Dengan kedatangan era cerdas, penelitian dan penerapan berbagai sensor pintar telah semakin ditekankan. Sensor pintar juga memiliki kemampuan pemrosesan informasi yang kaya berdasarkan sensor tradisional dan dapat memberikan fungsi yang lebih komprehensif.
Makalah ini memperkenalkan status penelitian saat ini dari sensor suhu, tekanan, inersia, biokimia, dan RFID yang umum digunakan dan peran utama mereka dalam peningkatan industri dan aplikasi inovatif seperti Internet of Things (IoT), Virtual Reality (VR), robotika, perawatan kesehatan, dll. dan menantikan tren pengembangan sensor pintar di masa depan.
Smart Sensor (Smart Sensor) mengacu pada sensor dengan deteksi informasi, pemrosesan informasi, memori informasi, fungsi pemikiran logis dan penilaian.
Relatif terhadap sensor tradisional yang hanya memberikan sinyal tegangan analog yang mengkarakterisasi kuantitas fisik yang akan diukur, sensor pintar memanfaatkan teknologi integrasi dan teknologi mikroprosesor secara penuh, menetapkan persepsi, pemrosesan informasi, komunikasi dalam satu, dan dapat memberikan tingkat pengetahuan tertentu tertentu informasi yang disebarluaskan dalam bentuk digital.
Karena NASA (NASA) mengusulkan konsep sensor pintar pada 1980 -an, setelah beberapa dekade pengembangan, sensor pintar telah menjadi arah pengembangan utama teknologi sensor, mewakili kemampuan penelitian industri dan teknologi suatu negara.
Didorong oleh era pintar saat ini, pentingnya sensor telah menjadi lebih menonjol, tidak hanya di "Made in China 2025", "Strategi Teknologi Tinggi Jerman 2020" dan Uni Eropa, Amerika Serikat, Korea Selatan, Singapura, dll untuk mempromosikan kota pintar dan strategi lainnya untuk memainkan peran pendukung yang penting, tetapi juga di Internet of Things (IoT), Virtual Reality (VR) memainkan peran kunci.
Kinerja tinggi, sistem otomatis multifungsi yang sangat dapat diandalkan, sistem pengukuran dan kontrol serta kenaikan dan pengembangan Internet of Things berdasarkan teknologi identifikasi frekuensi radio, semakin banyak menyoroti pentingnya sensor pintar dengan persepsi, kemampuan kognitif dan kuat dan cepatnya pengembangan urgensi.
Dengan pengembangan teknologi MEMS yang kompatibel dengan CMOS, pengembangan miniatur sensor pintar telah menerima dukungan teknis yang kuat, industri sensor pintar menghadapi peluang pengembangan historis yang sangat penting.
Makalah ini merangkum status pengembangan berbagai jenis teknologi dan aplikasi sensor pintar, dan membuat pandangan tentang tren pengembangan di masa depan.
1 sensor cerdas yang kaya dan beragam itu
Untuk memenuhi kebutuhan berbagai aplikasi cerdas, kategori sensor sangat beragam, seperti: sensor lingkungan, sensor inersia, sensor analog, sensor magnetik, biosensor, sensor inframerah, sensor getaran, sensor tekanan, sensor ultrasonik dan sebagainya.
Di antara mereka, sensor berikut lebih umum digunakan.
Sensor lingkungan, terutama sensor gas, sensor tekanan barometrik, sensor suhu, sensor kelembaban dan sebagainya.Sensor gas dapat diterapkan pada pemurni udara, monitor DUI, detektor formaldehida dan gas beracun lainnya di perabotan rumah, serta perangkat deteksi untuk gas buang industri. Ketika orang memperhatikan masalah lingkungan, pentingnya sensor lingkungan menjadi semakin menonjol, dan ada banyak ruang untuk pengembangan di masa depan.
Sensor inersia, terutama digunakan dalam produk yang dapat dikenakan, seperti gelang pintar, jam tangan pintar, helm VR dan sebagainya.Sensor inersia digunakan untuk mendeteksi pelacakan dan identifikasi gerakan, memberi tahu pemakainya tentang jumlah latihan, kalori yang dikonsumsi dan efek olahraga pada hari itu.
