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      氣體傳感器在物聯網的應用淺析

      發布時間:2020-12-16 09:48所屬分類:計算機網絡加入收藏

      摘 要:本文從信息的角度分析氣體傳感器在物聯網中的應用。氣體傳感器能夠對氣體的檢測具有便捷性和無損性,實現了氣體本身及氣體間接相關事物的

        摘 要:本文從信息的角度分析氣體傳感器在物聯網中的應用。氣體傳感器能夠對氣體的檢測具有便捷性和無損性,實現了氣體本身及氣體間接相關事物的信息快速獲取。物聯網是信息獲取、信息傳輸和信息處理的高速信息閉環系統。氣體傳感器是氣體檢測最簡單便捷的方式,氣體信息的快速獲取方式既為物聯網的典型應用提供更深層次的信息,又為物聯網在新的領域應用開拓了思路。氣體傳感器的快速氣體信息獲取能力將為物聯網進一步發展起到至關重要的作用。

        關鍵詞:氣體傳感器;智能家居;物聯網

      物聯網技術論文

        1 引言(Introduction)

        三次工業革命是人類歷史上最重要的變革,它們極大促進了生產力的提高,促進了人類社會的進步和根本性的改變了人們的生活。當前,社會正處在第三次工業革命的浪潮中,而物聯網是第三次工業浪潮中在計算機技術、互聯網之后的又一次革命浪潮。

        物聯網(Internet of things)即是“萬物相連的互聯網”[1]。物聯網建立之初的主要目的是實現“物品能夠上互聯網”,早期的主要技術基礎是RFID技術和互聯網。物聯網的主要實現方式是利用RFID技術的“電子標簽”功能使物品在互聯網中可知。隨著半導體和計算機技術的發展,物聯網逐步實現“物物相連”的高速信息分析處理。隨著傳感器的加入以及傳感器技術的發展,物聯網堅定地向著“萬物互聯”方向前進,終于使物聯網形成了密切聯系事實世界的高速信息閉環。

        金屬氧化物氣敏傳感器是一種低成本、簡單和高效氣體檢測方式[2]。非直接的氣體信息的高效獲取帶給物聯網的是再一次的促進,更豐富的信息必將促使物聯網這一高速信息閉環的其他部分的再次突破。

        2 物聯網及其典型應用(Internet of things and its typical applications)

        2.1 物聯網

        到目前為止,物聯網并未有一個公認的定義。比較獲得認可的概念指出物聯網在信息獲取設備上使用射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等。物聯網的建立按照約定的通信協議,使互聯網與任何物品連接起來,進行信息交換和通信。物聯網最終實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[3-5]。物聯網這一概念并不是憑空產生,它是在互聯網的基礎上發展而來的。物聯網是互聯網的升級版,是互聯網2.0。互聯網本身是信息通信網絡,其實質是實現人類信息的快速傳播的“道路”。物聯網的核心是“互聯網+信息”。對于互聯網來說,它是人類的網絡,而物聯網是把物品連接上人的網絡,形成物品的網絡。人的網絡互聯網是信息道路的建設,物的網絡物聯網是道路上信息的豐富。無論信息的提供者是人還是物,只有信息量增大才能產生信息爆炸,才會促使社會的進步。

        從信息本身來講,首先是信息產生、傳輸及分析處理信息,然后產生經濟和社會價值。計算機技術的本質是信息處理技術,計算機技術的提升意味著信息處理能力的提高。互聯網的本質是信息傳輸技術,互聯網的建立意味著信息傳輸能力的提高。雖然有了信息高速處理技術和信息傳輸技術,但是并未形成一個完成的高速閉環的信息系統,如圖1所示。這個信息系統還缺少信息的高速獲取的手段,這個高速的獲取手段就是傳感器和射頻識別技術(RFID)等信息感知技術。物聯網就是完善的信息閉環系統,信息的獲取,信息的傳輸和信息的處理都在物聯網中快速高效完成。

        2.2 智能家居,物聯網典型應用

        智能家居系統是由智能家居設備通過某種網絡通信協議,相互連接成為可交互控制管理的智能家居網絡[6,7]。智能家居系統是一個小型集成網絡系統,是在家庭居住環境下的物聯網應用,是物聯網這個大網絡的一個小組成部分。

