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前 言

《福布斯》雜志：當(dāng)前，甚至今后幾十年內(nèi)，影響和改變著世界經(jīng)濟(jì)格局和人們生活方式的10大科技產(chǎn)品，傳感器列為10大科技產(chǎn)品之首，說(shuō)明傳感器的春天已經(jīng)來(lái)臨！

物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要智能感知、識(shí)別和通訊等技術(shù)支撐，而感知的關(guān)鍵就是傳感器及相關(guān)技術(shù)。智能家居控制系統(tǒng)是“心臟”，而傳感器是整個(gè)控制系統(tǒng)的“脈絡(luò)”，掌握著整個(gè)系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，傳感器技術(shù)的發(fā)展對(duì)于智能家居飛速發(fā)展的作用非同小可。

從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，傳感器上游主要為各種零部件等以支撐感知層；中游是以光傳輸、通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成的傳輸層；下游是應(yīng)用層，其中以物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的各項(xiàng)應(yīng)用為主，其中智能家居就是極其重要的板塊之一。

智能家居傳感器是家居中的“眼鼻耳”，因?yàn)橹悄芗揖邮紫入x不開(kāi)對(duì)居住環(huán)境“人性化”的數(shù)據(jù)采集，也就是說(shuō)把家居環(huán)境中的各種物理量、化學(xué)量、生物量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)裝置與元件。

智能家居領(lǐng)域需要使用傳感器來(lái)測(cè)量、分析與控制系統(tǒng)設(shè)置，家中使用的智能設(shè)備涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防感應(yīng)等傳感器等技術(shù)。

為精準(zhǔn)解讀國(guó)內(nèi)目前家庭范疇內(nèi)的智能傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀，《智能家居》雜志、數(shù)智網(wǎng)、智能頭條發(fā)起聯(lián)合編制《2019家庭智能傳感器白皮書(shū)》，旨在全面梳理家庭內(nèi)傳感器的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

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傳感器的技術(shù)應(yīng)用

01

環(huán)境類(lèi)傳感器的技術(shù)應(yīng)用

（1）氣體傳感器的技術(shù)平臺(tái)

氣體傳感器的技術(shù)平臺(tái)包括：電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、半導(dǎo)體氣體傳感器、紅外氣體傳感器、光電離氣體傳感器，可以檢測(cè)甲醛、CO2、CO等有毒氣體，也可以檢測(cè)天然氣CH4等可燃?xì)怏w，同時(shí)還能檢測(cè)各種VOC等揮發(fā)性的有機(jī)物。

（2）甲醛傳感器

電化學(xué)平臺(tái)（傳感器正反電極電流大小與甲醛濃度呈正比關(guān)系）和半導(dǎo)體平臺(tái)（甲醛氣體附著在金屬氧化物表面，金屬氧化物的電阻變低，且電阻值的變化量與甲醛濃度有關(guān)）。

（3）一氧化碳/煤氣傳感器

電化學(xué)平臺(tái)（傳感器正反電極電流大小與甲醛濃度呈正比關(guān)系）與半導(dǎo)體平臺(tái)（同甲醛傳感器，但是金屬氧化物的材料和工作溫度不同）。

