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- 陳根：萬物之眼，智能傳感器路向何方？
- 來源：文/陳根 根新未來 企鵝號 發(fā)表于 2023/3/9
在智能時代里，傳感器作為數(shù)據(jù)采集的源頭，幾乎無處不在。智能前端所需要的態(tài)勢感知，就是從傳感器開始。無論是智能制造、智慧城市、智慧醫(yī)療等，還是智能設備和大數(shù)據(jù)分析，再龐大的智能系統(tǒng)，都要從傳感器的針尖上開始。沒有傳感器實現(xiàn)萬物源頭的感知，智能是無法想象的。
當然，作為智能時代的萬物之眼，傳感器也經(jīng)歷了多輪技術更迭。今天，傳感器正在向智能化、思維化、分析化和診斷化的方向發(fā)展。作為一套越來越智能的微系統(tǒng)，傳感器越來越呈現(xiàn)出獨立性，并且具有自我糾錯的能力。那么，智能傳感器將以何種能力走向未來，推動數(shù)字化轉型？
從傳感器到智能傳感器
傳感器能夠感知被測物的信息和狀態(tài)，可以將自然界中的各種物理量、化學量、生物量轉化為可測量的電信號的裝置與元件。因此，作為海量數(shù)據(jù)的接收和傳遞的入口——傳感器，是萬物互聯(lián)的基礎。
回顧傳感器的發(fā)展歷程，可分為三代傳感器：第一代是結構型傳感器，它利用結構參量變化來感受和轉化信號。第二代是固體型傳感器，由半導體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構成，利用材料某些特性制成。第三代就是今天的智能傳感器，由微型計算機和檢測技術而成。
試想一下，當前，機器學習已經(jīng)無處不在。如果算法不僅僅放在機器設備里，而是也可以放在感知單元——傳感器中，那么嵌入式人工智能，就會大力推動智能時代的發(fā)展。具體來看，智能傳感器集傳感就是芯片、通信芯片、微處理器、驅動程序、軟件算法等于一體，其核心優(yōu)勢就在于高復雜度的信息處理能力，以及高集成度的信息傳輸能力。
普通傳感器只有感知——輸出的單一功能，以及失效后無法及時判定等問題，已經(jīng)越來越制約信息技術和自動化技術的發(fā)展，已經(jīng)不能滿足人們的差異化需求。智能傳感器則具有普通傳感器所不能的優(yōu)勢。
智能傳感器的特征，也是其優(yōu)勢，就是“智能”。一方面，智能傳感器具有自校準和自動補償功能。智能傳感器可以通過自動校零去除零點，與標準參考基準實時對比，自動進行整體系統(tǒng)標定、非線性等系統(tǒng)誤差的校正，實時采集大量數(shù)據(jù)進行分析處理，消除偶然誤差影響，保證智能傳感器的高精度。
并且，智能傳感器還能夠自動補償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化而引起的系統(tǒng)特性的漂移，如環(huán)境溫度、系統(tǒng)供電電壓波動而產(chǎn)生的零點和靈敏度的漂移，保證傳感器的高可靠性和高穩(wěn)定性。同時，由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲與信息處理功能，通過數(shù)字濾波等相關分析處理，可去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，自動提取有用數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)合體、神經(jīng)網(wǎng)絡技術，可消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，實現(xiàn)動態(tài)校準。
除了對原始傳感數(shù)據(jù)進行再次校準和補償外，智能傳感器還支持對原始數(shù)據(jù)進行特征提取，并基于數(shù)據(jù)特征實現(xiàn)更復雜的邊緣計算模式，實現(xiàn)業(yè)務級的智能決策處理能力。比如，機械設備狀態(tài)監(jiān)測場景的智能傳感器可以在邊緣側實現(xiàn)設備異常故障的識別，并在識別到設備故障后立即觸發(fā)數(shù)據(jù)上報和更密集的數(shù)據(jù)采集模式。
