2019智能家居傳感生態發展白皮書:家庭傳感器的分類、應用及問題

智能家居領域需要使用傳感器來測量、分析與控制系統設置,家中使用的智能設備涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環境監測、安防感應等傳感器等技術。

為精準解讀國內目前家庭範疇內的智能傳感器應用現狀,《智能家居》雜誌、數智網、智能頭條發起聯合編制《2019家庭智能傳感器白皮書》,旨在全面梳理家庭內傳感器的產業生態。

1、定義智能家居傳感器

傳感器的定義:能感受規定的被測量並按照一定的規律(數學函數法則)轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。

智能家居傳感器定義:根據用戶的個人感官所獲,在智能家居系統中以數據體現,如果智能家居想要達到非常人性化的應用,傳感器的採集能力一定要超越於人類本身所能感知的一切。

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2、家庭範疇應用的所有傳感器分類

傳感器就像人的五官:眼、耳、鼻、舌、皮膚,發揮著五覺:視、覺、嗅、味、觸作用,四肢等,承擔信息執行功能,滿足人類基本需求。

六大類主流傳感器分類:氣敏、光敏、聲敏、磁敏、力敏、熱敏,具體應用在氣體傳感器、顆粒物傳感器、人體感應傳感器、安防傳感器、環境傳感器、其他傳感器。

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3、智能家居傳感器的重點應用

家庭範疇內對傳感器的最大需求,依次包括氣體傳感器、顆粒物傳感器、人體感應傳感器、火災傳感器、環境傳感器及其他傳感器。

溫度傳感器在智能家居中可以保證室溫的恆定,是智能家居中必不可少的組成部分,在運用中,溫度傳感器可以根據季節的變化或者用戶的需求來調整溫度。

在溫度的測量中,通過溫度傳感器可以採集溫度信息,可以將數字信號轉化成為電信號,通過計算機系統的控制,將溫度的信息傳遞給計算機系統,繼而通過中央控制體系傳輸給空調,實現智能家居的溫度控制。

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4、聚焦兩大類家庭傳感器

(1)環境監測傳感的定義

環境監測傳感是監測家居內的各種氣體、溫溼度、照度等。

(2)安防感應傳感的定義

安防類的傳感器,是保障用戶人生安全類的傳感器。

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(3)環境監測類傳感的分類

溫溼度傳感器、氣體傳感器、顆粒物傳感器、水浸傳感器、照度傳感器、聲音傳感器、煙霧報警器等。

·溫溼度傳感器

由於溫度與溼度不管是從物理量本身還是在實際人們的生活中都有著密切的關係,所以溫溼度一體的傳感器就會相應產生,測量溫度量和相對溼度量。

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·可燃氣體傳感器

可燃氣體傳感器是對單一或多種可燃氣體濃度響應的探測器,例如用於管道天然氣(甲烷)的檢測。

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·水浸傳感器

浸檢測器是用電極探測是否有水存在,定性監測。

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·煙霧報警器

別稱火災煙霧報警器、煙霧傳感器、煙霧感應器等,通過監測煙霧的濃度來實現火災防範。

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·智能環境監測面板

內置甲醛/VOC/甲烷/一氧化碳/空氣質量/異味傳感器/五合一氣體傳感器,PM2.5傳感器,照度傳感器PM2.5,噪聲傳感器,溫溼度傳感器 ,同時支持RS485,Zigbee,Wi-Fi, Bluetooth等多種通訊方式。

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·智能檢測儀

五合一氣體監測器集成紅外複合氣體傳感器,檢測二氧化碳,甲烷,一氧化碳,甲醛和VOC等5類氣體,同時支持RS485,Zigbee,Wi-Fi,Bluetooth等多種通訊方式。

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·PM2.5檢測儀

PM2.5檢測儀集成顆粒物傳感器和溫溼度傳感器,檢測環境中的PM2.5/PM10/PM1及溫溼度,同時支持RS485,Zigbee,Wi-Fi,Bluetooth等多種通訊方式。

