مع وصول العصر الذكي ، تم التأكيد بشكل متزايد على البحث وتطبيق مختلف أجهزة الاستشعار الذكية. لدى المستشعرات الذكية أيضًا قدرات معالجة المعلومات الغنية على أساس المستشعرات التقليدية ويمكن أن توفر وظائف أكثر شمولاً.
تقدم هذه الورقة حالة البحث الحالية لدرجة الحرارة الشائعة الاستخدام ، والضغط ، وأجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي ، والكيمياء الحيوية و RFID وأدوارها الرئيسية في الترقية الصناعية والتطبيقات المبتكرة مثل إنترنت الأشياء (IoT) ، والواقع الافتراضي (VR) ، والروبوتات ، والرعاية الصحية ، والرعاية الصحية ، وما إلى ذلك ، ونتطلع إلى اتجاه التطوير المستقبلي لأجهزة الاستشعار الذكية.
يشير المستشعر الذكي (المستشعر الذكي) إلى المستشعر مع اكتشاف المعلومات ومعالجة المعلومات وذاكرة المعلومات والتفكير المنطقي ووظائف الحكم.
بالنسبة إلى المستشعرات التقليدية التي توفر فقط إشارات الجهد التناظرية التي تميز الكمية المادية المراد قياسها ، فإن المستشعرات الذكية تستفيد بالكامل من تكنولوجيا التكامل وتكنولوجيا المعالجات الدقيقة ، وتصور المحدد ، ومعالجة المعلومات ، والتواصل في واحد ، ويمكن أن توفر مستوى معينًا من المعرفة من المعلومات التي تم نشرها في شكل رقمي.
منذ أن اقترحت ناسا (ناسا) مفهوم المستشعرات الذكية في الثمانينيات ، بعد عقود من التنمية ، أصبحت أجهزة الاستشعار الذكية اتجاهًا رئيسيًا لتطوير تكنولوجيا المستشعرات ، مما يمثل إمكانيات البحوث الصناعية والتكنولوجية للبلد.
مدفوعة بالعصر الذكي الحالي ، أصبحت أهمية أجهزة الاستشعار أكثر بروزًا ، ليس فقط في "Made in China 2025" ، "Germany 2020 Whight-Techny" والاتحاد الأوروبي ، الولايات المتحدة ، كوريا الجنوبية ، سنغافورة ، إلخ . يلعب دورًا رئيسيًا.
أنظمة القياس والتحكم ذات الأداء العالي والموثوقة للغاية متعددة الوظائف ، وتطوير وتطوير إنترنت الأشياء بناءً على تقنية تحديد الترددات الراديوية ، ويبرز أكثر فأكثر أهمية المستشعرات الذكية مع الإدراك والقدرة المعرفية والقدرة المعرفية والسرعة والسرعة تطوير الإلحاح.
من خلال تطوير تقنية MEMS المتوافقة مع CMOS ، تلقى تطوير مستشعرات Smart Miniature دعمًا فنيًا قويًا ، وتواجه صناعة الاستشعار الذكية فرصة تطوير تاريخية مهمة للغاية.
تلخص هذه الورقة حالة تطوير أنواع مختلفة من تقنيات وتطبيقات المستشعرات الذكية ، وتنظر إلى اتجاه التطوير المستقبلي.
1 أجهزة استشعار ذكية غنية ومتنوعة
من أجل تلبية احتياجات التطبيقات الذكية المختلفة ، تكون فئات المستشعرات متنوعة للغاية ، مثل: أجهزة الاستشعار البيئية ، وأجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي ، وأجهزة الاستشعار التناظرية ، وأجهزة الاستشعار المغناطيسية ، وأجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء ، وأجهزة استشعار الاهتزاز ، وأجهزة استشعار الضغط ، وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية وما إلى ذلك.
من بينها ، يتم استخدام المستشعرات التالية بشكل أكثر شيوعًا.
