傳感器怎樣設(shè)計與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居的應(yīng)用也越來越普及。智能傳感器作為智能家居的神經(jīng)末梢，對智能家居的體驗起著決定性的作用。沒有傳感設(shè)備，智能家居就不能實現(xiàn)真正的智能。智能傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其覆蓋范圍包括智能制造，智慧城市，智能安保，智能家居，智能運輸，智能醫(yī)療等。

什么是智能傳感器？

智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出來，并于1979年形成產(chǎn)品。IEEE協(xié)會將能提供受控量或待感知量大小且能典型簡化其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的集成的傳感器稱為智能傳感器。智能傳感器是帶微處理器的，具有信息檢測、信息記憶以及邏輯分析與判斷功能、并具有通信及管理功能的一類新型傳感器。智能傳感器有自動校零、標(biāo)定、補償、采集數(shù)據(jù)等能力。其能力決定了智能傳感器還具有較高的精度和分辨率，較高的穩(wěn)定性及可靠性，較好的適應(yīng)性。

目前智能家居中常用的智能傳感器有：溫濕度傳感器、氣體傳感器、煙霧傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、光照度傳感器，人體移動傳感器等等。

智能傳感器的發(fā)展趨勢

向高精度發(fā)展

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)有的傳感器精度已經(jīng)不能滿足需求，對傳感器精度要求也越來越高。

向高可靠性發(fā)展

傳感器的可靠性直接影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和用戶的體驗，高可靠性傳感器，需要在抗干擾、適應(yīng)不同溫濕度環(huán)境的變化下能夠長時間穩(wěn)定的工作。

向微型化發(fā)展

目前各種控制儀器設(shè)備的功能越來越強，要求各個部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好。

向微功耗發(fā)展

目前智能傳感器很多都是由電池供電，功耗的降低意味著電池的使用壽命就越長，不需要用戶頻繁的更換電池，提升用戶的體驗感。以前煙霧報警器一年就需要更換一次電池，隨著功耗的降低，現(xiàn)在的煙霧報警器一節(jié)CR123A的電池可以用到10年以上。

向復(fù)合型發(fā)展

傳統(tǒng)的傳感器只能探測單一類型的物理量，現(xiàn)在的智能傳感器集成了多個物理傳感器，可以同時探測多個物理量，例如我司的一款智能傳感器就同時具備了溫濕度、光照度、加速度、人體移動的探測，用戶只需要購買一個智能傳感器就能實現(xiàn)多種物理量的探測。

向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

網(wǎng)絡(luò)化是傳感器發(fā)展的一個重要方向，網(wǎng)絡(luò)的作用和優(yōu)勢正逐步顯現(xiàn)出來。網(wǎng)絡(luò)傳感器必將促進電子科技的發(fā)展。

智能家居系統(tǒng)中，智能傳感器能解決什么問題？

1.數(shù)據(jù)實時性：在歐美發(fā)達國家，目前安防仍然是剛需，政府立法規(guī)定住宅必須安裝安防設(shè)備，例如煙霧傳感器、一氧化碳傳感器、防盜報警傳感器等，傳統(tǒng)的安防產(chǎn)品，只有人在家里的時候能夠知道有警情發(fā)生，如果不在現(xiàn)場就收不到報警信號。在智能時代，我們的每一個安防傳感器的數(shù)據(jù)都能夠通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)第一時間傳到云平臺及用戶的APP。實時掌握家里的安全，避免不必要的損失。

2.聯(lián)動觸發(fā)：智能家居想要實現(xiàn)“自動化場景”離不開傳感器的數(shù)據(jù)信息，這個時候傳感器的數(shù)據(jù)就可以作為“自動化場景”的觸發(fā)條件。例如：我們要實現(xiàn)有人的時候自動開燈，無人的時候自動關(guān)燈，這個時候我們就會用到人體紅外傳感器;天氣熱的時候自動開啟空調(diào)，就需要溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)。煤氣泄漏的時候自動關(guān)閉閥門，用到氣體傳感器。