Sensor magnetik, yang terutama digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti pembuat kopi, pemanas air, pendingin udara, dll., Digunakan untuk mendeteksi berapa banyak sudut yang telah diputar atau berapa banyak perjalanan yang telah dilakukan, dan biasanya ditampilkan di dasbor. Selain itu, sensor magnetik juga digunakan dalam magnet pintu dan magnet jendela, dll. Kecerdasan dan akurasi robot juga membutuhkan sensor magnetik untuk dukungan.
Sensor analog, yang terutama digunakan dalam perangkat medis pintar,Dapat digunakan sebagai input untuk sinyal seperti detak jantung dan elektrokardiogram, dan memvisualisasikan output data kesehatan, sehingga pengguna dapat memahami data kesehatan dan latihan tangan pertama mereka.
Sensor inframerah sering digunakan dalam kamera inframerah, robot menyapu dan rumah pintar lainnya.
2 Kemajuan Penelitian Teknis tentang Sensor Cerdas
Sensor yang benar -benar cerdas harus memiliki fungsi berikut:
1) Fungsi Kalibrasi Mandiri, Kalibrasi Mandiri dan Otomatis;
2) pengumpulan data otomatis, penilaian logis dan fungsi pemrosesan data;
3) fungsi penyesuaian diri dan adaptasi diri;
(4) tingkat penyimpanan, identifikasi, dan fungsi pemrosesan informasi tertentu;
5) komunikasi dua arah, output digital standar atau fungsi output simbol;
(6) Penilaian algoritmik, fungsi pengambilan keputusan dan pemrosesan.
Berikut ini adalah contoh sensor suhu, tekanan, inersia, biokimia dan RFID yang umum digunakan untuk memperkenalkan kemajuan penelitian teknologi penginderaan cerdas.
2.1 Sensor Suhu Cerdas
Pengembangan sensor suhu telah melalui berikut iniTiga tahap: sensor suhu diskrit tradisional, sensor suhu terintegrasi analog dan sensor suhu cerdas secara keseluruhan.
Ke abad ke-21, sensor suhu cerdas bergerak menuju presisi tinggi, multi-fungsional, standardisasi bus, keandalan dan keamanan yang tinggi, pengembangan sensor virtual dan sensor jaringan, pengembangan sistem pengukuran suhu monolitik dan arah lain dari perkembangan cepat.
Sensor suhu pintar saat ini berisi sensor suhu, konverter A/D, prosesor sinyal, sirkuit memori dan antarmuka, beberapa produk juga memiliki multiplexer, pengontrol pusat, penyimpanan akses acak, dan memori hanya baca.
Sensor suhu cerdas ditandai oleh kemampuan untuk mengeluarkan data suhu dan volume kontrol suhu terkait, disesuaikan dengan berbagai pengontrol mikro, dan didasarkan pada perangkat keras melalui perangkat lunak untuk mencapai fungsi pengujian, tingkat kecerdasan tergantung pada level pengembangan perangkat lunak.
(1) Meningkatkan akurasi dan resolusi pengukuran
Sensor suhu cerdas paling awal dimulai di tengah -1990 s, menggunakan 8- bit a/d converter, akurasi pengukuran suhu rendah, resolusi hanya dapat mencapai 1 derajat.
Saat ini, negara-negara asing telah meluncurkan berbagai sensor suhu cerdas presisi tinggi, resolusi tinggi, menggunakan 9 ~ 12- bit a/d konverter, resolusi dapat mencapai 0. 5 ~ {{{{6 }}. 625 derajat. Oleh AS Dallas Semiconductor Corporation yang baru dikembangkan DS 1624- Ketik sensor suhu cerdas resolusi tinggi yang dapat menghasilkan {{1 0}} bit data biner, resolusi setinggi {{{13}. 03 Dererek , akurasi pengukuran suhu ± 0,2 derajat.
Untuk meningkatkan laju konversi sensor suhu cerdas multi-saluran, ada juga chip menggunakan konverter A/D pendekatan berturut-turut berkecepatan tinggi. AD7817 TYPE 5- Saluran Sensor Suhu Cerdas, misalnya, itu adalah sensor lokal, masing -masing waktu konversi sensor jarak jauh hanya 27 ms, 9 ms, masing -masing.