（4）甲烷/天然氣傳感器

半導(dǎo)體平臺(tái)(同甲醛和一氧化碳)、催化燃燒平臺(tái)、紅外平臺(tái)（朗伯比爾定律）。

（5）二氧化碳傳感器

?紅外技術(shù)平臺(tái)（朗伯比爾定律）

?使用壽命長(zhǎng)：＞5年

?抗交叉干擾能力強(qiáng)：通過(guò)紅外特征敏感元件排除干擾

?對(duì)氧氣沒(méi)有要求：在缺氧的環(huán)境下也能正常工作

?能夠測(cè)量高濃度氣體：能夠測(cè)量100%濃度的可燃?xì)怏w

?不會(huì)中毒：不受鉛化物、硫化物、硅類(lèi)等影響

?校準(zhǔn)周期長(zhǎng)：紅外氣體傳感器的漂移量很小，穩(wěn)定性好

?相比較于其他氣體傳感器，價(jià)格稍高

（6）VOC傳感器

VOC主要是指以苯類(lèi)、烴類(lèi)為主的揮發(fā)性有機(jī)物，VOC測(cè)量值是多種揮發(fā)性有機(jī)物的綜合反應(yīng)。

半導(dǎo)體技術(shù)平臺(tái)（VOC氣體附著在金屬氧化物表面，金屬氧化物的電阻變低，且電阻值的變化量與VOC濃度有關(guān)）。

（7）空氣質(zhì)量傳感器

半導(dǎo)體技術(shù)平臺(tái)（空氣中的污染氣體附著在金屬氧化物表面，金屬氧化物的電阻變低，且電阻值的變化量與污染氣體濃度有關(guān)）。

空氣質(zhì)量傳感器的金屬氧化物材料和工作溫度不同，這個(gè)傳感器的金屬氧化物選擇性差，對(duì)很多污染氣體(甲醛、苯、氨氣、香煙煙霧、香水)都有反應(yīng)，并以此綜合反應(yīng)來(lái)表征空氣質(zhì)量）。

（8）異味傳感器

半導(dǎo)體技術(shù)平臺(tái)（環(huán)境中異味氣體如VOC、氨氣等，附著在金屬氧化物表面，金屬氧化物的電阻變低，且電阻值的變化量與異味氣體濃度有關(guān)）。

異味傳感器的金屬氧化物材料和工作溫度不同，這個(gè)傳感器的金屬氧化物選擇性差，對(duì)VOC和氨氣等異味氣體均有反應(yīng)，并以此綜合反應(yīng)來(lái)表征異味。

（9）PM2.5傳感器

紅外散射平臺(tái)（LED發(fā)射出光線遇顆粒物產(chǎn)生散射光，接收傳感器檢測(cè)到散射光的光強(qiáng)，輸出信號(hào)，通過(guò)光強(qiáng)大小判斷顆粒物的濃度）。

激光散射平臺(tái)：激光器發(fā)射出光線遇顆粒物產(chǎn)生散射光，接收傳感器檢測(cè)到散射光的光強(qiáng)，輸出信號(hào)，通過(guò)光強(qiáng)大小判斷顆粒物的濃度。

（10）煙霧傳感器

離子式技術(shù)平臺(tái)（利用電離室離子流的變化基本正比于進(jìn)入電離室的煙霧濃度來(lái)探測(cè)火災(zāi)的，考慮到放射源的回收和輻射等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已經(jīng)不生產(chǎn)。）。

光電式技術(shù)平臺(tái)（沒(méi)有煙塵時(shí)，紅外光源發(fā)出的紅外光無(wú)法被光敏元件接收，當(dāng)煙塵進(jìn)入氣室后，紅外光源的紅外光被煙塵粒子散射，散射光被光敏元件接收，散射光的強(qiáng)弱與煙的濃度呈正比；光電式是目前主流的技術(shù)平臺(tái)，相比于離子式，價(jià)格會(huì)稍微偏高。）

（11）溫度傳感器

（12）濕度傳感器

（13）照度傳感器

02

安防類(lèi)傳感器的技術(shù)應(yīng)用

（1）人體移動(dòng)感應(yīng)傳感器（PIR）

絕對(duì)零度以上的物體（包括人體），都在對(duì)外發(fā)射紅外線；濾波片用以濾掉不需要的波長(zhǎng)，保留需要的波長(zhǎng)；熱釋電效應(yīng)：紅外線間歇地照射，表面溫度上升△T，晶體內(nèi)部的原子(電子&空穴)排列將產(chǎn)生變化，引起自發(fā)極化電荷，在上下電極之間產(chǎn)生電壓△U。

（2）人體存在感應(yīng)傳感器

絕對(duì)零度以上的物體（包括人體），都在對(duì)外發(fā)射紅外線；濾波片用以濾掉不需要的波長(zhǎng)，保留需要的波長(zhǎng)；熱電效應(yīng)：紅外線照射（不管間歇照射，還是持續(xù)照射），表面溫度上升△T，傳感器電極之間產(chǎn)生電壓△U；靜止或者移動(dòng)的人，都可以檢測(cè)出來(lái)。

