浅谈物联网智能传感器特性及其分类

徐文劼

(上海市计量测试技术研究院在线检测与通用计量技术研究所,上海 201203)

浅谈物联网智能传感器特性及其分类

徐文劼

(上海市计量测试技术研究院在线检测与通用计量技术研究所,上海 201203)

智能特性是区别智能传感器和一般工业传感器的重要特征，智能化是传感器重要的发展方向。对物联网核心部件——智能传感器进行了调查和研究，针对其通用特性进行了简要介绍，进一步对传感器信号采集、数据处理、信息交互、逻辑判断等多个过程的智能特性和在实际应用中的物联网特性进行了详细分析和解读。结合产业现状和应用情况，基于传感器材料和制造工艺等传统分类方法，对智能传感器进行多角度分类，同时提出传感器模块的组成、集成、信号处理器种类、网络安全机制和组网应用等智能化分类依据。鉴于当今业界在传感器的系统化分类方面尚未形成统一的共识，相关研究为相应领域的实际应用提供了参考和指南，尤其对智能传感器标准化工作具有较强的借鉴价值。

物联网； 智能传感器；射频识别技术; 数据融合； 安全机制

0 引言

物联网是信息技术领域的一次重大变革，其被认为是继计算机、互联网和移动通信网络之后的第三次信息产业浪潮。物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络，是通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1-2]。作为世界下一次信息技术浪潮和新经济引擎，物联网是继通信网之后的另一个万亿级市场。我国早在2009年便针对该领域提出了“感知中国”这一概念。

要将任何物品与互联网连接，必然要实现物品的智能识别、定位、收集、跟踪、监控和处理，这也决定了智能传感器在整个物联网架构中的基础作用与核心地位。

本文针对物联网智能传感器，分析其智能特性，并介绍一些较为前沿的智能传感器分类方式，为规范生产、使用和检验评定智能传感器提供一定的参考。

1 智能传感器

智能传感器是具有与外部系统双向通信手段，用于发送测量、状态信息，接收和处理外部命令的传感器。其既能够完成信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、与外部系统双向通信，又可实现自校准、自补偿、自诊断。

智能传感器组成如图1所示，一般包含传感单元、智能计算单元和接口单元。传感单元负责信号的采集。智能计算单元根据设定，对输入信号进行分析处理，得到特定的输出结果。智能传感器通过网络接口与物联网其他装置进行双向通信。

图1 智能传感器组成图

2 物联网智能传感器特性

智能传感器的性能决定了物联网性能。传感器是物联网获得信息的唯一途径，传感器采集信息的能力和质量将直接影响计算单元对信息的处理与传输，其特性对整个物联网应用系统有着举足轻重的作用。

2.1 通用特性

智能传感器与普通传感器一样，具有许多通用特性，具体分为静态特性与动态特性。静态特性是被测量处于稳态情况下，传感器的输出量与输入量之间的关系，包括测量范围、准确度、线性度、分辨率、重复性、稳定性等；动态特性是与被测量随时间变化有关的传感器特性，包括频率响应、响应时间等。这些技术指标较为常见，本文不再展开。

2.2 智能特性

智能传感器的智能特性是其区别于普通传感器的重要技术指标[3]。传感器的智能特性体现在：传感器工作过程中利用数据处理子系统，对其内部行为进行调节，减少外部因素的不利影响，从而得到最佳结果。

考虑到智能传感器的发展现状和种类的多样性，智能传感器在信号采集、数据处理、信息交互和逻辑判断等过程中表现出如下智能特性。

①数据预处理。智能传感器对数字化的数据进行分析、计算，实现自动调校、自动平衡、自动补偿和自选量程等功能。

②自动校准。智能传感器可根据操作者输入的零值或某一标准量，调用自动校准软件对传感器进行调零和校准[4-6]。

③自动诊断。智能传感器在工作过程中可进行自检，判断传感器各部分是否正常运行，并进行故障定位。

④自适应。智能传感器在工作过程中能够主动调节自身模型和参数，以适应外部环境的变化，从而保证其基本功能和性能。

⑤双向通信。智能传感器采用双向通信接口，向外部设备发送测量、状态信息，并能接收和处理外部设备发出的指令。

⑥智能组态。智能传感器设有多种模块化的硬件和软件，根据不同的应用需求，操作者可改变其模块的组合状态，实现多传感单元、多参量的复合测量。

⑦信息存储和记忆。智能传感器可存储传感器的特征数据和组态信息，如装置历史信息、校正数据、测量参数、状态参数等，在断电重连后能够自动恢复到原来的工作状态，也能根据应用需要随时调整其工作状态。

⑧自推演。智能传感器可根据数据处理得到的结果或其他途径得到的信息进行多级推理和预测，并输出结果。

⑨自学习。智能传感器可根据外部环境的变化和历史经验，主动改进/优化自身模型、算法和参数。

2.3 物联网特性

为了更好地适配物联网，智能传感器应具备一些面向物联网应用的特性，在物联网条件下应具有即联即用的能力，主要表现在其具有自动描述、自动识别和自动组织(包括自动组网)等特性。

