1.2 传感技术的发展进程

“这些年计算机技术和无线通信技术发展很快啊，没听说传感技术有什么重大的突破。” 吴小白说。

“也不能说传感技术没有突破，比如在生物传感器、化学传感器、智能传感器等方面还是有所突破的，但发展速度上，传感技术与无线通信技术、计算机技术相比缓慢了很多，尤其在我国，传感技术的发展滞后于发达国家。” 武先生说道。

“啊，多么希望我们国家已成为感知强国！” 吴小白道。

“是啊，我也希望如此啊！未来传感器的集成度越来越高，一个传感器会集成很多功能。功能虽多了，但却要求越做越小，越来越节能，成本也要越降越低！” 武先生道。

“这不是既让马儿跑得快，又让马儿少吃草！” 吴小白道。

“没办法。竞争态势使然！” 武先生说道，“我们只有在这些发展方向上努力，才能迎头赶上啊！”

1.2.1 前世今生

物联网的三大基础技术是传感技术、通信技术、计算机技术。这三大技术各有各的发展历程。我们这里重点介绍传感技术的发展历程。

有一句话说，计算机硬件的发展遵循摩尔定律，每18个月其硬件中的晶体管集成度就提升一倍，硬件的性能也提升一倍。遗憾的是，传感技术的发展并没有遵循这个规律，而是缓慢得多，如图1-10所示。与计算机技术和通信技术相比，传感技术的发展有些落后，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入实际生产与广泛应用中。

20世纪50年代，在欧美国家的军事技术、航空航天领域的试验研究过程中，传感器技术开始发展。最开始的传感器利用材料的结构参量变化来感受和测量信号，例如电阻应变式传感器，当金属材料发生弹性形变时，电阻值相应发生变化来将被测量转化成电信号的。

20世纪70年代开始，利用半导体、电介质、磁性材料等固体元件的某些特性，利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。这就是固体传感器时代。结构传感器和固体传感器均属于模拟传感器阶段。

20世纪70年代末，随着集成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现了集成传感器。集成传感器功能多、成本低、性能良好。这个阶段传感器技术开始从模拟向数字方向发展。

20世纪80年代，微型计算机技术与检测技术相结合产生了智能传感器。一开始，把信号转换电路和微型计算机、存储器及接口集成在一个芯片上，和传感器结合在一起，就是智能传感器，其具有检测、数据处理以及自适应能力。20世纪90年代后，智能化测量技术促使传感器本身实现智能化，具有了自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。

由于智能传感器的有线部署成本高，安装困难。人们自然会想到进行低功耗、微型化的无线传感器的研究。随着近距离无线通信技术的发展，在20世纪90年代，无线传感器网络技术逐渐成熟。传感器技术发展历程如图1-11所示。

进入21世纪，计算机技术的飞速发展大幅提升了信息处理效率。LTE、5G的NB-IoT等无线通信技术快速发展，提升了信息传输的效率。传感器新材料、新工艺、新应用等不断出现，检测技术、控制技术得到了发展，信息采集能力、测量精度和可靠性得到了根本上的提升；与此同时，传感器在进一步微型化、网络化。几种趋势合在一起，促进了物联网感知技术的进一步成熟，如图1-12所示。

目前，以日本和欧美等国家为代表的传感器产业，在国际市场中已经占有了重要的份额。在军事领域，美国的激光制导技术发展迅猛，导弹发射的精度大幅提高；在航空航天领域，美国研制的高精度、高耐性红外测温传感器，在恶劣的环境中，仍能准确测量出运行中的飞行器各部件的温度；在城市交通管理方面，在事故路段检测及排障过程中，应用了大量的电子红外光电传感器，车辆上也应用了激光防撞雷达、红外夜视装置、导航用的光纤陀螺等。

我国近年来的传感技术也有了实质性突破，一大批高精尖的传感器技术，已广泛地运用在我国的军事、航空航天、自动化、交通、车辆工程、市政等诸多领域。但我国在物联网感知技术的发展过程中还是有如图1-13所示的问题需要克服。

1.2.2 发展趋势

随着5G基础通信网络建设的完善以及物联网终端种类的持续增长，受益于物联网各场景应用需求的暴增，有权威机构预测，到2025年，全球物联网连接数量将达1000亿。未来10年，物联网将有上万亿元的市场，其产业规模将比互联网大数倍，前景可观！

