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孙崑泉:传感器与无线让生活更智能

行业上下游中国仪表网2013年10月02日 17:04人气:15398

  9月26日消息,2013第四届中国国际物联网(传感网)博览会在无锡隆重举行,大会聚焦商业模式,以“创新商业模式——物联网的前景与‘钱景’”为主题,聚集物联网业界领军人物、物联网主要应用领域的产业链核心企业高层、国内主流的投资机构高层等围绕商业模式创新,探讨如何在智能交通、智能医疗等主要应用领域打造良好的可复制的商业模式。在今日的“2013第四届中国国际物联网(传感网)博览会”上,村田制作所(中国)执行副总裁孙崑泉博士做了关于“传感器与无线技术让生活更智能更环保”的主题演讲。以下为演讲实录:
  
  孙崑泉:各位来宾,大家好。我今天代表村田公司给大家介绍传感器与无线技术,让生活更智能更环保。我在2010年和2011年都来到物联网大会,给大家介绍了主要以传感器为主以及应用。去年没有来,为什么呢?因为我们主要是致力于一些开发和应用,要把所有的方案都落地。这次来了之后,是给大家带来了落地的方案,所以你们可以看到很多的实际应用。
  
  物联网有很多的应用领域,我不可能在这边给大家一一做介绍,我今天主要介绍智能农业和智能照明、智能家居和智能医疗。同时我还会给大家介绍一些村田最先进的传感器及应用,还有我们的能量采集器,因为在物联网当中我们所谈到的都是各类传感器节点,节点必须给予供电。如果在屋顶上很高的地方或者边边角角的地方还要给它定期换电池非常的不方便,我们能不能用自然的能量采集给传感器节点进行供电,这样可以让物联网真正的做到无处不在,无时不在。
  
  村田传感器用于智能农业。在智能农业当中有四个最主要因素水、土、风、光。如果我们有效控制这四个主要因素,我们就可以得到最佳收获。在智能农业当中,有大田、绿色大棚、植物工厂以及花圃。在所有场景当中会用到不同的农业传感器。
  
  下面我们来看土壤传感器,它可以测量电导率,通过一定的换算可以测算到土壤盐的含量和营养含量,这个营养含量并不是特定指某一种营养含量,而是总的营养含量。除了测电导率之外,还可以测土壤的温度。大家知道土壤的温度对于种子的发芽以及植物根的生长环境有很大影响。另外还可以测土壤PH值。
  
  我们在做这个土壤传感器的时候,是采用大家熟知的半导体技术。这里面就是两个传感器的剖面图,这个图是用来测电导率以及PH值。把这两个芯片分装到一起就形成现在大家看到的土壤传感器。
  
  风力传感器,为什么要用风力传感器呢?我们知道植物的生长,农作物的生长是要光合作用的。而光合作用是和风速直接联系起来的。当风速低于每秒50厘米的时候,光合作用和风速几乎是呈线性增长的关系,但达到一定数值之后,风速和光合作用的关系就呈线性下降的关系,所以我们在大棚里面要布置风力传感器,在适当的湿度情况下找到最佳的生长环境。
  
  这个图显示的是如何制作风力传感器,实际上用现有的四个超声波传感器,两个成一对来组成的。简单说一下它的原理,我用超声波传感器A传送一个脉冲到超声波传感器B,我们来测算从A到B之间的距离,通过非常简单的换算关系可以知道它的风速,这种方式做出的超声波传感器是目前世界上最小的超声波传感器,它的精度非常高,它所测的风向是全方位的,另外风速是从微风到很强的风,应用很广泛。
  
  在这个农业大棚里面布置了很多传感器,有光传感器,PH值传感器以及电导率传感器,温度湿度传感器,二氧化氮浓度传感器,这些大家都比较理解。在这里面我放了一个位置传感器,因为大棚里面有窗户,那窗户打开的大小是用位置传感器来进行控制。
  
  下面给大家介绍一个实际的农业解决方案。农业传感器把监测空气的温度湿度、二氧化碳的浓度,土壤的湿度、温度,PH值以及光照强度通过两种方式传输,一种是通过ZigBee和920MHz传送到监测中心。监测中心的控制可以是风力控制,也可以湿度控制,也可以是光照控制。
  
