孙崑泉：应用于物联网的传感器及无线通信技术

　　近日，传感器公司村田制作所（中国）执行副总裁孙崑泉在2011国际物联网大会上发表主题演讲，他演讲的题目是“应用于物联网的先进传感器及无线通信技术”。

　　孙崑泉：大家好，今天很有幸能和大家在一起继续探讨有关传感器在物联网方面的应用，去年也在这个会议上跟大家已经探讨了一些传感器技术。今天我们又带来了新的产品，又带来了新的技术，希望会对大家有所帮助。

　　在我谈今天的命题“应用于物联网的先进传感器及无线通信技术”之前，我觉得有必要把我们公司的状况简单给大家说一下。

　　首先你看这个大屏幕，村田制作所是跟西门子一样，是白金赞助。我想有必要跟大家解释一下，村田它是全球最大的电子器件制造商，你如果把你的手机打开，把你们的计算机打开，把你们家里那些游戏机打开，你会发现很多的元器件都是来自于村田。无限通讯模块，当然也包括了用于物联网的各类传感器。

　　村田是技术型大型国际化公司，每年推出的产品当中有40%都是新产品，你们可以想像村田在创新和研发投入上面会有多大。

　　现在我们回到物联网这个命题，今天早晨刘海涛博士已经把物联网的一些宏观结构，还有未来的走向，以及现在承载的问题都跟大家解释很清楚。其实我在这里面说的只是添上一砖一瓦，就是说我谈到的是具体的应用。

　　大家都知道物联网三个层面：感知层，主要有传感器组成。中间层是网络层，上层是应用层。感知层关键技术就是传感器技术，也就是说，传感器技术使得物联网应用成为了可能。如果没有传感器根本不可能把世界上万事万物联在一起，村田在传感器方面有非常专业的产品，所以我在这边有选择的给大家作这方面的介绍，希望对大家有所帮助。

　　在这里列出来的是物联网应用领域，其实物联网应用领域远不止这些。我为什么列这些呢？去年这个时候我给大家谈了智能电网，也给大家略微谈了一下智能大厦，今年我想主要是侧重于智能家居、智能医疗以及物流。

　　有的人说你原理说的太多了，我不太感兴趣，真的，原理不会花太多的时间，以便大家很好的理解。刚才说到物联网主要是三个层面，感知层是最关键的其中一部分。为什么？它需要感知最原始的信息。村田在这个层面上有众多的传感器器件。

　　看最右下角那是PIR传感器，它是红外传感器，它是用来检测人体的移动合乎人体的存在。特别现在我们处在节能的要求之下，人在和人不在，对你屋内的空间要求都有很大的关系，这个传感器在某种程度上可以达到这个目的。另外我们有超声波传感器、冲击波传感器，振动传感器，你振动一下就会把开关打开，所以说你不需要再去触摸那个开关。另外还有磁性传感器，还有温度传感器，二氧化碳传感器，底下的生命特征、透明压电传感器在这里不一一说了。

　　当这些传感器把最原始的信息感知出来之后，怎么办？它通过一种无线传输的方式，采用无线通信方式传给3G网络，再由3G网络进行运用计算。除了传感器之外，在无线通信村田有很多的产品，在有一些应用场景里面，你会发现我需要把传感器和无线通信结合起来，在物联网当中，它既有感知信息功能，也可以把信息传输出去。

　　在上层特别是网络层面我们有3G模块，最主要我们在应用层面还有网关。这些是村田在物联网可以给大家提供的技术和产品。

　　既然我们说传感器是物联网的关键技术之一，我们有必要来探讨一下传感器最基本的原理和基本的材料。大家看到这是一张有好几种不同研究的图，这里面包含很多的信息在里边，当中那一块是显示出所用的材料和相应的工艺来制作各种不同类型的传感器，比如说我们可以用硅和相应的工艺，我们可以用压电材料和相应的工艺，我们可以用碳和相应的工艺，作出最外圈的这些传感器产品。那这些传感器产品最终是用来检测或者感知当中橘黄色的这些物理量。

