摘 要：本文從信息的角度分析氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。氣體傳感器能夠?qū)怏w的檢測(cè)具有便捷性和無損性，實(shí)現(xiàn)了氣體本身及氣體間接相關(guān)事物的信息快速獲取。物聯(lián)網(wǎng)是信息獲取、信息傳輸和信息處理的高速信息閉環(huán)系統(tǒng)。氣體傳感器是氣體檢測(cè)最簡單便捷的方式，氣體信息的快速獲取方式既為物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用提供更深層次的信息，又為物聯(lián)網(wǎng)在新的領(lǐng)域應(yīng)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(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

　　關(guān)鍵詞：氣體傳感器;智能家居;物聯(lián)網(wǎng)

　　1 引言(Introduction)

　　三次工業(yè)革命是人類歷史上最重要的變革，它們極大促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高，促進(jìn)了人類社會(huì)的進(jìn)步和根本性的改變了人們的生活。當(dāng)前，社會(huì)正處在第三次工業(yè)革命的浪潮中，而物聯(lián)網(wǎng)是第三次工業(yè)浪潮中在計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次革命浪潮。

　　物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)即是“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”[1]。物聯(lián)網(wǎng)建立之初的主要目的是實(shí)現(xiàn)“物品能夠上互聯(lián)網(wǎng)”，早期的主要技術(shù)基礎(chǔ)是RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的主要實(shí)現(xiàn)方式是利用RFID技術(shù)的“電子標(biāo)簽”功能使物品在互聯(lián)網(wǎng)中可知。隨著半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐步實(shí)現(xiàn)“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(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)堅(jiān)定地向著“萬物互聯(lián)”方向前進(jìn)，終于使物聯(lián)網(wǎng)形成了密切聯(lián)系事實(shí)世界的高速信息閉環(huán)。

　　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(cè)方式[2]。非直接的氣體信息的高效獲取帶給物聯(lián)網(wǎng)的是再一次的促進(jìn)，更豐富的信息必將促使物聯(lián)網(wǎng)這一高速信息閉環(huán)的其他部分的再次突破。

　　2 物聯(lián)網(wǎng)及其典型應(yīng)用(Internet of things and its typical applications)

　　2.1 物聯(lián)網(wǎng)

　　到目前為止，物聯(lián)網(wǎng)并未有一個(gè)公認(rèn)的定義。比較獲得認(rèn)可的概念指出物聯(lián)網(wǎng)在信息獲取設(shè)備上使用射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等。物聯(lián)網(wǎng)的建立按照約定的通信協(xié)議，使互聯(lián)網(wǎng)與任何物品連接起來，進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)最終實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3-5]。物聯(lián)網(wǎng)這一概念并不是憑空產(chǎn)生，它是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的升級(jí)版，是互聯(lián)網(wǎng)2.0。互聯(lián)網(wǎng)本身是信息通信網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)人類信息的快速傳播的“道路”。物聯(lián)網(wǎng)的核心是“互聯(lián)網(wǎng)+信息”。對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)來說，它是人類的網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)是把物品連接上人的網(wǎng)絡(luò)，形成物品的網(wǎng)絡(luò)。人的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)是信息道路的建設(shè)，物的網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)生信息爆炸，才會(huì)促使社會(huì)的進(jìn)步。

　　從信息本身來講，首先是信息產(chǎn)生、傳輸及分析處理信息，然后產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。計(jì)算機(jī)技術(shù)的本質(zhì)是信息處理技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升意味著信息處理能力的提高。互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是信息傳輸技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)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(shù)和信息傳輸技術(shù)，但是并未形成一個(gè)完成的高速閉環(huán)的信息系統(tǒng)，如圖1所示。這個(gè)信息系統(tǒng)還缺少信息的高速獲取的手段，這個(gè)高速的獲取手段就是傳感器和射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)等信息感知技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)就是完善的信息閉環(huán)系統(tǒng)，信息的獲取，信息的傳輸和信息的處理都在物聯(lián)網(wǎng)中快速高效完成。

　　2.2 智能家居，物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用

　　智能家居系統(tǒng)是由智能家居設(shè)備通過某種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，相互連接成為可交互控制管理的智能家居網(wǎng)絡(luò)[6，7]。智能家居系統(tǒng)是一個(gè)小型集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是在家庭居住環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)大網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)小組成部分。