Dalam hal pengukuran suhu presisi tinggi, beberapa sarjana telah merancang sensor suhu digital berkinerja tinggi, yang terdiri dari resonator garpu tuning kuarsa, sirkuit antarmuka digital dan algoritma kontrol reset sensor berdasarkan array gerbang yang dapat diprogram, dan dan algoritma gerbang yang dapat diprogram di lapangan, dan dan dan pemrograman lapangan, dan array gerbang yang diprogram di lapangan, dan dan dan pemrograman lapangan lapangan, dan dan dan pemrograman lapangan lapangan, dan dan pemrograman lapangan lapangan, dan dan dan pemrograman lapangan lapangan lapangan Sensitivitas sensor dapat mencapai jumlah 10 -6 derajat, yaitu, resolusi pengukuran suhu dari 0. 0 01 derajat, waktu respons 1 detik, dan keakuratan pengukuran adalah 0,01 derajat.
(2) Fungsi tes yang ditingkatkan
Fungsi uji sensor suhu cerdas baru terus ditingkatkan. Sensor suhu cerdas memiliki berbagai mode operasi untuk dipilih, termasuk mode konversi tunggal, mode konversi kontinu, mode siaga, dan beberapa juga menambahkan mode ekspansi batas suhu rendah.
Untuk beberapa sensor suhu cerdas, host (mikroprosesor eksternal atau mikrokontroler) juga dapat ditetapkan melalui register yang sesuai dari laju konversi A/D, resolusi dan waktu konversi maksimum.
Selain itu, sensor suhu cerdas berkembang dari saluran tunggal ke arah multi-saluran, yang menciptakan kondisi yang baik untuk pengembangan pengukuran suhu multi-saluran dan sistem kontrol.
(3) Standardisasi dan standardisasi teknologi bus
Saat ini, teknologi bus sensor suhu cerdas juga telah distandarisasi dan dinormalisasi, bus yang digunakan terutama bus tunggal (-wire), bus 2 C, bus SMBUS dan bus SPI.
(4) Desain Keandalan dan Keselamatan
Untuk menghindari tindakan palsu ketika sistem kontrol suhu mengalami gangguan kebisingan, dalam internal beberapa sensor suhu cerdas, penghitung antrian kesalahan yang dapat diprogram diatur, didedikasikan untuk mengatur berapa kali nilai suhu yang diukur dibiarkan melebihi batas atas dan bawah. Port interupsi hanya dapat dipicu ketika berapa kali suhu yang diukur terus melampaui batas atas atau jatuh di bawah batas bawah mencapai set kalimat, yang menghindari pengaruh gangguan kebisingan sesekali pada sistem kontrol suhu.
Untuk mencegah kerusakan pada chip karena pelepasan elektrostatik manusia, beberapa sensor suhu cerdas juga meningkatkan sirkuit perlindungan elektrostatik, umumnya dapat menahan 1 ~ 4 kV tegangan pelepasan elektrostatik.
Misalnya, antarmuka serial sensor suhu cerdas TCN75, output sinyal interupsi/perbandingan dan input alamat dapat menahan 1 kV tegangan pelepasan elektrostatik. LM83 Sensor suhu cerdas dapat menahan 4 kV tegangan pelepasan elektrostatik.
2.2 Sensor Tekanan Cerdas
Sensor tekanan cerdas adalah kombinasi dari mikroprosesor dan sensor tekanan, sehingga jalur implementasinya dapat dibagi menjadi: sensor tekanan cerdas yang tidak terintegrasi, sensor tekanan cerdas terintegrasi dan sensor tekanan cerdas hibrida.
Sensor tekanan pintar yang tidak terintegrasi adalah sistem sensor tekanan pintar yang menggabungkan sensor tekanan tradisional, sirkuit pengkondisian sinyal, dan mikroprosesor dengan antarmuka bus digital ke dalam sistem tunggal.
Sensor tekanan yang tidak terintegrasi ini sebenarnya adalah sistem sensor tekanan konvensional dengan koneksi mikroprosesor yang ditambahkan. Oleh karena itu, ini adalah salah satu cara dan sarana tercepat untuk mewujudkan sistem sensor tekanan pintar.
