先进的智能传感器推动物联网的未来

物联网 (IoT) 应用（无论是城市基础设施、工厂还是可穿戴设备）都使用大量传感器收集数据，通过互联网传输到基于云的中央计算资源。在云计算机上运行的分析软件将大量生成的数据减少为用户可操作的信息，以及现场执行器的命令。

传感器是物联网成功的关键因素之一，但它们并不是简单地将物理变量转换为电信号的传统类型。它们需要发展成为更复杂的东西，以便在物联网环境中发挥技术和经济上可行的作用。

本文回顾了物联网对其传感器的期望——要实现物联网大型传感器阵列的特性必须做什么。然后，它阐述了制造商如何通过改进制造、提高集成度和内置智能来应对，最终形成了目前广泛使用的智能传感器的概念。

显而易见，传感器智能除了促进物联网连接之外，还可以带来与预测性维护、更灵活的制造和提高生产率相关的更多好处。

物联网对其传感器有何期望？

传统上，传感器是功能简单的设备，可将物理变量转换为电信号或电特性的变化。虽然此功能是一个重要的起点，但传感器需要添加以下属性才能作为物联网组件执行：

• 成本低，因此可以经济地大量部署

• 体积小，可以不引人注目地“消失”在任何环境中

• 无线，因为有线连接通常是不可能的

• 自我认同与自我验证

• 功耗极低，因此无需更换电池即可使用数年，或通过能量收集进行管理

• 坚固耐用，最大限度地减少或消除维护

• 自诊断自愈

• 自校准，或通过无线链路接受校准命令

• 数据预处理，减少网关、PLC和云资源的负载

来自多个传感器的信息可以组合并关联起来，以推断出有关潜在问题的结论；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，两种传感器功能可在一台设备中使用；在其他情况下，这些功能被组合在软件中以创建“软”传感器。

制造商的回应：智能传感器解决方案

本节从构建模块和制造方面着眼于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，特别是自我诊断和修复的可能性。

智能传感器有什么以及它有什么功能？

我们回顾了物联网对智能传感器的期望，但业界对此有何反应？现代智能传感器内置了什么，它有什么功能？

智能传感器被构建为物联网组件，将其测量的现实世界变量转换为数字数据流，以便传输到网关。图 1 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。它们可以运行滤波、补偿和任何其他特定于过程的信号调节任务。

图 1. 智能传感器构建块。 （图片来源：©Premier Farnell Ltd.）

MPU 的智能还可用于许多其他功能，以及减少物联网更核心资源的负载；例如，校准数据可以发送到 MPU，以便传感器自动设置以适应任何生产变化。 MPU 还可以发现任何开始偏离可接受标准的生产参数，并相应地生成警告；然后，操作员可以在发生灾难性故障之前采取预防措施。

如果合适，传感器可以在“异常报告”模式下工作，只有当测量的变量值与之前的样本值相比发生显着变化时，传感器才会传输数据。这既减少了中央计算资源的负载，也减少了智能传感器的电源需求——这通常是一个关键的好处，因为传感器在没有连接电源的情况下必须依赖电池或能量收集。

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输出中出现的任何漂移。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，它们协同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) 开发的应用程序提供了智能传感器的实际示例，以及其构建模块如何协同工作，从模拟电流和温度测量中生成有用的信息，并为提到的其他功能提供智能。该应用程序使用超低功耗 MSP430 MCU 系列的变体来构建配电网络的智能故障指示器。

如果安装正确，故障指示器可以提供有关网络故障部分的信息，从而降低运营成本和服务中断。同时，该设备通过减少危险故障诊断程序的需要来提高安全性并减少设备损坏。由于其位置原因，故障指示器主要由电池供电，因此低功耗运行也是非常理想的。

故障指示器安装在架空电力线网络的交汇处，将输电线路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，以将实时信息转发到主站。主站还可以通过同一数据路径对故障指示器进行控制和运行诊断。

与主站的连续连接有几个优点。首先是能够远程监控故障状况，而不是在现场寻找故障。智能故障指示器还可以持续监测温度和电流，以便主站控制器掌握配电网络的实时状态信息。因此，电力公司可以快速识别故障位置，最大限度地减少停电时间，甚至在故障发生之前采取行动。主站工作人员可以按照要求的时间间隔对故障指示器进行诊断，以检查其是否正常工作。

图 2. 基于 MSP430 FRAM MCU 的智能故障指示器的功能框图。 （图片来源：德州仪器）

图 2 是基于 TI MSP430 铁电随机存取存储器 (FRAM) 微控制器 (MCU) 的此类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 (op amp) 放大并过滤该电压信号。 MCU 上的模数转换器 (ADC) 对运算放大器的输出进行采样。然后，由 CPU 或加速器上运行的软件对来自 ADC 的数字流进行分析。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阈值，比较器会向 MCU 中的中央处理单元 (CPU) 生成一个标志。