        在物聯網的應用現狀中,智能家居被認為是最典型的物聯網應用。在物聯網技術發展的歷程,智能家居的發展經歷了五個階段。第一代智能家居的特點為手機操控,以手機遠程完成家庭用具的簡單操控為主。第二代智能家居的特點是場景模式,這個階段是操作集成化,多個設備使用同一個鍵進行操作,使一件操作完成一個場景下的多個設備預定操控。這兩個階段的智能家居都是以家居物品能夠網上操控為主,體現了物聯網的物品上網特性。第三代智能家居的特點是聯動,一個設備的動作可以自動導致其他設備的動作。第四代智能家居的特點是語音交互,人們可以通過語音直接吩咐設備動作。這兩個階段的智能家居都是以家居物品能直接或間接地理解人們的意圖,體現了物聯網的物品與人的共同上網交互特性。第五代智能家居的特點是人工智能,人工智能使家居物品智能化即物品人性化。這個階段的家居物品的動作不再需要指令,可以自動工作。當前的智能家居處在第五代,體現了物聯網的萬物互聯的特性。

        智能家居的五代發展過程體現了物聯網的發展進步。智能家居的發展進程從讓人們更加方便快捷的使用家居物品到家庭自動化和生活智能化。智能家居的目的是為了更好地服務于人類的家庭生活。隨著物聯網技術的進步,這一目的越來越好的被實現。圖2是某研究機構給出的2014年到2019年的智能家居市場規模統計。智能家居市場規模的逐年增長反映了物聯網快速發展。

        3 氣體傳感器與電子鼻(Gas sensor and electronic nose)

        3.1 氣體傳感器

        1953年,半導體元素鍺的電阻率會隨所處環境中氣體濃度變化而發生改變的現象被發現,這種現象的發現開啟了半導體氣體傳感器研究和應用。金屬氧化物半導體氣體傳感器(MOS)是一種廣泛應用于氣體檢測的傳感器,其結構簡單、制作成本低和測試電路簡單,靈敏度,測試范圍等性能也有不錯的表現,這些因素是其得到廣泛應用的原因。半導體氣體傳感器和其他傳感器一起構成了人們獲取氣體信息和各種信息的重要手段,豐富了生產應用和科學研究的信息獲取和檢測手段[8]。

        旁熱式半導體傳感器的核心是氣敏材料,傳感器的性能由氣敏材料決定。為了提高半導體傳感器的性能,對氣敏材料的研究一直是研究的重點關注點,在氣敏材料的研究上,制備不同形貌的納米級氣敏材料、摻雜不同種類和數量貴金屬等材料改性基體材料、表面修飾都是研究的熱點。

        影響半導體氣體傳感器的發展最主要的原因是選擇性不好和穩定性不足。選擇性不好和穩定性不足的產生原因是多種多樣的,主要因素是氣體敏感材料本身的問題,其他外部因素如工作溫度和光照條件等。金屬氧化物半導體氣體傳感器在溫度影響下其對同一氣體的響應也是不同的。一般來講,氣體傳感器的工作溫度都是選擇響應值最高時的溫度,另外,在氣體的檢測上,主動利用溫度對傳感器的影響來檢測氣體。通過測試氣體傳感器在不同溫度下對氣體的動態響應值,再結合計算機后期數據處理技術,來達到對氣體的定性或定量識別。光照條件影響氣體傳感器的響應機理仍不明確,基本原理為待測氣體在和氣敏材料的吸附過程中,光照的參與提供了光能。由于光的頻率與能量的關系,光照的條件與氣體響應值滿足一定的規律,可以根據此種規律實現對氣體濃度的檢測。

        隨著氣敏材料的技術進步,氣體傳感器在靈敏度和穩定性方面都有了很大提高,但是氣體傳感器的交叉敏感性仍然存在,單一氣體傳感器并未達到對復雜混合氣體的有效識別水平。為了識別復雜混合氣體,使用多個傳感器組成傳感器陣列來實現混合氣體的有效識別。傳感器陣列與單一傳感器相比可以獲取更多混合氣體信息,再結合模式識別技術,最終達到有效識別混合氣體改善傳感器選擇性的問題。

        3.2 電子鼻

        電子鼻(electronic nose)常見于手持儀器,其功能即信息的獲取和信息的處理。電子鼻在檢測食品安全、危險氣體、安防和環境污染[9-12]等領域具有廣泛的應用。