3.為AIoT提供大量的環(huán)境數(shù)據(jù)：并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給AI進行分析和處理。這些數(shù)據(jù)也是AI進行深度學(xué)習(xí)的重要養(yǎng)料，協(xié)助AI變得越來越聰明，做出的決定也越來越明智。

綜上所述，智能傳感器的用途非常廣泛，可以監(jiān)測到家中一切的狀況或安全隱患，在必要的時候提醒用戶或觸發(fā)緩解隱患的辦法。在智能家居快速發(fā)展的今天，越來越多的家居產(chǎn)品走向智能化，為用戶提供安全、便捷的生活體驗，這些智能傳感器有著很大的輔助作用。

如何設(shè)計一款受市場歡迎的智能傳感器設(shè)備？

1.首先應(yīng)該是對產(chǎn)品的完整定義，在設(shè)計一款智能傳感器前，我們一定要明確這個產(chǎn)品的使用人群、功能、外觀、無線通訊方式、供電方式、電池壽命，以及成本等等。

2.外觀決定著一款產(chǎn)品的成功與否，外觀是留給用戶的第一印象，用戶無法一眼看出產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，卻能看出外觀是否新穎、做工是否精細，從而完成對產(chǎn)品的整體定位。外觀設(shè)計最主要的任務(wù)就是把控好市場的需求、抓住用戶的心理、設(shè)計出大多數(shù)客戶都能夠接受的產(chǎn)品外觀。智能傳感器的外觀設(shè)計，要簡約、小巧，具有現(xiàn)代感，不需要設(shè)計的太花哨，要能夠融入到現(xiàn)代家庭的裝修里面。

3.智能傳感器性能的穩(wěn)定性至關(guān)重要，特別是智能安防傳感器，智能傳感器的原理基本都是通過傳感器檢測不同的物理信號，然后轉(zhuǎn)換成電信號，當(dāng)電信號比較微弱的時候需要通過信號放大，然后送到MCU進行運算處理，對于符合報警或者需要上報的數(shù)據(jù)，通過無線通訊技術(shù)上報給網(wǎng)關(guān)或者云平臺。

智能傳感器的穩(wěn)定性不好，就會容易受到環(huán)境的干擾，出現(xiàn)誤報或者漏報，例如人體紅外傳感器，在沒有人的時候上報有人的數(shù)據(jù)，反過來當(dāng)有人經(jīng)過探測區(qū)域的時候，又不上報有人的數(shù)據(jù)，這樣就會嚴(yán)重影響到用戶的體驗。

造成智能傳感器穩(wěn)定性不好有哪些因素？

1.關(guān)鍵元器件的選型。關(guān)鍵件是影響智能傳感器性能的主要因素之一。人體傳感器的關(guān)鍵器件就是熱釋電紅外傳感器，在選型的過程中，我們要關(guān)注它關(guān)鍵的一些指標(biāo)。例如，探測角度，探測距離，抗射頻干擾性能、信噪比等關(guān)鍵指標(biāo)，然后就是菲涅爾透鏡的選擇，在菲尼爾透鏡選擇的時候，我們應(yīng)該關(guān)注它的焦距、探測角度、探測范圍等參數(shù)，如果菲涅爾透鏡選擇的不合適，會使人體傳感器的靈敏度大幅下降。

2.硬件電路的設(shè)計及PCB LAYOUT，很多時候，因為關(guān)鍵器件的選型不合適，導(dǎo)致探測靈敏度下降，這個時候就會調(diào)高硬件放大電路的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)調(diào)的太高時，干擾信號也被放大，就會導(dǎo)致傳感器誤報。當(dāng)PCB LAYOUT不合理時，例如模擬電路和數(shù)字電路的布局不合理，信號放大電路的布局不合理，都會導(dǎo)致外界的射頻信號進入到放大器，導(dǎo)致產(chǎn)品誤報。

