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來源：知識自動化 讓智能的世界回到原點，傳感器就在這里等候。智能的基礎是感知，而傳感器就是感知的入口。傳感器正在向智能化、思維化、分析化和診斷化的方向發(fā)展。作為一套越來越明顯的智能微系統(tǒng)，傳感器越來越呈現(xiàn)出獨立性，并且具有自我糾錯的能力。那么，傳感器將以何種能力引爆未來，推動數(shù)字化轉型？ 
圖 1 傳感器發(fā)展的二十大趨勢（Source：新加坡初創(chuàng)咨詢公司 Twimbit） 3D 傳感器走向何方 3D 深度傳感器技術能夠建立起三維影像，充分滿足人類視覺的需要。它可以采用飛行時間 ToF（飛行時間）、結構光、3D 干涉等來獲取三維視覺數(shù)據(jù)。其中 ToF 傳感器在手機領域備受矚目，為一直忙于不斷提升鏡頭功能的手機提供了興奮點。它利用紅外傳感器上每個像素的激光脈沖，對外發(fā)射并反射回來的時間差，獲得三維景深，形成立體 3D 模型的成像技術。 然而，ToF 鏡頭在手機行業(yè)卻是經(jīng)一次過山車的經(jīng)歷，“乘興而來、掃興而去”。2018 年它的應用達到高峰，見者有份，如三星、華為、OPPO、小米等中高端機型都配置了 ToF 鏡頭。當所有人都認為這是未來手機影像的發(fā)展方向時，這種手機卻又突然快速的消失。就像快遞小哥的身影，ToF 鏡頭來得快，去得也快。 原因很簡單，ToF 技術缺乏剛需應用支持，沒有一款廣泛使用的殺手級應用能夠為 ToF 鏡頭進一步發(fā)展提供動力。ToF 可以用來掃描物體的形狀，然后自動建立一個 3D 模型。但對于普通消費者，建立了一個模型，也沒有什么實際作用。帶有 ToF 鏡頭的手機，能夠用來當做尺子，但精度又不足夠。再說了，拿手機當卷尺測量這事，誰會當真呢。 在當前智能世界里，任何一款硬科技，都要靠軟件的同步支撐。沒有軟件應用，很難支撐硬件技術的迭代進步。除非元宇宙的興起，也就是 AR / VR 應用，或許能夠挽救 TOF 鏡頭在手機上的應用。 倒是掃地機器人可以將單線機械掃描式激光雷達，換成廣角 TOF 相機，更容易形成對房間建立一個“作戰(zhàn)沙盤”，更好地規(guī)劃路徑，讓掃地機器人看上去沒有那么傻。否則掃地機器人不是撞上桌腿，就是卷襪子和線纜，避障效果太差。但前提依然是，不能太貴。 而自動駕駛中行車環(huán)境的測距、感知、工業(yè)協(xié)作機器人的人機協(xié)同、智能物流車，也可以讓 ToF 傳感器真正發(fā)揮作用。但對于工業(yè)而言，ToF 傳感器鏡頭還是太貴。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，目前 ToF 鏡頭的紅外傳感器，主要是索尼、英飛凌、安森美、德州儀器、松下等掌控，光學鏡頭則有大立光、浙江舜宇光學、還有瑞聲科技。CMOS 圖像傳感器是核心部分，主要來自三家多年的恩怨對手：索尼、三星和韋爾旗下的豪威。 3D 深度傳感器，在軍事上則有更大的野心。美國國防部高級研究計劃局 DARPA 正在開發(fā)用于軍事 3D 傳感技術，以方便夜間隱蔽作業(yè)。 一般而言，任何自動駕駛系統(tǒng)通常都需要某種形式的主動照明，才能在夜間實現(xiàn)自主導航。但是打開前照燈或激光雷達（LiDAR）的發(fā)射系統(tǒng)，都會出現(xiàn)輻射信號。在軍用場合下，它會使敵軍能夠遠距離探測這些車輛的存在。而 DARPA 正在嘗試利用野外環(huán)境中各種有生命和無生命物體的微弱熱信號，來開發(fā) 3D 視覺傳感器。這項“隱形大前燈”計劃，會探索環(huán)境中各種熱輻射所包含的信息，因為所有物體都會散發(fā)熱能。DARPA 的目標就是探索即使根據(jù)極少量的熱輻射，捕捉信息，開發(fā)出無源傳感器，從而生成 3D 地圖以進行導航。它將大大擴展自動駕駛系統(tǒng)，可以隱蔽地進行運行。 聲學傳感器來了新面孔 聲學技術最大的特點是跟其他技術的傳感器相比相對便宜，可以探索各種應用。而聲表面波 SAW 技術，廣泛用于過濾器的信號處理，在智能手機揚聲器上，大放光彩。