　　在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀中，智能家居被認(rèn)為是最典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的歷程，智能家居的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)階段。第一代智能家居的特點(diǎn)為手機(jī)操控，以手機(jī)遠(yuǎn)程完成家庭用具的簡單操控為主。第二代智能家居的特點(diǎn)是場(chǎng)景模式，這個(gè)階段是操作集成化，多個(gè)設(shè)備使用同一個(gè)鍵進(jìn)行操作，使一件操作完成一個(gè)場(chǎng)景下的多個(gè)設(shè)備預(yù)定操控。這兩個(gè)階段的智能家居都是以家居物品能夠網(wǎng)上操控為主，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的物品上網(wǎng)特性。第三代智能家居的特點(diǎn)是聯(lián)動(dòng)，一個(gè)設(shè)備的動(dòng)作可以自動(dòng)導(dǎo)致其他設(shè)備的動(dòng)作。第四代智能家居的特點(diǎn)是語音交互，人們可以通過語音直接吩咐設(shè)備動(dòng)作。這兩個(gè)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(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的物品與人的共同上網(wǎng)交互特性。第五代智能家居的特點(diǎn)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(gè)階段的家居物品的動(dòng)作不再需要指令，可以自動(dòng)工作。當(dāng)前的智能家居處在第五代，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)的特性。

　　智能家居的五代發(fā)展過程體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)步。智能家居的發(fā)展進(jìn)程從讓人們更加方便快捷的使用家居物品到家庭自動(dòng)化和生活智能化。智能家居的目的是為了更好地服務(wù)于人類的家庭生活。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，這一目的越來越好的被實(shí)現(xiàn)。圖2是某研究機(jī)構(gòu)給出的2014年到2019年的智能家居市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)。智能家居市場(chǎng)規(guī)模的逐年增長反映了物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)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(dǎo)體元素鍺的電阻率會(huì)隨所處環(huán)境中氣體濃度變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)開啟了半導(dǎo)體氣體傳感器研究和應(yīng)用。金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器(MOS)是一種廣泛應(yīng)用于氣體檢測(cè)的傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低和測(cè)試電路簡單，靈敏度，測(cè)試范圍等性能也有不錯(cuò)的表現(xiàn)，這些因素是其得到廣泛應(yīng)用的原因。半導(dǎo)體氣體傳感器和其他傳感器一起構(gòu)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(chǎn)應(yīng)用和科學(xué)研究的信息獲取和檢測(cè)手段[8]。

　　旁熱式半導(dǎo)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(dǎo)體傳感器的性能，對(duì)氣敏材料的研究一直是研究的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)，在氣敏材料的研究上，制備不同形貌的納米級(jí)氣敏材料、摻雜不同種類和數(shù)量貴金屬等材料改性基體材料、表面修飾都是研究的熱點(diǎn)。

　　影響半導(dǎo)體氣體傳感器的發(fā)展最主要的原因是選擇性不好和穩(wěn)定性不足。選擇性不好和穩(wěn)定性不足的產(chǎn)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(dǎo)體氣體傳感器在溫度影響下其對(duì)同一氣體的響應(yīng)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(yīng)值最高時(shí)的溫度，另外，在氣體的檢測(cè)上，主動(dòng)利用溫度對(duì)傳感器的影響來檢測(cè)氣體。通過測(cè)試氣體傳感器在不同溫度下對(duì)氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)值，再結(jié)合計(jì)算機(jī)后期數(shù)據(jù)處理技術(shù)，來達(dá)到對(duì)氣體的定性或定量識(shí)別。光照條件影響氣體傳感器的響應(yīng)機(jī)理仍不明確，基本原理為待測(cè)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(guān)系，光照的條件與氣體響應(yīng)值滿足一定的規(guī)律，可以根據(jù)此種規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。

　　隨著氣敏材料的技術(shù)進(jìn)步，氣體傳感器在靈敏度和穩(wěn)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(dá)到對(duì)復(fù)雜混合氣體的有效識(shí)別水平。為了識(shí)別復(fù)雜混合氣體，使用多個(gè)傳感器組成傳感器陣列來實(shí)現(xiàn)混合氣體的有效識(shí)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(jié)合模式識(shí)別技術(shù)，最終達(dá)到有效識(shí)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(cè)食品安全、危險(xiǎn)氣體、安防和環(huán)境污染[9-12]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

　　電子鼻即人工嗅覺系統(tǒng)，是生物仿生產(chǎn)物。電子鼻利用氣體傳感器、模式識(shí)別結(jié)合相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)別算法組成，電子鼻主要用途是檢測(cè)簡單的或者復(fù)雜的氣體。電子鼻檢測(cè)的早期主要是簡單的氣體的檢測(cè)。隨著技術(shù)進(jìn)步，電子鼻的檢測(cè)能力達(dá)到了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜混合氣體檢測(cè)的水平。

