物联网(IoT)应用程序——无论是用于城市基础设施，还是应用于工厂或可穿戴设备——使用大量传感器来收集数据并通过互联网将其传输到云端。在基于云的计算机上运行的分析软件处理这些数据，生成对用户有意义的信息，并向现场执行器发出命令。传感器是物联网的关键组成部分。传感器不是简单地将物理变量转换为电信号，而是演变成更复杂的产品，以在物联网环境中发挥技术和经济上可行的作用。本文描述了物联网应用的传感器需求——实现物联网大型传感器阵列的特性必须做些什么。然后，它描述了制造商如何通过改进制造、更多集成和内置智能来应对，最终形成了广泛使用的智能传感器的概念。很明显，传感器智能不仅可以实现更多连接的物联网，还可以提供与预测性维护、更灵活的制造和更高的生产率相关的好处。物联网对传感器的要求传统上，传感器是简单的功能设备，可将物理变量转换为电信号或电气特性的变化。虽然此功能是一个重要的起点，但传感器需要为IoT组件添加以下属性：低成本、可经济地大量部署体积小、易于安装在任何环境中无线、更易于连接自我识别和自我验证极低的功耗可在不更换电池或通过能量收集进行管理的情况下存活数年坚固耐用，可减少或消除维护自诊断和自愈自校准，或通过无线链路接受校准命令云资源可以将来自多个传感器的信息进行组合，通过组合信息获得更有价值的信息；例如，温度传感器和振动传感器数据可用于检测机械故障的发生。在某些情况下，一个设备可以使用两个传感器功能。在其他情况下，功能通过软件组合以创建“软”传感器。制造商：智能传感器解决方案本节从构建块和制造的角度分析为物联网应用开发的智能传感器，然后回顾传感器内置智能带来的一些优势，尤其是自我诊断和修复的可能性。智能传感器有什么功能？我们已经介绍了智能传感器的物联网要求，但业界对此有何反应？现代智能传感器内置了哪些功能？智能传感器构建为物联网组件，将它们所测量的真实世界变量转换为数字数据流，以传输到网关。图片显示了他们是如何做到这一点的。应用算法由内置微处理器单元(MPU)执行。它们可以运行过滤、补偿和任何其他过程特定的信号调节任务。智能传感器构建块微处理器单元(MPU)的智能还可以用于许多其他功能，以卸载物联网的更集中的资源。例如，可以将校准数据发送到MPU，以针对任何生产变化自动设置传感器。MPU还可以发现任何开始超出可接受标准的生产参数，并相应地生成警告。然后，操作员可以在灾难性故障发生之前采取预防措施。如果合适，传感器可以在“异常报告”模式下运行，在该模式下，传感器仅在测量变量值与先前样本值相比发生显着变化时才传输数据。这既可以减轻中央计算资源的负担，又可以降低智能传感器的电源需求——这通常是一个关键优势，因为传感器必须依靠电池或能量收集，而无需连接电源。如果智能传感器的探头中包含两个元件，则可以内置传感器自诊断功能。可以立即检测到其中一个传感器元件的输出漂移。此外，如果传感器完全失效（例如由于短路），则可以使用第二个测量元件继续该过程。或者，探头可以包含两个传感器，它们一起工作以改进监控反馈。智能传感器：一个实际示例德州仪器(TI)开发的一个应用程序提供了一个智能传感器的实际示例，构建块协同工作以从模拟电流和温度测量中生成有用信息，并为其他功能提供智能。此应用使用超低功耗MSP430MCU系列的一个变体来构建用于配电网络的智能故障指示器。安装后，故障指示器将通过提供有关网络故障部分的信息来降低运营成本和服务中断。同时，该设备通过减少危险故障排除程序的需要，提高了安全性并减少了设备损坏。为保证故障指示器定位的灵活性，主要由电池供电，因此低功率运行也是非常必要的。故障指示器（安装在架空电力线网络的连接处）将有关传输线路中的温度和电流的测量数据无线发送到安装在电线杆上的集中器/终端单元。集中器使用GSM调制解调器将数据传递到蜂窝网络，以将实时信息中继到主站。主站还可以通过相同的数据路径控制故障指示器并对其进行诊断。与master的持续连接有几个优点。首先是能够远程监控故障情况，而不是现场搜索。智能故障指示器还可以持续监测温度和电流，使主站控制器掌握配电网络的实时状态信息。电力运营商可以快速识别故障位置，最大限度地减少停电时间，并在故障发生之前采取行动。主站工作人员可以按规定的时间间隔对故障指示灯进行诊断，检查其是否正常工作。图2.基于MSP430FRAMMCU的智能故障指示器的功能框图。上图是基于TIMSP430铁电随机存取存储器（FRAM）微控制器（MCU）的智能故障指示器的功能框图。电流传感器产生与电源线电流成比例的模拟电压。运算放大器（opamp）放大和过滤该电压信号。MCU上的模数转换器(ADC)对运算放大器的输出进行采样。来自ADC的数字流随后由运行在CPU或加速器上的软件进行分析。运算放大器输出还连接到MCU上的比较器。如果输入电平超过预定的阈值，比较器将产生一个标志给MCU中的中央处理器(CPU)。MSP430的计算能力允许频域电流测量分析比以前的时域方法更深入地了解电力线状况。快速的FRAM读写速度支持模式分析的数据积累，而MCU的超低功耗工作模式可延长电池寿命。