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物联网与传感器的发展

——褚君浩

大家上午好!我跟大家交流一下物联网与传感器的发展。现在最热的概念是智慧地球,这是IBM在2008年提出的概念。智慧地球是什么呢?就是互联网加上物联网。物联网是把物品的系统性通过传感器得到的信息互相联系起来。比如我们现在每个人的身上要放一个心脏的传感器,如果说某一位先生他的心脏现在发生有不好的波出来,无线通讯把你的信号送到医疗中心,医疗中心进行分析,这个分析是机器的分析,然后做得出去判断。然后再有监测,马上派一个医生把药送到这个人这儿,告诉他把这个药吃下去,不吃下去可能会出问题。比如这样的设备放到某一个桥墩那儿,哪一个桥墩有问题,也可以通过物联网的传感分析。物体的信息是通过传感器传出来的,然后再进行智能化的设备管理,传感器所以非常重要,它实际上是代替了眼睛、皮肤,是把我们的感官延长了,而且非常灵敏及所以是虚拟的听觉系统、视觉系统和虚拟的感觉系统,然后到信息中心进行分析判断,判断以后再做出决策。

所以这就产生了生产数据,生产数据从哪儿来?就是从传感器这儿得到。这样的概念也可以进一步的进行扩展,比如刚才这个例子是智慧医疗,我们也可以扩展到智慧能源,比如风能、太阳能和现在的火电能,是不是能够很协调的往里面进行分布?安排?智能电网。也可以扩展到设备,包括智慧的金融和保险。看看金融的泡沫吹大是不是要破了?可以提出警号。

智慧交通现在很多城市已经在搞。所有这些就是敏感人,得到数据、传感是非常重要的一个方面。

这是西班牙的一次炸药爆炸事件,还有一次是东京的毒气爆炸,类似这种事件有传感器是可以报警的,如果有人带着一颗炸弹进来,传感器知道会报警,所以这样的事情会预防。这样的例子就是我们没有建立起物联网造成的不好的影响。

这是一个成功的例子,海湾战争的时候“空天地”一体化物联网的应用,就是物联网的概念。比如下面伊拉克行动部队,他们得到的信息就是通过无线传感,由指挥中心进行判断,所以信息的获取、传输、决策和判断是非常灵敏的,都可以非常清晰的得到。这是空、天、地物联网的应用成功的案例。

物联网是和光电科学技术信息的获取十分相关。物联网通过各类信息获取进行处理、判断最后构成智慧地球、感知中国。下面对传感器的发展举一些例子:

这是各类传感器,横坐标是波长,纵坐标是灵敏度。比如光子型红外探测器,我们国家在1987年汤定远院士开创并研究。

红外光电传感器技术发展的若干方向:包括大规模高增益、多色、提高工作的温度、扩充波段、智能化。我们可以做成轴波和短波也可以做成1K×1K的,也可以做1024×1024的可以更好的成像。我们也可以做成长波红外的。天工一号上也用了我们的1500元长波红外。

这个图像是汶川地震,我是不能照下来的,是美国的一颗卫星照下来的,当时我们的卫星没有在汶川上面,当时跟美国他们协调,是不是能够看看我们这个地震的情况,我们这边因为信号当时是没有的,请他们的锁眼卫星进行了探测,这个卫星是光学成像军事卫星,从这相上可以看到是200公里高照的,非常清晰。( 图)它这个图像是5月19号照的,我们在5月22号在飞机上照了这个相,两张相完全一致,但是我们飞机是高度2分米,他们卫星的高度是200多米,可见他们的技术是很先进的,我们还有很长的距离。

所以第一次是大规模。第二个是多色。多所就是不同的波段,两个波段、三个波段,就有利于判断,得到了好分析,光通讯要传过去,传过去的信号要进行判断,所以需要多色。比如说一个期限是一个PMG波段图,另一个期限是另一个PMG波段图,第二个期限是第三个PMG波段的图,所以第一个、第二个,第三个波段就是有不同的图。当然也可以做成一个双波段的探测器。这样成的像可以比如长波图、中波图、就可以判断是什么,到底是天上没有动力的飞行体,还是一个有动力的飞飞机或者是火箭?都可以进行分析。

大规模的LW/LW双色红外焦平面:比如说可见光的图、中波用的图、中波2用的图,比如飞机上面有发动机的话,它的图和没有发动机的分析结果是不一样的。

因为太阳光是有光谱组成,所以我们要得到一些数据,比如说阳光它的闪烁是随波长而变的,比如3.8微米以上,300度的目标辐射就比太阳光闪烁要厉害。而小于3.8微米以下,太阳光的闪烁比厉害。这些五数据要进行研究,就是提供给你信息判断。同样它的特波率,在不同的环境下,3.5微米到3.8微米也是不一样的,这些数据也是可以提供给你进行分析。比如这个图上看不到海上的东西,这个图上可以看到海上的岛焦等等。所以不同的波段进行不同的判断,这些信息通过无线或者光纤传过去,那么那边就可以进行发表。所以传感器对物联网的建设是非常重要的。

