红外传感器在物联网中的应用初探

（安徽商贸职业技术学院，芜湖 241002）

摘要：物联网是把所有物品通过射频识别、红外感应器等信息传感设备与互联网连接起来的技术， 以实现智能化识别和管理，是继计算机、互联网和移动通信网之后的又一次信息产业革命。文章首先介绍了物联网的定义内涵、基本特征及研究现状，然后探讨了物联网关键技术之一传感器技术；接着阐述了红外传感器结构、原理及特点，最后对红外传感器在物联网技术中的应用进行了初步探索，指出其广阔的应用前景。

关键词：物联网；传感器；热释电效应

1物联网研究现状概述

当前国际上对物联网较为公认的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把各种物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。从功能来看,物联网的基本特征包括：全面感知、可靠传送与智能处理。“全面感知”是指物联网可以随时随地采集和获取物体的各种信息，这是利用了传感器、射频识别、电子标签等感知和检测的技术手段；“可靠传送”是指传感器获得的信息能够通过网络实现可靠地交换与共享，这是通过将需要感知的物体接入网络，随着各种通信网络与互联网的融合以实现信息的传递；“智能处理”是指物联网能够即时即地对多种类型的海量数据和信息进行分析与处理，以实现智能化决策和控制，这主要是利用了云计算、模糊识别、人工智能等各种计算技术和信息处理技术。

1995 年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中曾经提及物联网的概念。不过，“物联网”概念的真正出现是在1999 年。麻省理工学院Auto-ID 中心提出的“物联网”被定义为：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

2005年11月在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟了一份题为《The Internet of things》的年度报告，正式将“物联网”称为“the Internet of Things”，对物联网概念进行了扩展；在2008年美国纽约召开的外国关系理事会上，IBM董事长兼CEO彭明盛 发表了《智慧的地球：下一代领导人议程》，提出“智慧地球”的概念 [1]。

众所周知，互联网搭建了人与人之间的联系平台，物联网则是在计算机互联网的基础上，利用射频识别（RFID）、红外感知器、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界万事万物的Internet of Things。在这个网络中，物体能够彼此进行“交流”，而无需人的干涉。物联网从技术角度又叫传感网，其实质是利用射频自动识别技术，通过计算机互联网实现物体的自动识别和信息的互联与共享。互联网连接的是虚拟世界，而物联网连接的则是物理的、真实的世界。物联网被公认为是继计算机、互联网和移动通信网之后的世界信息产业的第三次浪潮[2]。

自2008 年下半年世界金融危机爆发以来，在经济逐渐下滑与失业率不断上升等不利因素影响下，许多国家都在试图谋求新的经济增长点，以实现经济的快速恢复与振兴。由于物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本，另一方面也可以为全球经济的复苏提供技术动力。在这样的大背景下，物联网的全面建设与推广被许多国家提上议事日程，成为众多国家走出“经济沼泽”的选择。

目前作为各国科技产业竞争的热点，许多国家都加强了物联网技术和智慧型基础设施的研究与投入。2009年初，美国总统奥巴马就职后，在与工商业领袖举行的“圆桌会议”上，奥巴马对IBM公司总裁提出的“智慧地球”给予了积极的回应，将物联网技术和新能源列为振兴美国经济的两大武器。2009 年6 月，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了《欧盟物联网行动计划》，以确保欧洲在构建物联网的过程中起主导作用。同年8月，日本也制定了i-Japan计划，旨在到2015年实现以人为本的“安心且充满活力的数字化社会”。

物联网是世界经济的新引擎，目前欧美地区都投入巨资积极研究物联网，我国政府领导也正在高度关注、大力支持物联网的研究。我国工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究。中科院早在1999年就启动了传感网研究，先后投入数亿元，并已取得了一些科研成果，建立了一些实用的传感网。中国移动总裁王建宙也反复提及，物联网将会成为中国移动未来的发展重点。

