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物联网是传感器最重要的应用场景之一，也是传感产业的关键市场。
MEMS、智能传感器等传感器技术的发展，让小型化、智能化、低功耗的传感器产品普及，这也是近年来物联网能够快速普及的基础之一。同样的，物联网也将传感器应用带到了一个全新的高度，预计到2025年将会有416亿个物联网设备，物联网市场份额复合年增长率将达到 28.7%。
哪些物联网场景需要传感器更多？传感器研发、销售市场最有前景？本文给出了答案。
文中，介绍了物联网中智能穿戴、智能家居、智慧城市、智慧交通、智能电网、智能建筑、智慧农业、智慧医疗、环境监测、智能制造等10个最有前景的传感器物联网应用场景，未来，这些领域，将是物联网传感器的主战场。
传感器是一种可以检测和测量特定物理量（如光、声音、压力、温度、振动、湿度、速度、加速度、特定化学成分或气体的存在、运动、灰尘颗粒等等）并将它们转换成电信号。当传感器检测并传输数据时，执行器被触发并开始工作。执行器接收信号并确定它需要执行哪些步骤才能在环境中起作用。智能传感器是能够自主感知、收集、判断、分析和处理外部环境数据的智能传感器设备。具有信息采集、处理、交换、存储和传输功能的多元件集成电路称为智能传感器。传感器、通信模块、微处理器、驱动程序和接口以及软件算法都集成在一个系统级设备中。它提供了自学习、自诊断、自补偿以及感知融合和灵活通信的能力。
与一般传感器相比，智能传感器具有以下优势：
自检、自校准、自诊断：当电源打开时，自诊断功能进行自检并使用诊断测试来确定组件是否有故障。并且可以根据使用时间在线校正，微处理器对存储的测量特性数据进行比对校验。感应融合：智能传感器可以同时检测多种物理化学性质，提供更准确反映物质运行规律的数据。例如，融合液体传感器可以同时监测介质的温度、流量、压力和密度。机械传感器可以同时测量物品上特定点的三维振动加速度、速度、位移和其他参数。高精度：智能传感器包括信息处理功能，不仅可以通过软件纠正各种确定性系统缺陷，还可以有效补偿随机误差并降低噪声，从而大大提高传感器精度。高可靠性：集成传感器系统消除了一些传统结构的不可靠元件，提高了整个系统的抗干扰性能。它还具有诊断、校准和保存数据的能力，同时保持高度的稳定性。高性价比：在精度要求相同的情况下，多功能智能传感器的性价比远高于单功能传感器，尤其是在集成了更便宜的微处理器后。功能多样化：智能传感器可实现多传感器多参数综合测量，通过编程扩展测量和使用范围；具有一定的适应能力，可以根据检测对象或条件的变化改变输出数据的范围；具有数字通讯接口功能，可直接发送到远程计算机进行处理；具有多种数据输出形式，适用于各种应用系统。信号归一化：放大器在模数转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号之前对其进行归一化。数字归一化由微处理器以各种数字传输格式执行，包括串行、并行、频率、相位和脉冲。- 物联网 (IoT)和工业物联网 (IIoT) 越来越受欢迎
- 智能手机越来越多地集成了许多传感器（例如 CMOS 图像传感器）
研究显示，从 2020 年到 2027 年，全球智能传感器市场预计将以 18.6% 的复合年增长率 (CAGR) 增长，到 2027 年将达到 1436.5 亿美元。汽车行业是全球最大的智能传感器应用市场，约占所有智能传感器销售额的四分之一。根据预测，从 2020 年到 2027 年，汽车智能传感器市场预计将以 21.7% 的速度增长。可穿戴设备和医疗保健应用也将在短期内提供智能传感器的增长前景。从技术角度来看，微机电系统 (MEMS) 占据了超过一半的市场份额。预计纳米机电系统 (NEMS) 将成为整个预测期内增长最快的产品类别，但 MEMS 技术仍将占据主导地位。限制市场增长的挑战之一是带有嵌入式智能传感器的设备的使用寿命会更短。由于物联网的快速增长和普及，智能传感器的需求量很大。为了分析智能传感器在各个应用领域的技术发展，我们在下面列出了 10 大物联网应用场景：在许多可穿戴设备中，传感器是核心组件和设备的关键卖点。例如，智能手表和智能腕带是旨在测量人类健康和活动数据的物品，并逐渐向医疗方向发展。处理器和内存、电源、无线连接、传感器和执行器是智能可穿戴设备中的五个主要模块。其中，传感器是五个模块中最具创新性的，也是人机通信的“心脏”。由于传感器技术的发展，可穿戴设备现在可以实现更准确的数据监控。
