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2019智能家居传感生态发展白皮书:家庭传感器的分类、应用及问题

2019-06-06 09:21 《智能家居》杂志

导读:智能家居领域需要使用传感器来测量、分析与控制系统设置,家中使用的智能设备涉及位置传感器、接近传感器、液位传感器、流量和速度控制、环境监测、安防感应等传感器等技术。

智能家居领域需要使用传感器来测量、分析与控制系统设置,家中使用的智能设备涉及位置传感器、接近传感器、液位传感器、流量和速度控制、环境监测、安防感应等传感器等技术。

为精准解读国内目前家庭范畴内的智能传感器应用现状,《智能家居》杂志、数智网、智能头条发起联合编制《2019家庭智能传感器白皮书》,旨在全面梳理家庭内传感器的产业生态。

1、定义智能家居传感器

传感器的定义:能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。

智能家居传感器定义:根据用户的个人感官所获,在智能家居系统中以数据体现,如果智能家居想要达到非常人性化的应用,传感器的采集能力一定要超越于人类本身所能感知的一切。


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2、家庭范畴应用的所有传感器分类

传感器就像人的五官:眼、耳、鼻、舌、皮肤,发挥着五觉:视、觉、嗅、味、触作用,四肢等,承担信息执行功能,满足人类基本需求。

六大类主流传感器分类:气敏、光敏、声敏、磁敏、力敏、热敏,具体应用在气体传感器、颗粒物传感器、人体感应传感器、安防传感器、环境传感器、其他传感器。

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3、智能家居传感器的重点应用

家庭范畴内对传感器的最大需求,依次包括气体传感器、颗粒物传感器、人体感应传感器、火灾传感器、环境传感器及其他传感器。

温度传感器在智能家居中可以保证室温的恒定,是智能家居中必不可少的组成部分,在运用中,温度传感器可以根据季节的变化或者用户的需求来调整温度。

在温度的测量中,通过温度传感器可以采集温度信息,可以将数字信号转化成为电信号,通过计算机系统的控制,将温度的信息传递给计算机系统,继而通过中央控制体系传输给空调,实现智能家居的温度控制。

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4、聚焦两大类家庭传感器

(1)环境监测传感的定义

环境监测传感是监测家居内的各种气体、温湿度、照度等。

(2)安防感应传感的定义

安防类的传感器,是保障用户人生安全类的传感器。

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(3)环境监测类传感的分类

温湿度传感器、气体传感器、颗粒物传感器、水浸传感器、照度传感器、声音传感器、烟雾报警器等。

·温湿度传感器

由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系,所以温湿度一体的传感器就会相应产生,测量温度量和相对湿度量。

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·可燃气体传感器

可燃气体传感器是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器,例如用于管道天然气(甲烷)的检测。


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·水浸传感器

浸检测器是用电极探测是否有水存在,定性监测。

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·烟雾报警器

别称火灾烟雾报警器、烟雾传感器、烟雾感应器等,通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范。

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·智能环境监测面板

内置甲醛/VOC/甲烷/一氧化碳/空气质量/异味传感器/五合一气体传感器,PM2.5传感器,照度传感器PM2.5,噪声传感器,温湿度传感器 ,同时支持RS485,Zigbee,Wi-Fi, Bluetooth等多种通讯方式。

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·智能检测仪

五合一气体监测器集成红外复合气体传感器,检测二氧化碳,甲烷,一氧化碳,甲醛和VOC等5类气体,同时支持RS485,Zigbee,Wi-Fi,Bluetooth等多种通讯方式。

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·PM2.5检测仪

PM2.5检测仪集成颗粒物传感器和温湿度传感器,检测环境中的PM2.5/PM10/PM1及温湿度,同时支持RS485,Zigbee,Wi-Fi,Bluetooth等多种通讯方式。

(4)安防感应传感的分类

门窗磁开关传感器、烟雾传感器、人体移动传感器、人体存在传感器等。

·门窗磁开关传感器

门窗磁是安全报警的一种装置,用来探测门、窗、抽屉等是否被非法打开或移动。

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·人体移动传感器

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用在走廊、过道等有人体活动的地方,有人走动时自动控制电源接通,与其它设备连接、从而实现开灯、开门、报警等功能,类似光控。

·人体存在传感器

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不仅可以感知动态人体,还可以感知静态人体,弥补了移动传感器只能探测动态人体的不足,精准感知人的存在。