比如日本的3月11号海啸,天空类似风的流动,到3月14号核爆炸,有人说是不是辅导的传到上海了,通过分析没有这样的现象。

另外的一个就是提高工作温度,希望能够提高到室温下工作,那么效果会更方便一下。现在比较好的是,比如很多海岛,也没有人登陆,那么就可以把传感器放到那儿,通过太阳能电磁,然后可以通过无线,报数据时实的传输过来。

热释电探测器在空间领域的重要应用,还有地平仪,到底地球上铺设出去多少,得到多少数据?尤其地球辐射收支是非常重要的,比如海洋上气温升高一度是怎么样,变化是怎么样的,跟地球辐射收支都有关系,这些数据都是分析地球上的气候变化,尤其这些年气候异常,可以通过这个进行分析是非常重要的。这些都是需要通过传感器来来得到这些信息,得到了这些信息才能更好的分析。我们也可以用它进行不同成像,这是一种新的技术,还有一种是PVDF成像探测率比较好。

另外就是甚长波碲镉汞红外焦,高功率THZ源和高探测率探测器,它对水特别灵敏,很容易探测水质的情况。它成像的规律可以用光学和电学的办法产生。其有TRIYS比如说它可以穿过树叶,也可以穿过人体,而且对人体没有危害。这种光可以穿过人体,那么人穿衣服就像不穿衣服一样,而且对人没有损害。比如现在X光要检查,是对人有影响的,但是TRIYS这个是对人体没有影响的。这些数据可以通过光纤或者无线传感传过去,都是可以得到海量的信息的。THZ波段更多的是控制水质。,现在传感器当然也可以用在天文、星系上。

从红外信息获取里还有一个就是谱像,所以传感器不仅可以德国图象、像、还可以做谱像,比如把我这个脸拍下来,对我脸上的每一个点都可以做一个光谱,这样的数据是三维的数据,两维是XY数据,另外一个是光谱,那么数据量是不得了的。所以它不仅包括强度、波长、位相、偏振和识别,它的用户很大,可以成像光谱。比如这个地区,把它的光谱做出来,跟计算机里的油材料对照,人就可以跑到这个地方去看看有没有油矿,如果这么大的面积没有目标的找是非常难的。在新疆地区找到进金矿是这样的,先成像光谱,如果觉得这个地方像,然后再把人派过去。再比如说农作物的农产,到底成熟没有?到底是亩产一千斤还是1万斤?遥感如果是绿色的,清的,光谱是这样,如果是500斤亩产和1000斤亩产的,光谱是不一样的,所以信息量和数据两是非常大的。刚才钨院士说我们现在正在走向一个大数据时代,大数据给我们带来的又是挑战又是机遇,实际情况就是这样。我们得到的信息非常多,那么多的信息传下来,但是好好的分析判断是非常重要的,这里会衍生很多财富。

现代传感器技术包括各种各样,比如有红外、y射线、压力、振动、电磁、化学、生物、单光子、X光等等,所有这些传感器的信息都可以放到物联网上,判断,分析做出结论。这是当前非常重要的,将来发展物联网非常重要的一方面。

发展微小压力传感技术,采用高分辨能力的谐振式传感器机理,采用纳机电系统技术,研制对微观质量、力或角动量等敏感的传感器。举一个例子,比如一个传感器比如TNT分子,比如基于炸药分子对特定荧光聚合物的荧光猝灭效应,通过检测聚合物荧光的强度变化判断被检测样品中是否有炸药分子出现。如果说你这个包里带有炸药,你用瓶子装好了,但是一定会有一些分子在外面,只要有几个分子,那么它的灵敏度会有放大效应。所以一测试就知道里面是炸药。

中科院上海为系统所程建攻克题组,研制的荧光聚合物炸药探测仪用于安全检查,包括在世博会的应用,如果说这套东西是TNT,要研究不同的聚合物材料,不同的敏感度材料提供给我们物联网里面的传感器数据。所以整个将来会形成一个智慧空天地海一体化。我们现在的气象预报为什么这么准,天上的眼睛在看,传感器在上面看,我们现代的战争技术、信息技术,也是要借助这个。我们把物联网的概念运用到智慧交通、智慧城市、智慧金融、智慧医来、智慧水系统,这里面有大量的工作可以做。所有的工作过程中传感器是比较重要的。得到的信息以后,后面的信息工作更多,那么大量的数据,是各种技术,包括光通信和无线通信各种技术都在里面有非常大的发展。

所以物联网光点信息的各种传感器、各类信息获取、处理判断、决策最后形成一个智慧地球,智慧地球、智慧周围也是现在我们新兴产业发展中非常重要的一个步骤。光纤通信过去90年非常热门,后来不知道怎么样给无线传感比下去了,现在又回过来了。光纤通信和无线传感都是物联网整个大数据系统里面,一个是信息传输的功能还有其他很多,它本身也有很多其它的功能。所以我们在物联网、传感器,这个会议主题光纤通信大发展的时代,会在最后的这几年里在我们国家、在整个世界上会发展起来。


2012年8月13日