أجهزة الاستشعار البيئية ، وخاصة أجهزة استشعار الغاز ، وأجهزة استشعار الضغط البارومتري ، وأجهزة استشعار درجة الحرارة ، وأجهزة استشعار الرطوبة وما إلى ذلك.يمكن تطبيق أجهزة استشعار الغاز على أجهزة تنقية الهواء ، وشاشات وثيقة الهوية الوحيدة ، وكاشفات الفورمالديهايد وغيرها من الغازات السامة في المفروشات المنزلية ، وكذلك أجهزة الكشف عن غازات العادم الصناعية. مع الانتباه إلى القضايا البيئية ، أصبحت أهمية أجهزة الاستشعار البيئية أكثر وضوحًا ، وهناك مجال كبير للتنمية في المستقبل.
مستشعرات بالقصور الذاتي ، تستخدم بشكل رئيسي في المنتجات القابلة للارتداء ، مثل الأساور الذكية والساعات الذكية وخوذات VR وما إلى ذلك.يتم استخدام المستشعر بالقصور الذاتي للكشف عن تتبع وتحديد الحركة ، وإبلاغ مرتديها بكمية التمرين ، والسعرات الحرارية المستهلكة وتأثير التمرين في ذلك اليوم.
أجهزة الاستشعار المغناطيسية ، والتي تستخدم بشكل أساسي في الأجهزة المنزلية، مثل صانعي القهوة ، وسخانات المياه ، ومكيفات الهواء ، وما إلى ذلك ، يتم استخدامها لاكتشاف مقدار ما تم تحويل الزاوية أو مقدار السفر الذي تم القيام به ، وعادة ما يتم عرضه على لوحة القيادة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام أجهزة الاستشعار المغناطيسية أيضًا في مغناطيس الأبواب ومغناطيس النوافذ ، إلخ. تحتاج ذكاء ودقة الروبوتات أيضًا إلى أجهزة استشعار مغناطيسية للدعم.
أجهزة الاستشعار التناظرية ، والتي تستخدم بشكل أساسي في الأجهزة الطبية الذكية ،يمكن استخدامها كمدخلات لإشارات مثل نبضات القلب وتصوير القلب ، وتصور ناتج البيانات الصحية ، بحيث يمكن للمستخدمين فهم بيانات الصحة والممارسة المباشرة.
غالبًا ما تستخدم أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء في كاميرات الأشعة تحت الحمراء والروبوتات الكاسحة وغيرها من المنزل الذكي.
2 تقدم البحوث الفنية على أجهزة الاستشعار الذكية
يجب أن يكون لمستشعر ذكي حقًا الوظائف التالية:
1) المعايرة الذاتية والمعايرة الذاتية والتعويض التلقائي ؛
2) جمع البيانات التلقائي والحكم المنطقي ووظائف معالجة البيانات ؛
3) وظائف التعديل الذاتي وتعديل الذات ؛
(4) درجة معينة من وظائف التخزين والتعريف ومعالجة المعلومات ؛
5) اتصال ثنائي الاتجاه ، الإخراج الرقمي القياسي أو وظيفة إخراج الرمز ؛
(6) الحكم الخوارزمي ، وظائف صنع القرار والمعالجة.
فيما يلي مثال على درجة الحرارة الشائعة الاستخدام ، والضغط ، وأجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي ، والكيمياء الحيوية و RFID لإدخال تقدم البحث في تكنولوجيا الاستشعار الذكية.
2.1 مستشعرات درجة الحرارة الذكية
لقد مرت تطور أجهزة استشعار درجة الحرارة بما يليثلاث مراحل: أجهزة استشعار درجة الحرارة المنفصلة التقليدية وأجهزة استشعار درجة الحرارة المتكاملة التناظرية وأجهزة استشعار درجة الحرارة الذكية ككل.
