傳感器+無線通信,物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的天作之合
傳感器為什么對(duì)物聯(lián)網(wǎng)如此重要?
人們借助于眼、耳、口、鼻等感覺器官來從外界獲取信息,但是在研究自然現(xiàn)象和生產(chǎn)活動(dòng)中,單靠人們自身感官的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。物聯(lián)網(wǎng)傳感器正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生,可以說,傳感器是人類五官的延長(zhǎng),又被稱之為“電五官”。
新技術(shù)革命的到來,使得世界正在從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)向萬物互聯(lián)的新時(shí)代過渡,彼時(shí),不光人與人,人與物、物與物之間都能實(shí)現(xiàn)互聯(lián),由此產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)將會(huì)徹底改變?nèi)藗兊纳睿踔林厮苷麄€(gè)商業(yè)社會(huì)。而這其中,以傳感器為核心的傳感技術(shù)是數(shù)據(jù)采集的入口,是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢,是所有系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)信息的唯一方式和手段,也是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)與核心。
從物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)來看,感知層位于通信層、平臺(tái)層和應(yīng)用層的底部,也就是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)金字塔的奠基,如果沒法準(zhǔn)確可靠的從物理實(shí)體中獲得數(shù)據(jù),物聯(lián)網(wǎng)無異于空中樓閣。
目前,物聯(lián)網(wǎng)傳感器已經(jīng)滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植、商業(yè)服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域,從智慧城市到智能制造,從智慧醫(yī)療到智能家居,傳感器早已無處不在。
在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中,人們獲取農(nóng)田信息的方式很有限,主要是通過人工測(cè)量,不但不夠及時(shí)、精確,還會(huì)消耗大量的人力。例如,人們從很早就注意到了二氧化碳濃度、溫濕度對(duì)食用菌等溫室作物生長(zhǎng)的影響,但基本沿用老辦法,讓工作人員每天去每個(gè)大棚里用檢測(cè)儀檢測(cè)二氧化碳濃度,然后開啟風(fēng)機(jī),打開側(cè)窗、天窗。但是現(xiàn)在,通過使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以有效快速獲取精確的作物環(huán)境和作物信息,如果能進(jìn)一步將系統(tǒng)與天窗、風(fēng)機(jī)等產(chǎn)生聯(lián)動(dòng),將大大節(jié)省人力,提高效率。此外,在監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變化、畜禽舍環(huán)境狀況以及大面積的地表檢測(cè)等方面,傳感技術(shù)正在發(fā)揮著越來越重要的作用。
在工業(yè)領(lǐng)域,工業(yè)傳感器技術(shù)已成為各工業(yè)企業(yè)在高新技術(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),到2020年工業(yè)傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)308億。自動(dòng)化生產(chǎn)過程中,傳感器更是必不可缺的基礎(chǔ)元器件,制造商要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù),使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài),保障產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。而且如果能進(jìn)一步將傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)結(jié)合,還可能在設(shè)備出現(xiàn)故障之前就提前發(fā)現(xiàn)問題,這即是所謂的“預(yù)測(cè)性維護(hù)”,由此,制造商可以從被動(dòng)服務(wù)變成主動(dòng)服務(wù),并由此開拓以服務(wù)為中心的新商業(yè)模式。
在智能家居等商業(yè)領(lǐng)域,傳感器同樣發(fā)揮著巨大的作用。理想情況下,智能互聯(lián)的家居應(yīng)該能夠想人們所想,感人們所感,不用人們手動(dòng)操控就自己做出一些明智決策。比如,熱紅外傳感器可以檢測(cè)到人體的存在,當(dāng)我們?cè)诳措娨暤臅r(shí)候,離開電視機(jī)三分鐘后,傳感器檢測(cè)不到人體了,電視機(jī)就自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài),再過兩分鐘要還沒有人,就可以自動(dòng)關(guān)機(jī)了。同理,傳感器也可以在智能空調(diào)中起到作用,它能判斷人在屋內(nèi)的位置,并把空調(diào)的風(fēng)向轉(zhuǎn)向相應(yīng)的對(duì)象。家庭安防也離不開傳感器,在家里安裝一個(gè)超聲波傳感器后,一旦有人進(jìn)來,整個(gè)超聲波波形發(fā)生改變,接受器就會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。
