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物联网系列专栏文章5
前期文章中把物联网产业链分为DCM三个大业务层面,同时DCM也是一个物联网系统的典型技术架构。本期介绍DCM三层架构的感知层(Device)和传输层(Connect)。
传感器可“大”可“小”
感知层由传感器和部分与传感器连成一体的传感网(无源传感器)组成,处于三层架构的最底层,这也是物联网最基础的联接和管理对象。 最广义来说,传感器是把各种非电量转换成电量的装置,非电量可以是物理量、化学量、生物量等等。
一说到传感器,可能大家就会往小的方面想,如上几期提到的“电子尘埃”。在物联网的大概念下,一个泛在的物联网系统,随着参照物的不同,传感器可以是一个“大”的“智能物件”,它可以是一个机器人、一台机床、一列火车,甚至是一个卫星或太空探测器。这也是为什么在DCM划分中用“Device”(设备或装置)来描述物联网底层的原因,笔者认为,这样描述更符合物联网目前的战略地位。
传统的、狭义的传感器种类已有很多,而且有多种分类方法,例如,可分为有源和无源两大类。有源传感器将非电量转换为电能量,无源程序传感器不起能量转换作用,只是将被测非电量转换为电参数的量。每一类传感器又可做进一步细分,如图1所示的生物传感器、纳米传感器的细分。物联网关注传感器的实际应用,下面是我们按应用方式进行的分类。
形形色色的传感器
生物传感器: 对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测,涉及的是生物物质,主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等。
汽车传感器: 它把汽车运行中各种工况信息,如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等,转化成电信号输给计算机,测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等。
液位传感器: 利用流体静力学原理测量液位,是压力传感器的一项重要应用,适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。
速度传感器: 是一种将非电量(如速度、压力)的变化转变为电量变化的传感器,适应于速度监测。
加速度传感器: 是一种能够测量加速力的电子设备,可应用在控制、手柄振动和摇晃、仪器仪表、汽车制动启动检测、地震检测、报警系统、玩具、结构物、环境监视、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析,以及鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
核辐射传感器: 利用放射性同位素来进行测量的传感器,适用于核辐射监测。
振动传感器: 是一种目前广泛应用的报警检测传感器,它内部用压电陶瓷片加弹簧重锤结构检测振动信号,用于机动车、保险柜、库房门窗等场合的防盗装置中。
湿度传感器: 分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件,适用于湿度监测。
磁敏传感器: 利用磁场作为媒介可以检测很多物理量的传感器,测量位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。
气敏传感器: 是一种检测特定气体的传感器,适用于一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟利昂(R11、R12)、呼气中乙醇、人体口腔口臭的检测等。
力敏传感器: 是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器,适用于力度监测。
位置传感器: 用来测量机器人自身位置的传感器,适用于机器人控制系统。
光敏传感器: 是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器,适用于对光的探测; 还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测。
光纤传感器: 是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质发生变化,称为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数,适用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
纳米传感器: 运用纳米技术制造的传感器,应用领域为生物、化学、机械、航空、军事等。
压力传感器: 是工业实践中最为常用的一种传感器,广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
位移传感器: 又称为线性传感器,它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器,主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
激光传感器: 利用激光技术进行测量的传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。
MEMS传感器: 包含硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。
半导体传感器: 利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器,适用于工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。
气压传感器: 用于测量气体的绝对压强,适用于与气体压强相关的物理实验, 也可以在生物和化学实验中测量干燥、无腐蚀性的气体压强。