　　就举几个例子来说，比如说热红外传感器，它可以检测到人体的存在。我们在看电视的时候，离开电视机有三分钟，它说我前边没有人体了，我检测不到红外，这个电视机就自动进入休眠状态，再过两分钟之后还没有人怎么办？它就把电视机给关了。同理，它也可以在智能空调当中有很大的应用，它一旦检测到某个人在屋里出现，它能检测到方位，就会把空调的风打向那个人。特别家庭里面还有小孩的，他们喜欢这个特征，为什么呢？当我们装红外传感器之后，小孩慢慢慢慢走进电视机，电视机开了时间很长的时候，会发热，小孩触摸上面会伤到，它一到距离电视机就会自动关闭。

　　超声波传感器，在这里边开车的人非常多，谁都知道倒车雷达是我们不可缺少的一部分，那这就是用超声波传感器，在汽车上叫倒车雷达。

　　超声波传感器还有其他的应用，比如说安防方面，在家里安装一个超声波传感器，一旦有人进来之后，整个超声波波形发生改变，接受器会发出警报。再一个超声波传感器在智能交通上起到一定的作用，因为它可以检测很远和很近的距离。

　　再一个就是热传感器，它可以检测屋内温度，从而进行适时控制。这些传感器实际上我们每年都会把产品进行更新，但是它是作为成熟的技术和成熟的产品，已经得到广泛的应用。

　　下面我们来看一些新的传感器。这里边的这些传感器包括气体传感器，特别是在环保要求非常高的状况下，我们要求改善我们的空气质量，我们需要气体传感器。另外FID我把它列在传感器里面，我会在后面会给大家介绍生命特征传感器，给你们讲一个特殊的应用，将来你们会很喜欢，说不定你们每人会带上一个，因为它对你日常生活有很大的帮助。

　　还有透明压电传感器，水分传感器，在这里不一一介绍了，但是我对新的传感器会说一些。

　　比如说水分传感器，它在家里面有很多的应用。你在厨房和卫生间水管接头处，一旦你家水管漏水之后，它自动把漏水信息传到手机上，你可以做及时的处理。

　　现在我们看三种气体传感器。村田在做气体传感器采用三种技术，分别是：光技术、半导体技术、压电振动技术。

　　我们可以把二氧化碳传感器放在家里，可以随时检测空气质量。我们在开车的时候，如果你有二氧化碳传感器检测功能，你开长了，有点想打磕睡，这时候它就自动把通风设备打开。也就是说在工厂里边，在大楼里边，在各个地方都有很多的应用，它的具体应用要求在右下角这个表里面有，我就不一一去读了，我只是给大家介绍一下二氧化碳传感器的原理，有可能工程师对这个介绍感兴趣，其他的不感兴趣，不感兴趣的你就把它当成科普。

　　这个传感器主要由红外线光源发出光源，这个光最容易被二氧化碳吸收，然后在传感器里边有一种光滤波器，它只允许4.26微米光的波长通过，最后红外传感器能感知到通过的红外光，当这个气体，大气当中的气体注入到这个传感器腔体之后，它就会吸收红外光源发出的4.26微米的光。这个二氧化碳传感器采用的是光技术。

　　下面我们来看一下用另外两种技术做的传感器。一种是半导体技术，另外一种是压电振动技术。采用半导体技术的红外传感器是把半导体薄膜加热到一定温度，在特定的温度，某种特定的气体分子会依附在这个半导体薄膜上，这个气体分子和半导体膜发生反映，从而导致电阻发生变化，根据电阻大小来决定这个被检测气体的浓度，检测过之后，被检测气体怎么办？再温度加高一点这些分子就全跑了。

　　还有采用压电振动技术。压电体工作原理是你给它加电，它就会产生震动，这个薄膜根据震动频率会吸收一部分某种分子，这些特定的分子从而改变了压电体的质量，质量改变之后震动就会变了，就根据频率变化来检测气体浓度。

　　比如说在家里边，你的煤气，家里抽烟的废气，甲醛等等，所以有很多很多的废气，在家里边装上这些气体传感器会改善我们的生活质量，因为它超过指标之后就会传给网关叫你及时的打开这些通讯设备。