        電子鼻即人工嗅覺系統,是生物仿生產物。電子鼻利用氣體傳感器、模式識別結合相關技術實現對氣味即氣體的辨別。1994年,Gardner和Bartlett給出了電子鼻概念。電子鼻是一種儀器,其主體組成部分由核心硬件傳感器和核心軟件模式識別算法組成,電子鼻主要用途是檢測簡單的或者復雜的氣體。電子鼻檢測的早期主要是簡單的氣體的檢測。隨著技術進步,電子鼻的檢測能力達到了實現復雜混合氣體檢測的水平。

        電子鼻中的氣體傳感器是用來檢測氣體的核心硬件,它對氣體樣本進行檢測,把氣體的種類和濃度信息轉換成氣體傳感器的響應值,這些響應值構成了氣體的識別模式信息集。這個信息集可以是最簡單的離散單一氣體響應值,也可以是單一氣體的某一時間段的氣體響應值曲線,甚至可以是多個傳感器對混合氣體的響應圖形。氣體傳感器的響應信息集是氣體本身信息的非線性轉換。模式識別的作用就是從這個非線性轉換中得到氣體的種類和濃度信息,一般會把響應信息集進行預處理已提取特征值,并完成去噪聲和信號放大等處理。最終計算機模式識別技術來實現對氣體樣本的定性或定量處理。

        4 氣體傳感器在物聯網的應用與展望(Application and prospect of gas sensor in IOT)

        4.1 氣體檢測的優勢

        氣體檢測有重要的兩個優點,一是便捷性,二是無損性。便捷性是指氣體檢測可以在時間上做到快速和檢測地過程簡單,無損性是指氣體檢測明顯是可以實現對相應檢測物的“非接觸”式檢測。

        氣體傳感器在物聯網中最受關注的應用是空氣質量的監測和預報。汽車尾氣的檢測。另外,工業廢氣的監測更是必不可少的。這些都是氣體的直接檢測。氣體的直接檢測一般適用于特定用途的應用。在日常生活中這種應用并不常見。氣體還是由各種物質或物體揮發而來,氣體的準確檢測對應著揮發出此種氣體的物質或物體的檢測。在交通安全方面普遍使用的酒精檢測裝置,在醫療單位針對呼吸系統,腸胃疾病的“吹氣”檢測裝置。這些氣體檢測儀器為物聯網帶來了更深層次的信息。這些都是氣體的間接檢測,氣體是檢測的媒介。

        4.2 物聯網中的氣體檢測

        室內環境中甲醛的檢測是人們生活中的關注熱點之一。甲醛的檢測是直接對氣體的定性和定量分析,因為甲醛氣體會影響人的身體健康,所以人們關心居住環境內的甲醛情況。甲醛氣體檢測以后,采取一定的措施進行改進,甲醛檢測的目的就是如此。

        如果采用物聯網的觀點來進行室內環境的甲醛檢測。氣體傳感器的作用是為物聯網提供大量信息,一次性的甲醛檢測是不能滿足物聯網的信息獲取需求的。建立一個實時檢測的室內甲醛檢測的物聯網,把一次性的檢測改變成實時性的。隨著獲取信息的增加,可實現的功能也會相應地增加。比如:該氣體檢測物聯網在房屋建設完成后即建立,此物聯網的檢測信息在裝修階段可以用來分析那部分的裝修會產生壞的方面影響,甲醛的氣體濃度有明顯的升高,只能是在采用的裝修材料揮發所致,由此就可以更換更加環保的材料。或者甲醛的濃度持續在高位,通風后濃度仍然會回到高位,說明建筑內有甲醛的揮發源,可以根據甲醛濃度升高的時間和建筑內變化的情況來確定甲醛的揮發源。還有,建筑內的空氣如果是比較密閉或穩定的情況下,氣體的情況不會有較大的變化。開窗通風會對氣體的情況產生較大的變化,那么可以根據此種變化來判斷是否有開窗的情況,以此延伸判斷盜竊的情況。建立的實時檢測的室內甲醛檢測的物聯網,如果考慮感知節點是多個的情況。以一個居家住宅為例,同種氣體同時檢測信息,每個節點的檢測值會有不同,并在一定時間內會減少這種檢測差。可以根據此種情況來判定氣體來源是臥室還是客廳。

        推薦閱讀:基于物聯網的通信信息監測系統優化設計


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