①自动描述。智能传感器在物联网中能自动向外部设备发出信息，描述自身的位置、功能和状态等。

②自动识别。智能传感器在物联网中能自动识别自身在网络中的位置，外部设备发出的指令和信号，以及网络中的其他信息。

③自动组织。网络的布设无需依赖任何预设的网络设施，智能传感器启动后通过协调各自的行为，即可快速、自动地组成一个独立的网络，实现即联即用。

④互操作性。智能传感器可与物联网内其他智能传感器或外部设备进行相互操控。当某一传感器侦测到异常数据时，它可以获得周围传感器的测量数据，以辅助判断是自身测量出现错误，还是被测量本身出现异常。同时，它也能根据情况，要求周围传感器加大采样频率等。

⑤数据安全特性。智能传感器应具有数据传输安全和数据处理安全特性，确保数据的机密性、完整性和真实性。

3 智能传感器的分类

传感器的分类对该产品的生产、应用、研究和发展有着很大的指导意义，而要对现有品种繁多的传感器进行分类则很难达到一个统一的意见，业界也尚未形式一个成熟的分类体系。本文仅探讨一些有代表性的智能传感器分类方式，为实际应用提供建议和指南。

3.1 通用分类

传感器通用分类方式较为多样，比如按传感器材料、工作原理、输出信号类型、工作机理、检测对象和制作工艺等进行分类。

传感器通用分类示意图如图2所示。

图2 传感器通用分类示意图

按传感器制作工艺，传感器可分为以下几种类型。

①集成传感器。采用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

②薄膜传感器。通过真空沉积技术，在介质衬底(基板)上形成敏感材料的薄膜。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

③厚膜传感器。利用敏感材料的浆料，涂覆在基片上制成，通常在涂覆后进行热处理，使厚膜成形。

④陶瓷传感器。采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

3.2 智能化分类

智能传感器的分类可从智能化角度开展，如按智能传感器结构、智能化技术和信号处理硬件等。

(1)按智能传感器结构分类。

①模块式智能传感器。

模块式智能传感器是将传统传感器、信号调理电路和带总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的智能传感器系统。其在传统传感器的信号处理电路后连接具有数据总线接口的微处理器，以此实现传感器智能化，使之具备信号调理电路、微处理器及应用软件、显示电路和D/A转换输出接口等配套模块。

模块式智能传感器示意图如图3所示。

图3 模块式智能传感器示意图

②集成式智能传感器。

集成式智能传感器采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，将传感器敏感元件、信号调理电路、接口电路和微处理器等集成在同一块芯片上。

集成式智能传感器示意图如图4所示。

图4 集成式智能传感器示意图

③混合式智能传感器。

混合式智能传感器是将传感器的各个环节以不同的组合方式集成在数块芯片上，并封装在一个外壳中。

混合式智能传感器的结构示意图如图5所示。

图5 混合式智能传感器结构示意图

(2)按信号处理硬件分类。

智能传感器最常见的是以CPU作为运算和处理核心，这也是其区别于一般传感器的重要特征。实际物联网应用中也常出现其他运算、处理和控制核心，可依此对智能传感器进行分类。智能传感器信号处理硬件如表1所示。

表1 智能传感器信号处理硬件表

3.3 物联网相关分类

智能传感器与物联网的应用密不可分，考虑到智能传感器在整个传感网络中的形态，可从物联网角度对智能传感器进行分类[6-10]。以下仅介绍按节点类型和物联网安全机制的分类。

3.3.1 按传感器网络节点类型分类

按智能传感器在传感器网络中的角色类型进行分类，根据节点的数量，传感器网络一般按平面结构和分簇结构来构建。在平面结构的传感器网络中，节点监测到的数据通过其他传感器逐条地进行传输，监测数据将传输到汇聚节点，再统一进行后续传输。分簇结构是将传感器网络划分为多个簇，每个簇由一个簇头节点和多个簇成员节点组成，其中各个簇头又形成了高一级的网络。

(1)按平面结构下的传感器节点分类。

①普通节点型智能传感器。

作为普通节点的智能传感器，具有传统网络节点终端的功能。此类传感器可进行数据采集和处理，一般与其他传感器协作完成某些特定任务。

②转发节点型智能传感器。

作为转发节点的智能传感器，具有传统网络路由器的功能。此类传感器可对其他节点传输来的数据进行存储、管理和融合等处理。

③汇聚节点型智能传感器。

作为汇聚节点的智能传感器，其数据处理能力、储存能力和信息通信能力都相对较强。此类传感器负责连接传感器网络与外部网络，实现通信协议的转换。

(2)按分簇结构下的传感器节点分类。

①簇成员节点型智能传感器。

簇成员节点服务于自身所在的簇，其主要功能即为簇头采集数据，并将采集到的数据传输给簇头进行后续操作。

②簇头节点型智能传感器。

簇头节点负责物联网中各个簇之间的数据转发，即各个簇头又形成了一个信息传输的网络，减少了网络中路由控制信息的数量。簇头可以预先设定，也可通过分簇算法产生。

在实际应用中，传感器网络还有其他构建形式，此时应当根据具体问题进行具体分析。

3.3.2 按物联网安全机制分类

为保障物联网的安全性，可采用高效冗余的密码算法、安全有效的密钥管理、轻量级的安全协议等策略或机制，在感知层实现基于节点的安全，为网络层和应用层提供安全基础设施[4]。智能传感器采用的安全机制可包含且不限于以下几种。