　　这是透明压电传感器，它的主要应用就是说我能不能让音响业沿着一个特定的方向去传播，答案是可以的。村田在它的演示厅里面有这个演示，有这个应用，在这里就不介绍了。

　　刚才看到的都是传感器，现在我们看它的应用。第一个应用就是智能家居，这是村田提供的智能家居整体解决方案。这个整体解决方案从传感器的不同节点，这是一些高层次的，就是在网络层面的，我们还是来看一个具体的应用。

　　这是智能家居整体的解决方案演示，我们在演示大厅里面有一些适时的演示和控制，你们感兴趣可以去参观。这个网关可以时时去检测、采集各种信息，比如说温度的信息，震动的信息，人体移动的信息，二氧化碳的信息，只要传感器可以检测出来的信息，它都可以得到，通过得到这些信息，它可以去适时去控制你们家里面的电器，比如说空调、风扇、灯、洗衣机，比如说你们家里面的窗帘装上这么一种装置，也可以进行控制，另外还有安防。

　　像这类的整体解决方案你可以用Ipad和手机进行适时控制。在整体解决方案当中有网关，还有节点，现在我们来看节点。这个节点看起来构造很简单，主要是由天线，因为它是用来发送和接受信号。然后有一个ZigBee的芯片，还有一个处理器，以及根据不同应用所选择的传感器，在这里边有温度传感器，光传感器，湿度传感器和整体移动传感器。

　　顺带跟大家说明一下，这个节点本身没有办法工作，它必须由外部的电源供电。在我后半部分演讲当中会跟大家提到，这个供电是一个极大的问题，因为你要想让物联网做到无处不在，无时不在，并不是每个地方都能供上电的，怎么解决供电问题，先给大家埋下一个伏笔。刚才这个是整个智能家居从网络层面到应用场景、节点以及网关。

　　现在我们来看下一个智能医疗，智能医疗它的范围非常的广泛，我不可能在这里边介绍，我只可能说一个应用场景。这里边就是我一开始介绍，一个生命特征传感器。生命特征传感器在左上角这个图有两个电极，电极一包括了一个传感器、电极和微处理器。右边的电极主要是一个传感器。当你把两个手指放到相应的位置时候，它就会检测出它所需要的信息，最后可以决定你的脉搏，可以决定你血中的含氧量，同时还可以检测出心电图。

　　心电图根据两个手指之间的电压变化决定出来的，原理就是这样的。血中的含氧量是怎么决定的呢？你看右下角，这里有一个光源，还有一个探测器，它可以检测到血红素的浓度，从而检测出血的含氧量。

　　生命特征传感器能检测出哪些数据呢？右边这个可以套在手指上，左边可以两个手指一起放上。左下角的图可以告诉你血中的含氧量，同时告诉你心跳速度是多少。这个疲劳度也可以告诉你，比如说你达到了60%，60%没问题，这对我们保健来说有很大很大的作用。

　　刚才谈的是智能医疗，也是传感器，现在谈一下物流。物流大家知道在物联网当中运用的非常多，我在这里边就不去多说了，只是谈一个具体的产品和它的应用。

　　这是村田的一个叫做RFID，几年前在欧洲获得产业奖，中文就叫做魔术带。这它必须有一个RFID IC，然后有一些印刷电路的天线，这样作出RFID的标签，它工作的带宽非常宽，它可以在中国用，也可以在美国用，也可以在日本用，还可以在欧洲用。你看左上角这个图，它有大小，有大一点的RFID标签，也有小一点的RFID标签。有些人会问大的和小的区别是什么呢？我可以跟大家说，它在性能上有一定的区别，我用生产控制上的实例跟大家解释一下。

　　我有四块板子，四块板子上面有四种不同的RFID，芯片是一样的，但是天线大小是不一样的。第一个天线总共面积只有0.25平方厘米，但如果你去读这个RFID，距离超过0.7米就读不着了，那怎么办？就要增加天线的尺寸，当我把尺寸增加到0.5平方厘米，可读距离就到1.6米，增加到1.2平方厘米会达到3.6，如果4.2平方厘米就可以读到5米，所以你们在选择RFID要注意到读写的距离有多大。

　　我们都知道物联网当中，位置信息是非常非常重要的。我们在这里边，谁的手机可以接到GPS信号？没有人。但是我如果需要相对位置信号怎么办？村田推出了一种叫本地化的定位系统，它采用的天线技术和设备技术，当然还有通信技术以及软件技术。

