紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用探析

1、紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用探析（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蕪湖241002 ）摘要：物聯(lián)網(wǎng)是把所有物品通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器 等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)智能化 識(shí)別和管理，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一 次信息產(chǎn)業(yè)革命。文章首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)的定義內(nèi)涵、基本 特征及研究現(xiàn)狀，然后探討了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一傳感器技 術(shù)；接著闡述了紅外傳感器結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)，最后對(duì)紅外 傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索，指出其廣闊 的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；熱釋電效應(yīng)1物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀概述當(dāng)前國(guó)際上對(duì)物聯(lián)網(wǎng)較為公認(rèn)的定義是：通過射頻識(shí)別（rfid x紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激

2、光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把各種物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來, 進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān) 控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。從功能來看，物聯(lián)網(wǎng)的基本特征包括: 全面感知、可靠傳送與智能處理?！叭娓兄笔侵肝锫?lián)網(wǎng)可 以隨時(shí)隨地采集和獲取物體的各種信息，這是利用了傳感 器、射頻識(shí)別、電子標(biāo)簽等感知和檢測(cè)的技術(shù)手段廣可靠傳 送”是指?jìng)鞲衅鳙@得的信息能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可靠地交換與 共享，這是通過將需要感知的物體接入網(wǎng)絡(luò)，隨著各種通信 網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合以實(shí)現(xiàn)信息的傳遞；“智能處理”是指物 聯(lián)網(wǎng)能夠即時(shí)即地對(duì)多種類型的海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析 與處理，以實(shí)現(xiàn)智能化決策和控制，這主要是利用

3、了云計(jì)算、 模糊識(shí)別、人工智能等各種計(jì)算技術(shù)和信息處理技術(shù)。1995年，比爾蓋茨在未來之路一書中曾經(jīng)提及物聯(lián)網(wǎng)的概念。不過物聯(lián)網(wǎng)”概念的真正出現(xiàn)是在1999年。 麻省理工學(xué)院auto-id中心提出的“物聯(lián)網(wǎng)”被定義為：把所 有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí) 現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。2003年，美國(guó)技術(shù)評(píng)論提出傳 感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。2005年11月在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)上，國(guó) 際電信聯(lián)盟發(fā)布了一份題為the internet of things）的年度 報(bào)告，正式將“物聯(lián)網(wǎng)”稱為“the internet of things'"

4、;,對(duì)物聯(lián) 網(wǎng)概念進(jìn)行了擴(kuò)展；在2008年美國(guó)紐約召開的外國(guó)關(guān)系理 事會(huì)上，ibm董事長(zhǎng)兼ceo彭明盛 發(fā)表了智慧的地球： 下一代領(lǐng)導(dǎo)人議程，提出“智慧地球”的概念1o眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)搭建了人與人之間的聯(lián)系平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)則是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識(shí)別（rfid x 紅外感知器、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界萬(wàn)事 萬(wàn)物的internet of thingso在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，物體能夠彼此進(jìn) 行“交流”，而無(wú)需人的干涉。物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)角度又叫傳感網(wǎng)， 其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物 體的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享?；ヂ?lián)網(wǎng)連接的是虛擬世 界，而物聯(lián)網(wǎng)連接的則是物理的、真

5、實(shí)的世界。物聯(lián)網(wǎng)被公 認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè) 的第三次浪潮2。自2008年下半年世界金融危機(jī)爆發(fā)以來，在經(jīng)濟(jì)逐漸 下滑與失業(yè)率不斷上升等不利因素影響下，許多國(guó)家都在試 圖謀求新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的快速恢復(fù)與振興。由 于物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本，另一方 面也可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。在這樣的大背景 下，物聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)與推廣被許多國(guó)家提上議事日程，成 為眾多國(guó)家走出“經(jīng)濟(jì)沼澤”的選擇。目前作為各國(guó)科技產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，許多國(guó)家都加強(qiáng)了 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧型基礎(chǔ)設(shè)施的研究與投入。2009年初， 美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬就職后，在與工商業(yè)領(lǐng)袖舉行的“圓