制造为了释放物联网的全部价值，传感器制造方法必须继续降低传感器组件和系统的尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)。传感器封装也需要采用相同的趋势，目前占总成本和外形尺寸的80%。当微机电系统(MEMS)传感器元件与CMOS集成电路(IC)紧密集成时，就会形成智能传感器。这些IC提供器件偏置、信号放大和其他信号处理功能。最初，使用的晶圆级真空封装（WLVP）技术仅包括分立传感器器件，而智能传感器是通过封装或板基板将分立MEMS芯片连接到IC芯片上实现的，这种方法称为多芯片集成。一种改进的方法是在称为片上系统(SoC)的结构中直接互连CMOSIC和传感器元件，而无需在电路板上使用封装或布线层。与分立的多芯片封装方式相比，SoC通常更为复杂，但可以减少占地面积，智能光电传感器的其他优点是可以检测物体的图案和结构变化。这在传感器中自动发生，而不是在任何外部计算元件中发生。这增加了处理吞吐量并减少了中央处理器（或本地PLC）的处理负载。制造灵活性得到提高——这是当今竞争环境中的一个重要优势。每次需要更改产品时，都可以使用适当的参数对智能传感器进行远程编程。生产、检验、包装和运输甚至可以以批量生产价格为单个单元分批设置，因此每个消费者都会收到个性化的一次性产品。线性位置传感器的反馈历来受到与系统噪声、信号衰减和响应动态相关的问题的困扰。每个传感器都需要调整以克服这些问题。霍尼韦尔通过其SPS-L075-HALS智能位置传感器提供解决方案。这些可以使用ASIC和MR（磁阻）传感器阵列的专利组合进行自校准。这样可以准确可靠地确定附在移动物体（如电梯、阀门或机械）上的磁铁的位置。MR阵列测量沿磁体行进方向安装的MR传感器的输出。输出和MR传感器序列确定最靠近磁体位置中心的传感器对。然后，使用这对输出来确定它们之间的磁铁位置。这种非接触式技术提供更长的使用寿命和耐用性，并减少停机时间。自诊断进一步减少停机时间。这些传感器还将满足其他物联网智能传感器要求。它们的小尺寸允许安装在空间有限的地方，而IP67和IP69K密封选项允许在恶劣环境中部署。它们非常智能，可以替换多个传感器和开关组件，以及以前也需要的额外接线、外部组件和连接。该传感器用于航空航天、医疗和工业应用。具有自诊断和修复功能的智能传感器智能传感器也非常适用于安全关键型应用，例如检测有害气体、火灾或入侵者。这些环境中的条件可能很恶劣，传感器可能难以维修或更换电池，但高可靠性至关重要。南布列塔尼大学Lab-STICC研究中心的一个团队正在开发一种解决方案，该解决方案通过使用可以自我诊断和自我修复的双探头和硬件来提高可靠性。他们项目的最终目标是将描述的所有元素集成到单个分立设备中，适用于港口或仓库等区域的有害气体检测等应用。该项目侧重于可以查明内部故障并采取纠正措施以提高可靠性和能源效率的节点。这减少了节点的脆弱性并降低了维护成本。该设计认识到此类传感器的局限性：有限的电池自主性、受不可靠能量行为影响的能量收集、有限的处理和存储资源以及对无线通信的需求。无线传感器节点的硬件配置该节点配备了两个传感器。在正常操作期间，第一个捕获环境数据，而第二个仅由用户激活以验证获取的数据。如果第一个传感器出现故障，节点的可靠性就会降低，并且电池电量会浪费在为无法正常工作的传感器供电。然而，如果一个节点断开第一个传感器并切换到第二个，则不会浪费能量并保持节点的可靠性。因此，该项目的目标是开发一种基于功能和物理测试的新型自诊断功能，以检测无线传感器节点任何组件中的硬件故障。这种方法可以查明哪个节点组件发生故障并指示适当的补救措施。图3显示了自重构传感器节点的硬件配置。其组件包括处理器、RAM/FLASH存储器、用于连接环境的执行器和传感器接口(IAS)、用于发送和接收数据的无线电收发器模块(RTM)以及电池(DC-DC)转换器）。该节点还包括与FPGA的可配置区域集成的电源和可用性管理器(PAM)。第一个被认为是优化能源利用、自动诊断和容错的智能部分，而另一个则增强了传感器节点的可用性。自诊断传感器节点的问题和纠正措施图中的表格显示了传感器节点如何响应各种节点问题。FPGA包含一个软核8051CPU，当需要提高性能或在发生故障时更换主处理器时激活该CPU。FPGA是ActelIGL00V2类型，因其可靠性和低功耗而被选中。节点的其余部分包括PIC处理器、RAM存储器、Miwi无线电收发器模块、两个OldhamOLCT80气体探测器、LM3100和MAX618电源开关以及一块电池。结论在本文中，我们了解了芯片制造商和研究人员如何响应物联网中对智能传感器的需求。这在一定程度上是为基本传感器功能添加智能和通信功能的问题，但它也与改进制造有关。通过将MEMS传感器元件和CMOS计算组件集成到单个基板上，智能传感器可以在小型、低成本的封装中实现，可以嵌入到空间受限的应用中，并具有适应环境的能力。因此，物联网设计人员可以提供他们需要的传感器——体积小、价格低廉、弹性好、功耗低，足以部署在任何地方，但又足够智能，可以提供有用的信息和原始数据。他们还可以接受传入的命令来重新校准以适应生产变化，因此也可以实现更灵活和更细粒度的自动化。
