前 言
《福布斯》雜志:當(dāng)前,甚至今后幾十年內(nèi),影響和改變著世界經(jīng)濟(jì)格局和人們生活方式的10大科技產(chǎn)品,傳感器列為10大科技產(chǎn)品之首,說明傳感器的春天已經(jīng)來臨!
物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要智能感知、識別和通訊等技術(shù)支撐,而感知的關(guān)鍵就是傳感器及相關(guān)技術(shù)。智能家居控制系統(tǒng)是“心臟”,而傳感器是整個(gè)控制系統(tǒng)的“脈絡(luò)”,掌握著整個(gè)系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”,傳感器技術(shù)的發(fā)展對于智能家居飛速發(fā)展的作用非同小可。
從產(chǎn)業(yè)鏈來看,傳感器上游主要為各種零部件等以支撐感知層;中游是以光傳輸、通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成的傳輸層;下游是應(yīng)用層,其中以物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的各項(xiàng)應(yīng)用為主,其中智能家居就是極其重要的板塊之一。
智能家居傳感器是家居中的“眼鼻耳”,因?yàn)橹悄芗揖邮紫入x不開對居住環(huán)境“人性化”的數(shù)據(jù)采集,也就是說把家居環(huán)境中的各種物理量、化學(xué)量、生物量轉(zhuǎn)化為可測量的電信號裝置與元件。
智能家居領(lǐng)域需要使用傳感器來測量、分析與控制系統(tǒng)設(shè)置,家中使用的智能設(shè)備涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環(huán)境監(jiān)測、安防感應(yīng)等傳感器等技術(shù)。
為精準(zhǔn)解讀國內(nèi)目前家庭范疇內(nèi)的智能傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀,《智能家居》雜志、數(shù)智網(wǎng)、智能頭條發(fā)起聯(lián)合編制《2019家庭智能傳感器白皮書》,旨在全面梳理家庭內(nèi)傳感器的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
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傳感器的技術(shù)應(yīng)用
01
環(huán)境類傳感器的技術(shù)應(yīng)用
(1)氣體傳感器的技術(shù)平臺
氣體傳感器的技術(shù)平臺包括:電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、半導(dǎo)體氣體傳感器、紅外氣體傳感器、光電離氣體傳感器,可以檢測甲醛、CO2、CO等有毒氣體,也可以檢測天然氣CH4等可燃?xì)怏w,同時(shí)還能檢測各種VOC等揮發(fā)性的有機(jī)物。
(2)甲醛傳感器
電化學(xué)平臺(傳感器正反電極電流大小與甲醛濃度呈正比關(guān)系)和半導(dǎo)體平臺(甲醛氣體附著在金屬氧化物表面,金屬氧化物的電阻變低,且電阻值的變化量與甲醛濃度有關(guān))。
(3)一氧化碳/煤氣傳感器
電化學(xué)平臺(傳感器正反電極電流大小與甲醛濃度呈正比關(guān)系)與半導(dǎo)體平臺(同甲醛傳感器,但是金屬氧化物的材料和工作溫度不同)。
(4)甲烷/天然氣傳感器
半導(dǎo)體平臺(同甲醛和一氧化碳)、催化燃燒平臺、紅外平臺(朗伯比爾定律)。
(5)二氧化碳傳感器
?紅外技術(shù)平臺(朗伯比爾定律)
?使用壽命長:>5年
?抗交叉干擾能力強(qiáng):通過紅外特征敏感元件排除干擾
?對氧氣沒有要求:在缺氧的環(huán)境下也能正常工作
?能夠測量高濃度氣體:能夠測量100%濃度的可燃?xì)怏w
?不會中毒:不受鉛化物、硫化物、硅類等影響
?校準(zhǔn)周期長:紅外氣體傳感器的漂移量很小,穩(wěn)定性好
?相比較于其他氣體傳感器,價(jià)格稍高
(6)VOC傳感器
VOC主要是指以苯類、烴類為主的揮發(fā)性有機(jī)物,VOC測量值是多種揮發(fā)性有機(jī)物的綜合反應(yīng)。
半導(dǎo)體技術(shù)平臺(VOC氣體附著在金屬氧化物表面,金屬氧化物的電阻變低,且電阻值的變化量與VOC濃度有關(guān))。
(7)空氣質(zhì)量傳感器
半導(dǎo)體技術(shù)平臺(空氣中的污染氣體附著在金屬氧化物表面,金屬氧化物的電阻變低,且電阻值的變化量與污染氣體濃度有關(guān))。
空氣質(zhì)量傳感器的金屬氧化物材料和工作溫度不同,這個(gè)傳感器的金屬氧化物選擇性差,對很多污染氣體(甲醛、苯、氨氣、香煙煙霧、香水)都有反應(yīng),并以此綜合反應(yīng)來表征空氣質(zhì)量)。
(8)異味傳感器
