高文飞 臧传治 吴金财

沈阳工业大学人工智能学院，辽宁沈阳 110870

0 前言

智能传感器是一种集成化的信息感知检测装置，负责信息的采集、处理等工作。随着5G 网络技术的广泛普及，传感器数据信号传输作为现代信息化三大基础之一，相较于传统传感器而言，增加了信息自动处理、自动交换等功能，从本质上使之更加精确地感知、传递监测信息，向数字智能化、网络集成化方向延伸发展[1]。

随着新兴敏感元器件浪潮的掀起，其新鲜活力将不断地注入科研生产，协助工业线运作体系转型，使智能家居、无人驾驶、互联万物等场景由浅入深地步入普通人的生活范畴，深度感知后按标准信号形式输出[2]。在信号采集、数据处理、信息交互、逻辑判断等方面体现传感器的智能特性，并实质性地说明了它在整个大数据物联网时代网络架构中占有主要价值地位，发挥其不可磨灭的成效，而传感器的参数捕捉质量与使用寿命是设备的生产、器件加工所看重的性能评价指标，也是科研探究不可缺失的一面“镜子”。

本文梳理其分类、结构特点、发展态势、应用领域及功能作用等方面内容，并提出新型测温传感应用，一定程度上为相关领域学者提供学术参考依据。

1 智慧传感器的发展历程

智慧传感器发展历程大致历经3 个阶段，如图1 所示。“智能传感器”最初是由NASA 开发宇宙飞船时提出，并于1979 年制成初步产品[3]，凭借其高效价值和发展态势，在不同领域得已广泛普及，形成良好的经济效益和社会效果。

后续，校方及政府各界将大力助推项目性能层面的技术科研探索，从以下途径提升其性能：（1）结构材料特性的研发到选择，保证元器件主要指标能达所属环境、用户的苛刻要求，针对其他场合再考虑是否放宽次要指标；（2）产生系统偏差时采用补偿修正的方式，预测误差变化规律，利用电子电路或软件算法在传感器内/外修正必要参数指标；（3）利用差动方式减小波动、抵消共模误差，改善数据输出的非线性问题，并提高感知灵敏度、稳定性；（4）提高传感器的性能稳定，从应变材料、元器件和整体进行稳定性处理，减少误差，保证稳定，做好内/外信号屏蔽隔离、噪声抑制。

2 智能传感器基本架构

国内外学者普遍认同微型计算机处理器是迈向智能化的核心之要，经软件算法、控制定义策略、调节梳理机制等过程来优化调节数据处理效率和精度。智能传感器的组成架构如图2 所示。将传感器与微计算处理器二者融合，搭配辅助电路、信息自处理校正技术后集成于嵌入式微处理芯片上，便是所谓的“智能传感器”，具备部分智能化特性，而未来将迅猛发展的高新技术汇入其中，相信能对感知参量持续进行前/后精确计算、共享存储、数理统计分析等一系列优化进程。

智能传感器的优势体现层面如图3 所示。与传统“sensor”相比，其价值优势上更加全面，有代表性。智能传感元器件比普通测量型仪器具有更好的测量性能和较长的使用寿命，经软件算法削弱误差干扰、数值分析、特征提取、残值补偿自动化进程、输出线性化来提高对被测量参量的深层感知反馈和处理效率质量，能够代替部分硬件实现信息处理任务。利用经济成本低、体积质量小的MCU 强大数据记忆存储处理能力，对数据进行周期性参数测量，获取数据特征的新量值并能记录最大/小量值，扩展其性能，提升功能，之后可用神经网络技术消除交叉灵敏度的影响，提升参数测量过程中的高分辨力。

我国对于传感特性的研究已迈入国际化，但在仪器显示可靠性、产品感知分装性、仿真设计贴合性、精密仪器加工性几种方面仍具有较大差距[5]。未来，智能传感器随着材料特性研究加深不断顺应科技化发展大趋势，将不断衍生至物、化、生各个领域空间。传感器分类标准与方法也不尽相同，常见的分类格式有按工作原理、输入量、输出量、被测量、能量关系分类的，但基本原理都是基于人的感官感受不断实践磨合，根据实际经验提出来的。然而，根据所测试参量、监测环境等主观因素外，尽可能地兼顾结构组成、易换度、是否易维修等因素来选择合适的器件同样是必要的。可参照图4 所示的智能传感器不同层次分类结构图，结合感应原理、测量量程、灵敏度、响应特性来综合选择。

3 典型智能传感器

3.1 光纤式

相较于传统式，干涉型光纤传感器以光为传输敏感介质，因载体光绝缘性好、抗电磁干扰强、屏蔽性好、灵敏度高，同时能在极端的测量环境下具备抗腐蚀、防爆、光路清晰等优势，更改光波长、相角等主要参数能够轻易感知外界参量，具备光纤传感器和干涉测量的优点。常见的干涉型光纤传感器有迈克尔逊光纤传感器和马赫-曾徳尔干涉型光纤传感器[6]。