في القرن الحادي والعشرين ، تتحرك أجهزة استشعار درجة الحرارة الذكية نحو دقة عالية ، ومتعددة الوظائف ، وتوحيد الحافلات ، والموثوقية العالية والسلامة ، وتطوير أجهزة الاستشعار الافتراضية وأجهزة استشعار الشبكة ، وتطوير نظام قياس درجة الحرارة المتجانسة وغيرها من الاتجاهات للتنمية السريعة.
يحتوي مستشعر درجة الحرارة الذكي الحالي على مستشعر درجة حرارة ، ومحول A/D ، ومعالج الإشارة ، ودوائر الذاكرة والواجهة ، وبعض المنتجات تحتوي أيضًا على مضاعفة وحدة تحكم مركزية وتخزين وصول عشوائي وذاكرة للقراءة فقط.
تتميز أجهزة استشعار درجة الحرارة الذكية بالقدرة على إخراج بيانات درجة الحرارة وحجم التحكم في درجة الحرارة ذات الصلة ، وتكييفها مع مجموعة متنوعة من المرتبات الدقيقة ، وتعتمد على الأجهزة من خلال البرنامج لتحقيق وظيفة الاختبار ، تعتمد درجة الذكاء على المستوى تطوير البرمجيات.
(1) تحسين دقة القياس وحلها
بدأت أجهزة استشعار درجة الحرارة الذكية في منتصف -1990 s، باستخدام محول 8- بت/D ، تكون دقة قياس درجة الحرارة منخفضة ، ويمكن أن تصل الدقة إلا إلى درجة واحدة.
في الوقت الحاضر ، أطلقت الدول الأجنبية مجموعة متنوعة من مستشعرات درجة الحرارة الذكية عالية الدقة ، باستخدام محول 9 ~ {3}} بت/د ، يمكن أن تصل الدقة 0. 5 ~ {6 }}. 625 درجة. من خلال مجموعة DS 1624- التي تم تطويرها حديثًا من Dallas Semiconductor Corporation التي تم تطويرها حديثًا والتي يمكنها إخراج {1 0}} البيانات الثنائية ، الدقة عالية مثل {13}}. 03 درجة. ، دقة قياس درجة الحرارة من ± 0.2 درجة.
من أجل تحسين معدل تحويل مستشعر درجة الحرارة الذكي متعدد القنوات ، هناك أيضًا رقائق تستخدم محول A/D التقريب العالي السرعة. AD7817 Type 5- قناة مستشعر درجة الحرارة الذكي ، على سبيل المثال ، هو المستشعر المحلي ، كل وقت تحويل مستشعر عن بعد يبلغ 27 مللي ثانية فقط ، 9 مللي ثانية ، على التوالي.
من حيث قياس درجة الحرارة عالية الدقة ، صمم بعض العلماء مستشعر درجة حرارة رقمي عالية الأداء ، والذي يتكون من مرنان شوكة لضبط الكوارتز ، ودائرة واجهة رقمية وخوارزمية تحكم في إعادة تعيين المستشعر استنادًا إلى صفيف بوابة الميدان القابلة للبرمجة ، و يمكن أن تصل حساسية المستشعر إلى عدد الدرجة 10 -6 ، أي دقة قياس درجة الحرارة لـ 0. 0 01 درجة ، وقت الاستجابة 1 ثانية ، ودقة القياس هي 0.01 درجة.
(2) وظائف الاختبار المحسنة
يتم تحسين وظيفة اختبار مستشعر درجة الحرارة الذكية الجديدة باستمرار. تحتوي أجهزة استشعار درجة الحرارة الذكية على مجموعة متنوعة من أوضاع التشغيل للاختيار من بينها ، بما في ذلك وضع التحويل الفردي ، ووضع التحويل المستمر ، ووضع الاستعداد ، كما أضاف البعض أيضًا وضع تمدد حد درجة الحرارة المنخفضة.
بالنسبة لبعض مستشعرات درجة الحرارة الذكية ، يمكن أيضًا تعيين المضيف (المعالج الدقيق الخارجي أو متحكم) من خلال السجلات المقابلة لمعدل التحويل A/D الخاص به ، والقرار ، وأقصى وقت للتحويل.
