传感器如何应对物联网浪潮

在物联网快速发展，大数据服务日趋完善的今天，传感器作为数据采集的重要入口，势必将在接下来的几年里迎来爆发式的需求增长，无线传感器、智能传感器、无线自组网等技术也将得到重大突破。

传感器从19世纪60年代诞生至今大约有150余年的时间，如今随着物联网产业的快速发展，对于传感器技术提出了更多、更高的要求。麦肯锡报告指出，到2025年，物联网带来的经济效益将在27万亿到62万亿美元之间，传感器作为物联网传感层数据采集的重要入口，势必也将在接下来的几年里迎来爆发式的增长。

传感器，是由一种敏感元件和转换元件组成的检测装置，能感受到被测量，并能将检测和感受到的信息按照一定规律转换为电信号(电压、电流、频率或者是相位等)的形式输出，最终为物联网应用的数据分析、人工智能提供数据来源。

物联网浪潮即将来袭 传感器技术的研究方向有哪些？

1、无线传感器(UGS)

不管是在智能交通、智慧城市、智能农业、工业物联网，还是野外灾害预防等领域，人类想要做到对于物理世界的全面感知首先得确保感知层获得的数据要全面和准确，这也就是说物联网系统需要根据应用的领域和具体的需求去布置大量的传感器，甚至有需要时会采取飞机播撒的方式来进行大范围布置，这样的话，传感器与物联网系统就不可能采用物理连接的方式，而必须采用无线信道来传输数据和通信。

2、智能传感器

智能传感器是用嵌入式技术将传感器与微处理器集成为一体，使其成为具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信功能的智能数据终端设备。其具有自学习、自诊断和自补偿能力、复合感知能力以及灵活的通信能力。这样，传感器在感知物理世界的时候反馈给物联网系统的数据就会更准确，更全面，达到精确感知的目的。

在微电子学中讲到，集成电路的特征尺寸越小意味着该器件的集成度越高，运行速度越快、性能越好，物联网系统中传感器的尺寸越小对于系统在布置时也意味着更加方便、性能更优。

MEMS(微型电子机械系统)，利用传统的半导体工艺和材料，集微型传感器、微型执行器、微机械机构，以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。这种小体积、低成本、集成化、智能化传感系统是未来传感器的重要发展方向，也是物联网的核心。也因此，MEMS传感器领域成为相关企业布局的重中之重。

3、无线自组网(Ad hoc)

说到这个无线自组网，可能很多读者会比较陌生一点，但是它的重要性不容忽视。相比于传统的网络，无线自组网采用的是一种不需要基站的“对等结构”移动通信模式，网络中所有联网设备可以在移动过程中动态组网。

这样的组网方式都有什么优点呢？

首先，优点之一就是无中心控制节点，这就是说这种网络没有分组路由与转发的路由器；再者，在工作过程中，其中一个节点离开网络后，网络拓扑会呈现动态的变化，形成一个新的拓扑。这种组网技术在军事领域和车联网领域备受推崇。

最终，传感器技术的三大研究方向将会得到一个融合，推动无线传感器网络(WSN)的诞生。

国、内外重要的传感器供应商都有哪些？

外国知名的传感器企业：

博世、意法半导体、霍尼韦尔、飞思卡尔、德州仪器、ADI、楼氏电子、飞利浦、英飞凌、日立等。

中国知名的传感器企业：

汉威电子、大立科技、华工科技、远望谷、耐威科技、高德红外、歌尔股份、中航电测、盾安环境、士兰微等。

目前，全球传感器市场主要由美国、日本以及德国的几家龙头公司主导。全球传感器约有22万余种，中国已经拥有常规类型和品种约7000种，而90%以上的高端传感器仍严重依赖进口，数字化、智能化、微型化传感器严重欠缺。

中国三大传感器生产基地

目前，国内有三大传感器生产基地，分别为：安徽基地，主要以建立力、光敏规模经济为主要目标；陕西省敏感技术产业集团公司，主要以建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标；黑龙江基地则主要以建立气、湿敏规模经济为主要目标。

受传感器巨大前景的影响，中国的传感器企业也在不断增多。在相关技术方面，我国企业已基本具备了中、低端传感器的研发能力，并逐渐在向高端领域拓展。

中国与美、日、德在传感器领域的差距为我们的增长提供了空间，也指明了方向。在物联网时代，市场对于传感器巨大需求的刺激，以及在众多本土企业的参与，中国传感器产业有望取得傲人的成绩。

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张凯  17021211121

嵌牛导读：随着物联网的发展，传感器会越来越多地分布到日常生活中。传感器分布在各个角落，通常需要保证至少能不跟换电池使用一年以上（尤其是对于植入人体的传感器更是如此，因此更换电池需要做手术成本和安全性都有问题）；而且，出于传感器成本和尺寸的考虑，传感器内置电池的电量不可能太大。

嵌牛鼻子：超低功耗射频电路 通讯

嵌牛提问：零功耗的无线黑科技，物联网的救星？

随着物联网的发展，传感器会越来越多地分布到日常生活中。传感器分布在各个角落，通常需要保证至少能不跟换电池使用一年以上（尤其是对于植入人体的传感器更是如此，因此更换电池需要做手术成本和安全性都有问题）；而且，出于传感器成本和尺寸的考虑，传感器内置电池的电量不可能太大。

另一方面，为了能传递传感器收集到的信息，传感器通常需要使用无线连接来与中心节点通信。然而，传统射频集成电路的功耗都不低，会过快消耗电池电量。因此，为了进一步普及物联网传感器，需要设计新的超低功耗射频电路。