“物聯(lián)天下、傳感先行”已經(jīng)成為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的普遍共識(shí)。隨著物聯(lián)網(wǎng)向各個(gè)垂直行業(yè)進(jìn)一步深入拓展,傳感器行業(yè)將隨之被引爆。萬億級(jí)別的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模意味著傳感器市場(chǎng)的巨大前景,這對(duì)村田制作所這樣的公司來說,即是機(jī)遇,亦是挑戰(zhàn)。
物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)傳感器的發(fā)展要求
從19世紀(jì)60年代誕生至今,傳感器的歷史已經(jīng)有150余年了,在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,手機(jī)的普及促進(jìn)了傳感器的極大發(fā)展,但也決定了很多類型的傳感器是專為手機(jī)而設(shè)計(jì)的。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的“物”在對(duì)傳感和連接的需求上與手機(jī)有很大的差別,所以也對(duì)傳感技術(shù)提出了更多、更高的要求。總結(jié)來說,傳感器在朝著高精度、小型化、低功耗、智能化等方向進(jìn)化。
1高精度、高質(zhì)量
如果傳感器收集的數(shù)據(jù)信息出錯(cuò),那么相當(dāng)于從源頭上出錯(cuò),后面一切數(shù)據(jù)的傳輸、分析、應(yīng)用也就沒了意義,所以傳感器的精度和質(zhì)量是保障物聯(lián)網(wǎng)愿景的一道重要基線。想象一下,如果一輛智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器的精度和質(zhì)量不達(dá)標(biāo),這就意味著在意外情況發(fā)生的那幾毫秒內(nèi)系統(tǒng)無法做出正確決策,從而嚴(yán)重威脅駕駛員的安全。
而村田可靠的元器件和解決方案,則可以在車輛網(wǎng)時(shí)代為司機(jī)提供更加安心的駕駛體驗(yàn)。全中國(guó)超過百分之七十的汽車都采用了村田的超聲波傳感器,這些超聲波傳感器主要用在測(cè)距,它可以精確的探測(cè)到目標(biāo)與設(shè)備之間的距離,實(shí)時(shí)反饋信號(hào),防止意外的發(fā)生。
2小型化
隨著以智能手機(jī)為中心的移動(dòng)設(shè)備向多功能、高性能化發(fā)展,要求電路板內(nèi)的部件數(shù)量更多、體積更小。因此,傳感器正在逐漸采用集成化技術(shù),以實(shí)現(xiàn)高性能化和小型化。集成溫度傳感器、集成壓力傳感器等早已被廣泛使用,今后將有更多集成傳感器被開發(fā)出來。
博世曾經(jīng)推出過一款緊湊型9軸運(yùn)動(dòng)傳感器BMX160,這款全新傳感器安裝于緊湊的2.5 x 3.0 x 0.95 mm3封裝中,是行業(yè)內(nèi)最小型的9軸運(yùn)動(dòng)傳感器,適合廣泛的應(yīng)用,如智能手機(jī)、智能腕表、健身跟蹤器、智能首飾,例如戒指、項(xiàng)鏈,以及增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。
村田制作所也推出過一款A(yù)MR傳感器,能夠幫助客戶大大騰出有效空間。該傳感器是一種利用根據(jù)從特定方向來的磁場(chǎng)的強(qiáng)度所產(chǎn)生磁阻值變化制成的磁傳感器,主要應(yīng)用于手機(jī)和筆記本電腦、檢測(cè)冰箱和門的開閉,以及檢測(cè)智能儀表的旋轉(zhuǎn)燈方面。目前,為了檢測(cè)立體空間的磁場(chǎng)必須組合復(fù)數(shù)(3~6個(gè))磁傳感器,而村田制作所通過和日本電氣株式會(huì)社(NEC)的技術(shù)結(jié)合,成功的完成了360度全方位同感度磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器的開發(fā),在同樣情況下,只要一個(gè)就能起到組合磁傳感器相同的作用。
3低功耗
手機(jī)上的微博、微信、視頻、游戲,都是電量消耗的大戶,我們也早已習(xí)慣了每天充電、出遠(yuǎn)門充電寶不離身的日子,但你能想象假如煙霧報(bào)警器、智能攝像頭等互聯(lián)設(shè)備也需要天天調(diào)換電池會(huì)是怎樣一種蹩腳的情景嗎?和手機(jī)不同,很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備地處人們不常接觸的區(qū)域,所以對(duì)功耗有極致的要求,從而決定了傳感器的功耗也要很低,否則運(yùn)營(yíng)成本太高。
眾所周知,氣壓傳感器普遍具有易受環(huán)境溫度影響,導(dǎo)致氣壓數(shù)據(jù)漂移的問題。鑒于此,村田推出了一款高精度、低功耗、高溫度穩(wěn)定性的氣壓傳感器;結(jié)合靜電容量型MEMS技術(shù),大大改良了新型氣壓傳感器對(duì)溫度漂移的性能,使其幾乎完全可以不受到影響的情況下取得正確的數(shù)據(jù);另一方面提升了新型傳感器的降低其噪聲水平(0.5Parms),充分實(shí)現(xiàn)其高精度數(shù)據(jù)檢測(cè);同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了“低功耗”,通過采用靜電容量型,可以為裝載設(shè)備的節(jié)能作出貢獻(xiàn)。