红外线传感器: 利用红外线的物理性质来进行测量的传感器,常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤,应用在医学、军事、空间技术和环境工程等。
超声波传感器: 是利用超声波的特性研制而成的传感器,广泛应用在工业、国防、生物医学等。
遥感传感器: 是测量和记录被探测物体的电磁波特性的工具,用在地表物质探测、遥感飞机上或是人造卫星上。
高度传感器: 其原理是测得滑臂与基准线夹角的大小来换算出相应的熨平板高度,用于高度测量。
地磅传感器: 是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置,用于称重。
图像传感器: 是利用光电器件的光电转换功能,将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件,广泛用于自动控制和自动测量,尤其是适用于图像识别技术。
厚度传感器: 测量材料及其表面镀层厚度的传感器,用于厚度测量。
微波传感器: 是利用微波特性来检测一些物理量的器件,广泛用于工业,交通及民用装置中。
视觉传感器: 能从一整幅图像捕获光线数以千计的像素,工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。
空气流量传感器: 是测定吸入发动机的空气流量的传感器,适用于汽车发动机。
化学传感器: 对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器,适用于矿产资源的探测、气象观测和遥测、工业自动化、医学上远距离诊断和实时监测、农业上生鲜保存和鱼群探测、防盗、安全报警和节能等。
传感器核心
在于联网应用
2009年中国传感器市场研究报告指出,据不完全统计,目前我国已有1688家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用,其中从事MEMS(因为在iPhone和Wii等产品中的成功使用而受到广泛关注和大力发展)研制生产的企业已经有50多家。我国的传感器同国外水平相比,新品研制仍落后国际水平5～10年,而规模生产技术则落后10～15年。
传感器解决的是“上行”的感知和监测问题,要实现控制,还需要“下行”的执行器(如阀门等)来实现完整的“管控一体化”。 执行器也是目前物联网讨论中往往被忽视的一环,它的原理和分类和传感器基本类似,这里不再细述。
传统的传感器(包括执行器)是物联网产业的一个关注点,但笔者认为物联网的核心还是“联网”和应用,传感器是“点”的问题,不是“面”的问题,我们在传统传感器领域的落后状况对我国在物联网领域力争世界产业发展制高点的努力不会起决定性的制约作用。
传感网研究人群一般把传感网和传感器都当做感知层来对待。传感网既然是“网”,本应该属于传输层,但有一些和传感器合为一体的传感网应该属于感知层,因此笔者认为传感网介于传输层和感知层之间。图2所示的ESN(Environmental Sensor Networks,环境传感网)、OSN(Object SensorNetworks,物体传感网),以及前文中提到的VSN、BSN都属于“二合一”的感知层。此外,RFID其实也是传感器和传感网“二合一”的技术和应用。
剖析传输层
上期文章在谈到DCM划分时曾经提到过传输层主要分有线和无线两种通信方式,目前业界在谈论物联网时,往往对无线通信方式谈得很多,RFID、传感网、3G等都属于无线通信范畴,尤其是大家对3G技术寄予厚望 。笔者认为,目前两种通信方式对物联网产业来说可能处于同等重要、互相补充的作用,例如,工业化和信息化“两化融合”业务中大部分还是有线通信,智能楼宇等领域也还是以有线通信为主。
勿庸置疑,有线通信将来会成为物联网产业发展的主要支撑,但无线通信技术也是不可或缺的。下面我们对两种技术的应用范围做了一些归类整理,也许会对大家在物联网实际应用中考虑该选择哪种技术时有所帮助。
●物联网之有线通信传输层
有线通信技术可分为短距离的现场总线(Field Bus,也包括PLC电力线载波等技术)和中、长距离(WAN)的广域网络(包括PSTN、ADSL和HFC数字电视Cable等)两大类。
关于现场总线的特点和应用范围,见表1。
由于现场总线种类繁多,已存在巨大的部署量,难以通过一个通用网络协议标准化,在工业信息化、楼宇自控等行业应用中,一般需要物联网软件、中间件(如同方的ezM2M物联网业务基础中间件)通过软件总线(如MQ,ESB等)加适配器(Adaptor)的方式实现高效率的互联互通。
现有的电信网、有线电视网和计算机网是物联网业务可以利用的中、长距离有线网络。还有一些和这三大网络规模相当的未公开的覆盖全国的专网,如公安系统的专网,据说国家电网的专网比有线电视网规模还要大。
有线广域网在物联网应用中的一个劣势就是众所周知的IP地址不够的问题,在IPv6未全面实施之前,这个问题将制约有线网在物联网业务中的使用。而无线广域网可以通过发SIM卡(电话ID号码)的方式解决每个智能物件对应一个ID(号码)的问题。尽管如此,中国电信、歌华有线等以有线网络为主的营运商也都有宏大的物联网业务计划,例如在智能家庭网关(Home Gateway)领域,歌华有线凭借机顶盒的部署基础占据一定优势。
●物联网之无线通信传输层
和有线通信一样,无线通信也可分为长距离的无线广域网(WWAN)和中、短距离的无线局域网(WLAN),但无线网络中还有一种超短距离的WPAN(无线个人网,Wireless Personal Area Networks)类别。
传感网主要由WLAN或WPAN技术作为支撑,结合传感器。 “传感器”和“传感网”二合一的RFID的传输部分也是属于WPAN或WLAN。表2汇总了主流WLAN和WPAN协议的特点和用途介绍。
作者简介
周洪波1993年获瑞士苏黎世大学计算机科学博士学位,现任北京同方软件股份有限公司常务副总经理兼CTO,中国中间件协会副理事长,北京交通大学等校兼职教授。曾任美国橡树岭国家实验室研究员,并曾在美国IBM、BEA等公司担任高级技术和管理职务。