如果我国建设物联网使用的大量传感器、信号处理和识别系统，还依赖于从欧美国家进口，就相当于被他人勒紧了脖子，物联网的发展将受制于人。可以这么说，物联网感知层技术产业化水平，决定了我国企业在物联网市场的发展前景。

进入物联网时代，为了适应各种应用场景，传感技术呈现出了新的发展趋势，如图1-14所示。

（1） 开发和应用新的传感器材料

传感器技术升级换代的重要推动力就是新材料的应用。传统的传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、光导材料、超导材料，非晶态材料、薄膜材料等。新型的光电敏感材料，具有检测距离远、分辨率高、响应快、检测物体范围广等特点；生物敏感材料由于其选择性好、灵敏度高、成本低，在食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有着广泛的应用前景；新型的纳米材料促进了传感器向微型方向的发展。随着未来物联网应用场景的不断拓宽，人们将会开发出更多优质的传感器新材料，新材料的应用水平将会不断提升。

（2） 提升传感器的集成度

传感器集成度的提高有两个方向：一个是在同一个芯片上集成很多类型的传感器；另一个是传感器与后续其他功能电路的集成化。这两个方向都是传感器的多功能化方向。一个多传感器集成的芯片，可以检测的参数，由点到面到体，可以实现多维参数的图像化呈现。如医学临床上使用的一种传感器，芯片尺寸仅为2.5 mm×0.5 mm，可快速检测出一滴血液中Na⁺、K⁺和H⁺等多种离子的浓度。一个将传感检测功能与放大、运算、干扰补偿等功能集成一体的传感器，具有了很好的自适应性，在工业机器人领域得到了大量应用。

（3） 无线网络化

无线网络技术与传感器技术的结合就是无线传感网技术。在网络中，传感器被用来收集各种测量，如温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。多个传感器节点组成一个网络，每一个传感器节点可以看作是一个快速运算的微型计算机，将传感器收集到的信息转化成数字信号。节点与节点之间可以彼此通信，也可以和中央处理中心进行联系。无线传感器网络是由多学科高度交叉的新兴热点研究领域。随着在工业、农业、军事、环境、医疗、智能家居、智慧城市等领域应用需求的增多，传感器的无线网络化应用将会越来越成熟。

（4） 小型化、微型化

传感器新型材料的使用、集成度的提升，可以促进传感器的小型化、微型化。微型化传感器占用空间小、重量轻、反应快、灵敏度高、成本低、能耗低，便于安装和维护。医学上有一种 “神经尘埃” 传感器，只有一粒沙子大小 （长3 mm，高1 mm，宽0.8 mm），这种微型传感器的晶体管负责搜集神经和肌肉组织的信息，然后以超声波的形式，将相应信息反馈给体外的接收器，为医生确认病情提供参考。随着传感技术的发展，微型传感器可测量的物理量、化学量和生物量会越来越多。在航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的应用也会越来越多。

（5） 提高传感器的智能化水平

智能传感器是微处理器与传感器的结合，既能够采集信息，又可以进行信息的处理和存储，进行逻辑思考和决策。智能传感器设有数字通信接口，可以直接与其所属计算机进行通信联络和信息交换。随着微处理器技术的不断发展，智能传感器将在自适应、自维护、运算能力、实时性等方面得到进一步提升。

总之，现代传感器正从传统的单一功能朝着集成化、无线化、网络化、数字化、系统化、微型化、智能化、多功能化、光机电一体化、无维护化的方向发展，与此同时，传感器的功耗将越来越低，精度和可靠性将越来越高，测量范围将越来越宽。

1.2.3 应用场景

物联网的内涵是不断延伸的，物联网的应用是不断拓展的，物联网的定义也是开放的。物联网的未来就是要把所有工业的、民用的东西都接入网络，大到大型工业设备，小到汽车、空调、电冰箱、微波炉，甚至是自己的水杯。