MSP430 的计算能力支持频域电流测量分析，与以前的时域方法相比，可以更深入地了解电力线状态。快速的 FRAM 读写速度可积累数据以进行模式分析，而 MCU 的超低功耗工作模式可延长电池运行寿命。

制造

为了充分发挥物联网的潜力，传感器制造方法必须不断减小传感器组件和系统的尺寸、重量、功耗和成本 (SWaP-C)。同样的趋势也适用于传感器封装，目前传感器封装占总体成本和外形尺寸的 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，所使用的晶圆级真空封装（WLVP）技术仅包括分立的传感器器件，智能传感器是通过封装或板基板将分立的MEMS芯片与IC芯片连接起来，以称为多芯片集成的方式实现的。一种改进的方法直接互连 CMOS IC 和传感器元件，无需在封装或电路板中使用布线层，这种结构称为片上系统 (SoC)。与分立多芯片封装方法相比，SoC 通常更复杂，但可以减少寄生效应、缩小占地面积、提高互连密度并降低封装成本。

智能传感器智能的其他优势

智能光电传感器可以检测物体结构的模式及其任何变化。这是在传感器中自主发生的，而不是在任何外部计算元件中发生。这提高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。每次需要更换产品时，都可以使用合适的参数对智能传感器进行远程编程。即使是单件批量，也可以按批量生产的价格设定生产、检验、包装和调度，让每个消费者都能收到个性化的一次性产品。

线性位置传感器的反馈传统上受到与系统噪声、信号衰减和响应动态相关的问题的阻碍。每个传感器都需要进行调整来克服这些问题。霍尼韦尔通过其 SPS-L075-HALS 智能位置传感器提供解决方案。它们可以通过使用 ASIC 和 MR（磁阻）传感器阵列的专利组合进行自校准。这可以准确可靠地确定附着在电梯、阀门或机械等移动物体上的磁铁的位置。

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 传感器序列确定距离磁体位置中心最近的一对传感器。然后使用该对的输出来确定它们之间的磁铁的位置。这种非接触式技术可以提高产品寿命和耐用性，同时减少停机时间。自诊断功能可以进一步减少停机时间。

这些传感器还满足其他物联网智能传感器要求。它们尺寸小，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的环境中部署。它们足够智能，可以替换多个传感器和开关组件以及以前需要的额外接线、外部组件和连接。这些传感器用于航空航天、医疗和工业应用。

具有自我诊断和修复功能的智能传感器

智能传感器还非常适合安全关键型应用，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，传感器可能难以维护或更换电池，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一直在开发一种解决方案，通过使用双探头和能够自我诊断和修复的硬件来提高可靠性。

他们项目的最终目标是将描述的所有元件集成到单个分立设备中，适用于港口或仓库等区域的危险气体检测等应用。该项目以一个节点为中心，该节点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。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：电池自主性有限、能量收集受到不可靠能源行为的影响、有限的处理和存储资源以及对无线通信的需求。

图 3. 无线传感器节点的硬件配置。 （图片来源：©Premier Farnell Ltd.）

节点配备两个传感器；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所获得的数据。如果第一个传感器发生故障，节点的可靠性就会降低，同时电池电量也会浪费在为无法正常工作的传感器供电上。但是，如果节点断开第一个传感器并切换到第二个传感器，则不会浪费能量并保持节点可靠性。

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方法，以检测无线传感器节点任何组件的硬件故障。该方法可以准确识别哪个节点组件出现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/闪存、用于与环境连接的执行器和传感器接口 (IAS)、用于传输和接收数据的无线电收发器模块 (RTM) 以及带电源开关的电池（DC-DC 转换器）。该节点还包括与 FPGA 可配置区域相结合的电源和可用性管理器 (PAM)。第一个被认为是智能部分，以实现能源的最佳利用、自动诊断和容错，而另一个则增强了传感器节点的可用性。

图 4. 自诊断传感器节点的问题和纠正措施。 （图片来源：©Premier Farnell Ltd.）

图 4 中的表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 8051 CPU，在需要增强性能时激活，或者在主处理器出现故障时替换主处理器。 FPGA 是 Actel 类型的 IGL00V2，因其可靠性和低功耗而被选中。该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 Oldham OLCT 80 气体探测器、LM3100 和 MAX618 电源开关以及电池。

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对智能传感器的需求。这在一定程度上是在基本传感器功能的基础上增加智能和通信功能的问题，但它也涉及改进的制造。通过将 MEMS 传感器元件和 CMOS 计算组件集成到单个基板上，智能传感器可以采用小型、低成本封装来实现，这些封装可以嵌入到空间受限的应用中，并且能够适应环境条件。

因此，物联网设计人员可以采购他们所需的传感器——体积小、价格便宜、有弹性且功耗低，足以实现无处不在的部署，同时具有提供有用信息和原始数据的智能。它们还可以促进更灵活、更精细的自动化，因为它们可以接受传入的命令进行重新校准，以适应生产变化。

本文由伊利诺伊州芝加哥 Newark element 14 贡献。如需了解更多信息，请点击此处。