前期文章中把物联网产业链分为DCM三个大业务层面,同时DCM也是一个物联网系统的典型技术架构。本期介绍DCM三层架构的感知层(Device)和传输层(Connect)。
传感器可“大”可“小”
感知层由传感器和部分与传感器连成一体的传感网(无源传感器)组成,处于三层架构的最底层,这也是物联网最基础的联接和管理对象。 最广义来说,传感器是把各种非电量转换成电量的装置,非电量可以是物理量、化学量、生物量等等。
一说到传感器,可能大家就会往小的方面想,如上几期提到的“电子尘埃”。在物联网的大概念下,一个泛在的物联网系统,随着参照物的不同,传感器可以是一个“大”的“智能物件”,它可以是一个机器人、一台机床、一列火车,甚至是一个卫星或太空探测器。这也是为什么在DCM划分中用“Device”(设备或装置)来描述物联网底层的原因,笔者认为,这样描述更符合物联网目前的战略地位。
传统的、狭义的传感器种类已有很多,而且有多种分类方法,例如,可分为有源和无源两大类。有源传感器将非电量转换为电能量,无源程序传感器不起能量转换作用,只是将被测非电量转换为电参数的量。每一类传感器又可做进一步细分,如图1所示的生物传感器、纳米传感器的细分。物联网关注传感器的实际应用,下面是我们按应用方式进行的分类。
形形色色的传感器
生物传感器: 对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测,涉及的是生物物质,主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等。
汽车传感器: 它把汽车运行中各种工况信息,如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等,转化成电信号输给计算机,测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等。
液位传感器: 利用流体静力学原理测量液位,是压力传感器的一项重要应用,适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。
速度传感器: 是一种将非电量(如速度、压力)的变化转变为电量变化的传感器,适应于速度监测。
加速度传感器: 是一种能够测量加速力的电子设备,可应用在控制、手柄振动和摇晃、仪器仪表、汽车制动启动检测、地震检测、报警系统、玩具、结构物、环境监视、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析,以及鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
核辐射传感器: 利用放射性同位素来进行测量的传感器,适用于核辐射监测。
振动传感器: 是一种目前广泛应用的报警检测传感器,它内部用压电陶瓷片加弹簧重锤结构检测振动信号,用于机动车、保险柜、库房门窗等场合的防盗装置中。
湿度传感器: 分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件,适用于湿度监测。
磁敏传感器: 利用磁场作为媒介可以检测很多物理量的传感器,测量位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。
气敏传感器: 是一种检测特定气体的传感器,适用于一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟利昂(R11、R12)、呼气中乙醇、人体口腔口臭的检测等。
力敏传感器: 是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器,适用于力度监测。
位置传感器: 用来测量机器人自身位置的传感器,适用于机器人控制系统。
光敏传感器: 是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器,适用于对光的探测; 还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测。
光纤传感器: 是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质发生变化,称为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数,适用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
纳米传感器: 运用纳米技术制造的传感器,应用领域为生物、化学、机械、航空、军事等。
压力传感器: 是工业实践中最为常用的一种传感器,广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
位移传感器: 又称为线性传感器,它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器,主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
激光传感器: 利用激光技术进行测量的传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。
MEMS传感器: 包含硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。
半导体传感器: 利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器,适用于工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。
气压传感器: 用于测量气体的绝对压强,适用于与气体压强相关的物理实验, 也可以在生物和化学实验中测量干燥、无腐蚀性的气体压强。
