干货收藏智能传感器的技术应用与应用场景

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前言《福布斯》杂志：当前，甚至今后几十年内，影响和改变着世界经济格局和人们生活方式的10大科技产品，传感器列为10大科技产品之首，说明传感器的春天已经来临！物联网是将各种信息传感设备和互联网结合起来形成的一个巨大网络。物联网的发展需要智能感知、识别和通讯等技术支撑，而感知的关键就是传感器及相关技术。智能家居控制系统是“心脏”，而传感器是整个控制系统的“脉络”，掌握着整个系统的“中枢神经”，传感器技术的发展对于智能家居飞速发展的作用非同小可。从产业链来看，传感器上游主要为各种零部件等以支撑感知层；中游是以光传输、通信设备、网络设备等构成的传输层；下游是应用层，其中以物联网领域中的各项应用为主，其中智能家居就是极其重要的板块之一。智能家居传感器是家居中的“眼鼻耳”，因为智能家居首先离不开对居住环境“人性化”的数据采集，也就是说把家居环境中的各种物理量、化学量、生物量转化为可测量的电信号装置与元件。智能家居领域需要使用传感器来测量、分析与控制系统设置，家中使用的智能设备涉及位置传感器、接近传感器、液位传感器、流量和速度控制、环境监测、安防感应等传感器等技术。为精准解读国内目前家庭范畴内的智能传感器应用现状，《智能家居》杂志、数智网、智能头条发起联合编制《家庭智能传感器白皮书》，旨在全面梳理家庭内传感器的产业生态。传感器的技术应用01环境类传感器的技术应用（1）气体传感器的技术平台气体传感器的技术平台包括：电化学气体传感器、催化燃烧气体传感器、半导体气体传感器、红外气体传感器、光电离气体传感器，可以检测甲醛、CO2、CO等有毒气体，也可以检测天然气CH4等可燃气体，同时还能检测各种VOC等挥发性的有机物。（2）甲醛传感器电化学平台（传感器正反电极电流大小与甲醛浓度呈正比关系）和半导体平台（甲醛气体附着在金属氧化物表面，金属氧化物的电阻变低，且电阻值的变化量与甲醛浓度有关）。（3）一氧化碳/煤气传感器电化学平台（传感器正反电极电流大小与甲醛浓度呈正比关系）与半导体平台（同甲醛传感器，但是金属氧化物的材料和工作温度不同）。（4）甲烷/天然气传感器半导体平台(同甲醛和一氧化碳)、催化燃烧平台、红外平台（朗伯比尔定律）。（5）二氧化碳传感器红外技术平台（朗伯比尔定律）使用寿命长：＞5年抗交叉干扰能力强：通过红外特征敏感元件排除干扰对氧气没有要求：在缺氧的环境下也能正常工作能够测量高浓度气体：能够测量%浓度的可燃气体不会中毒：不受铅化物、硫化物、硅类等影响校准周期长：红外气体传感器的漂移量很小，稳定性好相比较于其他气体传感器，价格稍高（6）VOC传感器VOC主要是指以苯类、烃类为主的挥发性有机物，VOC测量值是多种挥发性有机物的综合反应。半导体技术平台（VOC气体附着在金属氧化物表面，金属氧化物的电阻变低，且电阻值的变化量与VOC浓度有关）。（7）空气质量传感器半导体技术平台（空气中的污染气体附着在金属氧化物表面，金属氧化物的电阻变低，且电阻值的变化量与污染气体浓度有关）。空气质量传感器的金属氧化物材料和工作温度不同，这个传感器的金属氧化物选择性差，对很多污染气体(甲醛、苯、氨气、香烟烟雾、香水)都有反应，并以此综合反应来表征空气质量）。（8）异味传感器半导体技术平台（环境中异味气体如VOC、氨气等，附着在金属氧化物表面，金属氧化物的电阻变低，且电阻值的变化量与异味气体浓度有关）。异味传感器的金属氧化物材料和工作温度不同，这个传感器的金属氧化物选择性差，对VOC和氨气等异味气体均有反应，并以此综合反应来表征异味。（9）PM2.5传感器红外散射平台（LED发射出光线遇颗粒物产生散射光，接收传感器检测到散射光的光强，输出信号，通过光强大小判断颗粒物的浓度）。激光散射平台：激光器发射出光线遇颗粒物产生散射光，接收传感器检测到散射光的光强，输出信号，通过光强大小判断颗粒物的浓度。（10）烟雾传感器离子式技术平台（利用电离室离子流的变化基本正比于进入电离室的烟雾浓度来探测火灾的，考虑到放射源的回收和辐射等问题，国内已经不生产。）。光电式技术平台（没有烟尘时，红外光源发出的红外光无法被光敏元件接收，当烟尘进入气室后，红外光源的红外光被烟尘粒子散射，散射光被光敏元件接收，散射光的强弱与烟的浓度呈正比；光电式是目前主流的技术平台，相比于离子式，价格会稍微偏高。）（11）温度传感器（12）湿度传感器（13）照度传感器02安防类传感器的技术应用（1）人体移动感应传感器（PIR）绝对零度以上的物体（包括人体），都在对外发射红外线；滤波片用以滤掉不需要的波长，保留需要的波长；热释电效应：红外线间歇地照射，表面温度上升△T，晶体内部的原子(电子空穴)排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。