(4)安防感應傳感的分類

門窗磁開關傳感器、煙霧傳感器、人體移動傳感器、人體存在傳感器等。

·門窗磁開關傳感器

門窗磁是安全報警的一種裝置,用來探測門、窗、抽屜等是否被非法打開或移動。

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·人體移動傳感器

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用在走廊、過道等有人體活動的地方,有人走動時自動控制電源接通,與其它設備連接、從而實現開燈、開門、報警等功能,類似光控。

·人體存在傳感器

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不僅可以感知動態人體,還可以感知靜態人體,彌補了移動傳感器只能探測動態人體的不足,精準感知人的存在。

(5)智能家電傳感器應用

智能空調:可內置人體存在傳感器 ,根據人的存在判斷控制空調開和關,依據人分佈控制空調的風向和風力。

智能油煙機:內置PM2.5傳感器,VOC 傳感器,甲烷傳感器,一氧化碳傳感器,溫度傳感器,控制油煙機和燃氣灶,用於煙灶聯動。

智能冰箱:內置氣味傳感器,監測實物新鮮度,氣味模式識別。

智能淨化器:內置PM2.5傳感器,內置甲醛傳感器,內置VOC傳感器,內置空氣質量傳感器。

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(6)家電中的傳感器具體應用

傳感器在智能家電領域的應用目前最為廣泛,家電能增加使用的舒適度、減少耗能和耗水、清洗方便、降低噪聲和振動、提高使用質量、實現複雜的智能。所有的溫度測量中都使用了負溫度係數和正溫度係數熱敏電阻;用電感傳感器測量殘餘的溼度;用轉速傳感器測量洗衣機和乾衣機的轉動速度;電容傳感器應用於按鈕開關操作;集成溫度傳感器顯示發動機過載;壓力傳感器用作水位開關或更復雜的裝置中,如洗衣機和烘乾機中泡沫量的監視;化學傳感器用於水質監控,監測參數包括渾濁度、顏色、表面張力、洗滌劑溶度、pH值等,然後確定漂洗循環的次數(溶液傳感系統〉;光電系統用於監測洗衣機的渾濁度,使得沖洗週期的次數與實際需要相符合(水劑傳感器系統〉;電磁傳感器用於洗碗機中控制噴水臂的移動;非接觸式檢測系統,例如,用於溫度控制的微加工熱電偶紅外傳感器,它還可以用於炊具、頭髮護理器具和烤麵包機中;流量傳感器可用於電扇和真空吸塵器中空氣質量的檢測。加速度和坡度傳感器可用在電熨斗中;智能多氣體傳感器(人造鼻)可用於自動陪烤控制中等等。

5、智能傳感器VS傳統傳感器

智能傳感器(Intelligent Sensor)是由傳統傳感器和微處理器(或微計算機)及相關電路結合構成,擁有信息處理功能,它充分利用計算機的計算和存儲能力,對傳感器的數據進行處理,並能對它的內部行為進行調節,使採集的數據最佳。

智能傳感器帶有微處理機,具有采集、處理、交換信息的能力,是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。 智能傳感器能將檢測到的各種物理量儲存起來,並按照指令處理這些數據,從而創造出新數據。智能傳感器之間能進行信息交流,並能自我決定應該傳送的數據,捨棄異常數據,完成分析和統計計算等。

與一般傳統傳感器相比,智能傳感器具有以下三個優點:通過軟件技術可實現高精度的信息採集,而且成本低;具有一定的編程自動化能力;功能多樣化。

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6、智能傳感器的功能

  • 自補償能力:通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應時間等進行自動補償。
  • 自校準功能:操作者輸入零值或某一標準量值後,自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。
  • 自診斷功能:接通電源後,可對傳感器進行自檢,檢查傳感器各部分是否正常,並可診斷髮生故障的部件。
  • 數值處理功能:可以根據智能傳感器內部的程序,自動處理數據,如進行統計處理,剔除異常值等。
  • 雙向通信功能:微處理器和基本傳感器之間構成閉環,微處理機不但接收、處理傳感器的數據,還可將信息反饋至傳感器,對測量過程進行調節和控制。
  • 信息存儲和記憶功能。
  • 數字量輸出功能:輸出數字信號,可方便的和計算機或接口總線相連。

