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一台台AGV机器人搬运各种包裹或物料，按照指令和程序设定好的路线，井然有序地穿梭在生产线旁或自动分拣线，实现了近千种零部件或包裹的智能分拣，在这里，传感器功不可没。地狼仓全自动分拣系统如图3-12所示。

1.什么是传感器？

2.说说传感器在智慧物流领域的功能和应用。

引例分析：在智慧物流系统中，计算机技术是它的大脑，传感器是它的神经系统。传感器感知外界的信息并将感觉到的信息传递给大脑。传感器是智慧物流的基础，智慧物流的发展离不开大量的数据采集与传输，数据是智慧物流的关键，而这些数据则需要依靠先进的扫描技术、无线设备等传感技术和通用性设备相连，以实现快速的信息获取。传感器是实现数据自动检测和自动控制的首要环节。

一、传感器技术概述

（一）传感器的定义

传感器（Transducer/Sensor）是一种检测装置。它能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

中华人民共和国国家标准（GB/T 41554—2022）中对传感器的定义为：能够观测某种现象并返回观测值的仪器或工具。

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。其中，敏感元件能直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

（二）传感器的分类

传感器按照工作原理可以分为两大类：物理传感器和化学传感器。物理传感器包括力传感器、光传感器、电传感器、声传感器、热传感器、磁传感器、射线传感器等；化学传感器包括离子传感器、湿度传感器、生物传感器、气体传感器等。

通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等。

（三）传感器的工作原理

传感器的基本原理（见图3-13）是：通过敏感元件及转换元件把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号并输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。传感器能够感受如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能按照一定的规律转换成电压、电流等电学量，或转换为电路的电流。传感器的作用是把非电学量转换为电学量或电路的电流，从而很方便地进行测量、传输、处理和控制。

据《2020年赛迪顾问传感器十大园区白皮书》，2014—2019年，我国传感器市场规模呈不断增长趋势，2014年行业市场规模为982.8亿元，2019年增长至2 188.8亿元。2020年，我国传感器市场规模提高至2 494亿元，同比增长约13.9%。结合我国传感器市场规模占全球市场比例情况，以及2021年我国传感器市场因疫情控制情况较好而增速回升等相关因素测算得到，2021年我国传感器市场规模约为2 968.0亿元。

（四）传感器技术在物流领域的应用

传感器在物流领域中的应用只是其中的一部分，但是其重要性日益凸显。物流行业应用最为广泛的是采用光敏元件的传感器，如光电传感器、光幕传感器等，它们应用在入库、上架、拣选、出库等各个仓储物流作业环节的商品或设备信息读取、检测及复核上。随着物流的进一步发展，自动化立体库、AGV、各类拣选机械手及机器人对传感器的应用越来越多。

1.传感器在智能物流设备中的应用

传感器作为智能装备感知外部环境信息的自主输入装置，对智能装备的应用起着技术牵引和场景升级的作用。物流设备上使用到的传感器主要包括光电传感器、电感式接近开关、激光测距仪、区域扫描仪、限位开关、测量光幕、安全光幕和RFID等（见图3-14），其中光电传感器和RFID应用比例比较大。

光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。光电传感器在一般情况下，由发送器、接收器和检测电路三部分构成。发送器对准目标发射光束，接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。检测电路能滤出有效信号和应用该信号。

传感器在智能物流设备中的应用主要包括AGV机器人、堆垛机、输送机、分拣机、无人机等。

比如，AGV机器人应用在智能搬运系统中，沿规定的路径行驶，实现各种物料搬运的功能。光电传感器（2～8个）检测货物有无及货物稳定性、车的方位等；电感式接近开关（2～8个）检测有无物体遮挡小车及小车是否偏离轨迹；激光测距仪（2～6个）保障车与车之间的安全距离，对叉车及负载进行定位；区域扫描仪（1～4个）实现小车到达危险区域有障碍物体阻挡时，及时使小车减速或立即停止；限位开关（1～4个）保证AGV装货、卸货的安全性；安全光幕（1～2个）保护工作人员安全；RFID（1个）识别AGV地标，在各种关键点对AGV实现控制，实现AGV小车托盘对货物抓取的识别。