（3）門(mén)磁傳感器

磁鐵離干簧管很近時(shí)，由于磁鐵的磁力使得干簧管內(nèi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，電路處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)磁鐵離干簧管較遠(yuǎn)時(shí)甲烷模組，干簧管因沒(méi)有磁力作用，觸點(diǎn)閉合接通電路，蜂鳴器報(bào)警。

（4）水浸傳感器

接觸式水浸傳感器利用液體導(dǎo)電原理進(jìn)行檢測(cè)，正常時(shí)兩極探頭被空氣絕緣，在浸水狀態(tài)下探頭導(dǎo)通。

03

安防類(lèi)傳感器的技術(shù)應(yīng)用

（1）硬件和算法

電化學(xué)傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，對(duì)硬件設(shè)計(jì)提出很高的要求，避免外界對(duì)信號(hào)的干擾。

不同種類(lèi)電化學(xué)傳感器的驅(qū)動(dòng)電路差別很大，對(duì)硬件設(shè)計(jì)要求也非常高。

溫濕度對(duì)絕大部分傳感器的影響非常大，因此傳感器的溫濕度補(bǔ)償算法非常重要甲烷模組，大多數(shù)傳感器的輸出信號(hào)都是非線性的，因此線性補(bǔ)償算法也非常關(guān)鍵。

（2）標(biāo)定平臺(tái)

?標(biāo)氣制備

?標(biāo)定工裝

?標(biāo)定模型

?不同類(lèi)別的傳感器

?標(biāo)定差異很大

04

通信技術(shù)

（1）目前主流的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：RF、Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、RS485等。

（2）協(xié)議優(yōu)勢(shì)

RF：沒(méi)有方向性，可以不“面對(duì)面”控制、距離遠(yuǎn)，可達(dá)數(shù)十米。

Zigbee：主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。

Wi-Fi：更強(qiáng)的射頻信號(hào)、功耗更低、安全性高。

Bluetooth：低功率，便于電池供電設(shè)備工作；便宜，可以應(yīng)用到低成本設(shè)備上；同時(shí)管理數(shù)據(jù)和聲音傳輸；低延時(shí)。

LoRa：靈活、布設(shè)更快，成本更低，應(yīng)用場(chǎng)景多樣化。

NB-IoT：海量連接、深度覆蓋、成本低、超低功耗、穩(wěn)定可靠。

RS485：RS-485總線被應(yīng)用的非常廣泛。RS-485采用半雙工工作方式，支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和棘手高靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)，抗噪聲干擾性好。

（3）協(xié)議趨勢(shì)：目前家庭智能傳感器已經(jīng)可以同時(shí)支持多種通訊模式。

05

傳感器芯片

陀螺儀、MEMS、磁傳感器、電流傳感、電子羅盤(pán)、光電傳感、紅外傳感、霍爾傳感、集成模塊、熱敏傳感、位移傳感、溫度傳感、壓力傳感、觸摸屏控制、加速度傳感、氣體傳感、CIS（CMOS圖像傳感器）

06

傳感器模組

傳感器模組是傳感器經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)后可以存儲(chǔ)信號(hào)的傳感器，如紅外符合氣體傳感器模塊、顆粒物傳感器模塊、甲烷傳感器模塊、VOC傳感器模塊、異味傳感器模塊、空氣質(zhì)量傳感器模塊、一氧化碳傳感器模塊、甲醛傳感器模塊。

07

云計(jì)算

云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式甲烷模組，通常涉及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云計(jì)算支持用戶(hù)在任意位置使用終端獲取相應(yīng)的服務(wù)，這樣就意味著用戶(hù)可以隨時(shí)隨地控制自己的家居。