6、桌會(huì)議” 上，奧巴馬對(duì)ibm公司總裁提出的“智慧地球”給予了積極的 回應(yīng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新能源列為振興美國(guó)經(jīng)濟(jì)的兩大武 器。2009年6月，歐盟委員會(huì)向歐盟議會(huì)、理事會(huì)、歐洲 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)委員會(huì)及地區(qū)委員會(huì)遞交了歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì) 劃，以確保歐洲在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的過程中起主導(dǎo)作用。同年8 月，日本也制定了 i-japan計(jì)劃，旨在到2015年實(shí)現(xiàn)以人 為本的“安心且充滿活力的數(shù)字化社會(huì)”。物聯(lián)網(wǎng)是世界經(jīng)濟(jì)的新引擎，目前歐美地區(qū)都投入巨資積極研究物聯(lián)網(wǎng)，我國(guó)政府領(lǐng)導(dǎo)也正在高度關(guān)注、大力支持 物聯(lián)網(wǎng)的研究。我國(guó)工業(yè)和信息化部會(huì)同有關(guān)部門，在新一 代信息技術(shù)方面正在開展研究。中科院早在1999年就啟動(dòng) 了傳

7、感網(wǎng)研究，先后投入數(shù)億元，并已取得了一些科研成果, 建立了一些實(shí)用的傳感網(wǎng)。中國(guó)移動(dòng)總裁王建宙也反復(fù)提 及,物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)成為中國(guó)移動(dòng)未來的發(fā)展重點(diǎn)。2009年8月7日，溫家寶總理到中科院無(wú)錫高新區(qū)視察并發(fā)表講話，明確要求盡快建立''感知中國(guó)”中心3。同年11 月3日，溫總理在北京向首都科技界發(fā)表了題為讓科技引 領(lǐng)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展時(shí)強(qiáng)調(diào)要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān) 鍵技術(shù)，及早部署后ip時(shí)代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn) 業(yè)成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、邁向信息社會(huì)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。物聯(lián)網(wǎng)技 術(shù)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，目前還沒有哪 家公司可以全面負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)的整個(gè)系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)，理論上 的研究

8、已經(jīng)在各行各業(yè)展開，而實(shí)際應(yīng)用還僅局限于行業(yè)內(nèi) 部。綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)還處在研究和示范應(yīng)用階段，一些關(guān) 鍵技術(shù)還在研發(fā)過程中，比如新型傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、 智能識(shí)別技術(shù)等。目前世界各國(guó)都在積極研究網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 努力從不同角度攻克制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，合作商討制定 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍，為世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng) 做貢獻(xiàn)。2物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一。傳感器能夠感知物 體的屬性，進(jìn)行信息采集。物體的屬性包括靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的， 靜態(tài)屬性可以直接存儲(chǔ)在射頻標(biāo)簽中，但動(dòng)態(tài)屬性則需要由 傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并且傳感器要把獲取的信息轉(zhuǎn)換成適 合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，再配合識(shí)別

9、設(shè)備完成對(duì)物體屬性的 讀取。國(guó)標(biāo)對(duì)傳感器的定義是“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一 定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和 轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息的采集，是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn) 實(shí)世界感知的基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。如果沒有傳 感器對(duì)被測(cè)物體原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的獲取和轉(zhuǎn)換，無(wú)論 多么準(zhǔn)確的測(cè)試技術(shù)與控制手段都將是空談。即使使用最現(xiàn) 代化的電子計(jì)算機(jī)和智能控制設(shè)備，如果沒有準(zhǔn)確的信息輸 入，或者輸入的是失真信號(hào)，也將無(wú)法充分發(fā)揮其應(yīng)有的作 用4。傳感器種類五花八門，原理也不盡相同，可以按照用途、 材料、輸出信號(hào)類型、制造工藝等方式進(jìn)行分類，如按照輸 出信號(hào)是模擬量還是數(shù)字量可以分