可穿戴设备中集成了多种类型的传感器，包括：
●陀螺仪、加速度计、压力传感器和磁力计是运动传感器的示例。它们的主要工作是完成智能小工具中的运动监测、导航和人机交互，在手环中很常见。用户可以通过运动传感器随时捕捉和分析人体动作，了解自己的跑步步数、骑行距离、睡眠时长、能量消耗以及其他运动和身体数据。●备有血糖传感器、血压传感器、心电传感器、体温传感器、脑电波传感器、肌电传感器等生物传感器。医疗电子设备，例如血压计，大多是由这种材料制成的。生物传感器用于采集人体信号，并进行信号处理以完成健康预警和疾病监测活动。●环境传感器：如温湿度传感器、紫外线传感器、颗粒物传感器、气体传感器、pH传感器、气压传感器等可用于PM2.5便携式探测器、口罩、便携式个人综合环境监测终端的传感器和其他设备，环境数据正在测试中。环境监测、天气预报和健康警告一应俱全。智能家居是通过综合布线、网络通信、安防、自动控制、音视频技术等技术，集安防监控、家电控制、灯光控制、背景音乐、语音控制、家居生活一体化的住宅载体。相关设备智能联网集中管理，让家庭生活环境更加便捷、舒适、安全、节能。这些智能家居设备与一个关键部件密不可分：传感器。传感器、执行器、控制中心、通信网络和其他组件构成了智能家居系统。为了收集有关室内环境的各种数据，使用了各种类型的传感器。●温度传感器：智能家居中的室温保持一致。温度传感器可以根据季节变化或用户需求改变温度。温度传感器可以采集温度数据，然后发送到计算机系统，再通过中央控制系统发送到空调，实现智能家居温度控制。●图像传感器：在智能家居系统中，可以通过PC端监控设备将信息传输到用户的手机或电脑，实现远程监控。该图像传感器可用于智能监控中的光电转换。摄像头主要由 CCD 或 CMOS 传感器组成，可实现全面的智能家居控制。●光电传感器：光电传感器可用于智能家居整体操作。利用光阻可用于创建自主照明灯，红外传感器系统可提供方便的房屋照明，无需人工干预。此外，红外传感器可用于管理各种变量，例如使用光电传感器的水龙头、温度计和湿度，从而节省资源并提高用户满意度。●空气传感器：可以为用户实时监测需要监控的环境。当超过安全指标时，启动家中的空气净化设备，净化空气，为家人提供健康的空气环境。为了实时监测空气质量，空气传感器可以嵌入各种与空气中悬浮颗粒物数量相关的仪器仪表或环境改善设备中。智慧城市是利用信息和通信技术 (ICT) 改善城市管理和刺激经济增长的城市。物联网络 (IoT) 可以接收、分析和传输有关当前情况和事件的数据，并与 ICT 交互。任何使城市更高效或更方便的设备，例如手机、智能汽车、安全摄像头和道路传感器，都包含在物联网中。为居民提供物理和技术基础设施、环境监测和响应能力以及智能服务是智慧城市的三个主要要素。智慧城市分为三层：第一层是技术基础，由大量智能手机和传感器通过高速通信网络连接而成；第二层由特定的应用程序组成，将原始数据转换为警报、洞察力和行动需要使用适当的工具；第三层是城市、企业和公众使用情况和示例。
许多应用，例如指导人们在下班时间使用公共交通工具、修改路线、降低能源和用水量，或在一天中的不同时间使用它们，只有当他们被广泛接受并试图改变他们的行为时，他们才能成功。例如，预防性保健可以减轻医疗保健系统的压力。
▲麦肯锡全球分析机构提出的智慧城市的三个层次
