǎng)愿景的一道重要基線。想象一下，如果一輛智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)傳感器的精度和質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，這就意味著在意外情況發(fā)生的那幾毫秒內(nèi)系統(tǒng)無(wú)法做出正確決策，從而嚴(yán)重威脅駕駛員的安全。

而村田可靠的元器件和解決方案，則可以在車(chē)輛網(wǎng)時(shí)代為司機(jī)提供更加安心的駕駛體驗(yàn)。全中國(guó)超過(guò)百分之七十的汽車(chē)都采用了村田的超聲波傳感器，這些超聲波傳感器主要用在測(cè)距，它可以精確的探測(cè)到目標(biāo)與設(shè)備之間的距離，實(shí)時(shí)反饋信號(hào)，防止意外的發(fā)生。

2小型化

隨著以智能手機(jī)為中心的移動(dòng)設(shè)備向多功能、高性能化發(fā)展，要求電路板內(nèi)的部件數(shù)量更多、體積更小。因此，傳感器正在逐漸采用集成化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高性能化和小型化。集成溫度傳感器、集成壓力傳感器等早已被廣泛使用，今后將有更多集成傳感器被開(kāi)發(fā)出來(lái)。

博世曾經(jīng)推出過(guò)一款緊湊型9軸運(yùn)動(dòng)傳感器BMX160，這款全新傳感器安裝于緊湊的2.5 x 3.0 x 0.95 mm3封裝中，是行業(yè)內(nèi)最小型的9軸運(yùn)動(dòng)傳感器，適合廣泛的應(yīng)用，如智能手機(jī)、智能腕表、健身跟蹤器、智能首飾，例如戒指、項(xiàng)鏈，以及增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

村田制作所也推出過(guò)一款A(yù)MR傳感器，能夠幫助客戶(hù)大大騰出有效空間。該傳感器是一種利用根據(jù)從特定方向來(lái)的磁場(chǎng)的強(qiáng)度所產(chǎn)生磁阻值變化制成的磁傳感器，主要應(yīng)用于手機(jī)和筆記本電腦、檢測(cè)冰箱和門(mén)的開(kāi)閉，以及檢測(cè)智能儀表的旋轉(zhuǎn)燈方面。目前，為了檢測(cè)立體空間的磁場(chǎng)必須組合復(fù)數(shù)（3~6個(gè)）磁傳感器，而村田制作所通過(guò)和日本電氣株式會(huì)社(NEC)的技術(shù)結(jié)合，成功的完成了360度全方位同感度磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器的開(kāi)發(fā)，在同樣情況下，只要一個(gè)就能起到組合磁傳感器相同的作用。

3低功耗

手機(jī)上的微博、微信、視頻、游戲，都是電量消耗的大戶(hù)，我們也早已習(xí)慣了每天充電、出遠(yuǎn)門(mén)充電寶不離身的日子，但你能想象假如煙霧報(bào)警器、智能攝像頭等互聯(lián)設(shè)備也需要天天調(diào)換電池會(huì)是怎樣一種蹩腳的情景嗎？和手機(jī)不同，很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備地處人們不常接觸的區(qū)域，所以對(duì)功耗有極致的要求，從而決定了傳感器的功耗也要很低，否則運(yùn)營(yíng)成本太高。

眾所周知，氣壓傳感器普遍具有易受環(huán)境溫度影響，導(dǎo)致氣壓數(shù)據(jù)漂移的問(wèn)題。鑒于此，村田推出了一款高精度、低功耗、高溫度穩(wěn)定性的氣壓傳感器；結(jié)合靜電容量型MEMS技術(shù)，大大改良了新型氣壓傳感器對(duì)溫度漂移的性能，使其幾乎完全可以不受到影響的情況下取得正確的數(shù)據(jù)；另一方面提升了新型傳感器的降低其噪聲水平（0.5Parms），充分實(shí)現(xiàn)其高精度數(shù)據(jù)檢測(cè)；同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了“低功耗”，通過(guò)采用靜電容量型，可以為裝載設(shè)備的節(jié)能作出貢獻(xiàn)。