بالإضافة إلى ذلك ، تتطور أجهزة استشعار درجة الحرارة الذكية من قناة واحدة إلى اتجاه متعدد القنوات ، مما يخلق ظروفًا جيدة لتطوير نظام قياس درجة الحرارة متعدد القنوات.
(3) توحيد وتوحيد تكنولوجيا الحافلات
في الوقت الحاضر ، تم توحيد وتطبيع تقنية حافلة استشعار درجة الحرارة الذكية ، وحافلة الحافلة المستخدمة بشكل أساسي (-سلك) ، وحافلة I 2 C ، وحافلة SMBUS وحافلة SPI.
(4) تصميم الموثوقية وسلامة
من أجل تجنب الإجراء الخاطئ عندما يخضع نظام التحكم في درجة الحرارة لتداخل الضوضاء ، في الداخل من بعض أجهزة استشعار درجة الحرارة الذكية ، يتم إعداد عداد قائمة انتظار الصدع القابل للبرمجة ، مكرسًا لتحديد عدد المرات التي يُسمح فيها قيمة درجة الحرارة المقاسة الحدود العلوية والسفلية. لا يمكن تشغيل منفذ المقاطعة إلا عندما تتجاوز عدد مرات درجة الحرارة المقاسة بشكل مستمر الحد الأعلى أو تنخفض إلى أسفل الحد الأدنى يصل إلى عدد المرات المحددة ، مما يتجنب تأثير تداخل الضوضاء العرضي على نظام التحكم في درجة الحرارة.
من أجل منع تلف الشريحة بسبب التفريغ الإلكتروستاتيكي البشري ، زادت بعض أجهزة استشعار درجة الحرارة الذكية من دائرة الحماية الإلكتروستاتيكية ، بشكل عام يمكنها تحمل 1 ~ 4 كيلو فولت من جهد التفريغ الإلكتروستاتيكي.
على سبيل المثال ، يمكن للواجهة التسلسلية لمستشعر درجة الحرارة الذكي TCN75 ، ومخرجات إشارة المقاطعة/المقارنة ومدخلات العنوان تحمل 1 كيلو فولت من جهد التفريغ الإلكتروستاتيكي. يمكن أن يتحمل مستشعر درجة الحرارة الذكي LM83 4 كيلو فولت من جهد التفريغ الإلكتروستاتيكي.
2.2 مستشعرات الضغط الذكي
أجهزة استشعار الضغط الذكية هي مزيج من المعالجات الدقيقة وأجهزة استشعار الضغط ، لذلك يمكن تقسيم مسارات التنفيذ الخاصة بها إلى: أجهزة استشعار الضغط الذكية غير المتكاملة ، وأجهزة استشعار الضغط الذكية المتكاملة وأجهزة استشعار الضغط الذكية المختلطة.
أجهزة استشعار الضغط الذكية غير المتكاملة هي أنظمة استشعار للضغط الذكية التي تجمع بين مستشعرات الضغط التقليدية ، ودوائر تكييف الإشارات ، والمعالجات الدقيقة مع واجهات الحافلات الرقمية في نظام واحد.
يعد مستشعر الضغط غير المتكامل هذا في الواقع نظامًا تقليديًا لمستشعر الضغط مع اتصال معالج الدقيق. لذلك ، فهي واحدة من أسرع الطرق والوسائل لتحقيق نظام مستشعر الضغط الذكي.
مستشعر الضغط الذكي المتكامل هو تكامل متجانس للعناصر الحساسة للضغط مع معالجة الإشارات ، والمعايرة ، والتعويض ، والموكاج ، وما إلى ذلك ، فهو يتبنى بشكل أساسي تقنية النظام الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) وتكنولوجيا عملية الدائرة المتكاملة على نطاق واسع ، ويستخدم السيليكون كمواد قاعدة. لجعل العناصر الحساسة ، ودوائر تكييف الإشارة ، ووحدات المعالجات الدقيقة ، ودمجها على شريحة واحدة.
