進(jìn)入21世紀(jì)后，由于MEMS技術(shù)、低能耗的模擬和數(shù)字電路技術(shù)、低能耗的無(wú)線射頻(RF)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得開發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能。這種微傳感器一般裝備有：一個(gè)用于感知外界環(huán)境物理量的敏感組件(如壓力、溫度、濕度、光、聲、磁等)，一個(gè)用于處理敏感組件采集信息的計(jì)算模塊，一個(gè)用于通信的無(wú)線電收發(fā)模塊，一個(gè)為微傳感器的各種操作提供能量的電源模塊。我們稱之為“第四代智能傳感器”或“智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器”。
智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。
智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)
智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)在改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)和促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)信息化在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活及國(guó)防等方面的應(yīng)用，優(yōu)化國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施的效能，促進(jìn)節(jié)能減排和改進(jìn)公共服務(wù)等方面作用巨大，意義深遠(yuǎn)。
智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中必不可少的重要組成部分，智能傳感器的特性如精度、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)性、功耗、成本、價(jià)格等性能，直接影響物聯(lián)網(wǎng)性能的優(yōu)劣和大規(guī)模的推廣、應(yīng)用。
智能傳感器設(shè)計(jì)與開發(fā)要求
為了滿足物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模、低成本、無(wú)人值守、環(huán)境復(fù)雜、電池供電等外界環(huán)境條件，智能傳感器的設(shè)計(jì)需滿足以下條件：
小型化 物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)要求傳感器節(jié)點(diǎn)小型化?？刹捎肕EMS技術(shù)、IC技術(shù)，但必須考慮它們之間的兼容性和可行性。小型化與器件封裝有極大關(guān)系，智能傳感器小型化封裝成為關(guān)鍵技術(shù)之一。
低成本 低成本是物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的前提，因此必須保證低成本。低成本與產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、市場(chǎng)需求、工藝水平、勞動(dòng)力資本等有關(guān)。不僅有技術(shù)問(wèn)題，還與國(guó)家政策、導(dǎo)向有關(guān)。從技術(shù)層面看，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須貫徹低成本設(shè)計(jì)原則。
低功耗 因物聯(lián)網(wǎng)是靠電池長(zhǎng)期供電，為節(jié)約能源，智能傳感器必須采用低功耗供電。
抗干擾 能抗電磁幅射、雷電、強(qiáng)電場(chǎng)、高濕、障礙物等惡劣環(huán)境。
靈活性 傳感器節(jié)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)提供一系列的軟、硬件標(biāo)準(zhǔn)，能實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的靈活編程要求。
智能傳感器設(shè)計(jì)方法
系統(tǒng)構(gòu)成 智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器系統(tǒng)有四部分組成，即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、無(wú)線通信子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中，敏感組件面對(duì)的是外界環(huán)境的模擬信號(hào)，與環(huán)境中檢測(cè)的物理量有關(guān)，為了滿足控制實(shí)時(shí)性要求，信號(hào)采樣必須保證實(shí)時(shí)性，要求輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)由微控制器、存貯器、嵌入式操作系統(tǒng)、測(cè)試和下載接口構(gòu)成，微控制器是一個(gè)低功耗的系統(tǒng)級(jí)芯片，可以把采集子系統(tǒng)的信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)據(jù)直接處理。存貯器用于存貯數(shù)據(jù)、測(cè)量值及其它用戶定義的數(shù)據(jù)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于提供實(shí)時(shí)的調(diào)度與管理。接口為調(diào)試和下載程序提供標(biāo)準(zhǔn)接口。無(wú)線通信子系統(tǒng)由天線連接器和無(wú)線射頻電路組成。電源子系統(tǒng)由電源供電單元和動(dòng)態(tài)電源管理單元構(gòu)成;動(dòng)態(tài)電源管理單元支持運(yùn)行相應(yīng)的低功耗運(yùn)算法則，最大限度延長(zhǎng)電池的使用壽命。
信號(hào)處理方法 在網(wǎng)絡(luò)化使用環(huán)境中，即插即用是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備最基本的要求。但由敏感組件檢測(cè)的物理量其輸入輸出關(guān)系不確定，有些是線性的，通常是非線性的，必須保證系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別被測(cè)對(duì)象，確定被測(cè)對(duì)象信號(hào)位置，確定被測(cè)對(duì)象經(jīng)由敏感組件后輸入輸出的關(guān)系，確定輸入輸出的物理量。類似于傳統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)時(shí)涉及的性能標(biāo)定問(wèn)題，信號(hào)處理必須滿足上述要求。
接口設(shè)計(jì) 智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時(shí)，通常涉及流程工業(yè)連續(xù)測(cè)控領(lǐng)域，可用于不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)合，遵循不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，要保證所設(shè)計(jì)的傳感器完全滿足這些協(xié)議較困難，就必須考慮接口問(wèn)題，接口設(shè)計(jì)是智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器與普通傳感器的區(qū)別之一。
軟件工具開發(fā) 傳統(tǒng)傳感器的研發(fā)主要由硬件構(gòu)成，研究對(duì)象局限于傳感機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、工藝等物理方面，而智能傳感器的智能性則是在硬件基礎(chǔ)上通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)其價(jià)值，軟件在智能傳感器中占有重要成份，而智能化的程度與軟件開發(fā)水平成正比。軟件開發(fā)工具包括設(shè)計(jì)、通信、管理等，一般C、Labview，ActiveX等工具軟件均可完成，用于實(shí)現(xiàn)傳感器模型建立、標(biāo)定參數(shù)建立、最佳標(biāo)定模型選擇等。