2009年8月7日，总理到中科院无锡高新区视察并发表讲话，明确要求尽快建立“感知中国”中心[3]。同年11 月3 日，温总理在北京向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》时强调：“要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后ＩＰ时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”。物联网技术是一项综合性的技术，是一个复杂的系统，目前还没有哪家公司可以全面负责物联网的整个系统规划和建设，理论上的研究已经在各行各业展开，而实际应用还仅局限于行业内部。

综上所述，物联网还处在研究和示范应用阶段，一些关键技术还在研发过程中，比如新型传感器技术、纳米技术、智能识别技术等。目前世界各国都在积极研究网联网技术，努力从不同角度攻克制约物联网发展的瓶颈，合作商讨制定行业标准，进一步扩大物联网的应用范围，为世界经济增长做贡献。

2物联网的关键技术——传感器技术

传感器技术是物联网关键技术之一。传感器能够感知物体的属性，进行信息采集。物体的属性包括静态的和动态的，静态属性可以直接存储在射频标签中，但动态属性则需要由传感器进行实时采集，并且传感器要把获取的信息转换成适合网络传输的数据格式，再配合识别设备完成对物体属性的读取。国标对传感器的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律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”。传感器负责物联网信息的采集，是实现对现实世界感知的基础，是物联网服务应用的基础。如果没有传感器对被测物体原始信息进行准确可靠的获取和转换，无论多么准确的测试技术与控制手段都将是空谈。即使使用最现代化的电子计算机和智能控制设备，如果没有准确的信息输入，或者输入的是失真信号，也将无法充分发挥其应有的作用[4]。

传感器种类五花八门，原理也不尽相同，可以按照用途、材料、输出信号类型、制造工艺等方式进行分类，如按照输出信号是模拟量还是数字量可以分为模拟式传感器和数字式传感器；按照测量方式不同，可以把传感器分为接触式测量和非接触式测量传感器两大类。当前用在物联网中的传感器主要是一些非接触式测量传感器。

近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学的发展，传感器技术获得飞速发展，实现了微型化、多功能化、智能化和网络化，这大大拓展了传感器的应用领域。物联网中应用的传感器主要是各种分布式传感器节点。在工业自动化生产控制中用的比较多的是光电式传感器、超声波传感器、红外传感器等。其中，红外传感器具有很多其它类型传感器无法比拟的优点，获得了极为广泛的应用。

3红外传感器的结构原理与特点

红外传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏元件，根据具体工作原理的不同，可分为光子型和热释电型两种。热释电红外传感器是利用红外辐射的热效应引起元件本身的温度变化来实现某些参数的检测的，其探测率、响应速度都不如光子型传感器。但由于其可在室温下使用，灵敏度与波长无关，所以应用领域很广[5]。利用铁电体热释电效应的热释电型红外传感器灵敏度很高，获得了广泛应用。

3.1 热释电效应某些绝缘物质受热时，随着温度的上升，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。热释电效应在近十年被用于热释电红外传感器中。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶、压电陶瓷及高分子薄膜等。

3.2 热释电红外传感器的结构热释电红外传感器由以下四个主要部分构成：①构成电路的铝基板、场效应晶体管(FET)；②具有热释电效应的陶瓷材料；③ 限制入射红外波长的窗口材料；④ 外壳TO—5型管帽和管座。其基本构造及各部分的名称如图1所示。

由于热释电红外传感器中电容的电流发生器输出阻抗高，且输出电压信号又极其微弱，故在管内的敏感转换元件FET上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。其等效电路如图2所示，在负载电阻上并联一个放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。在管壳的顶部设有滤光镜（TO一5封装），而树脂封装的则设在侧面。

3.3 红外组合件的构造由于探测器元件单独使用时，存在着探测距离较短、获得的信号后续电路不易处理的不足，所以目前多选用红外组合件来探测。红外组合件由热释电红外传感器、透镜、测量转换电路和密封管壳构成[6]。透镜可以扩大探测范围，提高测量的灵敏度；测量转换电路可以完成滤波、放大等信号处理过程；密封管壳能防止因外界噪声引起的错误动作。这种组合件体积小、成本低、功能多样，所以应用广泛。