根据测量方式又分为多/单光纤光栅测量。原理：用2 段不同温度系数和应变灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度应变传感器，确定2 个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数进行监测反馈。常见的光纤光栅型传感器有应变感应器、水听器、光纤陀螺仪，如表1 所示。军事上常用于探测海底船只和航海导航[7]。

3.2 半导体式

半导体作为敏感元器件，由近百种物、化、生型材料融合制成，巧用半导体光谱、短点流比、波长、温度等感知特性，特殊的结构能使元器件对温度、波长、颜色、湿度等产生灵敏应变，具有敏感度好、响应快、构造简单、质量轻、集成化等优势，现已用于工业自动化、遥控感知、机器人、家电[8]、生态保护、生物医疗等领域，以及检测物理、化学、生命类敏感被检测参数中。半导体式传感器典型类型如表2所示。

半导体和光纤传感器可实时监测患者体温，将数据传输到设备或系统，并使用人工智能算法分析数据，自动报警，避免漏掉重要信息，从而提高病床管理的智能化程度。多个测量点可获得更准确的数据，与智能手环或穿戴设备结合，实现无缝监测和数据共享。分析数据有助于了解患者病情，调整治疗方案，提高医疗效率，降低误诊率[9]。

3.3 医疗级温度传感器

目前，温感可通过终端设备来监测被检测对象温度状况，如：间接掌握病人体征，一定程度上减轻医务人员压力，减少出入病区频次，降低感柒。这类温感能够涉及日常各个领域，协助老人或残疾人士开展监测，给其日常生活带来便捷。

3.3.1 热电偶式

热电偶感温元件由2 种材料电导体构成回路，两边存有温差回路便产生电流量，中间就产生热电动势；相反，异样热电偶形成异同的热电动势，但仅与热电极材料相关，与热电偶长短、孔径不相干。热电偶的种类确认后，其热电动势只与热电偶工作端与冷端温度差相关，该类传感器具有感知精确、覆盖面广、测量平稳等优点。本文案例为实现体感测温智能化，可使用微控制器和其他电子元件来对热电偶传感器进行自动校准和补偿。此外，可将传感器与计算机连接，以便对数据进行实时监测和分析。

3.3.2 热电阻式

电阻式温度传感器（RTD）对温度敏感。元件可采用缠线、薄膜等类型。一般由铂、镍或铜做成金属探头，利用恒流电源法、工作电压比例法、电桥法，凭借电阻随温度而线性转变的特性，依据测量电阻值实现温度感知。医学应用如：片状热敏电阻器测量表皮温度。该类感应器具有价格低、反应灵敏、技术成熟、热敏电阻器灵巧、体型小等优势，为实现该设备智能化，可使用自动补偿技术来消除由线路电阻和温度梯度引起的误差。此外，还可使用数字信号处理器（DSP）来提高传感器的响应速度和精度[10]。

4 医疗级温度传感器的应用新场景

4.1 数据、信息融合

硬件配置分成系统采集和显示。网络移动式体温监测流程如图5 所示。采集设备用MTSO1 片状混和式温度传感器测量处理芯片采集人体温度值，经MH2103ACCT6 单片机芯片获得采集数据（增强型，真随机数，硬件加密算法单元，32 位核心的带128K字节至256 K 字节闪存的微控制器、USB、CAN、17个定时器、3 个ADC、2 个DAC、15 个通信接口），并对其进行数据转换、测算、存储等操作，之后将规范信号传导给Wi-Fi 模块，根据无线网络向数据协调器推送数据，后端系统根据STM32F103ZET6 无线网络 Wi-Fi 模块从局域网络中接受信息数据，将数据输送到眼控仪显示端予以处理并显示。

物间互融互合涉及载体单元分布式整合，多个传感器联合协作处理方式提高整体感知系统架构效率稳定程度，抑制少量元件伴有的局限性、不确定性、模糊性。为了在抽象层次水平上构建更高效率的检测体系，实现高效率收集检测量和被检测物体信息量来削弱系统滋生的误差，也将利用蚁群算法、专家系统、模糊技术、遗传算法等成熟推理方法来不断使抽象的数据利用规则来清晰化、线性化输出，并融合神经网络，凭借其强大的模型递归计算能力来预测感知数据的关联程度等。

4.2 集成化、功能化

传统医疗方式已无法达到现代康养要求。本文中所提出的体温监测应用模式在提高医疗质量的同时还可进一步降低医疗成本费，搭配使用自主研发的视觉驱动智能康复护理床，能够高效率、个性化地开展医疗监护。效果实现流程如图6 所示，其选用传感网络互联开展分布式部署，采集用户体温等主要参数，并即时上传至监护中心云端备份纪录日志，为医务人员做出确诊判断及预测提供数据支撑[11]。