博世最新推出的BMA400則是一款專門用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的超低功耗加速度傳感器。它所需耗電量?jī)H為現(xiàn)有加速度計(jì)的十分之一,并能提供穩(wěn)定且高性能的服務(wù)。其大幅降低的功率需求顯著提高了電池使用壽命,尤其是對(duì)于那些使用鈕扣電池供電的設(shè)備。憑借其步進(jìn)式計(jì)數(shù)器僅4μA的超低耗電量,和其智能電源管理功能(如內(nèi)置活動(dòng)識(shí)別),能前所未有延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備(如健身帶、智能服裝、腕表和活動(dòng)追蹤器)所配電池的使用壽命。
4智能化
隨著互聯(lián)設(shè)備的激增,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng),中心化的云端已經(jīng)“不堪重負(fù)”,更重要的是,對(duì)于智能制造或智慧交通等應(yīng)用場(chǎng)景,云端分析的延遲會(huì)使數(shù)據(jù)價(jià)值呈現(xiàn)“斷崖式”下跌,于是,邊緣智能開始興起。
傳感器是很好的邊緣節(jié)點(diǎn),用嵌入式技術(shù)將傳感器與微處理器集成為一體,使其成為具有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、智能控制與數(shù)據(jù)通信功能的智能數(shù)據(jù)終端設(shè)備,這就是所謂的智能傳感器。這種傳感器具有自學(xué)習(xí)、自診斷和自補(bǔ)償能力、復(fù)合感知能力以及靈活的通信能力。這樣,傳感器在感知物理世界的時(shí)候反饋給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)就會(huì)更準(zhǔn)確,更全面,達(dá)到精確感知的目的。
傳感器和無線通信技術(shù)的結(jié)合
傳感器采集到的數(shù)據(jù)之后該怎么辦?當(dāng)然是要進(jìn)一步將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái),進(jìn)行分析和應(yīng)用,這其中,通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓艿馈3藗鞲衅鳎跓o線通信領(lǐng)域村田也有很多產(chǎn)品,比如村田2.4GHz的通訊模塊早已在各行各業(yè)扮演著舉足輕重的角色,從手機(jī)內(nèi)的Wi-Fi模塊,到汽車內(nèi)使用的藍(lán)牙模塊,再到智能家居涉及到的ZigBee模塊,村田將傳感器和無線通信結(jié)合起來,為客戶提供場(chǎng)景化的整體解決方案。
但傳統(tǒng)的廣域無線網(wǎng)絡(luò)連接解決方案(2G GSM/3G WCDMA/4G LTE)對(duì)很多現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)用例來說都是“殺雞用了宰牛刀”,一個(gè)井蓋或一個(gè)水表并不需要每天發(fā)送大量的數(shù)據(jù),它們需要的是適合于它們的物聯(lián)網(wǎng)連接,這就是低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)近年來如此蓬勃發(fā)展的主要原因。
LPWAN領(lǐng)域最重要的兩種技術(shù)莫過于基于授權(quán)頻譜的NB-IoT和基于非授權(quán)頻譜的LoRa,這些技術(shù)具有低功耗、廣覆蓋、大連接、低帶寬、低成本的典型特點(diǎn),特別適合包括抄表、停車在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景。
村田對(duì)LPWAN市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)十分重視,并在該領(lǐng)域搶得先機(jī)。
例如在我國(guó)中西部地區(qū),畜牧業(yè)發(fā)達(dá),但由于地廣人稀,很難對(duì)牛羊等畜牧資產(chǎn)進(jìn)行有效的管理。傳統(tǒng)的方法是依靠人力進(jìn)行牛羊管理,其弊端十分明顯:需要非常有經(jīng)驗(yàn)的人才可以進(jìn)行畜牧管理,另外牛羊等畜牧資產(chǎn)的丟失也是目前十分棘手的問題,LoRa技術(shù)的出現(xiàn)則可以大大改善目前的情況。當(dāng)用戶使用了裝載有村田L(fēng)oRa模塊的定位器之后,就可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的畜牧管理,不用擔(dān)心畜牧資產(chǎn)的丟失,不僅提高了可靠性,也大大降低了人力成本,同時(shí)配合其低功耗的特點(diǎn),可以長(zhǎng)時(shí)間使用,降低成本及維護(hù)費(fèi)用。
圖:村田L(fēng)oRa模塊
緊跟技術(shù)潮流,定位市場(chǎng)痛點(diǎn)是村田一直以來努力的方向。未來,村田將在先進(jìn)的傳感器及無線通信領(lǐng)域繼續(xù)不斷創(chuàng)新,全力支持中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。
責(zé)任編輯:售電衡衡
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