7、家庭智能傳感器的其他結合應用

目前除了環境與安防類的單一傳感器,目前結合應用最多的是家電設備。

手機中就裝有陀螺儀、麥克風、電子快門等多個傳感器。內置傳感器的“智能鞋墊”,可以記錄用戶運動的數據,並與手機連接將數據上傳。

單一傳感硬件的多合一集成,可以實現光線傳感器、溫度傳感器、壓電傳感器、距離傳感器、陀螺儀、漏水探測器等,可以檢測定位、頻率、加速度等。

智能嬰兒鈕釦,可以追蹤寶寶的平日運動,睡眠姿勢以及心率等。

Nest是世界第一款智能溫控器,內置了多種類型的傳感器,可以不間斷地監測室內的溫度、溼度、光線以及恆溫器周圍的環境變化。

根據室內光源強弱自動化調節的百葉窗,內置角度傳感器對角度測量可以監測百葉窗的位置。馬桶蓋內置壓力傳感器,可以讓沖水系統接受信號後自動清洗,紅外感應式自動打開的馬桶蓋。

六、目前存在的問題

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1、產業鏈的全局問題

第一,傳感器的設計技術囊括了多種學科、理論、材料和工藝知識,突破起來十分困難,目前,在人才匱乏、研發成本高昂、企業惡性競爭激烈的情況下,我國還沒有突破傳感器一些共性關鍵技術。

第二,企業規模小,自主創新困難。大多數企業規模小,人才短缺,研發能力弱。這也導致多數產品屬於中低端,價格競爭激烈,附加價值較低。目前我國傳感器企業僅1600餘家,大都以小微企業為主,盈利能力不強,缺乏技術引領的龍頭企業,導致資金、技術、企業佈局、產業結構、市場等方面呈現出分散的狀態,資源得不到有效集中,產業發展也遲遲無法走向成熟。

第三,產業化效率低,產業配套不足。科研投入大,但成果產業化效率低,近年來,部分科研機構雖然已市場化為導向,但是在技術先進性和產業化方面依然不足。

第四,市場跨度大,產品種類繁多。傳感器產業覆蓋的市場跨度大,應用涵蓋了消費電子、工業控制等多個領域,但是每個行業的需求都不同,需要產品的種類也不同。

第五,資本不積極,缺乏長期投資。傳感器產業的技術壁壘高,開發週期長,這些因素都使得資本投入不積極,整個行業缺乏長期有效的投資。

第六,高端人才較為匱乏,由於傳感器行業發展處於起步階段,資金、技術和產業基礎都較為薄弱,加之涉及學科多,要求知識面廣,新技術層出不窮,導致很難吸引到高端人才投身其中。此外,我國人才培養機制的不完善、不合理,也導致行業面臨人才缺乏問題。

2、傳統傳感器的侷限性

許多企業都是引用國外的芯片加工,自主研發的產品較少,自主創新能力薄弱,在高端領域幾乎沒有市場份額。此外,科研院所在傳感器技術的研究方面已與國際接軌,但產業化瓶頸遲遲未能突破。

目前我國從事傳感器技術研發的主要是高校、中科院和相關部委的研究機構,企業的技術實力較弱,很多是與國外合作,或是進行二次封裝。而在發達國家,傳感器的研發和產業化更多由企業來主導。

傳統的傳感器在智能家居領域依舊存在著一些侷限性:與總線相連的傳感器代價昂貴,傳感器組網的開銷成本巨大;在一些區域佈線困難;不同類型的傳感器和控制系統的軟硬件之間協議不兼容。

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