如果將物聯網系統比作人體,那么,物聯網的感知層就相當于人的皮膚和五官。人在感知外界信息時,需要用到嗅覺、聽覺、視覺、觸覺等感覺系統,感官和皮膚獲取外界信息后,經由神經系統傳至大腦,并由大腦進行分析判斷和處理,大腦做出決策之后,會傳達反饋命令指導人的行為。與之相同,物聯網感知層的主要功能也是獲取外部數據信息,經由傳感網絡,匯集海量數據到物聯網網絡層,網絡層借助傳輸層網絡將數據傳輸到物聯網應用層,最后,物聯網應用層利用感知數據為人們提供相關應用和服務。
與人相比,物聯網感知層所感知的信息范圍更加廣闊。例如,人對溫度的感知范圍有限,在較小的溫度范圍之內,人的觸覺無法感知溫度的微小變化,而一旦超過人類忍受溫度的極限,就需要借助具有溫度傳感器的電子設備的幫助。在一個由計算機控制的自動化裝置中,計算機相當于人的大腦,但是僅僅有大腦還不夠,還需要有能感知外界信息的五官,才能構成完整的反饋系統,從而代替人進行勞作。
傳感器可以感知外界環境信息,是一種檢測信息的電子裝置。在物聯網感知層中,傳感器得到了廣泛的應用,它們就相當于人的皮膚和五官,可以為物聯網提供海量的數據信息。在檢測到物體信息之后,各種形式的傳感器會將所獲得的數據轉換成電信號的形式,統一發送到物聯網絡中,實現信息的傳輸、處理、存儲、控制以及決策。物聯網最終是要實現對物品的自動檢測和自動控制,而感知層的傳感器就是實現這一目的首要裝置。在物聯網系統中,傳感器被統一稱為物聯網傳感器,它們不僅可以進行物品信息的采集,還能對獲取的數據進行簡單的處理和加工。物聯網傳感器既可以單獨存在,也可以與其他設備連接,它在感知層中具有兩方面的作用,一個是信息的采集,另一個是數據的輸入。
未來的物聯網系統是由一個個傳感器構建而成的網絡系統,各種功能和形式的傳感器將共同成為傳感網絡的組成部分,在物聯網的前端進行信息采集工作。
傳感器的種類十分豐富,但總體來說,可分為三大類,即根據物理量、輸出信號和工作原理的性質進行具體劃分。例如,根據物理量進行劃分,可以分為壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等。
一般來說,物理傳感器是根據物理效應來工作,比如壓電效應、離化效應、極化效應、光電效應、熱電效應、磁電效應等。化學傳感器通常是根據化學原理進行工作,比如化學反應、化學吸附、化學凈化等。無論是物理傳感器,還是化學傳感器,它們都是將被測信號的變化轉化成電信號的。
那么,傳感器的工作原理具體是什么呢?舉例來說,如果將±15V電源用于傳感器,就會使傳感器的晶體振蕩器發生震蕩,從而產生400Hz的方波,這種方波在激磁電路中傳播,之后由TDA2030功率放大器調節方波功率,進而將電源變為交流激磁功率電源。如果方波通過能源環形變壓器傳播,則其經由的路線是從初級線圈到次級線圈,其中初級線圈具有靜止特性,次級線圈具有動態旋轉特性。在此過程中,直流電會變成交流電,之后再由整流濾波電路進行處理,最終得到±5V的直流電源,電壓也降為±5V。這種電源服務于AD822運算放大器,AD589與AD822共同組成±4.5V的電橋電源,同時也是轉化器或者放大器的工作電源。一旦彈性軸被扭轉,這種變化就會轉化成電信號,在電路濾波、整形之后,所產生的頻率信號就會以與彈性軸的扭矩按照一定比例呈現,從而實現感應和采集數據。通常來說,物理傳感器在物聯網中的應用比其他傳感器更廣泛。化學傳感器由于可靠性較低、規模化生產困難,價格也比較昂貴,因此被使用的情況較少。
傳感器具有兩種特性,分別是靜態特性和動態特性。傳感器的靜態特性,其實指的是靜態輸入信號、輸入量以及輸出量二者之間的關系,由于輸入量、輸出量不受時間影響,一般情況下,人們會用一個代數方程來表示傳感器的靜態特性,而在這個代數方程中不存在時間項;也可以用輸出量做縱坐標,輸入量做橫坐標的特性曲線來表示。靜態特性中的參數包括遲滯、靈敏度、線性度以及分辨力等。
傳感器的動態特性體現在輸入和輸出之間,也就是在其他條件不變的情況下,輸入變化后的輸出的反應特性。實際上,在獲悉傳感器的動態特性時,人們往往會對傳感器輸入一些標準的信號,之后通過觀察輸出信號的響應來了解動態特性的具體內容。例如,階躍信號、正弦信號都是比較常用的測量傳感器動態特性的標準輸入信號,因此,階躍響應與頻率響應可用來描述傳感器的動態特性。
在選擇物聯網傳感器時,需要考慮多種因素,比如成本、靈敏度、測量范圍、響應速度、工作環境等。隨著物聯網的發展,傳感器也越來越智能化。傳感器不僅可以采集或捕獲信息,還具備了一定的信息處理能力,其稱呼也隨之改變,被叫做“智能傳感器”。這種傳感器攜帶有微處理機,功能也遠非傳統傳感器可比。相比于傳統傳感器,智能傳感器具有以下三個優點:第一是精度大幅提高,成本卻普遍降低;第二是具有自動編程和自動處理的能力;第三是功能多樣化。
未來,物聯網傳感器將向著以下六個方向發展:
(1)精度越來越高,可測量物體的極微小變化;
(2)可靠性越來越強,測量范圍大幅提高;
(3)更加微型、小巧,甚至可以進入生物體內或融入生物細胞;
(4)向著微功耗方向發展,在沒有電源的情況下,可以自身獲取能源持續工作;
(5)數字化程度變得更高,智能化明顯;
(6)構成物聯網絡,網絡化發展不可阻擋。