在全球范圍內(nèi)，SAW 濾波器市場主要被日本企業(yè)所占據(jù)，包括村田 Murata、TDK、太陽誘電 Taiyo Yuden 是代表性廠商，合計市場份額占比達到 82% 左右。而村田一家就能占比全球近一半的 SAW 濾波器市場。國內(nèi)射頻濾波器企業(yè)中，深圳麥捷微電子科技算是濾波器和一體電感國產(chǎn)替代的排頭兵，也打入到華為的供應鏈，2021 年收入 13 億。 聲表面波 SAW 技術相對用于低頻，對溫度也比較敏感，在 4G 時代占盡機會。但在高頻領域，以及多信號處理要避免干涉的情況下，體聲波 BAW 諧振器技術則有著更廣泛的應用，它為 5G 時代和物聯(lián)網(wǎng)時代而來。這方面，美國技術更為領先。美國 Qorvo 和德州儀器都占據(jù)優(yōu)勢。在這個地帶，也是中國難以突破的卡脖子之疼，德州儀器還在 2019 年將這項技術用在了集成時鐘功能上。隨著大數(shù)據(jù)傳輸速度日益加快，對時鐘信號有著苛刻的要求。每秒需要 18G 容量的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) DPS，已經(jīng)成了眾多芯片廠商亟待解決的問題。而體聲波 BAW，就可以很好地實現(xiàn)高頻統(tǒng)信下的時鐘技術。盡管聲表面波比較便宜，但從整體技術發(fā)展趨勢來看，體聲波 BAW 正在取代聲表波的位置，蘋果手機等高端移動設備中已經(jīng)開始使用。 傳感器就是一個發(fā)電站 傳感器有兩個方向。一個是集成傳感器，它跟其他設備集成在一起，共享能源的輸入；還有一個是獨立傳感器。后者就像一個荒島生存的魯濱遜，它最好能夠自己生存，而無需照顧。自來電，是首當其沖的挑戰(zhàn)。 自供電的傳感器正在引起廣泛的關注，它非常適合遠程監(jiān)控、無線連接和連續(xù)監(jiān)測的場合。 這往往需要部署傳感器的能量采集器，這些微能量回收系統(tǒng)能夠從太陽能、振動和熱能等來產(chǎn)生微電流，供自己使用。換言之，一個傳感器就是一個電能發(fā)電裝置和儲能裝置。既然一輛電動車都可以是一個儲能系統(tǒng)，為什么一個小傳感器不能呢？ 美國運動與動力控制系統(tǒng)供應商派克漢尼芬 Parker，在 2019 年以 37 億美元收購了一家膠粘劑與振動管理設備商洛德 Lord 公司，后者一直在為航天、石化提供精準測量的無線傳感器和壓力傳感器。漢克正在從傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)業(yè)務進行多元化擴充，尤其是要加強它旗下的工程材料部門的技術優(yōu)勢，以便充分迎接電氣化和輕量化等新興趨勢。年銷售為 11 億美元洛德公司在涂料、彈簧、傳感器硬件和傳感器云方面的積累，完美地迎合了派克的需要。
圖 2 老牌動力的傳感器新寵（Source：Parker Lord 官方網(wǎng)站） 而洛德公司旗下的 MicroStrain 傳感業(yè)務已經(jīng)使用壓電材料，將材料的應變能轉換為電能存儲。一個傳感器的獨立發(fā)電站的時代開始了。 從智能機器人，到智能傳感器 機器學習無處不在。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，就會大力催生智能傳感器的發(fā)展。 當然，機器學習也只是其中一個方向。大多數(shù)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(shù)據(jù)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。 然而，一個傳感器能夠測量的參數(shù)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(xiàn)多參數(shù)檢測的“一器多用”，通過檢測各種參數(shù)來形成閉環(huán)自動化的應用。這在智能制造領域，迎來廣泛發(fā)展的空間。 另外一種方向就是融合傳感器 Fusion。智能傳感器正在加速無人駕駛汽車的發(fā)展，而傳感器的多功能融合，將利用不同傳感器的優(yōu)勢，提供數(shù)據(jù)分析和控制能力，從而具備嵌入式智能。這在軍用飛機尤其重要。