半導(dǎo)體技術(shù)平臺(環(huán)境中異味氣體如VOC、氨氣等,附著在金屬氧化物表面,金屬氧化物的電阻變低,且電阻值的變化量與異味氣體濃度有關(guān))。
異味傳感器的金屬氧化物材料和工作溫度不同,這個(gè)傳感器的金屬氧化物選擇性差,對VOC和氨氣等異味氣體均有反應(yīng),并以此綜合反應(yīng)來表征異味。
(9)PM2.5傳感器
紅外散射平臺(LED發(fā)射出光線遇顆粒物產(chǎn)生散射光,接收傳感器檢測到散射光的光強(qiáng),輸出信號,通過光強(qiáng)大小判斷顆粒物的濃度)。
激光散射平臺:激光器發(fā)射出光線遇顆粒物產(chǎn)生散射光,接收傳感器檢測到散射光的光強(qiáng),輸出信號,通過光強(qiáng)大小判斷顆粒物的濃度。
(10)煙霧傳感器
離子式技術(shù)平臺(利用電離室離子流的變化基本正比于進(jìn)入電離室的煙霧濃度來探測火災(zāi)的,考慮到放射源的回收和輻射等問題,國內(nèi)已經(jīng)不生產(chǎn)。)。
光電式技術(shù)平臺(沒有煙塵時(shí),紅外光源發(fā)出的紅外光無法被光敏元件接收,當(dāng)煙塵進(jìn)入氣室后,紅外光源的紅外光被煙塵粒子散射,散射光被光敏元件接收,散射光的強(qiáng)弱與煙的濃度呈正比;光電式是目前主流的技術(shù)平臺,相比于離子式,價(jià)格會稍微偏高。)
(11)溫度傳感器
(12)濕度傳感器
(13)照度傳感器
02
安防類傳感器的技術(shù)應(yīng)用
(1)人體移動感應(yīng)傳感器(PIR)
絕對零度以上的物體(包括人體),都在對外發(fā)射紅外線;濾波片用以濾掉不需要的波長,保留需要的波長;熱釋電效應(yīng):紅外線間歇地照射,表面溫度上升△T,晶體內(nèi)部的原子(電子&空穴)排列將產(chǎn)生變化,引起自發(fā)極化電荷,在上下電極之間產(chǎn)生電壓△U。
(2)人體存在感應(yīng)傳感器
絕對零度以上的物體(包括人體),都在對外發(fā)射紅外線;濾波片用以濾掉不需要的波長,保留需要的波長;熱電效應(yīng):紅外線照射(不管間歇照射,還是持續(xù)照射),表面溫度上升△T,傳感器電極之間產(chǎn)生電壓△U;靜止或者移動的人,都可以檢測出來。
(3)門磁傳感器
磁鐵離干簧管很近時(shí),由于磁鐵的磁力使得干簧管內(nèi)觸點(diǎn)斷開,電路處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)磁鐵離干簧管較遠(yuǎn)時(shí)甲烷模組,干簧管因沒有磁力作用,觸點(diǎn)閉合接通電路,蜂鳴器報(bào)警。
(4)水浸傳感器
接觸式水浸傳感器利用液體導(dǎo)電原理進(jìn)行檢測,正常時(shí)兩極探頭被空氣絕緣,在浸水狀態(tài)下探頭導(dǎo)通。
03
安防類傳感器的技術(shù)應(yīng)用
(1)硬件和算法
電化學(xué)傳感器輸出的信號非常微弱,對硬件設(shè)計(jì)提出很高的要求,避免外界對信號的干擾。
不同種類電化學(xué)傳感器的驅(qū)動電路差別很大,對硬件設(shè)計(jì)要求也非常高。
溫濕度對絕大部分傳感器的影響非常大,因此傳感器的溫濕度補(bǔ)償算法非常重要甲烷模組,大多數(shù)傳感器的輸出信號都是非線性的,因此線性補(bǔ)償算法也非常關(guān)鍵。
(2)標(biāo)定平臺
?標(biāo)氣制備
?標(biāo)定工裝
?標(biāo)定模型
?不同類別的傳感器
?標(biāo)定差異很大
04
通信技術(shù)
(1)目前主流的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:RF、Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、RS485等。
(2)協(xié)議優(yōu)勢
RF:沒有方向性,可以不“面對面”控制、距離遠(yuǎn),可達(dá)數(shù)十米。
Zigbee:主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。
Wi-Fi:更強(qiáng)的射頻信號、功耗更低、安全性高。
Bluetooth:低功率,便于電池供電設(shè)備工作;便宜,可以應(yīng)用到低成本設(shè)備上;同時(shí)管理數(shù)據(jù)和聲音傳輸;低延時(shí)。
LoRa:靈活、布設(shè)更快,成本更低,應(yīng)用場景多樣化。
NB-IoT:海量連接、深度覆蓋、成本低、超低功耗、穩(wěn)定可靠。
RS485:RS-485總線被應(yīng)用的非常廣泛。RS-485采用半雙工工作方式,支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和棘手高靈敏度的標(biāo)準(zhǔn),抗噪聲干擾性好。
(3)協(xié)議趨勢:目前家庭智能傳感器已經(jīng)可以同時(shí)支持多種通訊模式。
05
傳感器芯片
陀螺儀、MEMS、磁傳感器、電流傳感、電子羅盤、光電傳感、紅外傳感、霍爾傳感、集成模塊、熱敏傳感、位移傳感、溫度傳感、壓力傳感、觸摸屏控制、加速度傳感、氣體傳感、CIS(CMOS圖像傳感器)