①密钥管理机制。

智能传感器可采用密钥管理来满足其安全需求。常见的密钥管理方案包括随机密钥预分配模型及其改进算法、基于信息部署的密钥管理方案、基于密钥分配中心的密钥管理方案以及基于非对称密码算法的密钥管理方案。

②访问控制机制。

智能传感器可采用访问控制机制来满足其安全需求。访问控制机制以控制用户对传感器网络的访问为目的，能够防止未授权用户访问传感器网络的节点和数据。访问控制机制包括自主访问控制和强制访问控制。

③鉴别机制。

智能传感器可通过几种鉴别机制协作，满足其安全需求。鉴别机制主要包括传感器网络内部节点之间的鉴别，传感器网络节点对用户的鉴别和传感器网络消息的鉴别。

④路由安全机制。

智能传感器可通过路由安全机制满足其安全需求。路由安全机制是以保证网络在受到攻击时仍能进行正确的路由发现、构建和维护为目标的安全机制，包括数据保密和鉴别机制、数据完整性和新鲜性校验机制、设备和身份鉴别机制以及路由消息广播鉴别机制。

⑤数据融合安全机制。

智能传感器可通过数据融合安全机制满足其安全需求。数据融合安全机制以保障数据保密性、数据传输安全、数据融合的准确性为目的，通过加密、安全路由、融合算法的设计、节点间的交互证明、节点采集信息的抽样、采集信息的签名等机制达成。

4 结束语

物联网概念于1999年被提出，已经经历了一段时间的发展。国内仅射频识别技术(radio frequency identification,RFID)应用较广，而智能传感器相关领域的研究和产业发展在我国仍可谓方兴未艾。我国的传感器制造经过一段摸索已经打下了不错的基础，而研发领域还有待提高。随着新一波物联网热潮的来袭，智能传感器产业必将成为重中之重，相关领域的标准化程度和科研水平也正在提高。可以预见，在不久的将来，智能家居、智能交通和智能城市等概念的落实将真正实现“感知中国”。

[1] 薛燕红.物联网技术及应用[M].北京：清华大学出版社,2012.

[2] 李建功,王建全,刘强，等.物联网关键技术与应用[M].北京：机械工业出版社,2013.

[3] VLATOVIC V. Progress of smart sensor and smart sensor networks[C]//Fifth World Congress on Intelligent Control and Automation. IEEE,2004:3600-3606.

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[6] TAYMANOV R,SAPOZHNIKOVA K. What makes sensor devices and microsystems ‘intelligent’ or ‘smart’[J]. Smart Sensors and Mems,2014(3):3-26.

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[10]王睿智，史庭训，焦文品.一种基于元组空间的智能传感器协同感知机制[J].软件学报，2015,26(4):790-801.

Brief Discussion on the Characteristics and Classification of Intelligent Sensors in IoT

XU Wenjie

(On-line Monitoring and Measurement Technology Insitute,Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology,Shanghai 201203,China)

The intelligent characteristics are the important features to be used to distinguish intelligent sensor and general industrial sensor;intellectualization is an important developing direction of sensors. The core part of IoT,i.e.,intelligent sensors are investigated and researched;their general characteristics are introduced in brief,and the intelligent characteristics of multiple processes for signal acquisition,data processing,information interaction,and logic judgement,as well as the IoT characteristics in practical applications are analyzed and interpreted in further. Combining with the current industrial status and applicational situation,based on the traditional classifications in accordance with the materials and manufacturing processes of sensors,the multi-angle and multi-faceted classification of intelligent sensors is conducted. In addition,the basis of intellectualization classification,including the composition,integration and the types of signal processor of sensor module;security mechanism of network,and networking application,etc.,are put forward. Due to the unified consensus for systematic classification of sensors has not yet formed in industries today,related research provides reference and guidance for practical applications in corresponding fields,especially for the standardization of intelligent sensors.

Internet of things; Intelligent sensor; Radio frequency identification devices(RFID); Data fusion; Security mechanism

徐文劼(1988—)，男，硕士,工程师,主要从事温度、压力及电学类仪表在线计量,焓差实验装置和工业炉窑计量方法、工业过程控制标准化的研究。E-mail:xuwj@simt.com.cn。

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703012

修改稿收到日期:2016-10-23