美國 F35 戰(zhàn)斗機一直在進行多域數(shù)據(jù)的連接和分析，核心就是利用融合傳感器，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的高速分析，并且能夠利用不同平臺來的數(shù)據(jù)，無論是海上、空天、海下和陸地的傳感器數(shù)據(jù)，多種異構數(shù)據(jù)并發(fā)處理。 韋爾半導體旗下的豪威，在既有的圖像傳感器 CIS（CMOS Image Sensor）的基礎上，日前剛剛推出了將 CIS 與事件視覺傳感器 EVS 相結合的復合傳感器，EVS 是一種不需要曝光時間限制的生物仿生傳感器。這對于 AR 頭盔玩家，將是一個超級利好，而手機的拍照影像將得到進一步提升。這種在一顆芯片上集合圖像和視覺兩類傳感器的特性，屬于像素級的傳感器融合，無疑是未來的一個重要方向。 脈搏流、血流、心跳流，都流向哪里了 大健康成為未來的發(fā)展熱點，健康的預防和診斷，都可以通過廣泛使用的傳感器來實現(xiàn)。無論生命支持的植入裝置、嚴重患者的長期監(jiān)測，以及機器人手術。誕生于 2000 年的達芬奇手術機器人，是目前國際上最成功的手術機器人。最初只是輔助醫(yī)生進行手術的穩(wěn)定器，但它的能力越來越強，一舉登上手術操刀臺，成為外科醫(yī)生的最佳伴侶。達芬奇機器人以一己之力，引爆機器人手術。 《美國醫(yī)學會雜志》（JAMA）一份報告提到，從 2016 年到 2021 年，過去五年之內(nèi)機器人手術占外科手術的比例，從 2% 提升到了 15%，而且還在加速。目前在中國應該有超過 150 臺的裝機量，每年有 4 萬例手術是通過達芬奇手術機器人完成。 它在 3D 成像和精準控制上有著巨大優(yōu)勢。在它的輔助下，醫(yī)生可以將病變部位毫無困難地建立放大 10-15 倍的 3D 影像（傳統(tǒng)成像系統(tǒng)只能提供 2-3 倍的二維圖像），然后操作機器人精準進行手術。而這背后的英雄，就是將近 500 個傳感器。達芬奇機器人價格昂貴，一臺機器就是上千萬元。在手術機器人的成本組成上，光力矩傳感器占約 5%。 對于醫(yī)療和家庭診斷，這還只是一個開始。物聯(lián)網(wǎng)的普及，和可穿戴傳感器在健康應用中已經(jīng)蓬勃發(fā)展。這些傳感器可以采用無侵入方式，進行老年護理監(jiān)測和日常健康監(jiān)測。手表上的睡眠監(jiān)測，還只是小兒科，而糖尿病等病癥的預防正在成為熱點。 毫無疑問，可穿戴傳感器的創(chuàng)新帶來了健康監(jiān)測方式的變化。可穿戴和可植入傳感器實時傳輸健康數(shù)據(jù)，提供量化的運動數(shù)據(jù)和各種生理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)精確的診斷。這些關鍵設備中使用了不同傳感器，包括手機成像所使用的圖像傳感器 CMOS、振動、血糖和光學傳感器等。蘋果手表 iWatch 背后的四個環(huán)狀傳感器，則是通過 LED 光照射到皮膚后形成反射，以此來判斷血管的運動和脈搏。 脈搏流、血流、心跳流，都流向哪里了？人類全部的健康數(shù)據(jù)，都以數(shù)據(jù)流的方式，涌向一個數(shù)字通道。人體所有數(shù)據(jù)，都儲藏在一個物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字健康平臺上。而大數(shù)據(jù)分析，則自動給人們健康進行全方位畫像：現(xiàn)有的健康預防模式，即將發(fā)生深刻改變。 據(jù) CB Insights 在 2020 年報告里的數(shù)據(jù)顯示：共有 806 億美元融資金額、5.5 萬宗風險投資都發(fā)生在這個領域。2020 年 1 億美元以上的醫(yī)療融資將近 200 起，創(chuàng)下新紀錄。而醫(yī)療巨頭則更是擁有超過 5500 億美元的現(xiàn)金，等待在這個數(shù)字化醫(yī)療領域深耕。而傳感器，則首當其沖地成為這類醫(yī)療投資的幸運兒。 沒有傳感器攻關，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)永遠是配角 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對于傳感器提出更高的需求。