物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器特性及其分類
物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)領(lǐng)域的一次重大變革，其被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，是通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。作為世界下一次信息技術(shù)浪潮和新經(jīng)濟(jì)引擎，物聯(lián)網(wǎng)是繼通信網(wǎng)之后的另一個(gè)萬億級(jí)市場。
要將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，必然要實(shí)現(xiàn)物品的智能識(shí)別、定位、收集、跟蹤、監(jiān)控和處理，這也決定了智能傳感器在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的基礎(chǔ)作用與核心地位。
一、智能傳感器
智能傳感器是具有與外部系統(tǒng)雙向通信手段，用于發(fā)送測量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令的傳感器。其既能夠完成信號(hào)探測、變換處理、邏輯判斷、功能計(jì)算、與外部系統(tǒng)雙向通信，又可實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自診斷。
智能傳感器組成如圖1 所示，一般包含傳感單元、智能計(jì)算單元和接口單元。傳感單元負(fù)責(zé)信號(hào)的采集。智能計(jì)算單元根據(jù)設(shè)定，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到特定的輸出結(jié)果。智能傳感器通過網(wǎng)絡(luò)接口與物聯(lián)網(wǎng)其他裝置進(jìn)行雙向通信。
二、物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器特性
智能傳感器的性能決定了物聯(lián)網(wǎng)性能。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)獲得信息的唯一途徑，傳感器采集信息的能力和質(zhì)量將直接影響計(jì)算單元對(duì)信息的處理與傳輸，其特性對(duì)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)有著舉足輕重的作用。
1、通用特性
智能傳感器與普通傳感器一樣，具有許多通用特性，具體分為靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是被測量處于穩(wěn)態(tài)情況下，傳感器的輸出量與輸入量之間的關(guān)系，包括測量范圍、準(zhǔn)確度、線性度、分辨率、重復(fù)性、穩(wěn)定性等；動(dòng)態(tài)特性是與被測量隨時(shí)間變化有關(guān)的傳感器特性，包括頻率響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間等。
2、智能特性
智能傳感器的智能特性是其區(qū)別于普通傳感器的重要技術(shù)指標(biāo)。傳感器的智能特性體現(xiàn)在：傳感器工作過程中利用數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，對(duì)其內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少外部因素的不利影響，從而得到最佳結(jié)果。
考慮到智能傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀和種類的多樣性，智能傳感器在信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、信息交互和邏輯判斷等過程中表現(xiàn)出如下智能特性。
① 數(shù)據(jù)預(yù)處理
智能傳感器對(duì)數(shù)字化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)校、自動(dòng)平衡、自動(dòng)補(bǔ)償和自選量程等功能。
② 自動(dòng)校準(zhǔn)
智能傳感器可根據(jù)操作者輸入的零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量，調(diào)用自動(dòng)校準(zhǔn)軟件對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零和校準(zhǔn)。
③ 自動(dòng)診斷
智能傳感器在工作過程中可進(jìn)行自檢，判斷傳感器各部分是否正常運(yùn)行，并進(jìn)行故障定位。
④ 自適應(yīng)
智能傳感器在工作過程中能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)自身模型和參數(shù)，以適應(yīng)外部環(huán)境的變化，從而保證其基本功能和性能。
⑤ 雙向通信
智能傳感器采用雙向通信接口，向外部設(shè)備發(fā)送測量、狀態(tài)信息，并能接收和處理外部設(shè)備發(fā)出的指令。
⑥ 智能組態(tài)
智能傳感器設(shè)有多種模塊化的硬件和軟件，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，操作者可改變其模塊的組合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多傳感單元、多參量的復(fù)合測量。
⑦ 信息存儲(chǔ)和記憶
智能傳感器可存儲(chǔ)傳感器的特征數(shù)據(jù)和組態(tài)信息，如裝置歷史信息、校正數(shù)據(jù)、測量參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等，在斷電重連后能夠自動(dòng)恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，也能根據(jù)應(yīng)用需要隨時(shí)調(diào)整其工作狀態(tài)。
⑧ 自推演
智能傳感器可根據(jù)數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果或其他途徑得到的信息進(jìn)行多級(jí)推理和預(yù)測，并輸出結(jié)果。
⑨ 自學(xué)習(xí)
智能傳感器可根據(jù)外部環(huán)境的變化和歷史經(jīng)驗(yàn)，主動(dòng)改進(jìn)/優(yōu)化自身模型、算法和參數(shù)。