06
傳感器模組
傳感器模組是傳感器經(jīng)過二次開發(fā)后可以存儲信號的傳感器,如紅外符合氣體傳感器模塊、顆粒物傳感器模塊、甲烷傳感器模塊、VOC傳感器模塊、異味傳感器模塊、空氣質(zhì)量傳感器模塊、一氧化碳傳感器模塊、甲醛傳感器模塊。
07
云計(jì)算
云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式甲烷模組,通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云計(jì)算支持用戶在任意位置使用終端獲取相應(yīng)的服務(wù),這樣就意味著用戶可以隨時(shí)隨地控制自己的家居。
智能家居其實(shí)就是一個(gè)家用小型的物聯(lián)網(wǎng),需要通過各類傳感器采集相關(guān)性信息,通過分析一氧化碳報(bào)警器,反饋實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能,而智能家居的穩(wěn)定性,可靠性,在很大程度上建立在良好的硬件條件基礎(chǔ)上,如果沒有容量足夠大的的存儲設(shè)備,將會造成信息難以存儲,甚至遺失。所以高性能的傳感器和大容量的云計(jì)算服務(wù)將極大的促進(jìn)智能家居的發(fā)展。
08
人工智能
傳感器是人工智能最基礎(chǔ)的硬件,類似于人類的感覺獲取器官。大量的傳感器即可實(shí)現(xiàn)“感知+控制”,而家庭自動化=感知+控制,這種層面的信息交互與人機(jī)交互,還多需人的參與。而人工智能將人類的邏輯大腦賦予機(jī)器,實(shí)現(xiàn)“感知+思考+執(zhí)行”,最終上升到這種層次。
深度結(jié)合下人工智能傳感器,例如家里的空調(diào)不單單依靠溫濕度傳感器進(jìn)行自我調(diào)節(jié),還可以通過家庭成員的識別來自動選擇模式,比如風(fēng)向的調(diào)節(jié),針對小孩、老人溫度的調(diào)節(jié)。這些新技術(shù)將帶來無限大的想象空間,再結(jié)合機(jī)器增強(qiáng)學(xué)習(xí)的算法,將提供深度體驗(yàn)。
傳感器的應(yīng)用場景
01
環(huán)境傳感器實(shí)現(xiàn)的智能化場景
?廚房安全監(jiān)控聯(lián)動
?空氣質(zhì)量監(jiān)控聯(lián)動
?衛(wèi)生間異味聯(lián)動
?濕度傳感器的聯(lián)動
濕度傳感器可以聯(lián)動烘干或者加濕器,從而提升智能家居的環(huán)境。可見,在智能家居中,通過濕度傳感器,可以實(shí)現(xiàn)對濕度的控制,從而避免家居的損壞或者對人體的皮膚造成損傷。
02
安防傳感器實(shí)現(xiàn)的智能化場景
?全屋安防監(jiān)控聯(lián)動
?門窗磁/智能門鎖場景聯(lián)動
門窗磁開關(guān)傳感器與智能門鎖結(jié)合,就可以完全判斷門的鎖定狀態(tài)氧氣報(bào)警器,智能門鎖可以判斷是否上鎖但無法判斷門是否關(guān)好,而門窗傳感器可以傳感門是否關(guān)好但無法判斷門是否上鎖,所以兩者結(jié)合,就可以更好的判斷門的狀態(tài)。
門窗磁還可以應(yīng)用在櫥柜、冰箱、保險(xiǎn)柜等開合處,避免窗戶忘關(guān)、小孩爬窗、小孩出門、保險(xiǎn)柜被盜等各種場景需求。
?人體移動/存在傳感器
觸發(fā)報(bào)警及各種需求場景。完成復(fù)雜的開店工作,大大節(jié)省了人工和時(shí)間成本。
2019年9月11日,第七屆國際物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)峰會——智能傳感與智慧生活創(chuàng)新應(yīng)用高峰論壇將于溫州·樂清天豪君瀾大酒店舉辦。
本屆國際物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)峰會繼前六屆國際物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)及應(yīng)用高峰論壇之后,由國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心、溫州市人民政府、德國傳感與測量技術(shù)專業(yè)協(xié)會等聯(lián)合有關(guān)單位舉辦的全球性物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)峰會。其中,智慧生活分論壇活動旨在推進(jìn)傳感技術(shù)在智能家居產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展,促進(jìn)國內(nèi)外傳感器技術(shù)應(yīng)用交流,創(chuàng)造生態(tài)合作契機(jī)。
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