智慧城市的关键基础设施是传感器、摄像头、无线设备和数据中心的网络。例如，传感器是智能基础设施的核心，是城市景观中隐藏但无所不在的特征，也是任何智能控制系统的重要组成部分。声学、激光雷达、雷达、3D 相机传感器、环境传感器、流量传感器、气体传感器、湿度和温度传感器等等都是传感器网络的例子。集成传感器系统有助于创建具有应用程序和集中式平台的无缝网络。出于一个原因（如路灯）设置的传感器网络可用于各种其他相关应用，包括环境监测和公共安全。从长远来看，这种集中式网络将节省资金，因为它消除了对多个单独的复杂网络的需求。为了增加智能功能，未来的智慧城市将主要使用四种传感器技术：电传感器、红外传感器、热传感器、接近传感器和激光雷达传感器。●电传感器：用于环境监测传感器和速度计传感器等。这些传感器通常用于智能城市网络以执行各种活动，包括电力和电流监控以及问题检测。●红外传感器：红外传感器有助于在动态和不稳定的环境中生成关键数据，辅助智慧城市决策。●雷达传感器：可以使用复杂的计算机数据来解释关键的现场数据。●热传感器：能正确测量能量分布，而其他智能传感器可以调节需求侧能量。因此，智能电网传感器有助于提高能源效率。●接近传感器和激光雷达传感器：有助于自动车辆系统的开发，这是智能城市所必需的。运用各种智能技术和装备，推动交通数字化、互联互通、智能化，被称为智能交通。网络连接就是其中之一，对于智能交通的发展至关重要。物联网可以成功连接交通的各个环节和环节，不仅可以加强交通监管，提升交通服务，还可以改善现有的交通业态。智能交通系统（ITS）在城市交通中的运用主要体现在微观交通信息采集、交通控制、引导等方面，通过提高交通信息的有效利用和管理，提高交通系统的效率，主要通过信息采集与输入、策略控制、输出执行、数据传输以及子系统与其他子系统之间的通信。信息采集子系统通过传感器采集车辆和道路数据，策略控制子系统使用计算方法（如模糊控制、遗传算法等）计算出最佳Plan，并将控制信号发送给执行子系统（通常是交通信号控制器）来引导和控制车辆通行以满足预设目标。传感器与人类的五种感官一样，在智能交通系统中发挥着不可或缺的作用，在众多交通领域有着广泛的应用。例如，由无线传感器组成的传感器网络具有很好的特性，可以为智能交通系统的信息采集提供有效手段，可以在交叉路口检测来自各个方向的车辆，并改进基于简化和改进的信号控制算法。提供监测结果，以及提高交通效率。此外，无线传感器网络可用于执行子系统的控制和引导子系统，如升级信号控制器以实现智能交通系统的公交优先功能。除了跟踪实时高速公路状况外，传感器还可以提供驾驶时间预测数据。为方便驾驶，这些数据将在高速公路顶部显示为动态消息标志 (DMS)。海量数据也有利于交通规划，为未来高速公路升级规划和决策提供更多有用信息，助力智能交通产业建设。智能电网是利用信息技术实现能源资源开发、转换（生产）、输配电、供电、售电、用电的电网系统。精准供电、互补供电、增强能耗、供电都可以通过智能管理，实现安全以及省电的愿望。智能电网具有减少二氧化碳排放、节约能源和消除停电的潜力。电力设施的终端配电系统和终端信息系统是建设智能电网的主要资金来源。传感器网络占投资的很大一部分。根据 IHS 分析，智能电网相关传感器市场在 2014 年至 2021 年间增长了近十倍，达到 3.5 亿美元。传感器网络的发展是智能电网转型的关键组成部分。智能电网的三个层次分别是WSN（Wireless Sensor Network）的感知层、网络层和应用层。感知层包括二维码标签和阅读器、RFID标签和阅读器、摄像头、各种传感器和传感器网络（由大量不同传感器节点组成的自组织自愈网络）。感知层的主要功能是感知和识别物体，收集和捕获信息。与智能家居相反，智能建筑是指办公楼、购物中心和酒店等非住宅结构。这些建筑物的设备与传感器相连，这些传感器可以提供能源消耗数据并做出自动化决策以改善运营。传感器网络收集环境数据以及有关建筑物运行和使用的信息。这些数据可以在本地或云端（边缘计算）进行分析，也可以路由到中央 BMS 系统。然后利用这些数据来激活修改 HVAC 系统、照明系统、百叶窗和各种其他建筑设备的自动化操作。通过使用传感器、执行器和控件在多个子系统之间建立交叉互连，建筑物可以变得“智能”。如果将互连比作骨骼，那么实际的设备和控制设备类似于智能建筑的肌肉和大脑。根据室内空气质量 (IAQ) 和室内二氧化碳浓度，可以使用智能组件之间的这种交互来控制通风系统。