  这是实际的土壤监测系统,它是用刚才所说的土壤传感器,把它放到稻田里,每30分钟把数据传输到数据采集器。土壤监测系统是怎么构成和运行的呢?这个土壤监测系统是由土壤传感器和无线通讯模块组成的。另外,三个同样的土壤传感器可以监测在同一位置的三个深度的土壤条件。比如说土壤表面以下的10个厘米,20个厘米,30个厘米。把这些监测到的土壤条件传送到接收机里面去,经过一定的信号处理给它发送出来。由这边的发射机送到田表上的发送机。智能农业就给大家谈到这儿。
  
  下面我来谈一下智能照明。对于智能照明我们已经谈了很久,大家知道在一个商业大楼里面有40%的能耗是用在照明上,所以在这方面的节能减排就成了政府和企业主攻的目标。节能减排可以通过两种方式,最佳的照明是来自于智能照明系统。它可以作为区域性控制的照明系统,也可以把它作为整个大楼控制中心的一个单元,在这个智能照明系统里面用了四种无线通讯技术,有EnOceanWi-FiZigBee和MultipleWirelessTechnologyl。
  
  村田在智能照明当中有它自己的LED电源模块,并且把ZigBee模块给集成进去了,对LED灯进行供电。智能照明说到底就是做一件事“控制”。
  
  要想得到优化控制,就要根据能量管理系统里面的信息和能量信息里面的信息进行控制。控制包括三个层面,一个是基本控制,一个是高级控制,一个是中央控制。
  
  下面来看一个应用场景。第一个就是用人体红外传感器感知人体的存在,做到人来开灯,人离开关灯,当然关灯有一定延迟。第二种就是照度传感器,最基本一点就是充分利用自然光。第三是定时控制。比如说早上6点到8点,人没来齐,我只打开一部分,然后上班的时候灯打开,午休开一部分灯,这么一个概念就是定时控制。
  
  我们来看看每一项节能到底节了多少。对于中央调光控制可以节省18%的能耗。对于日光补偿的控制可以节省17%的能耗。对于红外线感应可以节省9%的能耗。对于一些特殊事件的控制可以节省6%。另外我们现在用智能照明系统,大家知道LED灯还是比较贵的,我们能不能有效把它延长呢?通过软启动技术可以将灯的寿命延长2-4被,这样总体的运营成本就下降了。
  
  下面看一个具体的应用实例。这是村田在东京办公大楼实际的节能减排的效果。它是根据每天10个小时,每年240个工作日得到的统计数据,它是跟什么比呢?它是跟传统照明去比。它的能量消耗减少了63%,二氧化碳排放减少了63%,热排放也减少63%,这是一个落地的项目,也是一个落地的系统,得到了应用,得到了证明。
  
  下面进入村田的智能家居方案。智能家居并没有一个统一的定义,有人说这样去做智能家居,有人说那样去做智能家居。我们的理解是,怎么让你的生活更舒适,更环保,我们就认为那个最适合于你。
  
  村田有自己的云服务,也可以用第三方的云服务。在软件方面,我们已经开发了非常智能化的,运用个体化的控制软件,可以跑在安卓平台,苹果平台。
  
  你可以把温湿度跟传感器绑定,你可以用到智能手机做到这么一件事。这里面还有一个智能插座,智能插座可以实时监控你们家电器的功耗在哪里。
  
  这里面谈到智能,主要是通过ZigBee的网络,现在也有采用WIFI进行智能控制,国内一些家电厂商在这方面迈出一大步,他们通过WIFI控制热水器和冰箱。
  
  下面我就给大家谈一下WIFI智能的简单应用。WIFI在工业控制和新能源方面也有广泛应用,另外在医疗保健和玩具上都有应用。我们手机里的WIFI和村田这里的WIFI有所不同,村田这个可以变成相对独立的系统,你就用通常的穿孔三根线连到设备上就可以用了。
  