3.4 滤光镜材料在热释电红外传感器的窗口上装有不同材料的滤光镜，阻止不需要的红外线进入传感器。一般热释电红外传感器在0.2～20um光谱范围内的灵敏度比较好，不受可见光影响。由于不同的检测要求(如医学或气体成分分析等)光谱响应范围不同，因此可选择不同材料的滤光镜使其满足不同场合需求。

热释电红外传感器使用时，一般前级需要先用菲涅尔透镜滤光，后级接带通放大器，放大器的中心频率一般取1.2Hz左右，放大器带宽对灵敏度、可靠性的影响比较大。使用时要根据具体要求来合理选择。

4红外传感器在物联网中的应用

物联网中可以大量使用红外传感器（也叫红外感应器）来实现物体信息的获取，尽管目前尚未研发生产出成熟的产品，但是红外传感器已经有很多成熟的应用领域，可以借鉴。以热释电红外传感器为核心构成的热释电红外开关,在民用领域可作为蜂鸣器、白炽灯、烘干机、自动门、和自动洗手池等装置的自动感应开关，特别适用于工矿企业、高档酒店、大型商场等区域。

此外，热释电红外传感器还可用于遥感、制导、夜视、主动雷达、热成像、气体分析、辐射计、测温等军事和工业场合。比如在2008年5.12汶川特大地震救援过程中，就使用了红外传感器实现无光条件下（夜间和阴雨天）灾区照片的拍摄，为救援工作提供了帮助。红外传感器价格经济、测量电路简单、常温下可使用、非接触式测量、精度较高等优点决定了其在物联网中具有广泛的应用前景。

在物联网中可以使用红外传感器获取物品信息，使用电子标签记录、实现物品的精确定位。比如用红外传感器检测超市货架是否具有足够的商品待售，当检测到货物不足时，通过后续信号处理、滤波、放大，驱动扬声器提醒超市工作人员及时补货。

特别是在物联网消费电子电器产品中，热释电红外传感器具有极其广泛的应用前景。目前用得最多的是检测物品有无，实现自动控制。红外传感器已广泛用于防盗报警系统中，市场上有成熟的商品。一个典型的周界入侵检测报警系统本身就是一个物联网在安全方面的应用，比如上海浦东机场入侵检测系统，就是一个小型的物联网，其中使用了大量的红外传感器，作为智能节点，获取周边信息，与其他类型传感器采集得到的信息一起准确及时地提供给中央处理系统进行信息融合，作为自动控制决策的依据。国外已有把热释电传感器安装在售货机上，当有人接近时，机器可以说话，实现自动销售，我们也可以借鉴应用。再比如可以把红外传感器安装在工厂危险性机械系统上，能够进行非接触测量，当超过预定的安全距离时给出警示，防止人太靠近造成危险，保护工人健康、实现安全生产，节约生产成本。

5结语

近年来物联网的研究与发展引起了人们的广泛关注，国内外政府和企业都积极采取行动参与物联网的构建，广大学者也对物联网展开深入研究，国内不少高校先后申报了物联网专业，培养物联网方面的人才，这将对未来全球经济发展产生深远影响。与此同时，热释电红外传感器的销量近几年也是每年增长30％以上。国内外厂家正在不断开发新产品以满足未来的市场需求。可以预见，红外传感器在物联网中具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]程曼等.物联网技术的研究与应用[J].物联网与地理信息系统，2010. 10 (5)23-27.

[2]物联网：第三次信息化产业浪潮.www.21ic．com／news/rf/200911/50355．Html.

[3]物联网世界与感知中国.省略ii.省略／qsdh31／index．Html.

[4]赵海霞，物联网关键技术分析与发展探讨[J].中国西部科技，2010.5 （9）25-26.

[5]闫军等.热释电红外传感器的类别特性与应用[J].长春大学学报,2004,12（14）22-24.

[6]靳会清.热释电红外传感器原理及应用[J].煤炭技术，2008.8，27（8）.