照明系统还可以根据人的存在和室内环境的亮度等其他标准自动调整，从而降低能耗并提高用户的舒适度和幸福感。HVAC 设备仅作为示例来展示传感器如何帮助状态监测和预测性维护，从而使建筑业主、租户和设备制造商能够发现更多附加值。相关的半导体解决方案和增强的软件智能可以解决维护问题，并为电梯、阀门和照明等其他重要子系统提供洞察力。数控机床广泛应用于装备制造业务，是智能传感在生产过程中的常见用途之一。现代数控机床配备高性能传感器，实时检测位移、位置、速度、压力等参数，可监控加工状态、刀具状态、磨损状态、能耗等，实现灵活的误差补偿和自我修正。此外，使用基于视觉传感器的视觉监控技术，简化了数控机床的智能监控。智能传感器也越来越多地用于汽车生产行业。基于光学传感的机器视觉在工业领域的三个主要应用是视觉测量、视觉引导和视觉检测。视觉测量技术可以通过测量关键尺寸、表面质量、装配效果等，确保产品在汽车制造行业的合格；视觉引导技术可以通过引导机器完成自动化搬运、最佳匹配装配、精确打孔等来显着提高。视觉检测技术可以监控车身生产过程的稳定性，确保产品的完整性和可追溯性，有助于降低制造成本。传感器主要用于高端设备业务，用于设备运维和健康管理。例如，航空发动机中的智能传感器可以让控制系统进行故障自诊断和故障处理，增强系统应对复杂环境和精确控制的能力。利用智能传感技术、集成多领域建模技术和新的信息技术，可以构建一个能够准确模仿物理实体的数字孪生。该模型可以代表系统的物理特性以及不断变化的环境因素，从而实现发动机的性能。基于全生命周期多维反馈数据源的评估、故障诊断、寿命预测等功能，在工业电子领域，智能传感器用于机械臂、AGV导航车、AOI测试以及其他用于生产、搬运、测试和维护的设备。智能传感器在消费电子产品和医疗电子产品中的应用范围更广。距离传感器、光传感器、重力传感器、图像传感器、三轴陀螺仪和电子罗盘是智能手机中最流行的一些智能传感器。可穿戴设备最基本的功能是使用传感器来检测运动，例如内置的 MEMS 加速度计、心率传感器、脉搏传感器、陀螺仪、MEMS 麦克风和其他传感器。智能农业，也称为精准农业，可以用最少的资源（水、肥料和种子）提高生产力。农业工作者开始通过部署传感器和测绘领域，从微观角度理解农作物的生长过程，科学保护资源，限制对环境的影响。精准农业采用多种传感器系统。他们提供的信息可用于监测和优化作物以及适应不断变化的环境条件，例如：● 位置传感器：使用来自 GPS 卫星的信号确定纬度、经度和高度。三角测量至少需要三颗卫星，精准农业严重依赖精准定位。●光学传感器：用于测量土壤质量。该传感器可以安装在车辆或无人机甚至卫星等高空平台上，以检测近红外、中红外和偏振光谱中不同频率的光的反射率。土壤反射率和植物颜色数据只是光学传感器的两个变量，可以进行汇总和处理。土壤中的粘土、有机质和水分含量都可以使用光学传感器来确定。●电化学传感器：可为精准农业提供关键信息，如土壤pH值和养分水平。土壤中的特定离子由传感器电极检测。安装在特殊构造的“溜冰鞋”上的传感器目前可用于收集、分析和绘制土壤化学数据。
●机械传感器：测量土壤压实度或“机械阻力”。探针用于穿透土壤并使用称重传感器或应变仪记录电阻。大型拖拉机采用类似的这种技术来预测地面设备的牵引需求。张力计，例如霍尼韦尔 FSG15N1A，可以检测吸水过程中根系施加的力，这对于灌溉干预很有用。●土壤水分传感器：通过测量介电常数（电气特性随着水分含量的增加而变化）来确定土壤中的水分含量。●气流传感器：测量土壤的透气性。测量可以静态进行，也可以在运动中动态进行。在预定深度将一定量的空气推入地下所需的压力是所需的输出。压实度、结构、土壤类型和湿度只是提供不同识别特征的土壤因素中的一小部分。医用电子传感器是一种具有很高价值的传感器，因为它们经常用于昂贵的医疗器械中。医用传感器主要根据其工作原理和应用形式进行分类。物理传感器、化学传感器、生物传感器和生物电极传感器是基于其功能原理的主要类别。根据应用方式，分为植入式传感器、临时植入式传感器、外部传感器、外部设备用传感器和可食用传感器。