红外线传感器: 利用红外线的物理性质来进行测量的传感器,常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤,应用在医学、军事、空间技术和环境工程等。
超声波传感器: 是利用超声波的特性研制而成的传感器,广泛应用在工业、国防、生物医学等。
遥感传感器: 是测量和记录被探测物体的电磁波特性的工具,用在地表物质探测、遥感飞机上或是人造卫星上。
高度传感器: 其原理是测得滑臂与基准线夹角的大小来换算出相应的熨平板高度,用于高度测量。
地磅传感器: 是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置,用于称重。
图像传感器: 是利用光电器件的光电转换功能,将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件,广泛用于自动控制和自动测量,尤其是适用于图像识别技术。
厚度传感器: 测量材料及其表面镀层厚度的传感器,用于厚度测量。
微波传感器: 是利用微波特性来检测一些物理量的器件,广泛用于工业,交通及民用装置中。
视觉传感器: 能从一整幅图像捕获光线数以千计的像素,工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。
空气流量传感器: 是测定吸入发动机的空气流量的传感器,适用于汽车发动机。
化学传感器: 对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器,适用于矿产资源的探测、气象观测和遥测、工业自动化、医学上远距离诊断和实时监测、农业上生鲜保存和鱼群探测、防盗、安全报警和节能等。
传感器核心
在于联网应用
2009年中国传感器市场研究报告指出,据不完全统计,目前我国已有1688家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用,其中从事MEMS(因为在iPhone和Wii等产品中的成功使用而受到广泛关注和大力发展)研制生产的企业已经有50多家。我国的传感器同国外水平相比,新品研制仍落后国际水平5～10年,而规模生产技术则落后10～15年。
传感器解决的是“上行”的感知和监测问题,要实现控制,还需要“下行”的执行器(如阀门等)来实现完整的“管控一体化”。 执行器也是目前物联网讨论中往往被忽视的一环,它的原理和分类和传感器基本类似,这里不再细述。
传统的传感器(包括执行器)是物联网产业的一个关注点,但笔者认为物联网的核心还是“联网”和应用,传感器是“点”的问题,不是“面”的问题,我们在传统传感器领域的落后状况对我国在物联网领域力争世界产业发展制高点的努力不会起决定性的制约作用。
传感网研究人群一般把传感网和传感器都当做感知层来对待。传感网既然是“网”,本应该属于传输层,但有一些和传感器合为一体的传感网应该属于感知层,因此笔者认为传感网介于传输层和感知层之间。图2所示的ESN(Environmental Sensor Networks,环境传感网)、OSN(Object SensorNetworks,物体传感网),以及前文中提到的VSN、BSN都属于“二合一”的感知层。此外,RFID其实也是传感器和传感网“二合一”的技术和应用。
剖析传输层
上期文章在谈到DCM划分时曾经提到过传输层主要分有线和无线两种通信方式,目前业界在谈论物联网时,往往对无线通信方式谈得很多,RFID、传感网、3G等都属于无线通信范畴,尤其是大家对3G技术寄予厚望 。笔者认为,目前两种通信方式对物联网产业来说可能处于同等重要、互相补充的作用,例如,工业化和信息化“两化融合”业务中大部分还是有线通信,智能楼宇等领域也还是以有线通信为主。
勿庸置疑,有线通信将来会成为物联网产业发展的主要支撑,但无线通信技术也是不可或缺的。下面我们对两种技术的应用范围做了一些归类整理,也许会对大家在物联网实际应用中考虑该选择哪种技术时有所帮助。
●物联网之有线通信传输层
有线通信技术可分为短距离的现场总线(Field Bus,也包括PLC电力线载波等技术)和中、长距离(WAN)的广域网络(包括PSTN、ADSL和HFC数字电视Cable等)两大类。
关于现场总线的特点和应用范围,见表1。
由于现场总线种类繁多,已存在巨大的部署量,难以通过一个通用网络协议标准化,在工业信息化、楼宇自控等行业应用中,一般需要物联网软件、中间件(如同方的ezM2M物联网业务基础中间件)通过软件总线(如MQ,ESB等)加适配器(Adaptor)的方式实现高效率的互联互通。
现有的电信网、有线电视网和计算机网是物联网业务可以利用的中、长距离有线网络。还有一些和这三大网络规模相当的未公开的覆盖全国的专网,如公安系统的专网,据说国家电网的专网比有线电视网规模还要大。
有线广域网在物联网应用中的一个劣势就是众所周知的IP地址不够的问题,在IPv6未全面实施之前,这个问题将制约有线网在物联网业务中的使用。而无线广域网可以通过发SIM卡(电话ID号码)的方式解决每个智能物件对应一个ID(号码)的问题。尽管如此,中国电信、歌华有线等以有线网络为主的营运商也都有宏大的物联网业务计划,例如在智能家庭网关(Home Gateway)领域,歌华有线凭借机顶盒的部署基础占据一定优势。
●物联网之无线通信传输层
和有线通信一样,无线通信也可分为长距离的无线广域网(WWAN)和中、短距离的无线局域网(WLAN),但无线网络中还有一种超短距离的WPAN(无线个人网,Wireless Personal Area Networks)类别。
传感网主要由WLAN或WPAN技术作为支撑,结合传感器。 “传感器”和“传感网”二合一的RFID的传输部分也是属于WPAN或WLAN。表2汇总了主流WLAN和WPAN协议的特点和用途介绍。
作者简介
周洪波1993年获瑞士苏黎世大学计算机科学博士学位,现任北京同方软件股份有限公司常务副总经理兼CTO,中国中间件协会副理事长,北京交通大学等校兼职教授。曾任美国橡树岭国家实验室研究员,并曾在美国IBM、BEA等公司担任高级技术和管理职务。