من خلال التطور السريع لتكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة وتطبيق تقنية النانو الدقيقة ، يتمتع مستشعر الضغط الذكي الناتج بخصائص التصغير ، والتكامل الهيكلي ، والدقة العالية ، والتوظيف متعدد ، ومجموعة ، والرقمنة الكاملة ، وسهولة الاستخدام ، وسهلة التشغيل ، وهكذا على.
مستشعر الضغط الذكي المختلط وفقًا لاحتياجات وإمكانيات نظام الروابط المتكاملة المختلفة ، مثل الوحدات الحساسة ، ودوائر تكييف الإشارات ، ووحدات المعالجات الدقيقة ، وواجهات الحافلات الرقمية ، في مجموعات مختلفة مدمجة في 2 ~ 3 رقائق ، ومعبأة في قشرة .
يعد التكامل الهجين لتحقيق الذكاء مسارًا ذكيًا مناسبًا تمامًا للتطور التكنولوجي الحالي. في نظام استشعار الضغط الذكي ، يمكن للمعالج الدقيق أن يدرك التحكم في البرامج للمستشعر وفقًا للبرنامج المحدد ، مما يغير المستشعر من وظيفة واحدة إلى وظيفة متعددة. مستشعرات الضغط الذكية عمومًا لها الوظائف الأساسية التالية.
(1) وظائف معالجة البيانات.لا تقيس مستشعرات الضغط الذكية فقط المعلمات المقاسة ، ولكن أيضًا وفقًا للمعلمات المقاسة المعروفة ، يمكن تصاريحها تلقائيًا وتوازن تلقائيًا وتعويضًا تلقائيًا وما إلى ذلك.
(2) وظيفة التشخيص التلقائي.هذه هي الوظيفة الرئيسية لأجهزة استشعار الضغط الذكية ، وأجهزة استشعار الضغط الذكية من خلال برامج تشخيص الأعطال وبرامج الاختبار الذاتي ، وأجهزة الاستشعار التلقائية وحالة النظام للكشف العادي وغير المنتظم ، والاكتشاف في الوقت المناسب للأخطاء ، للمساعدة في تشخيص السبب من الفشل والموقع وإعطاء نصائح تشغيلية.
(3) وظيفة تكوين البرنامج.أجهزة استشعار الضغط الذكية بسبب استخدام المعالجات الدقيقة ، لذلك لا توجد فقط مكونات الأجهزة اللازمة ، مثل الكشف ، التضخيم ، A / D ، D / A ، واجهات الاتصال ، وما إلى ذلك ، ولكن أيضًا موارد البرمجيات للتحكم ومعالجتها بيانات. في مستشعر الضغط الذكي ، هناك أجهزة وبرامج متعددة الأدوات تم إعدادها بحيث يمكن للمستخدم إرسال أوامر عبر المعالج الدقيق لإنجاز وظائف مختلفة ، مما يزيد من مرونة وموثوقية المستشعر.
2.3 أجهزة استشعار ذكية بالقصور الذكي
تشمل أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي ، وهو النوع الأكثر استخدامًا من أجهزة استشعار MEMS ، مقاييس التسارع ، الجيروسكوب ، وأجهزة استشعار التوجه.
يمكن أن تدمج وحدات القياس بالقصور الذاتي اليوم (IMUS) مقياس تسارع ثلاثي المحور ، و eriuxial gyroscope ، ومقياس المغناطيس ثلاثي المحاور بحجم 10 مم × 10 مم × 4 مم بتكلفة أقل من دولار. يمكن تطبيق وحدة القياس بالقصور الذاتي هذه على الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء لتحقيق الوظائف الرياضية والصحية بما في ذلك مراقبة المشي ، وعد الخطوة ، واكتشاف السقوط ، ومراقبة النوم ، والملاحة الداخلية ، وما إلى ذلك ، وكذلك وظائف الترفيه مثل التعرف على الإيماءات واستشعار الاتجاه.