随着材料技术和电子技术的进步，柔性基体材料越来越多地进入医疗行业，带来了柔韧性、弯曲性、延展性和耐磨性等优点。柔性传感器受益于基体材料的灵活性，因此与人体兼容。可穿戴和可植入设备都具有高度的多功能性。智能绷带、智能绷带、柔性血氧计和柔性可穿戴离子湿度传感器都可以从柔性传感器中受益。植入式传感器是近年来兴起的新型传感器，具有体积小、重量轻、生物相容性好等特点。植入式传感器通常是自供电的，并通过无线技术进行通信。与可食用传感器不同，可植入传感器通常被植入用户的皮下或器官中，以接收电生理或化学信号进行传输。主要目标是正确监测生理信号，以帮助开发量身定制的药物。标准植入式传感器的问题在于，它们不会长时间降解，对身体周围的组织或细胞造成损害，进而导致感染，而手术切除也会造成继发性损伤。近年来，可生物降解的植入式传感器也变得流行起来。传感器技术在环境检测中的应用有两个组成部分：与被检测物质中的污染物发生物理或化学反应以识别污染物是否存在，以及将化学信号转换为电信号。传感器技术的使用显着提高了环境检测结果的可靠性。传感器技术根据不同的检测方法可分为光学传感器和电化学传感器；基于不同反应机制的生物传感器和免疫传感器；以及基于不同检测对象的液体传感器和气体传感器。生物传感器的基本前提是利用生物材料作为敏感材料，如功能基因、抗体等，利用信号采集装置采集生化信息，并将转化为电信号的生化信息进行解读。随着生物传感器技术的进步，更敏感的材料和传感器元件将有助于精确识别环境中的其他污染物。与传统传感器相比，生物传感器具有更高的选择性、更容易操作、更快的测试速度和更准确的结果。生物传感器技术主要用于大气环境的检测，例如：●二氧化硫检测。使用氧电极和携带亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体构建生物传感器。通过测量雨水中亚硫酸盐的含量，可以检测出大气中二氧化硫的含量。亚硫酸盐可以被传感器中的微粒氧化，它可以在消耗一定量的氧气后降低缺氧电极附近的溶解氧浓度，驱动传感器中的电流变化，并间接反映消耗一定量氧气后的亚硫酸盐浓度。这种方法是可重复的，在重复性和准确性方面，有明显的优势。●二氧化氮的检测。 生物传感器由多孔透气膜、固定的消化菌和氧电极组成。硝化微生物对亚硝酸盐进行硝化，赋予生物传感器呼吸活性，保证检测效果的可靠性和准确性。液体传感器技术可以检测水体中的多种污染物，用于检测水生环境。有机和无机污染是当今水环境中的两种主要污染类型。这些污染物大部分是人类生产生活中产生的，其排放量超过了环境的容量，造成水体污染。液体传感器技术在水环境检测中的应用主要体现在以下两个方面：●重金属离子检测：水环境中的重金属污染问题尤为严重。铅和汞是两种最常见的重金属污染物。这些污染物对人体健康有害，无法完全消除。一旦进入水体，就会产生可怕的影响。●农药残留检测：农药中含有多种有害化学成分。形成残留物后，会通过食物进入人体，对人体产生重大影响。液体传感器技术中钴-苯二甲蓝染料与三嗪类除草剂的化学反应可检测水体中农药的存在。在环境中，气体传感器可以检测氮氧化物和含硫氧化物。该方法易于使用，检测率高。气体传感器的基本思想是当气体通过传感器探头时，探头收集并分析相关的气体信息，将接收到的气体体积分数转化为电信号，通过分析信号来判断是否存在污染物。例如，当使用气体传感器技术检测氮氧化物时，通常使用金属氧化物半导体。研究人员已经在提出更先进的技术，例如铂电极传感器和离子转换器。使用的材料包括氧化钇和氧化锆。仅在检测废气时将它们放置在排放口。数据采集后可精确测量氮氧化物的含量。物联网中，传感器发挥着基础性作用，是物联网感知层的重要组成。没有传感器，物联网将无法落地。近几年，随着MEMS技术、智能传感器技术等的快速发展，小型化、智能化、低功耗的传感器产品成为趋势。传感器的这种趋势，也促进了物联网的加速落地，而物联网的普及，也带来更广阔的传感器应用需求。智能穿戴、智能家居、智慧城市、智慧交通、智能电网、智能建筑、智慧农业、智慧医疗、环境监测、智能制造是本文中介绍的物联网中重要的应用场景，但物联网的未来，传感器的应用场景远不止这些。