10、為模擬式傳感器和數(shù)字 式傳感器；按照測(cè)量方式不同，可以把傳感器分為接觸式測(cè) 量和非接觸式測(cè)量傳感器兩大類。當(dāng)前用在物聯(lián)網(wǎng)中的傳感 器主要是一些非接觸式測(cè)量傳感器。近年來，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展， 傳感器技術(shù)獲得飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了微型化、多功能化、智能 化和網(wǎng)絡(luò)化，這大大拓展了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng) 用的傳感器主要是各種分布式傳感器節(jié)點(diǎn)。在工業(yè)自動(dòng)化生 產(chǎn)控制中用的比較多的是光電式傳感器、超聲波傳感器、紅 外傳感器等。其中，紅外傳感器具有很多其它類型傳感器無(wú) 法比擬的優(yōu)點(diǎn)，獲得了極為廣泛的應(yīng)用。3紅外傳感器的結(jié)構(gòu)原理與特點(diǎn)紅外傳感器是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種光敏元 件，根

11、據(jù)具體工作原理的不同，可分為光子型和熱釋電型兩 種。熱釋電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)引起元件本 身的溫度變化來實(shí)現(xiàn)某些參數(shù)的檢測(cè)的，其探測(cè)率、響應(yīng)速 度都不如光子型傳感器。但由于其可在室溫下使用，靈敏度 與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，所以應(yīng)用領(lǐng)域很廣5。利用鐵電體熱釋電效應(yīng) 的熱釋電型紅外傳感器靈敏度很高，獲得了廣泛應(yīng)用。3.1熱釋電效應(yīng)某些絕緣物質(zhì)受熱時(shí)，隨著溫度的上升,在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷。這種由于 熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)在 近十年被用于熱釋電紅外傳感器中。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶 體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。熱電元件常用的材料有 單晶、壓電陶瓷及高分

12、子薄膜等。3.2熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器由以下四個(gè)主要部分構(gòu)成：構(gòu)成電路的鋁基板、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet);具有熱釋電效應(yīng)的陶瓷材料；限制入射紅外波長(zhǎng)的窗口材料； 外殼to5型管帽和管座。其基本構(gòu)造 及各部分的名稱如圖1所示。由于熱釋電紅外傳感器中電容的電流發(fā)生器輸出阻抗高,且輸出電壓信號(hào)又極其微弱，故在管內(nèi)的敏感轉(zhuǎn)換元件fet上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。其等效電路如圖2所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)放大器及厚膜電阻，以達(dá) 到阻抗變換的目的。在管殼的頂部設(shè)有濾光鏡(to 5封 裝)，而樹脂封裝的則設(shè)在側(cè)面。3.3紅外組合件的構(gòu)造由于探測(cè)器元件單獨(dú)使用時(shí)，存在著探測(cè)距離較短、獲得

13、的信號(hào)后續(xù)電路不易處理的不足, 所以目前多選用紅外組合件來探測(cè)。紅外組合件由熱釋電紅 外傳感器、透鏡、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路和密封管殼構(gòu)成。透鏡可 以擴(kuò)大探測(cè)范圍，提高測(cè)量的靈敏度；測(cè)量轉(zhuǎn)換電路可以完 成濾波、放大等信號(hào)處理過程；密封管殼能防止因外界噪聲 引起的錯(cuò)誤動(dòng)作。這種組合件體積小、成本低、功能多樣， 所以應(yīng)用廣泛。3.4濾光鏡材料在熱釋電紅外傳感器的窗口上裝有不同 材料的濾光鏡，阻止不需要的紅外線進(jìn)入傳感器。一般熱釋 電紅外傳感器在0.220um光譜范圍內(nèi)的靈敏度比較好，不 受可見光影響。由于不同的檢測(cè)要求（如醫(yī)學(xué)或氣體成分分析 等）光譜響應(yīng)范圍不同，因此可選擇不同材料的濾光鏡使其滿 足不同場(chǎng)合