3.信號的處理。市面上有一些比較便宜的人體傳感器，他的信號處理就過于簡單，傳感器信號經(jīng)過放大后，通過一個比較器進行簡單的比較，超過一個固定的閥值就報警。這樣的處理方式就非常容易產(chǎn)生誤報。我們的人體紅外傳感器采用的方式是，傳感器的信號經(jīng)過放大后，送到MCU進行AD采樣，將采樣到的信號進行比對，軟件處理上采用動態(tài)閥值調(diào)節(jié)，自動溫度補償，能量分析等算法，能夠準(zhǔn)確的識別人體的移動，有較強的抗射頻干擾、光線干擾，做到較高的探測靈敏度，不誤報，不漏報。

4.通訊協(xié)議的選擇?，F(xiàn)在越來越多的智能家居采用無線通訊的方式，目前無線通訊技術(shù)有RF315、433、NB-IoT、LORA、Wi-Fi、BLE、 Zigbee等。面對眾多的無線通訊技術(shù)，各有各的優(yōu)缺點，我們該如何選擇呢？這里面有成本的考慮，有功耗的考慮，有安全性的考慮，有穿墻效果的考慮，還有和其他硬件的互通等各種考慮。

RF315、433：具有低成本、低功耗、傳輸距離遠、穿墻能力強、頻點單一容易受同頻干擾，網(wǎng)絡(luò)通訊安全性低，不能夠自組網(wǎng)等特點，應(yīng)用在電子玩具、工業(yè)控制、無線數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。

NB-IoT、LORA：具有低功耗，長距離等特點，被應(yīng)用于公共設(shè)施的管理，例如：煙感、水表、氣表、井蓋、路燈和停車等領(lǐng)域應(yīng)用，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通訊。

Wi-Fi具有操作簡單，數(shù)據(jù)傳輸快，功耗高、一個路由能接入的設(shè)備少，被廣泛應(yīng)用于智能單品和智能家電設(shè)備中。

BLE即低功耗藍牙，具有低功耗，低成本，短距離，方便與手機連接等特點，基于低功耗特性，BLE被廣泛應(yīng)用在可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)護設(shè)備等產(chǎn)品中。從藍牙4.1協(xié)議開始，藍牙 mesh產(chǎn)品具備了自組網(wǎng)特征，但藍牙m(xù)esh還處在技術(shù)積累期。

Zigbee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一個開放的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低功耗、低成本、自組網(wǎng)、安全性高、互聯(lián)互通、互操作性強、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量大等特點，因此Zigbee被廣泛應(yīng)用到智能家居領(lǐng)域中。目前全球已經(jīng)有3000多款產(chǎn)品通過了Zigbee3.0的認證。

智能傳感器在落地應(yīng)用中的常見問題

安裝問題

現(xiàn)在的智能傳感器大多安裝都比較簡單，電池供電的產(chǎn)品都配有3M膠，可以直接貼墻安裝;AC供電的產(chǎn)品都是直接插到220V插座上，對于智能安防傳感器，在安裝時還是有些需要特別要注意的。例如，人體紅外傳感器安裝時，應(yīng)避免安裝在靠近窗簾的地方，忽冷忽熱的地方，否則就會產(chǎn)生誤報，這是人體紅外傳感器原理決定的。

智能燃氣報警器，安裝時應(yīng)需要了解廚房使用的氣體類別，如果是天然氣，安裝的位置就應(yīng)該選擇在比泄漏源高的地方，因為天然氣比空氣的比重要輕，泄露時會往上飄;如果使用的是液化石油氣，安裝的位置就需要選擇比泄漏源低的位置，因為液化石油氣的比重比空氣重，在氣體泄漏的時候會往下沉。