在主要参数设定时，需对一些指标值开展设定，如：设定护理床起背、落腿、侧翻转角度、速率、高度等，做到定位值全自动预警信息，降低突发状况出现概率，与此同时，确保相关负责人第一时间获取预警提醒。此外，人性化选控页面设计对提升医疗质量有很大成效，可以让用户选控更为暖心应手。本文中所提出的传感控制策略，旨在利用客户视觉效果运动轨迹，完成开启功能图标驱使眼动仪机器设备运作，导出数据信号，操纵电机运作箱，最后更改康复治疗床运作情况，完成左/右边翻转、起背、落腿、校准等相关作用。MTS01 混合高精密温度传感器则在存储传递中能够进行自动式检测记录，减少人为要素干扰，提升数据的可靠性。设备模型效果如图7 所示。在本文提出的测控系统中，温度测量传感片状体占有面积特别小，且置入原材料之中能够充分确保用户运作过程中的舒适安全性、效率可靠性，同时能源消耗较低，并将人体的体征数据保存到云端，支持导出打印，便于后期查看，具有很高的使用价值[12]。

5 智能化传感技术发展方向

新原理、新材料、新技术应用的探索已愈发成熟，新特性、新构造、新应用也层出不穷，已经成为发展的主要转向态势。

5.1 智能化

智能化目标：不断接近人的思维，根据经验做出决策，预测结果发生，完成信息处理变换、数值分析、双向通信、复合系统检测、人机对话、软件组合式测量等相关工作。现阶段，将智能化传感技术与电力电子技术结合的软测量、神经网络模型算法的AI 传感产物已规模性交付使用，充分展现智能化的灵活稳定性、可靠性。

5.2 移动低功耗无源化

开发低功耗和便携式产品是大势所趋。本文所述的智能康养传感设备能够最大化利用材料资源适应环境，实现异地数据共享互联。以互联网为基础，引入物联网移动化，实现物-物间交换、通信，按照一定的协议来将体征数据传递显示，实现智能化的识别浏览、管理感知、故障自我诊断[12]，使其操作流程不断简化、人性化。关键在于解决互联网资源容量、通信能力、内存空间等限制和传感元件的可维护、可扩展性。这也给未来设备与云计算服务、物联网融合协作埋下了“种子”[6]。

5.3 材料新颖化

伴随着小型化和集成化微机电生产加工技术的高速发展，为契合新环境要求，提升元件性能，材料技术开发是提升性能、效率、稳定性重要途径，同时愈发彰显新式敏感材料的技术性价值。半导体材料生产加工技术被加入到传感器生产制造中，完成了工业化生产，为传感器的微型化带来了极为重要的技术支撑。有机材料、结构陶瓷、超导体、纳米复合材料等已成为产品研发热点[13]。

5.4 集成化的实现

高集成度、超小型、自补偿能力强也是当前传感器集成的主要发展方向。功能结构集成化产物日益流行，包括2 种形式：一是线形融合；二是多用途集成，即将数据处理、资料存放、双向通信等功能集成。微处理器和接口电路融合，在实现自检测、软件自校准、数据通信等功能基础上，引入硬件多维化和阵列化，软件融入神经网络、模糊技术、专家遗传算法等，从而使其真正意义上具备高度智能，再经处理数据、目标检测规划、特征提取等处理进程来实现实时感知、辨识、记忆等功能特点。

6 结束语

智能医疗护理正处于跨界融合、加速创新、万物智能的新态势[14]。随着物联网等信息化浪潮的发展，高精度智慧传感器与AI融合后的产物是大数据信息传递中的重要媒介阶段，具备更好的市场发展前景和生命力，凭借发展基础和自身物质特性（感知、记忆、互联、控制），相信能够不断带动智慧家电生产、智能城市制造、工业自动化、医疗器械、农业畜牧业、航空航天、军工装备、企业生产线等新旧行业崛起发展，其在相关领域占比情况如图8 所示。

本文提出的视觉驱动的智能康复护理传感机制与互联网平台终端间的连接，需实现物-物间的感应采集、标定自校准、监测分析、限定反馈、补偿修正计算、显示存储、病床运作等核心环节操作。相信在未来，随着对传感电子元器件领域研发重视程度的加深，深度-神经网络模型产物所占比重不断拓宽，能够持续优化数据的采集处理过程，降低误差影响，精准迅速感知被测参量，提高检测的效率质量。这也展现出智慧传感器在科技化现代社会中将持续展现其功能和不可或缺的核心地位[15]。