14、需求。熱釋電紅外傳感器使用時(shí)，一般前級(jí)需要先用菲涅爾透鏡濾光，后級(jí)接帶通放大器，放大器的中心頻率一般取1.2hz 左右，放大器帶寬對(duì)靈敏度、可靠性的影響比較大。使用時(shí) 要根據(jù)具體要求來合理選擇。4紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)中可以大量使用紅外傳感器（也叫紅外感應(yīng)器） 來實(shí)現(xiàn)物體信息的獲取，盡管目前尚未研發(fā)生產(chǎn)出成熟的產(chǎn) 品，但是紅外傳感器已經(jīng)有很多成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，可以借鑒。 以熱釋電紅外傳感器為核心構(gòu)成的熱釋電紅外開關(guān),在民用 領(lǐng)域可作為蜂鳴器、白熾燈、烘干機(jī)、自動(dòng)門、和自動(dòng)洗手 池等裝置的自動(dòng)感應(yīng)開關(guān)，特別適用于工礦企業(yè)、高檔酒店、 大型商場(chǎng)等區(qū)域。此外，熱釋電紅外傳感器還可用于遙感、制

15、導(dǎo)、夜視、 主動(dòng)雷達(dá)、熱成像、氣體分析、輻射計(jì)、測(cè)溫等軍事和工業(yè) 場(chǎng)合。比如在2008年5.12汶川特大地震救援過程中，就使 用了紅外傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)光條件下（夜間和陰雨天）災(zāi)區(qū)照片 的拍攝，為救援工作提供了幫助。紅外傳感器價(jià)格經(jīng)濟(jì)、測(cè) 量電路簡(jiǎn)單、常溫下可使用、非接觸式測(cè)量、精度較高等優(yōu) 點(diǎn)決定了其在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。在物聯(lián)網(wǎng)中可以使用紅外傳感器獲取物品信息，使用電 子標(biāo)簽記錄、實(shí)現(xiàn)物品的精確定位。比如用紅外傳感器檢測(cè) 超市貨架是否具有足夠的商品待售，當(dāng)檢測(cè)到貨物不足時(shí)， 通過后續(xù)信號(hào)處理、濾波、放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器提醒超市工作 人員及時(shí)補(bǔ)貨。特別是在物聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)電子電器產(chǎn)品中，熱釋電紅外傳

16、感器具有極其廣泛的應(yīng)用前景。目前用得最多的是檢測(cè)物品有 無(wú)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。紅外傳感器已廣泛用于防盜報(bào)警系統(tǒng)中,市場(chǎng)上有成熟的商品。一個(gè)典型的周界入侵檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)本 身就是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)在安全方面的應(yīng)用，比如上海浦東機(jī)場(chǎng)入 侵檢測(cè)系統(tǒng)，就是一個(gè)小型的物聯(lián)網(wǎng)，其中使用了大量的紅 外傳感器，作為智能節(jié)點(diǎn)，獲取周邊信息，與其他類型傳感 器采集得到的信息一起準(zhǔn)確及時(shí)地提供給中央處理系統(tǒng)進(jìn) 行信息融合，作為自動(dòng)控制決策的依據(jù)。國(guó)外已有把熱釋電 傳感器安裝在售貨機(jī)上，當(dāng)有人接近時(shí)，機(jī)器可以說話，實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)銷售，我們也可以借鑒應(yīng)用。再比如可以把紅外傳感 器安裝在工廠危險(xiǎn)性機(jī)械系統(tǒng)上，能夠進(jìn)行非接觸測(cè)量，當(dāng) 超過預(yù)定的安全距離時(shí)給出警示，防止人太靠近造成危險(xiǎn)， 保護(hù)工人健康、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本。5結(jié)語(yǔ)近年來物聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展引起了人們的廣泛關(guān)注，國(guó) 內(nèi)外政府和企業(yè)都積極采取行動(dòng)參與物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，廣大學(xué) 者也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)展開深入研究，國(guó)內(nèi)不少高校先后申報(bào)了物聯(lián) 網(wǎng)專業(yè)，培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)方面的人才，這將對(duì)未來全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展 產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。與此同時(shí)，熱釋電紅外傳感器的銷量近幾年 也是每年增長(zhǎng)30%以上。國(guó)內(nèi)外廠家正在不斷開發(fā)新產(chǎn)品以 滿足未來的市場(chǎng)需求?？梢灶A(yù)見，紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中具 有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)： 口程曼等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用j 物聯(lián)網(wǎng)與