信号传递真的需要发射射频信号吗？

如何设计超低功耗射频电路？我们不妨分析物联网射频电路中的功耗。首先，作为物联网中的传感器节点，以发送信息为主，接受端主要是一些控制信息，因此发射端的使用频率更频繁；其次，目前的主流无线协议至少要求发射功率达到0dBm，即1 mW，考虑到发射机整体10%左右的效率，即需要至少10mW的整体功耗，这样的功耗在物联网传感器应用中就太大了，必须想办法减小。

那么，如何降低发射端的功耗呢？除了常规的电路优化提升效率之外，有没有办法可以降低功耗呢？我们不妨先看看信息传递的物理基础。根据信息论和物理学，传递一比特信息需要消耗的能量是kTln2，在常温下大约为27510-21焦耳，远小于无线传输中每比特数据传输消耗大约110-12焦耳能量的数字。因此，限制我们的并非物理学基本定律，而是工程学上信号传递方式的设计。

我们不妨再想一想，无线传递信号，真的需要传感器端发射射频信号吗？在日常生活中，确实存在着不需要自己消耗能量就传递信号的方法。例如，用在航海和野外探险中的日光信号镜，就是通过不同角度的反射太阳光来传递信息。在这里，信号的载体是太阳光，但是太阳光能量并非传递信号的人发射的，而是作为第三方的太阳提供的。所以，我们完全可以实现由第三方提供能量来实现信号传输。

阳光信息镜，使用第三方（太阳）提供的能量作为信息载体，传递信息的人本身无需提供信息传输能量
无源WiFi-接近零功耗实现无线传输

之前提到了使用太阳光可以无需提供能量就传输信号的例子。事实上，太阳光和我们常规无线通讯使用的都是电磁波，因此我们完全可以把阳光反射镜移植到无线通讯中。

最早这种方法使用在了卫星通讯中。由于卫星通讯中卫星和地面基站距离很远，信号衰减很大，因此需要非常强的信号发射功率，显然在地面发射大功率会比在卫星发射大功率要简单一些。因此，工程师们的解决办法就是在卫星上安装可以调制反射光的发射器（retro-reflector），而由地面来发射大功率信号（照射信号）。该发射器可以通过改变反射器角度来调制反射信号来传递信息。举例来说，当卫星完全反射地面发出的信号时表示1，而当完全没有反射时表示0，这样就可以实现卫星不发射无线信号的无线传输。在这里，地面的发射站就相当于日光反射镜例子里的太阳，而卫星上的反射器则相当于镜子。

随着物联网的普及，使用反射来传递信号的方法也开始进入了传感器领域。美国华盛顿大学计算机科学与工程系的教授Shyam GollakotaJoshua和R Smith提出了Interscatter的概念，并将结果发表在了SIGCOMM上。Interscatter的思路与之前提到的阳光信息镜以及卫星反射通信相同，也是通过反射来传递信息。一个典型的应用例子如下图，Interscatter芯片是植入体内的传感器或类似RFID的需要超低功耗的芯片，外界的设备（如手表，蓝牙耳机）发射射频信号（照射信号），Interscatter芯片通过改变天线的阻抗来调制反射信号，该反射信号由手机接收并解调得到Interscatter芯片传递的信息。在整个过程中，Interscatter芯片并不发射射频信号，需要做的仅仅是将比特流转换为对于天线阻抗的调制，因此功耗可以极低。

Interscatter芯片使用场景示意图，由外界设备发射射频信号而Interscatter芯片通过改变天线阻抗来调制反射信号完成信息传递。整个过程中Interscatter芯片并不产生射频信号。

在Interscatter之后，华盛顿大学的研究组更是将此概念扩展到了WiFi上，提出了无源WiFi，通过WiFi路由器来发射射频信号，而无源WiFi芯片只需要负责调制天线阻抗就能通过WiFi协议与路由器通信。由于省去了发射射频信号这一环节。芯片的功耗主要来源于频率综合器以及天线调制模块（见下图）。这样，无源WiFi可以实现高达11Mbps的通信速率，而其功耗仅仅只有50uW。 

无源WiFi

在电路系统设计上，passive wifi的基本过程是中心射频源（路由器等）发射射频信号至passive wifi芯片，因此需要精确控制波束方向，否则如果多个passive wifi芯片同时反射的话会造成互相干扰，因此在射频源的部分需要用到波束成形技术。 然而，由于波束不可能每次都对得非常准，于是另一个passive wifi系统的挑战是多路反射和环境反射。为了解决这个问题，UCLA电子工程系Frank Chang教授带领的实验室与NASA／JPL合作完成了一款芯片。这个项目实现了基于反射概念数据率高达54Mbps的芯片组（包括发射端和反射端）外，该芯片组同时还能使用equalization技术解决多路反射的问题。由此可见，无源WiFi不仅能实现低功耗通讯，在数据率方面与传统WiFi也不遑多让。 具体论文“A 58 GHz 54 Mb/s Backscatter Modulator for WLAN with Symbol Pre-Distortion and Transmit Pulse Shaping”发表在了IEEE Microwave Wireless Component Letters上。

UCLA与JPL合作实现的芯片组，包括发射端和反射端两部分芯片

当然，无源WiFi也存在自己的局限性。目前，无源WiFi最适合的场景是点对点通信，这样即可最大化照射信号的利用效率，也能减小不同无源WiFi反射的互相干扰。因此，在需要多节点同时通讯的场合下，无源WiFi并不是最好的选择 。另外，无源WiFi并不能减小接收机的功耗。综上所述，无源WiFi最适合的应用场景还是发射端站最主要部分，且无需节点之间通信的物联网传感器。在未来，为了能让多个节点同时通信，可以使用类似CDMA的技术。

ipv6的物联网安全和一般传感器安全的区别，物联网是利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。
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