博世最新推出的BMA400則是一款專(zhuān)門(mén)用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的超低功耗加速度傳感器。它所需耗電量?jī)H為現(xiàn)有加速度計(jì)的十分之一，并能提供穩(wěn)定且高性能的服務(wù)。其大幅降低的功率需求顯著提高了電池使用壽命，尤其是對(duì)于那些使用鈕扣電池供電的設(shè)備。憑借其步進(jìn)式計(jì)數(shù)器僅4μA的超低耗電量，和其智能電源管理功能（如內(nèi)置活動(dòng)識(shí)別），能前所未有延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備（如健身帶、智能服裝、腕表和活動(dòng)追蹤器）所配電池的使用壽命。

4智能化

隨著互聯(lián)設(shè)備的激增，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，中心化的云端已經(jīng)“不堪重負(fù)”，更重要的是，對(duì)于智能制造或智慧交通等應(yīng)用場(chǎng)景，云端分析的延遲會(huì)使數(shù)據(jù)價(jià)值呈現(xiàn)“斷崖式”下跌，于是，邊緣智能開(kāi)始興起。

傳感器是很好的邊緣節(jié)點(diǎn)，用嵌入式技術(shù)將傳感器與微處理器集成為一體，使其成為具有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、智能控制與數(shù)據(jù)通信功能的智能數(shù)據(jù)終端設(shè)備，這就是所謂的智能傳感器。這種傳感器具有自學(xué)習(xí)、自診斷和自補(bǔ)償能力、復(fù)合感知能力以及靈活的通信能力。這樣，傳感器在感知物理世界的時(shí)候反饋給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)就會(huì)更準(zhǔn)確，更全面，達(dá)到精確感知的目的。

傳感器和無(wú)線通信技術(shù)的結(jié)合

傳感器采集到的數(shù)據(jù)之后該怎么辦？當(dāng)然是要進(jìn)一步將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)，進(jìn)行分析和應(yīng)用，這其中，通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓艿馈３藗鞲衅?，在無(wú)線通信領(lǐng)域村田也有很多產(chǎn)品，比如村田2.4GHz的通訊模塊早已在各行各業(yè)扮演著舉足輕重的角色，從手機(jī)內(nèi)的Wi-Fi模塊，到汽車(chē)內(nèi)使用的藍(lán)牙模塊，再到智能家居涉及到的ZigBee模塊，村田將傳感器和無(wú)線通信結(jié)合起來(lái)，為客戶(hù)提供場(chǎng)景化的整體解決方案。

但傳統(tǒng)的廣域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接解決方案（2G GSM/3G WCDMA/4G LTE）對(duì)很多現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)用例來(lái)說(shuō)都是“殺雞用了宰牛刀”，一個(gè)井蓋或一個(gè)水表并不需要每天發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，它們需要的是適合于它們的物聯(lián)網(wǎng)連接，這就是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）近年來(lái)如此蓬勃發(fā)展的主要原因。

LPWAN領(lǐng)域最重要的兩種技術(shù)莫過(guò)于基于授權(quán)頻譜的NB-IoT和基于非授權(quán)頻譜的LoRa，這些技術(shù)具有低功耗、廣覆蓋、大連接、低帶寬、低成本的典型特點(diǎn)，特別適合包括抄表、停車(chē)在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景。

村田對(duì)LPWAN市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)十分重視，并在該領(lǐng)域搶得先機(jī)。

例如在我國(guó)中西部地區(qū)，畜牧業(yè)發(fā)達(dá)，但由于地廣人稀，很難對(duì)牛羊等畜牧資產(chǎn)進(jìn)行有效的管理。傳統(tǒng)的方法是依靠人力進(jìn)行牛羊管理，其弊端十分明顯：需要非常有經(jīng)驗(yàn)的人才可以進(jìn)行畜牧管理，另外牛羊等畜牧資產(chǎn)的丟失也是目前十分棘手的問(wèn)題，LoRa技術(shù)的出現(xiàn)則可以大大改善目前的情況。當(dāng)用戶(hù)使用了裝載有村田L(fēng)oRa模塊的定位器之后，就可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的畜牧管理，不用擔(dān)心畜牧資產(chǎn)的丟失，不僅提高了可靠性，也大大降低了人力成本，同時(shí)配合其低功耗的特點(diǎn)，可以長(zhǎng)時(shí)間使用，降低成本及維護(hù)費(fèi)用。

圖：村田L(fēng)oRa模塊

緊跟技術(shù)潮流，定位市場(chǎng)痛點(diǎn)是村田一直以來(lái)努力的方向。未來(lái)，村田將在先進(jìn)的傳感器及無(wú)線通信領(lǐng)域繼續(xù)不斷創(chuàng)新，全力支持中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。