另一方面，智能傳感器能夠對自身進行自動診斷。普通傳感器需要定期檢驗和標定，以保證它在正常使用時具備足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸，送到實驗室或檢驗部門進行。對于在線測量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時診斷。采用智能傳感器時，在電源接通時智能傳感器就能啟動自診斷功能，進行自檢，診斷測試以確定組件有無故障。根據(jù)使用時間，智能傳感器可以在線進行校正，確保穩(wěn)定可靠地工作運行。
智能傳感器還具有判斷、分析與處理功能。比如，對于機械設備狀態(tài)監(jiān)測場景的智能傳感器，智能傳感器可以在設備啟動時自動調(diào)高采集頻率，以實現(xiàn)更快的狀態(tài)變化響應速度；在設備停機時，智能傳感器能夠自動進入低功耗休眠模式，以延長電池續(xù)航時間等。
智能傳感器路向何方？
在我們正在加速狂奔向智能時代的過程中，許多令人嘆為觀止的智能產(chǎn)品，其實都是有共性的，那就是智能傳感器。
比如，醫(yī)療器械界的奇兵——達芬奇手術機器人有四百多個傳感器；鼎鼎有名的波士頓機器人，能夠自如地翻跳騰躍，則需要1300個傳感器。
日本馬桶品牌驪住Lixil，正在推出的智能馬桶，馬桶蓋背面安裝了圖像傳感器，可以自動識別糞便形狀，整個馬桶通過70多個傳感器，自動檢測并與云端相連，可以實現(xiàn)慢病大健康管理。而博世公司推出的工廠協(xié)作機器人助手APAS，內(nèi)置了上百個傳感器，以便可以迅速感知人的狀態(tài)。
此外，工業(yè) 4.0也離不開智能傳感器的驅動。工廠經(jīng)常使用智能溫度傳感器來確保機器不會過熱，并使用振動傳感器來確保機器不會因振動而松動。智能傳感器還可以實現(xiàn)過程控制，比如監(jiān)控過程，并進行可能需要的任何調(diào)整以滿足質(zhì)量或生產(chǎn)目標。這曾經(jīng)是一個手動過程，但智能傳感器可用于自動化過程控制。
智能傳感器在現(xiàn)代安全系統(tǒng)中也發(fā)揮著關鍵作用。熱成像傳感器可用于檢測入侵者的體溫。同樣，智能鎖、運動傳感器和門窗傳感器等設備通常連接到公共網(wǎng)絡。這使安全傳感器能夠協(xié)同工作，繪制出當前安全狀態(tài)的綜合圖。可以說，這個世界的數(shù)字化步伐，一步都不能離開傳感器。
不僅如此，今天，隨著ChatGPT的爆發(fā)，智能時代還在加速到來，智能傳感器也在ChatGPT浪潮中趨勢漸顯。當前，大多數(shù)傳感器已從交互式轉向預測性，將機器智能的主動權部分地轉向傳感器智能。具有智能化實時數(shù)據(jù)分析和過程校正功能的傳感器，將會大量提高設備的交互能力。這也意味著邊緣計算，將會在機器的邊緣端，再往前深探一步。
不過，一個傳感器能夠測量的參數(shù)是有限的，為什么不將多個傳感器集成在一起呢？于是各種組合傳感器就紛來沓至，溫度+濕度、壓力+流量、振動+加速度+減速等傳感器，成為應用較多的組合。混編傳感器艦隊，實現(xiàn)多參數(shù)檢測的“一器多用”，通過檢測各種參數(shù)來形成閉環(huán)自動化的應用。這在智能制造領域，迎來廣泛發(fā)展的空間。
另一方面，智能傳感器還在向著合體傳感器的方向發(fā)展。比如，智能傳感器正在加速無人駕駛汽車的發(fā)展，而傳感器的多功能合體，將利用不同傳感器的優(yōu)勢，提供數(shù)據(jù)分析和控制能力，從而具備嵌入式智能。這在軍事方面也具有重要應用，美國F35戰(zhàn)斗機一直在進行多域數(shù)據(jù)的連接和分析，核心就是利用合體傳感器，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的高速分析，并且能夠利用不同平臺來的數(shù)據(jù)，無論是海上、空天、海下和陸地的傳感器數(shù)據(jù)，多種異構數(shù)據(jù)并發(fā)處理。
傳感器與通信、計算機被稱為現(xiàn)代信息技術的三大支柱。傳感器的作用無論如何強調(diào)也不為過。今天，隨著新型智能傳感器愈發(fā)智能化，越來越多的智能傳感器已經(jīng)被用在各種應用中。隨著ChatGPT的到來，未來的傳感器甚至還將產(chǎn)生認知屬性�？梢哉f，傳感器就是自動化系統(tǒng)的五官，而智能傳感器也將引導人類奔向數(shù)字化的未來。
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