這些傳感器的表現(xiàn)以及控制器系統(tǒng)，很大程度上決定了管理者能夠在遠程使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)關鍵控制功能的能力。對于霍尼韋爾這樣的自動化公司，它在鞏固控制系統(tǒng)的霸主地位的同時，會對傳感器有著癡迷的追逐 —— 這也是最近幾年一直在瘋狂收購傳感器的原因，包括收購溫度、濕度傳感器。最為典型的是，它在 2019 年收購了氣體傳感器的鼻祖 —— 英國 Citeytech 傳感器。只有強化了控制與傳感器這二者的硬核技術，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺才能真正落實到實處。 預計到 2023 年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設備連接數(shù)量將達到 215 億臺。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要解決六個問題：連接、感知、控制、分析、通訊和應用。連接不過是體力活，分析還排不上大用場，通訊將成為通用技術，應用在分析和機理模型沒有建樹之前只不過是晃人耳目的大路貨。誰在控制設備，誰在感知數(shù)據(jù)，都是至關重要的關口。這才是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的要害。可惜在中國，很多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)遠離這個核心戰(zhàn)場，在應用層上耍盡花槍，只在海量垃圾數(shù)據(jù)上翻騰一點小浪花做點小文章。 軟傳感器，也是傳感器 軟傳感器（soft sensor）是一件有趣的事情。與軟體機器人的柔軟身體不同，軟傳感器其實是虛擬傳感器，說白了就是軟件。它可以同時處理多個測量。 軟傳感器基于控制理論，通過間接使用，可能同時處理數(shù)十個甚至數(shù)百個測量值。在數(shù)據(jù)融合方面，軟傳感器的作用巨大。它將不同靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)測量的數(shù)據(jù)結合在一起，從而可以用于故障診斷以及控制應用。最經(jīng)典的軟傳感器，可以從卡爾曼濾波器開始。它是一種去除噪聲還原真實數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)處理技術，可以看做是經(jīng)過軟件計算的數(shù)據(jù)濾波。這也看成是一種軟傳感器。當然，最新的軟傳感器則會使用神經(jīng)網(wǎng)絡或模糊計算。軟傳感器是一種利用其他傳感器的信息來估計物理量的軟件程序，而不是直接測量。 這一趨勢在過程自動化中最為顯著，其中許多控制功能由軟件激活并由計算機輔助完成。高可靠性和高精度是軟傳感器的標志，譬如，基于 pH 值的軟傳感器，就可以很方便地進行水處理和峰值檢測的負荷觸發(fā)。 軟傳感器也可以看成是數(shù)字化技術的集成者，它由高級自動化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)實時分析、傳感器等綜合而來。 更多的傳感器技術 光學技術跟傳感器的結合，正在得益于新興起的光電子技術。芯片的開發(fā)主要由硅制成，而光學和電子部分都可以在硅片上集成，從而形成光電子技術（photonics）。它將電子的快速升級能力疊加在多年來進展緩慢的光學儀器上，從而激發(fā)了全新的活力，因此也使得光學傳感器迎來動人時刻，這也將為太陽能產(chǎn)業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)受益匪淺。 IO-Link 可實現(xiàn)數(shù)字連接，直接將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)接口和可編程邏輯控制器 PLC。與傳統(tǒng)獨立模塊連接傳感器技術相比，IO-Link 技術具有突出的成本效益和技術提升。