目前的煙霧報警器大多都采用光電式煙霧傳感器，它的原理是探測煙霧的微小顆粒，通過煙霧顆粒的反射信號來識別煙霧報警，在安裝時應(yīng)該注意不能安裝在灰塵比較大的地方，油煙比較的大的地方，例如家具廠、廚房等地方。

在安裝時還應(yīng)該考慮信號問題，就拿Zigbee的智能家居來講，如果我們電池供電的智能傳感器離中繼器或網(wǎng)關(guān)的距離比較遠，處于通訊距離的臨界點的時候，當(dāng)傳感器每次醒來的時候就不能在非常短的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)，需要花一定的時間嘗試與網(wǎng)關(guān)進行通訊，這樣就會加快電池的使用，本來正常電池可以使用1年，當(dāng)安裝在信號臨界點的時候電池可能只能使用半年。在這種狀態(tài)下，網(wǎng)關(guān)也會經(jīng)常收不到傳感器的信號，導(dǎo)致傳感器離線。

在安裝時需按照設(shè)備廠家推薦的通訊距離選擇合適的位置進行安裝，當(dāng)安裝位置距離網(wǎng)關(guān)較遠時，需要在中間的位置加裝一個帶中繼功能的設(shè)備，例如：智能開關(guān)，智能插座等AC供電的產(chǎn)品，具體要參考設(shè)備廠家的說明書了解這些設(shè)備是否帶中繼功能。

產(chǎn)品的選型也很重要，目前市面上有很多的智能家居產(chǎn)品，價格和品質(zhì)也參差不齊，我們該如何選擇呢？

1.對于智能傳感器來講穩(wěn)定性是關(guān)鍵，那如何判斷產(chǎn)品的穩(wěn)定性呢？任何產(chǎn)品的穩(wěn)定都需要一個技術(shù)積累的過程，在品牌的選擇上要選擇一些在這個領(lǐng)域發(fā)展沉淀多年而且技術(shù)實力比較強的公司;其次就是了解關(guān)于這些產(chǎn)品的法律法規(guī)，是否有通過國家的一些關(guān)于產(chǎn)品質(zhì)量的強制性認證。還有就是這個品牌的產(chǎn)品在行業(yè)里面的口碑，這幾個方面都做好了，產(chǎn)品的穩(wěn)定性就不存在問題。

2.無線通訊協(xié)議的選擇，目前在智能家居領(lǐng)域應(yīng)用的比較多的就是Zigbee協(xié)議，我們在選擇Zigbee的智能傳感器的時候也需要注意，盡量選擇有通過Zigbee聯(lián)盟技術(shù)認證的產(chǎn)品，哪些產(chǎn)品有通過認證，可以通過Zigbee聯(lián)盟的官網(wǎng)進行查詢。選擇通過Zigbee認證的產(chǎn)品好處就是可以互聯(lián)互通、互操作性好，安全性高;沒有通過認證的產(chǎn)品可能存在兼容性的問題，會出現(xiàn)網(wǎng)關(guān)不能識別，或者部分功能不能使用，容易離線等問題。

3.選擇節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品。節(jié)能環(huán)保已成為主題詞，推動節(jié)能成為一種消費潮流和產(chǎn)業(yè)趨勢，各行各業(yè)也都在倡導(dǎo)“節(jié)能”、“環(huán)?！薄Ｗ鳛橹悄芗揖由a(chǎn)廠商，為用戶提供既好用又節(jié)能的產(chǎn)品，更是不容忽視?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)和自動化技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)，節(jié)能環(huán)保功能在照明節(jié)能中體現(xiàn)的最為突出，可通過各種定時事件管理、感應(yīng)控制功能、亮度傳感器、人體紅外傳感器、燈光亮度自動檢測等核心手段，實現(xiàn)照明節(jié)能等。

對于電池供電的產(chǎn)品，一定要考慮到電池使用壽命的問題，電池使用壽命至少要在1年以上，不能頻繁的更換電池，影響到用戶的體驗以及對環(huán)境造成的污染。