万物互联时代，物联网传感器是如何工作的？

136****9026

　　在过去的几十年里，硬件、软件和计算机技术经历了巨大的变化。如今这个时代，笔记本电脑、智能手机和智能手表等手持设备的算力惊人。更可喜的是，这些设备的计算能力还有进一步发掘的空间。

　　随着物联网（或称IoT）的出现，算力水平被提升到了一个新的高度，“智能”的概念也被重新定义，可以说，围绕机器计算能力爆发而上演的一场好戏才刚刚开始。

　　什么是物联网（IoT）？

　　顾名思义，物联网即“万物相连的互联网”，是一个将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。

　　物联网可以被理解为涵盖了所有类型设备的一把“伞”。它们要么被嵌入到一个系统中，要么作为一个独立的实体存在。无论哪种方式，关键是它们通过互联网相互连接。为此，每一个这样的设备都有一个嵌入式发射器和接收器，利用互联网实现通信。

　　然而，每一个物联网系统都是不一样的，也不一定适用于所有的应用。事实上，它们就像我们人类一样，每个人都有擅长的东西。就像你不能指望一个人拥有三头六臂、凡事精通一样，你也不能指望一个单一的物联网系统（和设备）能做所有的事情。因此，工程师会设计出不同的系统来执行不同的任务，以提供最好的结果。

　　在探究物联网设备的内部结构之前，区分设备和系统很重要。设备就像一个个体成员，而系统就像一个由个体参与的团队。因此，设备是系统的一部分，而反之则不然。

　　任何系统都由多个单独的组成部分（和子组成部分）组成，它们共同致力于实现一个共同的目标。此外，作为系统（团队）的一部分，可以确保更高的生产力，取得更好的效果。物联网系统的主要组成部分是：
　　1、传感器：感应物理量；
　　2、中央微控制器：控制传感器和其他部件的所有动作；
　　3、云、数据分析和处理：对接收到的数据进行分析和处理；
　　4、发射器和接收器：通过互联网建立不同传感器、传感器和微控制器与中央云服务器之间的通信；
　　5、用户界面：与用户沟通并执行用户指示的任务。

　　物联网传感器：通往现实世界的桥梁

　　物联网系统的一个很好的例子是智能手机，它通常由以下部分组成：
　　1、一个全球定位系统（GPS）模块，以确定位置；
　　2、一个温度传感器，用来感知周围的温度；
　　3、一个用来感应用户声音的麦克风；
　　4、一个近距离传感器来感知用户与手机的距离，并在通话时锁定手机。

　　智能手机上不同的应用使用不同的传感器。例如，地图软件通常会有一个用户界面（一个应用程序）与GPS模块交互，并收集位置坐标。它通过互联网连接处理数据，帮助用户找到目的地。这类的多传感器物联网系统还有电池管理系统（BMS）。

　　传感器就像计算世界和现实世界之间的门户。因此，传感器需要将其在现实世界中感知到的任何东西转化为计算机能够理解的东西。

　　微机电系统(MEMS)与物联网传感器的传感机制

　　微机电系统（Micro-electromechanical Systems，MEMS）是一种微系统技术（MST），由尺寸在微米范围内的硅等半导体材料制造的微小元件组成。大多数检测机械能的传感器都会利用到MEMS技术，加速度计是一个非常典型的例子。

　　由于MEMS技术的制造材料是半导体，其主要优势是可以嵌入集成电路（IC）中。一个IC还包括其他计算元件（也是由半导体材料制成），对从传感器接收的数据进行运用。

　　事实上，小尺寸和芯片集成大大降低了成本。另外，基于MEMS的传感器拥有高灵敏度，可以检测到微小的变化，这在以前的产品中是无法想象的。

　　根据不同的应用，一个系统可以包括一个或多个传感器，感应不同的物理量，从而具有独特的传感机制。MEMS技术中最流行的两种将物理变化转化为电信号的传感机制是：基于电阻的传感（Resistive based sensing）和基于电容的传感（Capacitive based sensing）。

　　两种类型的传感机制都使用一个简单的原理——物理量的任何变化都会被传感器中使用的材料的电阻或电容的变化所捕获。因此，物理量的变化越大，材料的电阻或电容的变化就越大，反之亦然。

　　两种类型的主要区别在于两种机制的工作原理，即电阻和电容和差别。

　　基于电阻的传感

　　（1）基于电阻的传感（使用MEMS技术）

　　一个多世纪以来，工程师一直在使用电阻器来测量、分析、控制和观察各种物理量。如前所述，每当一个物理量（如压力）发生变化时，电阻的变化量就决定了这个物理量的变化程度。