3、物聯(lián)網(wǎng)特性
為了更好地適配物聯(lián)網(wǎng)，智能傳感器應(yīng)具備一些面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特性，在物聯(lián)網(wǎng)條件下應(yīng)具有即聯(lián)即用的能力，主要表現(xiàn)在其具有自動(dòng)描述、自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)組織（包括自動(dòng)組網(wǎng)）等特性。
① 自動(dòng)描述
智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中能自動(dòng)向外部設(shè)備發(fā)出信息，描述自身的位置、功能和狀態(tài)等。
② 自動(dòng)識(shí)別
智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中能自動(dòng)識(shí)別自身在網(wǎng)絡(luò)中的位置，外部設(shè)備發(fā)出的指令和信號(hào)，以及網(wǎng)絡(luò)中的其他信息。
③ 自動(dòng)組織
網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)無需依賴任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，智能傳感器啟動(dòng)后通過協(xié)調(diào)各自的行為，即可快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)即聯(lián)即用。
④ 互操作性
智能傳感器可與物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)其他智能傳感器或外部設(shè)備進(jìn)行相互操控。當(dāng)某一傳感器偵測到異常數(shù)據(jù)時(shí)，它可以獲得周圍傳感器的測量數(shù)據(jù)，以輔助判斷是自身測量出現(xiàn)錯(cuò)誤，還是被測量本身出現(xiàn)異常。同時(shí)，它也能根據(jù)情況，要求周圍傳感器加大采樣頻率等。
⑤ 數(shù)據(jù)安全特性
智能傳感器應(yīng)具有數(shù)據(jù)傳輸安全和數(shù)據(jù)處理安全特性，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和真實(shí)性。
三、智能傳感器的分類
傳感器的分類對(duì)該產(chǎn)品的生產(chǎn)、應(yīng)用、研究和發(fā)展有著很大的指導(dǎo)意義，而要對(duì)現(xiàn)有品種繁多的傳感器進(jìn)行分類則很難達(dá)到一個(gè)統(tǒng)一的意見，業(yè)界也尚未形式一個(gè)成熟的分類體系。以下僅介紹一些有代表性的智能傳感器分類方式，為實(shí)際應(yīng)用提供建議和指南。
（一）通用分類
傳感器通用分類方式較為多樣，比如按傳感器材料、工作原理、輸出信號(hào)類型、工作機(jī)理、檢測對(duì)象和制作工藝等進(jìn)行分類。傳感器通用分類示意圖如圖2 所示。
按傳感器制作工藝，傳感器可分為以下幾種類型。
① 集成傳感器
采用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造。通常還將用于初步處理被測信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。
② 薄膜傳感器
通過真空沉積技術(shù)，在介質(zhì)襯底（基板）上形成敏感材料的薄膜。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。
③ 厚膜傳感器
利用敏感材料的漿料，涂覆在基片上制成，通常在涂覆后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。
④ 陶瓷傳感器
采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝（溶膠－凝膠等）生產(chǎn)。
（二）智能化分類
智能傳感器的分類可從智能化角度開展，如按智能傳感器結(jié)構(gòu)、智能化技術(shù)和信號(hào)處理硬件等。
1、按智能傳感器結(jié)構(gòu)分類
① 模塊式智能傳感器
模塊式智能傳感器是將傳統(tǒng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和帶總線接口的微處理器組合為一個(gè)整體而構(gòu)成的智能傳感器系統(tǒng)。其在傳統(tǒng)傳感器的信號(hào)處理電路后連接具有數(shù)據(jù)總線接口的微處理器，以此實(shí)現(xiàn)傳感器智能化，使之具備信號(hào)調(diào)理電路、微處理器及應(yīng)用軟件、顯示電路和D/A 轉(zhuǎn)換輸出接口等配套模塊。模塊式智能傳感器示意圖如圖3 所示。
② 集成式智能傳感器
集成式智能傳感器采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，將傳感器敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、接口電路和微處理器等集成在同一塊芯片上。集成式智能傳感器示意圖如圖4 所示。
③ 混合式智能傳感器
混合式智能傳感器是將傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)以不同的組合方式集成在數(shù)塊芯片上，并封裝在一個(gè)外殼中�；旌鲜街悄軅鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。
2、按信號(hào)處理硬件分類
智能傳感器最常見的是以CPU作為運(yùn)算和處理核心，這也是其區(qū)別于一般傳感器的重要特征。實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中也常出現(xiàn)其他運(yùn)算、處理和控制核心，可依此對(duì)智能傳感器進(jìn)行分類。智能傳感器信號(hào)處理硬件如表1 所示。
（三）物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)分類
智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用密不可分，考慮到智能傳感器在整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)中的形態(tài)，可從物聯(lián)網(wǎng)角度對(duì)智能傳感器進(jìn)行分類。以下僅介紹按節(jié)點(diǎn)類型和物聯(lián)網(wǎng)安全機(jī)制的分類。