Sensor tekanan cerdas yang terintegrasi adalah integrasi monolitik dari elemen sensitif tekanan dengan pemrosesan sinyal, kalibrasi, kompensasi, mikrokontroler, dll. Ini terutama mengadopsi teknologi sistem mikroelektromekanis (MEMS) dan teknologi proses sirkuit terintegrasi skala besar, dan menggunakan silikon sebagai bahan dasarnya Untuk membuat elemen sensitif, sirkuit pengkondisian sinyal, dan unit mikroprosesor, dan mengintegrasikannya pada satu chip.
Dengan perkembangan cepat teknologi mikroelektronika dan penerapan mikro-nanoteknologi, sensor tekanan pintar yang dihasilkan memiliki karakteristik miniaturisasi, integrasi struktural, presisi tinggi, multi-fungsi, array, digitalisasi penuh, mudah digunakan, mudah dioperasikan dan sebagainya pada.
Sensor tekanan cerdas hibrida sesuai dengan kebutuhan dan kemungkinan sistem berbagai tautan terintegrasi, seperti unit sensitif, sirkuit pengkondisian sinyal, unit mikroprosesor, antarmuka bus digital, dalam berbagai kombinasi yang terintegrasi dalam 2 ~ 3 chip, dan dikemas dalam cangkang .
Integrasi hibrida untuk mencapai kecerdasan adalah jalur cerdas yang sangat cocok untuk pengembangan teknologi saat ini. Dalam sistem sensor tekanan cerdas, mikroprosesor dapat mewujudkan kontrol perangkat lunak sensor sesuai dengan program yang diberikan, mengubah sensor dari fungsi tunggal menjadi multi-fungsi. Sensor tekanan cerdas umumnya memiliki fungsi dasar berikut.
(1) Fungsi pemrosesan data.Sensor tekanan cerdas tidak hanya mengukur parameter yang diukur, tetapi juga sesuai dengan parameter yang diukur yang diketahui, dapat secara otomatis nol, seimbang secara otomatis, dikompensasi secara otomatis dan sebagainya.
(2) Fungsi diagnostik otomatis.Ini adalah fungsi utama dari sensor tekanan cerdas, sensor tekanan cerdas melalui perangkat lunak diagnosis kesalahannya dan perangkat lunak penguji diri, sensor otomatis dan status sistem untuk deteksi reguler dan tidak teratur, pengujian, deteksi kesalahan tepat waktu, untuk membantu dalam diagnosis penyebab tersebut kegagalan, lokasi, dan untuk memberikan tips operasional.
(3) Fungsi Konfigurasi Perangkat Lunak.Sensor tekanan cerdas karena penggunaan mikroprosesor, sehingga tidak hanya ada komponen perangkat keras yang diperlukan, seperti deteksi, amplifikasi, A / D, D / A, antarmuka komunikasi, dll., Tetapi juga sumber daya perangkat lunak untuk kontrol dan pemrosesan data. Dalam sensor tekanan cerdas, ada perangkat keras dan perangkat lunak multi-modular yang diatur sehingga pengguna dapat mengirim perintah melalui mikroprosesor untuk mencapai fungsi yang berbeda, yang meningkatkan fleksibilitas dan keandalan sensor.
2.3 sensor inersia yang cerdas
Sensor inersia, jenis sensor MEMS yang paling banyak digunakan, termasuk akselerometer, giroskop, dan sensor orientasi. Teknologi MEMS memiliki keuntungan unik dari miniatur sensor inersia dan biaya pengurangan.
Modul pengukuran inersia saat ini (IMU) dapat mengintegrasikan akselerometer triaksial, giroskop triaksial, dan magnetometer triaksial dalam ukuran 10 mm x 10 mm x 4 mm dengan biaya kurang dari satu dolar. Modul pengukuran inersia ini dapat diterapkan pada smartphone dan perangkat yang dapat dikenakan untuk mewujudkan fungsi olahraga dan kesehatan termasuk pemantauan gaya berjalan, penghitungan langkah, deteksi jatuh, pemantauan tidur, navigasi dalam ruangan, dll., Serta fungsi hiburan seperti pengenalan gesture dan penginderaan arah.