（2）人体存在感应传感器绝对零度以上的物体（包括人体），都在对外发射红外线；滤波片用以滤掉不需要的波长，保留需要的波长；热电效应：红外线照射（不管间歇照射，还是持续照射），表面温度上升△T，传感器电极之间产生电压△U；静止或者移动的人，都可以检测出来。（3）门磁传感器磁铁离干簧管很近时，由于磁铁的磁力使得干簧管内触点断开，电路处于关闭状态，当磁铁离干簧管较远时，干簧管因没有磁力作用，触点闭合接通电路，蜂鸣器报警。（4）水浸传感器接触式水浸传感器利用液体导电原理进行检测，正常时两极探头被空气绝缘，在浸水状态下探头导通。03安防类传感器的技术应用（1）硬件和算法电化学传感器输出的信号非常微弱，对硬件设计提出很高的要求，避免外界对信号的干扰。不同种类电化学传感器的驱动电路差别很大，对硬件设计要求也非常高。温湿度对绝大部分传感器的影响非常大，因此传感器的温湿度补偿算法非常重要，大多数传感器的输出信号都是非线性的，因此线性补偿算法也非常关键。（2）标定平台标气制备标定工装标定模型不同类别的传感器标定差异很大04通信技术（1）目前主流的传感器网络协议：RF、Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、RS等。（2）协议优势RF：没有方向性，可以不“面对面”控制、距离远，可达数十米。Zigbee：主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。Wi-Fi：更强的射频信号、功耗更低、安全性高。Bluetooth：低功率，便于电池供电设备工作；便宜，可以应用到低成本设备上；同时管理数据和声音传输；低延时。LoRa：灵活、布设更快，成本更低，应用场景多样化。NB-IoT：海量连接、深度覆盖、成本低、超低功耗、稳定可靠。RS：RS-总线被应用的非常广泛。RS-采用半双工工作方式，支持多节点、远距离和棘手高灵敏度的标准，抗噪声干扰性好。（3）协议趋势：目前家庭智能传感器已经可以同时支持多种通讯模式。05传感器芯片陀螺仪、MEMS、磁传感器、电流传感、电子罗盘、光电传感、红外传感、霍尔传感、集成模块、热敏传感、位移传感、温度传感、压力传感、触摸屏控制、加速度传感、气体传感、CIS（CMOS图像传感器）06传感器模组传感器模组是传感器经过二次开发后可以存储信号的传感器，如红外符合气体传感器模块、颗粒物传感器模块、甲烷传感器模块、VOC传感器模块、异味传感器模块、空气质量传感器模块、一氧化碳传感器模块、甲醛传感器模块。07云计算云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云计算支持用户在任意位置使用终端获取相应的服务，这样就意味着用户可以随时随地控制自己的家居。智能家居其实就是一个家用小型的物联网，需要通过各类传感器采集相关性信息，通过分析，反馈实现相关功能，而智能家居的稳定性，可靠性，在很大程度上建立在良好的硬件条件基础上，如果没有容量足够大的的存储设备，将会造成信息难以存储，甚至遗失。所以高性能的传感器和大容量的云计算服务将极大的促进智能家居的发展。08人工智能传感器是人工智能最基础的硬件，类似于人类的感觉获取器官。大量的传感器即可实现“感知+控制”，而家庭自动化=感知+控制，这种层面的信息交互与人机交互，还多需人的参与。而人工智能将人类的逻辑大脑赋予机器，实现“感知+思考+执行”，最终上升到这种层次。深度结合下人工智能传感器，例如家里的空调不单单依靠温湿度传感器进行自我调节，还可以通过家庭成员的识别来自动选择模式，比如风向的调节，针对小孩、老人温度的调节。这些新技术将带来无限大的想象空间，再结合机器增强学习的算法，将提供深度体验。传感器的应用场景01环境传感器实现的智能化场景厨房安全监控联动空气质量监控联动卫生间异味联动湿度传感器的联动湿度传感器可以联动烘干或者加湿器，从而提升智能家居的环境。可见，在智能家居中，通过湿度传感器，可以实现对湿度的控制，从而避免家居的损坏或者对人体的皮肤造成损伤。02安防传感器实现的智能化场景全屋安防监控联动门窗磁/智能门锁场景联动门窗磁开关传感器与智能门锁结合，就可以完全判断门的锁定状态，智能门锁可以判断是否上锁但无法判断门是否关好，而门窗传感器可以传感门是否关好但无法判断门是否上锁，所以两者结合，就可以更好的判断门的状态。门窗磁还可以应用在橱柜、冰箱、保险柜等开合处，避免窗户忘关、小孩爬窗、小孩出门、保险柜被盗等各种场景需求。人体移动/存在传感器触发报警及各种需求场景。完成复杂的开店工作，大大节省了人工和时间成本。

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