智能家居其實(shí)就是一個(gè)家用小型的物聯(lián)網(wǎng)，需要通過(guò)各類(lèi)傳感器采集相關(guān)性信息，通過(guò)分析一氧化碳報(bào)警器，反饋實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，而智能家居的穩(wěn)定性，可靠性，在很大程度上建立在良好的硬件條件基礎(chǔ)上，如果沒(méi)有容量足夠大的的存儲(chǔ)設(shè)備，將會(huì)造成信息難以存儲(chǔ)，甚至遺失。所以高性能的傳感器和大容量的云計(jì)算服務(wù)將極大的促進(jìn)智能家居的發(fā)展。

08

人工智能

傳感器是人工智能最基礎(chǔ)的硬件，類(lèi)似于人類(lèi)的感覺(jué)獲取器官。大量的傳感器即可實(shí)現(xiàn)“感知+控制”，而家庭自動(dòng)化=感知+控制，這種層面的信息交互與人機(jī)交互，還多需人的參與。而人工智能將人類(lèi)的邏輯大腦賦予機(jī)器，實(shí)現(xiàn)“感知+思考+執(zhí)行”，最終上升到這種層次。

深度結(jié)合下人工智能傳感器，例如家里的空調(diào)不單單依靠溫濕度傳感器進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，還可以通過(guò)家庭成員的識(shí)別來(lái)自動(dòng)選擇模式，比如風(fēng)向的調(diào)節(jié)，針對(duì)小孩、老人溫度的調(diào)節(jié)。這些新技術(shù)將帶來(lái)無(wú)限大的想象空間，再結(jié)合機(jī)器增強(qiáng)學(xué)習(xí)的算法，將提供深度體驗(yàn)。

傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景

01

環(huán)境傳感器實(shí)現(xiàn)的智能化場(chǎng)景

?廚房安全監(jiān)控聯(lián)動(dòng)

?空氣質(zhì)量監(jiān)控聯(lián)動(dòng)

?衛(wèi)生間異味聯(lián)動(dòng)

?濕度傳感器的聯(lián)動(dòng)

濕度傳感器可以聯(lián)動(dòng)烘干或者加濕器，從而提升智能家居的環(huán)境。可見(jiàn)，在智能家居中，通過(guò)濕度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的控制，從而避免家居的損壞或者對(duì)人體的皮膚造成損傷。

02

安防傳感器實(shí)現(xiàn)的智能化場(chǎng)景

?全屋安防監(jiān)控聯(lián)動(dòng)

?門(mén)窗磁/智能門(mén)鎖場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)

門(mén)窗磁開(kāi)關(guān)傳感器與智能門(mén)鎖結(jié)合，就可以完全判斷門(mén)的鎖定狀態(tài)氧氣報(bào)警器，智能門(mén)鎖可以判斷是否上鎖但無(wú)法判斷門(mén)是否關(guān)好，而門(mén)窗傳感器可以傳感門(mén)是否關(guān)好但無(wú)法判斷門(mén)是否上鎖，所以?xún)烧呓Y(jié)合，就可以更好的判斷門(mén)的狀態(tài)。

門(mén)窗磁還可以應(yīng)用在櫥柜、冰箱、保險(xiǎn)柜等開(kāi)合處，避免窗戶(hù)忘關(guān)、小孩爬窗、小孩出門(mén)、保險(xiǎn)柜被盜等各種場(chǎng)景需求。

?人體移動(dòng)/存在傳感器

觸發(fā)報(bào)警及各種需求場(chǎng)景。完成復(fù)雜的開(kāi)店工作，大大節(jié)省了人工和時(shí)間成本。

2019年9月11日，第七屆國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)峰會(huì)——智能傳感與智慧生活創(chuàng)新應(yīng)用高峰論壇將于溫州·樂(lè)清天豪君瀾大酒店舉辦。

本屆國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)峰會(huì)繼前六屆國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)及應(yīng)用高峰論壇之后，由國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心、溫州市人民政府、德國(guó)傳感與測(cè)量技術(shù)專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì)等聯(lián)合有關(guān)單位舉辦的全球性物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)峰會(huì)。其中，智慧生活分論壇活動(dòng)旨在推進(jìn)傳感技術(shù)在智能家居產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，促進(jìn)國(guó)內(nèi)外傳感器技術(shù)應(yīng)用交流，創(chuàng)造生態(tài)合作契機(jī)。

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