　　这个系统是怎么组成的呢？一个主机另外可以带900个子机。主机是怎么做得呢？你看下边这个图，它有三个天线，实际上这个天线从技术层面上来说，它组成了一个天线阵。而子机在那边发出信号，主机三个天线去接收，接收的信号三个信号定位不同，距离不同，我们知道决定空间位置需要三个因素XYZ，我有三个天线可以决定XYZ，这就是它最基本的工作原理。

　　本地定位系统有很多的应用，比如说我们出去旅游，经常会看到旅游观光客当中的人特别爱迟到，那怎么办？你就发一个信息，他就知道到时间了，该回来了，当中导游就拿一个Ipid。还可以在幼儿园、老人院和其他地方都有很广泛的应用。

　　今天早晨有很多的发言都谈到物联网发展前景，无处不在，无时不在。那它的关键在于什么地方？我们能不能让这些传感器无处不在，无时不在，以便能够时地检测出最原始的信息呢？其实是可以的，但是给我们提出很高的要求。你要想让这个传感器做到无处不在，它的成本一定要低。你说，我10块钱，20块钱，别人说免了，我不要。那如果把成本降下来，别人说可以。制作出传感器，你要对传感器的质量要求高。为什么这么说？如果传感器感知出来的信息本身就是错的，它从感知层到了网络层，网络层到了运用层，进行云计算，它永远没办法给你提供出正确的信息，所以对传感器感知出来信息的正确度要求非常高。那我们说了传感器无处不在，我一定要把传感器弄到东北的冰天雪地里面，我检测那些树木，比如我把这些传感器用在新疆沙漠里面，夏天温度非常非常的高，冬天的温度非常非常的低。那另外我可以把这些传感器需要用到我国南方，像云南那边的森林里边，湿度又非常高，那你怎么解决这些可靠性问题呢？所有这些问题都是给传感器行业提出很高的要求。

　　我们必须要解决这些问题，那怎么解决？我们必须要有相应的技术。比如说采用纳米技术，只有采用这样先进的技术，才能把这些传感器做成小型化。但是在一些运用场景里面，就需要多传感器的系统在里边，这样可以节省能源，同时也不需要其他芯片在里边，可以节省成本。

　　今天上午刘海涛博士还说过，运算量实在是太大了，那怎么办呢？那我们能不能作出智能传感器，也就是说，传感器本身就带有芯片，它把原始的信息感知出来之后，就进行时时处理，然后把它送到信号里边得到时时的控制。

　　抛开3G网络不谈，我们可以通过wi-Fi、PLC等等，所有这些技术都是为了把信息传出去，但是在有些地方没办法供电，信息传不出去，你能不能找到一种很好的解决方案，也就是说能量自给系统。其实答案是有的，在我们周围到处都是能量，我们在开车的时候，发动机那个热量很多，能不能把它收集出来？我们在跑步的时候，你的手臂在移动，那是动能，能不能把它收集出来？还有太阳能。在我们周围不缺乏能量，关键是我们怎么把这些能量给它收集起来，为我们利用。

　　今天在这里谈四种把这种能量变成器械的这些技术。第一种是采用压电发电，第二种是采用热敏发电，第三种是采用震动发电，第四是采用射速增强发电。

　　压电很简单，我们周围环境当中如果有某种压力存在的话，你就放着压电材料，这种压电材料就产生了电流，电流就是电能。

　　第二种技术是热敏发电，它采用的是半导体技术。

　　第三种是震动发电，其实它的原理非常的简单，它就是根据平行板电容器的原理，上面的极板不动，地下的极板水平方向移动，根据震动让水平方向移动，这两个极板之间的相对面积就变低了，但是上面的电没变，底下的电变散了，这就形成了电压，然后转换成电能。

　　第四是色素增强发电，实际上就是采用光电效应，它根据某种特定色素可以有效的把光能转变成电能。

　　今天在这里已经跟大家谈了传感器技术，传感器产品，无线通信模块，能量自给系统，村田在这些领域都有很好的产品，而且有整体的解决方案。最后，村田愿意用这些先进的传感器及无线通信技术，全力支持中国物联网技术的发展，谢谢大家。