但物联网本身不可能一步到位，随着传感技术的发展、应用场景的丰富，未来将会有更多的东西连接到网络中。在不久的将来，物物互联的业务量将大大超过人与人通信的业务量。用于动物、植物和物品的传感器、电子标签及配套装置的数量将大大超过手机的数量。一个有效的物联网要智能地发挥作用，需要具备一定的规模性，例如，一个城市有500万辆汽车，如果只在500辆汽车上装上车联网传感系统，就不可能形成一个智能交通系统。

物联网可以用于公共事业、工业自动化、农业、居民生活、军事等各行各业，如图1-15所示。不同的应用场景将需要不同的传感技术。

在这些应用领域，物联网的传感层起到的作用主要有标识对象、状态监控、对象跟踪和对象控制，如图1-16所示。

1） 标识对象：标识特定的对象、区分特定的对象。例如，生活中，我们经常用到各种智能卡，看到各种条码和二维码标签，这些都是可以获得对象的识别信息和扩展信息的途径。

2） 状态监控：利用各种类型的传感器实现对某个对象实时状态的测量和行为监控。例如，分布在市区的各个噪声探头可以监测噪声污染；通过二氧化碳传感器监控大气中二氧化碳的浓度。超市中的商品采用磁性防盗标签，通过是否消磁来判断交费与否两种状态；商品付费以后，收银台就会消磁；在出口处利用磁性感应传感器来检测，如果没有消磁，就是没有交费，就会报警给超市工作人员。

3） 对象跟踪：跟踪对象的运动轨迹。例如，通过GPS、北斗卫星导航系统跟踪车辆位置，通过交通路口的摄像头捕捉实时交通流视频等。

4） 对象控制：物联网可以依据传感器网络采集的数据进行决策，将对象行为的改变反馈给中心平台，中心平台经过分析形成指令来控制对象的行为。例如，在市政路灯管理中，根据光线的强弱调整路灯的亮度，可以起到节约电能的作用；根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔，可以提升路口通行效率。

近年来，智慧城市的概念被提出，并在城市建设中开始实施。智慧城市并不是一个单一的物联网概念，它包含非常综合的应用场景，如图1-17所示。智慧城市就是运用物联网的技术手段检测、分析整合城市运行管理职能所需的各项关键信息，从而对包括市政、交通、环保、公共安全、物流、医疗、城市服务等活动在内的各种需求做出响应，是一种科学的城市管理和运行的方案。类似的概念还有智慧小区、智慧校园等。

智慧城市是基于对周围环境的感知，从而对城市重要的基础设施实现实时控制，实现城市的数字化管理和安全监控。居民生活中离不开的水、电、气、暖，可以通过远程控制实现开启、停用，通过远程抄表实现使用量的监控。智能视觉系统使用智能传感器节点对交通流量进行监测、对交通违法行为进行监控、对交通故障进行处理等；通过装在路边的汽车检测传感器、雷达侦测和摄像头等设备组成的智能停车系统可以帮助驾驶员迅速地找到停车位，从而让城市停车场的管理更加高效；公交视频监控、智能公交站台、电子票务、车管专家和公交手机一卡通使人们出行更加方便；通过气体、排放物的远程监测，可以实现城市的智能环保管理。

在城市园林管理中，通过实时对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温度、叶面湿度等参数的测量，实现对指定设备自动关启的远程控制。在健康领域，智能手环和手表可以提供计步和跟踪、紧急呼叫、热量统计、心率监测、定位、锻炼类型判断、睡眠质量分析、爬楼层数统计和音乐控制等功能；通过心脏监测、活动量监测、睡眠质量的监测来实现人们健康状态的远程管理；在医院，病人的全部治疗过程都可以纳入监测管理流程中，实现智慧医疗。在物流领域，打造集物品标识、物品分拣、物品跟踪、仓储管理、小区物流管理、信息展现、电子商务、金融质押、安保、海关保税等功能为一体的综合物流信息服务平台。现在在城市推行的天网工程、雪亮工程，通过部署大量的城市视觉系统，实现城乡一体的无死角的智能安防；在机场、车站等人流密集区域，人员的安检、物品的安检、场景的治安状况通过物联网都可以实现有效管理。

物联网的应用包罗万象，不仅限于此，这里只是列举了有代表性的应用场景。在生活和生产过程中，大家将会接触越来越多的应用场景。