1、按傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型分類
按智能傳感器在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的角色類型進(jìn)行分類，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，傳感器網(wǎng)絡(luò)一般按平面結(jié)構(gòu)和分簇結(jié)構(gòu)來構(gòu)建。在平面結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過其他傳感器逐條地進(jìn)行傳輸，監(jiān)測數(shù)據(jù)將傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，再統(tǒng)一進(jìn)行后續(xù)傳輸。分簇結(jié)構(gòu)是將傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)組成，其中各個(gè)簇頭又形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。
（1）按平面結(jié)構(gòu)下的傳感器節(jié)點(diǎn)分類
① 普通節(jié)點(diǎn)型智能傳感器
作為普通節(jié)點(diǎn)的智能傳感器，具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端的功能。此類傳感器可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，一般與其他傳感器協(xié)作完成某些特定任務(wù)。
② 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)型智能傳感器
作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的智能傳感器，具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由器的功能。此類傳感器可對(duì)其他節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理。
③ 匯聚節(jié)點(diǎn)型智能傳感器
作為匯聚節(jié)點(diǎn)的智能傳感器，其數(shù)據(jù)處理能力、儲(chǔ)存能力和信息通信能力都相對(duì)較強(qiáng)。此類傳感器負(fù)責(zé)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。
（2）按分簇結(jié)構(gòu)下的傳感器節(jié)點(diǎn)分類
① 簇成員節(jié)點(diǎn)型智能傳感器
簇成員節(jié)點(diǎn)服務(wù)于自身所在的簇，其主要功能即為簇頭采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭進(jìn)行后續(xù)操作。
② 簇頭節(jié)點(diǎn)型智能傳感器
簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)中各個(gè)簇之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，即各個(gè)簇頭又形成了一個(gè)信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量。簇頭可以預(yù)先設(shè)定，也可通過分簇算法產(chǎn)生。
在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)還有其他構(gòu)建形式，此時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體問題進(jìn)行具體分析。
2、按物聯(lián)網(wǎng)安全機(jī)制分類
為保障物聯(lián)網(wǎng)的安全性，可采用高效冗余的密碼算法、安全有效的密鑰管理、輕量級(jí)的安全協(xié)議等策略或機(jī)制，在感知層實(shí)現(xiàn)基于節(jié)點(diǎn)的安全，為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供安全基礎(chǔ)設(shè)施。智能傳感器采用的安全機(jī)制可包含且不限于以下幾種。
① 密鑰管理機(jī)制
智能傳感器可采用密鑰管理來滿足其安全需求。常見的密鑰管理方案包括隨機(jī)密鑰預(yù)分配模型及其改進(jìn)算法、基于信息部署的密鑰管理方案、基于密鑰分配中心的密鑰管理方案以及基于非對(duì)稱密碼算法的密鑰管理方案。
② 訪問控制機(jī)制
智能傳感器可采用訪問控制機(jī)制來滿足其安全需求。訪問控制機(jī)制以控制用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的訪問為目的，能夠防止未授權(quán)用戶訪問傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)。訪問控制機(jī)制包括自主訪問控制和強(qiáng)制訪問控制。
③ 鑒別機(jī)制
智能傳感器可通過幾種鑒別機(jī)制協(xié)作，滿足其安全需求。鑒別機(jī)制主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的鑒別，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)用戶的鑒別和傳感器網(wǎng)絡(luò)消息的鑒別。
④ 路由安全機(jī)制
智能傳感器可通過路由安全機(jī)制滿足其安全需求。路由安全機(jī)制是以保證網(wǎng)絡(luò)在受到攻擊時(shí)仍能進(jìn)行正確的路由發(fā)現(xiàn)、構(gòu)建和維護(hù)為目標(biāo)的安全機(jī)制，包括數(shù)據(jù)保密和鑒別機(jī)制、數(shù)據(jù)完整性和新鮮性校驗(yàn)機(jī)制、設(shè)備和身份鑒別機(jī)制以及路由消息廣播鑒別機(jī)制。
⑤ 數(shù)據(jù)融合安全機(jī)制
智能傳感器可通過數(shù)據(jù)融合安全機(jī)制滿足其安全需求。數(shù)據(jù)融合安全機(jī)制以保障數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)傳輸安全、數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確性為目的，通過加密、安全路由、融合算法的設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)間的交互證明、節(jié)點(diǎn)采集信息的抽樣、采集信息的簽名等機(jī)制達(dá)成。
本刊摘編