　　電子鼻中的氣體傳感器是用來檢測(cè)氣體的核心硬件，它對(duì)氣體樣本進(jìn)行檢測(cè)，把氣體的種類和濃度信息轉(zhuǎn)換成氣體傳感器的響應(yīng)值，這些響應(yīng)值構(gòu)成了氣體的識(shí)別模式信息集。這個(gè)信息集可以是最簡單的離散單一氣體響應(yīng)值，也可以是單一氣體的某一時(shí)間段的氣體響應(yīng)值曲線，甚至可以是多個(gè)傳感器對(duì)混合氣體的響應(yīng)圖形。氣體傳感器的響應(yīng)信息集是氣體本身信息的非線性轉(zhuǎn)換。模式識(shí)別的作用就是從這個(gè)非線性轉(zhuǎn)換中得到氣體的種類和濃度信息，一般會(huì)把響應(yīng)信息集進(jìn)行預(yù)處理已提取特征值，并完成去噪聲和信號(hào)放大等處理。最終計(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體樣本的定性或定量處理。

　　4 氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與展望(Application and prospect of gas sensor in IOT)

　　4.1 氣體檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

　　氣體檢測(cè)有重要的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是便捷性，二是無損性。便捷性是指氣體檢測(cè)可以在時(shí)間上做到快速和檢測(cè)地過程簡單，無損性是指氣體檢測(cè)明顯是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)檢測(cè)物的“非接觸”式檢測(cè)。

　　氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中最受關(guān)注的應(yīng)用是空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。汽車尾氣的檢測(cè)。另外，工業(yè)廢氣的監(jiān)測(cè)更是必不可少的。這些都是氣體的直接檢測(cè)。氣體的直接檢測(cè)一般適用于特定用途的應(yīng)用。在日常生活中這種應(yīng)用并不常見。氣體還是由各種物質(zhì)或物體揮發(fā)而來，氣體的準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)應(yīng)著揮發(fā)出此種氣體的物質(zhì)或物體的檢測(cè)。在交通安全方面普遍使用的酒精檢測(cè)裝置，在醫(yī)療單位針對(duì)呼吸系統(tǒng)，腸胃疾病的“吹氣”檢測(cè)裝置。這些氣體檢測(cè)儀器為物聯(lián)網(wǎng)帶來了更深層次的信息。這些都是氣體的間接檢測(cè)，氣體是檢測(cè)的媒介。

　　4.2 物聯(lián)網(wǎng)中的氣體檢測(cè)

　　室內(nèi)環(huán)境中甲醛的檢測(cè)是人們生活中的關(guān)注熱點(diǎn)之一。甲醛的檢測(cè)是直接對(duì)氣體的定性和定量分析，因?yàn)榧兹怏w會(huì)影響人的身體健康，所以人們關(guān)心居住環(huán)境內(nèi)的甲醛情況。甲醛氣體檢測(cè)以后，采取一定的措施進(jìn)行改進(jìn)，甲醛檢測(cè)的目的就是如此。

　　如果采用物聯(lián)網(wǎng)的觀點(diǎn)來進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境的甲醛檢測(cè)。氣體傳感器的作用是為物聯(lián)網(wǎng)提供大量信息，一次性的甲醛檢測(cè)是不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的信息獲取需求的。建立一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)，把一次性的檢測(cè)改變成實(shí)時(shí)性的。隨著獲取信息的增加，可實(shí)現(xiàn)的功能也會(huì)相應(yīng)地增加。比如：該氣體檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)在房屋建設(shè)完成后即建立，此物聯(lián)網(wǎng)的檢測(cè)信息在裝修階段可以用來分析那部分的裝修會(huì)產(chǎn)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(fā)所致，由此就可以更換更加環(huán)保的材料。或者甲醛的濃度持續(xù)在高位，通風(fēng)后濃度仍然會(huì)回到高位，說明建筑內(nèi)有甲醛的揮發(fā)源，可以根據(jù)甲醛濃度升高的時(shí)間和建筑內(nèi)變化的情況來確定甲醛的揮發(fā)源。還有，建筑內(nèi)的空氣如果是比較密閉或穩(wěn)定的情況下，氣體的情況不會(huì)有較大的變化。開窗通風(fēng)會(huì)對(duì)氣體的情況產(chǎn)生較大的變化，那么可以根據(jù)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(shí)時(shí)檢測(cè)的室內(nèi)甲醛檢測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)，如果考慮感知節(jié)點(diǎn)是多個(gè)的情況。以一個(gè)居家住宅為例，同種氣體同時(shí)檢測(cè)信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)值會(huì)有不同，并在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)減少這種檢測(cè)差。可以根據(jù)此種情況來判定氣體來源是臥室還是客廳。

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