  在我介绍智能农业之前,简单跟大家说一下村田高性能的MEMS传感器在其他方面的应用。中国经过几十年的高速发展,最让我们耳目一新的就是摩天大楼到处林立,垮台大桥,海底隧道。对这些新型高大建筑来说存在各种类型的安全隐患,比如说某一个地方断裂了,某一个地方扭曲了,某一个地方平移了,某一个地方幅度过大了。所以我们要对它的进行实时监控,而且提出预警。
  
  村田有相当一部分高精度的MEMS传感器可以做到这么一件事。这个传感器一定是工业级别的,从负的45度到正的85度在各个环境当中都可以使用。加速传感器可以用来测振动、位移。倾斜式传感器可以测量倾斜角度。
  
  我们把这些传感器,比如说放在大桥敏感的部位和放在这些楼宇的一些敏感部位。
  
  其实我不是医生,我也没有办法跟大家去谈更多的医疗。下面的发言人可能有更多的发言权,但是我在这里面给大家介绍智能医疗当中一个创新的解决方案“心率检测方案”。大家知道,检测心率已经不困难了,我们可以用心电图的方式去检测,可以帮助我们检测到心脏疾病、心脏功能恢复等等,但是心电图没有办法帮我们检测到心脏机械泵血功能、心脏机能和胸部动力和加速情况。BCG可以帮助我们解决医生没有办法解决的,它可以帮助我们检测到早期的冠心病,心脏的泵血机能,那么如何区市县这么一种方案呢?村田用它的高精度MEMS传感器以及先进信号处理技术,为业界提供了无电极心率检测方案,可以简洁地从噪声信号中区分并提取BCG信号,进行各类应用开发。
  
  这张图显示病人躺在床上,我们把心率检测方案放在床垫的反面,这个时候病人并床上采集的信号是这么一个形式,而信号是很复杂的,但是用我们先进的信号处理技术可以把信号一一区分出来。
  
  我们可以无接触地测量病人躺在床上的BCG信号。可以把病床的移动和病人的移动两个信号区分出来。可以检测患者摇摆,反转和静止状态。
  
  那方案怎么去实现的呢?用的是模块化的方案,其实它很小。那它怎么构成的呢?它是用加速传感器、信号处理和无线模块。
  
  顺便跟大家说一下,这个传感器是医疗级别的,医疗级别是除航天级别以外最高级别的,所以对它的精度要求是特别高。
  
  在医疗的应用我不是专家,在这边我不多说,但这个应用说不定大家会感兴趣。在医院的监护室里面护士可以看到病人的睡眠状态、呼吸状态。另外在老人院里面放一个可以进行监测。对智能医疗我就介绍到这儿,纵观这几个智能解决方案,每一个方案都离不开传感器的节点,每一个传感器的节点都需要供电,如果供电不解决,就无法做到物联网无处不在,无所不在,那我们采用什么方式呢?采用能量采集的方式给这些传感器供电。
  
  我们可以把热能、机械能、光能都转化成所需要的电能,它产生的能量到底有多大呢?如果光靠这些发电的形式还不够,大家都说电容器,电容器,顾名思义要把它容积起来就可以达到1瓦,从而进行简单信息的发送。
  
  下面介绍一个村田的光发电元件,在室内照明或微弱灯光下都具有良好的发电能力,薄和轻不能被打碎,优秀的设计,便于使用。
  
  这是用在横滨的智能社区里面,我们用光发电器件给温湿度传感器供电,从而达到智能网络可以有效的继续运动。以上就是我对智能方案和传感器的一些介绍。
  
  在我结束发言之前,想给大家做一个总结。村田在物联网的核心技术到底是什么?大家知道物联网三个层面:感知层、网络层和应用层。村田在这两个层面上都有非常好的方案和产品。它在感知层里面提供各种类型的传感器以及无线通讯模块,把感知的信息从感知层送到网络层,而在应用层上呢,它提供各种类型的智能解决方案,比如智能农业、智能家居、智能照明、智能医疗,这包括各种网络节点,系统软件和云服务。
  
  以上就是我的发言,希望对大家会有所帮助。村田在这次物联网大会上也有很大的展区,所有这些技术,所有这些产品都有所展示,希望大家可以过去看一看,得到你们想要的东西,谢谢大家!
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