傳統(tǒng)的獨立模塊，往往是一個模塊就是獨立的網(wǎng)絡節(jié)點。每部署一個節(jié)點，就需要一套芯片，當控制點數(shù)較多時，系統(tǒng)的方案成本就會大幅上升。而 IO-Link 則采用主站和從站方式，這意味著一個主站可以擴展多達 128 個控制點，減少網(wǎng)絡負擔，提升效率。同時得益于 IO-link 通訊的標準化，在配置諸如 RFID、閥島、傳感器時更加方便，且不僅僅是狀態(tài)監(jiān)控，更可以通過其進行參數(shù)配置和維護。 天津宜科的 IO / Link 正在動力鋰電池工廠得到廣泛的應用。鋰電行業(yè)的工廠產(chǎn)線比較長，檢測點較多且密集，對粉塵的防護有一定要求，同時自動化程度高，需要多種元器件共同協(xié)作，而且熱插拔連續(xù)生產(chǎn)和一定的性價比也是必要的。基于以上要求 IO-Link 方案非常適合鋰電產(chǎn)業(yè)的特點。國內(nèi)動力電池產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，也給國內(nèi)傳感器帶來了巨大的機會。 而無線傳感器網(wǎng)絡也在快速發(fā)展，它對于低能耗有著非常高的要求。可以想象，這其中有很多的發(fā)展場景。
圖 3 不同的無線標準（ISM 工業(yè)、科學、醫(yī)療頻段） 牧場上需要對幾千頭奶牛的體溫進行日常監(jiān)控，防止諸如口蹄疫等動物疾病。如果利用無線網(wǎng)絡的技術，只要在每頭牛的身上安裝一個帶有無線發(fā)射器的溫度傳感器，隨時讀取體溫并發(fā)射至一個主端子，便可以輕松實現(xiàn)。這種低能量傳感器集群，可以大幅度提高無線網(wǎng)絡的效率和速度，但這種傳感器網(wǎng)絡往往必須保證低功耗才能廣泛應用。無線傳感器網(wǎng)絡 WSN 至關重要的兩個特性就是可靠性和低功率，而成本則排在第三位。 非接觸式傳感技術，無論是光、波、磁、激光、聲等都在快速發(fā)展。紅外溫度傳感器已經(jīng)在最近兩年疫情的溫度檢測，大放異彩。隨著更高的準確性和更多的應用場景，非接觸式傳感器也將大幅增長。同樣，快速檢測生物傳感器，也在高速發(fā)展，以便促使及時診斷、體外診斷。 無人機中的傳感器也是一個焦點。實際上，無人機就是一窩傳感器的集合，它可以認為是一個飛行的傳感器群。無人機廣泛使用激光雷達、傾斜傳感器、慣性測量單元等。深圳大疆無疑是佼佼者，而美國軍火供應商洛克希德・馬丁、波音也在積極參與。無人機市場，從拍照娛樂中無疑引爆了市場，而軍方使用則大大提高了它的關注度。這市場依然剛剛起步，各種傳感器也是機會巨大。 激光雷達，作為一種非接觸式傳感器正在受到推崇。它可以即時捕獲數(shù)百萬個數(shù)據(jù)點，從而在自動駕駛汽車上面得到最直接的應用。目前國內(nèi)進展并不差，華為、速騰聚創(chuàng)、禾賽科技都有很好的產(chǎn)品。而在搬運機器人 AGV 領域，倉儲智能管理也推動了激光雷達的應用，包括德國最大的傳感器廠商西克光電 Sick、日本最大激光雷達廠商北陽 Hokuyo 等，都有廣泛應用。無人機、機器人也都是不錯的應用領域。 還有一種傳感器的方向，就是友好的自然交互界面，它是圍繞著人類感官的捕捉能力發(fā)展而來。計算機從誕生依賴，交互界面首推鍵盤排名第一，而鼠標則引發(fā)了第二輪的圖形化界面。但自此之后，人機交互并無決定性的進展。誰能成為人機交互界面的第三名？語音、觸控和手勢，這些高度符合人類生物特征的自然界面都有可能。但智能語音在音箱控制的表現(xiàn)令人大失所望，語音控制并沒有如愿引爆家庭。亞馬遜的 Echo 所開啟的智能音箱時代，以及隨后谷歌的 Nest、還有國內(nèi)的小米等一眾音箱，都被證明不過是界面交互的一次虛妄的狂歡。智能家居的界面，還在等待全新的主宰者。自然界面的傳感器，還有巨大的發(fā)展空間。 小記：暗坑 傳感器的作用無論如何強調(diào)也不為過。傳感器就是自動化系統(tǒng)的五官，是數(shù)字化技術的先鋒部隊。它也是中國不為人注意的一塊超級短板，其中原因之一就在于它的應用場合過于分散。全球傳感器有 3 萬多種，量小面窄的應用。但是，它在智能世界所留下的坑，都是不動聲色。只顧仰天追星，很容易會在這些暗坑中跌落。 |
