- 陳根：萬物之眼，智能傳感器路向何方？
- 來源：文/陳根 根新未來 企鵝號 發表于 2023/3/9
在智能時代里，傳感器作為數據采集的源頭，幾乎無處不在。智能最前端所需要的態勢感知，就是從傳感器開始。無論是智能制造、智慧城市、智慧醫療等，還是智能設備和大數據分析，再龐大的智能系統，都要從傳感器的針尖上開始。沒有傳感器實現萬物源頭的感知，智能是無法想象的。
當然，作為智能時代的萬物之眼，傳感器也經歷了多輪技術更迭。今天，傳感器正在向智能化、思維化、分析化和診斷化的方向發展。作為一套越來越智能的微系統，傳感器越來越呈現出獨立性，并且具有自我糾錯的能力。那么，智能傳感器將以何種能力走向未來，推動數字化轉型？
從傳感器到智能傳感器
傳感器能夠感知被測物的信息和狀態，可以將自然界中的各種物理量、化學量、生物量轉化為可測量的電信號的裝置與元件。因此，作為海量數據的接收和傳遞的入口——傳感器，是萬物互聯的基礎。
回顧傳感器的發展歷程，可分為三代傳感器：第一代是結構型傳感器，它利用結構參量變化來感受和轉化信號。第二代是固體型傳感器，由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，利用材料某些特性制成。第三代就是今天的智能傳感器，由微型計算機和檢測技術而成。
試想一下，當前，機器學習已經無處不在。如果算法不僅僅放在機器設備里，而是也可以放在最小的感知單元——傳感器中，那么嵌入式人工智能，就會大力推動智能時代的發展。具體來看，智能傳感器集傳感就是芯片、通信芯片、微處理器、驅動程序、軟件算法等于一體，其核心優勢就在于高復雜度的信息處理能力，以及高集成度的信息傳輸能力。
普通傳感器只有感知——輸出的單一功能，以及失效后無法及時判定等問題，已經越來越制約信息技術和自動化技術的發展，已經不能滿足人們的差異化需求。智能傳感器則具有普通傳感器所不能的優勢。
智能傳感器的最大的特征，也是其最大的優勢，就是“智能”。一方面，智能傳感器具有自校準和自動補償功能。智能傳感器可以通過自動校零去除零點，與標準參考基準實時對比，自動進行整體系統標定、非線性等系統誤差的校正，實時采集大量數據進行分析處理，消除偶然誤差影響，保證智能傳感器的高精度。
并且，智能傳感器還能夠自動補償因工作條件與環境參數發生變化而引起的系統特性的漂移，如環境溫度、系統供電電壓波動而產生的零點和靈敏度的漂移，保證傳感器的高可靠性和高穩定性。同時，由于智能傳感器具有數據存儲與信息處理功能，通過數字濾波等相關分析處理，可去除輸入數據中的噪聲，自動提取有用數據；通過數據融合、神經網絡技術，可消除多參數狀態下交叉靈敏度的影響，實現動態校準。
除了對原始傳感數據進行再次校準和補償外，智能傳感器還支持對原始數據進行特征提取，并基于數據特征實現更復雜的邊緣計算模式，實現業務級的智能決策處理能力。比如，機械設備狀態監測場景的智能傳感器可以在邊緣側實現設備異常故障的識別，并在識別到設備故障后立即觸發數據上報和更密集的數據采集模式。
另一方面，智能傳感器能夠對自身進行自動診斷。普通傳感器需要定期檢驗和標定，以保證它在正常使用時具備足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現場拆卸，送到實驗室或檢驗部門進行。對于在線測量傳感器出現異常則不能及時診斷。采用智能傳感器時，在電源接通時智能傳感器就能啟動自診斷功能，進行自檢，診斷測試以確定組件有無故障。根據使用時間，智能傳感器可以在線進行校正，確保穩定可靠地工作運行。
智能傳感器還具有判斷、分析與處理功能。比如，對于機械設備狀態監測場景的智能傳感器，智能傳感器可以在設備啟動時自動調高采集頻率，以實現更快的狀態變化響應速度；在設備停機時，智能傳感器能夠自動進入低功耗休眠模式，以延長電池續航時間等。
智能傳感器路向何方？
在我們正在加速狂奔向智能時代的過程中，許多令人嘆為觀止的智能產品，其實都是有共性的，那就是智能傳感器。
比如，醫療器械界的奇兵——達芬奇手術機器人有四百多個傳感器；鼎鼎有名的波士頓機器人，能夠自如地翻跳騰躍，則需要1300個傳感器。
日本著名的馬桶品牌驪住Lixil，正在推出的智能馬桶，馬桶蓋背面安裝了圖像傳感器，可以自動識別糞便形狀，整個馬桶通過70多個傳感器，自動檢測并與云端相連，可以實現慢病大健康管理。而博世公司推出的工廠協作機器人助手APAS，內置了上百個傳感器，以便可以迅速感知人的狀態。
此外，工業 4.0也離不開智能傳感器的驅動。工廠經常使用智能溫度傳感器來確保機器不會過熱，并使用振動傳感器來確保機器不會因振動而松動。智能傳感器還可以實現過程控制，比如監控過程，并進行可能需要的任何調整以滿足質量或生產目標。這曾經是一個手動過程，但智能傳感器可用于自動化過程控制。
能傳感器在現代安全系統中也發揮著關鍵作用。熱成像傳感器可用于檢測入侵者的體溫。同樣，智能鎖、運動傳感器和門窗傳感器等設備通常連接到公共網絡。這使安全傳感器能夠協同工作，繪制出當前安全狀態的綜合圖。可以說，這個世界的數字化步伐，一步都不能離開傳感器。
不僅如此，今天，隨著ChatGPT的爆發，智能時代還在加速到來，智能傳感器也在ChatGPT浪潮中趨勢漸顯。當前，大多數傳感器已從交互式轉向預測性，將機器智能的主動權部分地轉向傳感器智能。具有智能化實時數據分析和過程校正功能的傳感器，將會大量提高設備的交互能力。這也意味著邊緣計算，將會在機器的邊緣端，再往前深探一步。
不過，一個傳感器能夠測量的參數是有限的，為什么不將多個傳感器集成在一起呢？于是各種組合傳感器就紛來沓至，溫度+濕度、壓力+流量、振動+加速度+減速等傳感器，成為應用最多的組合。混編傳感器艦隊，實現多參數檢測的“一器多用”，通過檢測各種參數來形成閉環自動化的應用。這在智能制造領域，迎來廣泛發展的空間。
另一方面，智能傳感器還在向著融合傳感器的方向發展。比如，智能傳感器正在加速無人駕駛汽車的發展，而傳感器的多功能融合，將利用不同傳感器的優勢，提供數據分析和控制能力，從而具備嵌入式智能。這在軍事方面也具有重要應用，美國F35戰斗機一直在進行多域數據的連接和分析，核心就是利用融合傳感器，實現多維數據的高速分析，并且能夠利用不同平臺來的數據，無論是海上、空天、海下和陸地的傳感器數據，多種異構數據并發處理。
傳感器與通信、計算機被稱為現代信息技術的三大支柱。傳感器的作用無論如何強調也不為過。今天，隨著新型智能傳感器愈發智能化，越來越多的智能傳感器已經被用在各種應⽤中。隨著ChatGPT的到來，未來的傳感器甚至還將產生認知屬性。可以說，傳感器就是自動化系統的五官，而智能傳感器也將引領人類奔向數字化的未來。
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