(5)智能家电传感器应用

智能空调:可内置人体存在传感器 ,根据人的存在判断控制空调开和关,依据人分布控制空调的风向和风力。

智能油烟机:内置PM2.5传感器,VOC 传感器,甲烷传感器,一氧化碳传感器,温度传感器,控制油烟机和燃气灶,用于烟灶联动。

智能冰箱:内置气味传感器,监测实物新鲜度,气味模式识别。

智能净化器:内置PM2.5传感器,内置甲醛传感器,内置VOC传感器,内置空气质量传感器。

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(6)家电中的传感器具体应用

传感器在智能家电领域的应用目前最为广泛,家电能增加使用的舒适度、减少耗能和耗水、清洗方便、降低噪声和振动、提高使用质量、实现复杂的智能。所有的温度测量中都使用了负温度系数和正温度系数热敏电阻;用电感传感器测量残余的湿度;用转速传感器测量洗衣机和干衣机的转动速度;电容传感器应用于按钮开关操作;集成温度传感器显示发动机过载;压力传感器用作水位开关或更复杂的装置中,如洗衣机和烘干机中泡沫量的监视;化学传感器用于水质监控,监测参数包括浑浊度、颜色、表面张力、洗涤剂溶度、pH值等,然后确定漂洗循环的次数(溶液传感系统〉;光电系统用于监测洗衣机的浑浊度,使得冲洗周期的次数与实际需要相符合(水剂传感器系统〉;电磁传感器用于洗碗机中控制喷水臂的移动;非接触式检测系统,例如,用于温度控制的微加工热电偶红外传感器,它还可以用于炊具、头发护理器具和烤面包机中;流量传感器可用于电扇和真空吸尘器中空气质量的检测。加速度和坡度传感器可用在电熨斗中;智能多气体传感器(人造鼻)可用于自动陪烤控制中等等。

5、智能传感器VS传统传感器

智能传感器(Intelligent Sensor)是由传统传感器和微处理器(或微计算机)及相关电路结合构成,拥有信息处理功能,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。

智能传感器带有微处理机,具有采集、处理、交换信息的能力,是传感器集成化与微处理机相结合的产物。
智能传感器能将检测到的各种物理量储存起来,并按照指令处理这些数据,从而创造出新数据。智能传感器之间能进行信息交流,并能自我决定应该传送的数据,舍弃异常数据,完成分析和统计计算等。

与一般传统传感器相比,智能传感器具有以下三个优点:通过软件技术可实现高精度的信息采集,而且成本低;具有一定的编程自动化能力;功能多样化。

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6、智能传感器的功能

自补偿能力:通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。

自校准功能:操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。

自诊断功能:接通电源后,可对传感器进行自检,检查传感器各部分是否正常,并可诊断发生故障的部件。

数值处理功能:可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计处理,剔除异常值等。

双向通信功能:微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。

信息存储和记忆功能。

数字量输出功能:输出数字信号,可方便的和计算机或接口总线相连。

7、家庭智能传感器的其他结合应用

目前除了环境与安防类的单一传感器,目前结合应用最多的是家电设备。

手机中就装有陀螺仪、麦克风、电子快门等多个传感器。内置传感器的“智能鞋垫”,可以记录用户运动的数据,并与手机连接将数据上传。

单一传感硬件的多合一集成,可以实现光线传感器、温度传感器、压电传感器、距离传感器、陀螺仪、漏水探测器等,可以检测定位、频率、加速度等。

智能婴儿纽扣,可以追踪宝宝的平日运动,睡眠姿势以及心率等。

Nest是世界第一款智能温控器,内置了多种类型的传感器,可以不间断地监测室内的温度、湿度、光线以及恒温器周围的环境变化。

根据室内光源强弱自动化调节的百叶窗,内置角度传感器对角度测量可以监测百叶窗的位置。马桶盖内置压力传感器,可以让冲水系统接受信号后自动清洗,红外感应式自动打开的马桶盖。

六、目前存在的问题

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1、产业链的全局问题

第一,传感器的设计技术囊括了多种学科、理论、材料和工艺知识,突破起来十分困难,目前,在人才匮乏、研发成本高昂、企业恶性竞争激烈的情况下,我国还没有突破传感器一些共性关键技术。

第二,企业规模小,自主创新困难。大多数企业规模小,人才短缺,研发能力弱。这也导致多数产品属于中低端,价格竞争激烈,附加价值较低。目前我国传感器企业仅1600余家,大都以小微企业为主,盈利能力不强,缺乏技术引领的龙头企业,导致资金、技术、企业布局、产业结构、市场等方面呈现出分散的状态,资源得不到有效集中,产业发展也迟迟无法走向成熟。

第三,产业化效率低,产业配套不足。科研投入大,但成果产业化效率低,近年来,部分科研机构虽然已市场化为导向,但是在技术先进性和产业化方面依然不足。

第四,市场跨度大,产品种类繁多。传感器产业覆盖的市场跨度大,应用涵盖了消费电子、工业控制等多个领域,但是每个行业的需求都不同,需要产品的种类也不同。

第五,资本不积极,缺乏长期投资。传感器产业的技术壁垒高,开发周期长,这些因素都使得资本投入不积极,整个行业缺乏长期有效的投资。

第六,高端人才较为匮乏,由于传感器行业发展处于起步阶段,资金、技术和产业基础都较为薄弱,加之涉及学科多,要求知识面广,新技术层出不穷,导致很难吸引到高端人才投身其中。此外,我国人才培养机制的不完善、不合理,也导致行业面临人才缺乏问题。

2、传统传感器的局限性

许多企业都是引用国外的芯片加工,自主研发的产品较少,自主创新能力薄弱,在高端领域几乎没有市场份额。此外,科研院所在传感器技术的研究方面已与国际接轨,但产业化瓶颈迟迟未能突破。

目前我国从事传感器技术研发的主要是高校、中科院和相关部委的研究机构,企业的技术实力较弱,很多是与国外合作,或是进行二次封装。而在发达国家,传感器的研发和产业化更多由企业来主导。

传统的传感器在智能家居领域依旧存在着一些局限性:与总线相连的传感器代价昂贵,传感器组网的开销成本巨大;在一些区域布线困难;不同类型的传感器和控制系统的软硬件之间协议不兼容。