　　电阻的变化受物理学原理的支配，如光导效应、半导体的热阻效应和压阻效应。

　　通过物理几何形状的变化进行感应：材料的电阻取决于材料的几何形状、长度和横截面积。长度或/和横截面积的任何变化将直接影响材料的电阻。

　　压阻效应（Piezoresistive Effect）：压阻材料是一种特殊的材料，当材料经历机械变形，如推、拉或挤压时，其电阻会发生变化。因此，压力、振动和加速度测量物联网传感器通常使用压阻材料。

　　（2）其他电阻式传感机制

　　虽然基于MEMS的物联网传感器对机械、物理量非常有效，但电阻式传感器检测光、温度等非机械量的工作原理是不一样的。因此，传感机制发生了变化。

　　光线感应：要检测光，需要一种特殊的感光材料。在自然界中，动物借助称为光感受器（Photoreceptor）的神经细胞来探测光。同样，任何光感传感器都会使用光敏电阻——一种其电阻值会随着光线强度的增加而减小的材料。光依赖性电阻器（LDR）是一种非常流行的用于检测光的物联网传感器。

　　温度传感：与光线感应类似，温度传感也需要对环境温度变化具有接受能力的材料。大多数温度传感器由热敏电阻组成——-一种电阻随温度升高而减小的材料。例如，用于防止现代锂离子电池过度充电的参数之一就是在热敏电阻的帮助下检测电池温度。

　　化学传感器：这些传感器用于检测特定的化学物质。传感器包含一个由材料组成的传感层，每当它与化学物质发生反应时，其电阻就会发生变化。例如，许多物联网系统使用MQ系列（MQ9、MQ2、MQ7等）气体传感器。它可以检测各种类型的气体，如一氧化碳、液化石油气和甲烷的存在。

　　（3）转换为电信号

　　根据欧姆定律（V=IR），电流、电压和电阻之间存在直接的关系。这个定律的妙处在于，电阻的任何微小变化都可以在瞬间转化为电信号（电压或电流）。

　　因此，每一个基于电阻的物联网传感器（包括MEMS技术）都直接或间接地使用欧姆定律。

　　基于电容的传感

　　基于电容的传感机制通过改变材料的电容来捕捉物理量的变化，并且与电阻一样，取决于材料的物理几何形状。

　　然而，几乎所有基于电容的传感系统都主要依赖于物理几何形状的变化，如面积、距离，以及由材料所能存储的电荷量描述的材料的电容能力。

　　触摸传感器是物联网系统中最常见的基于电容的传感器。智能手机的触摸屏就是由众多触摸传感器组成。从本质上说，它是一个压力传感器，可以检测物理触摸的压力/力。

　　当屏幕受到物理触摸的刺激时，施加的压力会改变面积或/和距离，从而引发屏幕下方电容值的变化。这种电容的变化就像一个电开关，驱动电信号进入下一阶段。

　　与使用欧姆定律的基于电阻的传感系统类似，基于电容的系统也有自己独特的关系，将电容量的变化映射为电压和电流。

　　在电阻传感中，一些物理量如光和温度，需要一种特殊的材料。这既有好处也有不足，一方面，电阻变化是唯一的被测量的量，但另一方面，这种独特性需要完全不同的测量/传感程序。

　　相反，大多数基于电容的传感系统保持了统一的传感程序，因为变化主要是由于物理几何形状的变化。此外，与电阻式传感相比，它们相对较新，目前仅限于使用MEMS技术的传感机械系统。

　　总结

　　以上就是一些物联网系统中常用的传感器的工作原理。此外，传感器的设计制作只是物联网的一部分。系统要对接收到的数据进行有效处理，并通过迎合用户需求，提供以应用为中心的结果。

　　目前来看，物联网传感器已经渗透到制造业，并将大部分人工操作自动化，从而形成了一个全新的分支，即工业物联网（IIOT）。

　　与个人电脑和智能手机不同，物联网技术还没有给我们的生活带来巨大的变化。而在变革发生之前，整个物联网生态系统需要继续发展。

　　参考资料：
　　[1] W. Y. Du, S. W. Yelich, “Resistive and Capacitive Based Sensing Technologies”, Sensors and Transducers Journal, April, 2008
　　[2] P&S Technologies, “P&S OPC271 Opto-Potentiometer”, TNT Audio, June, 2009
　　[3] Wikimedia Common Contributors, “Photoresistor 2.jpg”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, November, 2018
　　[4] “NTC Thermistor.jpg,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, September 2019
　　[5] Wikimedia Common Contributors, “R against T for a thermistor.png,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, July 2020
　　[6] Wikimedia Common Contributors, “PeizoAccelThoery.gif,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, July 2008
　　[7] Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”
　　[8] D. Fischer, “Capacitive Touch Sensors,” Fujitsu Microelectronics Europe GmbH, Jan 2021