2.传感器在智能物流监控中的应用

为了便于对货物的监控管理，在货物仓储和运输的过程中，根据货物的运输需求，在每一宗货物的包裹内放置用于身份识别的基于传感器的物流供应链智能监控终端装置，该装置普遍应用于室内外货物状态的追踪及环境变化的监控，如冷链生鲜食品、医药品、贵重物品、危化品等。当对货物进行扫描识别时，该装置就可以进行无接触式的信息读写，自动识别货物的信息，如监控温湿度、定位信息、货物状态参数和质量信息等。

（1）冷链生鲜食品物流监控。

基于无线传感器技术对生鲜食品的运输监控，实时采集生鲜食品在仓储及运输过程中的信息，如温湿度参数、食品状态以及定位信息。当监控到运输柜中的温度超过阈值时便发出警报，提醒管理人员及时处理，从而保证食品高质量的交付。

（2）医药品物流监控。

通过物流供应链智能监控终端装置，可助力医药企业随时随地获取药品运输路径的环境变化和运输状态，在车辆上配备先进的传感器设备对药品放置空间的温度、湿度、震动、光照等进行监测并记录，同时保证运输平稳度和运输时间，进而使药品安全、完整、按时地达到收货方。除此之外，通过将GPS卫星导航系统安装到物流企业的药品配送运输车上，可在冷链物流中进行车辆调度、跟踪控制，进而确保药品质量。

（3）贵重物品物流监控。

基于传感器的终端装置采用RFID非接触式的自动识别技术及GPS定位技术，能有效地对贵重物品的运输环节进行实时采集和跟踪。比如当贵重物品仓储或运输过程中遭遇位移、震动、水浸、开箱或运输线路偏移、超时延误等情况时，系统能够实时监测并触发警报，管理人员就会第一时间获取物品运输过程中的相关信息。可视化分析极大地提高了贵重物品运输过程中的透明性和安全性，同时也为贵重物品签收后因异常破损情况而引起的申诉理赔提供依据。

（4）危化品运输物流监控。

基于传感器的终端装置利用物联网采集技术结合危化品周围环境参数，深度监控危化品仓储运输过程中的运行状态及运行轨迹。当平台监测到危化品周围环境的相应参数达到临界阈值时，系统随即按照预先设定的预警方案做出报警响应，管理人员能够迅速调控驾驶员采取相应的决策方案，从而有效降低运输过程中的损耗。

随着我国国民经济实力的不断增强，各行各业都取得了空前的进步和发展，物流行业更是发展迅猛。2020年，天猫平台实时成交额突破3 723亿元，京东累计下单金额突破2 000亿元。全国邮政、快递企业共处理快件39.65亿件，其中11月11日当天共处理快件6.75亿件，同比增长26.16%，再创历史新高。如此庞大的物流订单，物流公司都是怎样提高工作的准确率和保证高效率的呢？从物流分拣到包装，都采用智能机械设备自动操作，不但节省了人工成本，还提高了工作效率。在走向智能化过程中，光电传感器作为设备核心部件，为检测提供相应的技术支持，功不可没。应用在快速输送线上的光电传感器，对输送线上的物品扫描进行信息读取、检测及复核，这使机械能正确地挑选商品，识别长度不同的物体，并且正确输送分拣。应用在快速输送线上的光电传感器不但要抗高强光的干扰，快速识别不同形状、不同颜色的物体，还要保证稳定性和可靠性。任何一个传感器失灵，都会造成设备的工作失误。

二、无线传感器网络工作原理及应用

（一）无线传感器网络的定义

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳（Multi-Hop）的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。

中华人民共和国国家标准（GB/T 40422—2021）中对无线传感器网络（无线传感网）的定义为：由一组无线传感器节点设备通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。该网络的目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。其通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。

（二）无线传感器网络的特点

与传统式的网络和其他传感器相比，无线传感器网络具有以下特点。

（1）组建方式自由。无线传感器网络的组建不受任何外界条件的限制。组建者无论在何时何地，都可以快速地组建起一个功能完善的无线传感器网络，组建成功之后的维护管理工作也完全在网络内部进行。

（2）网络拓扑结构灵活自由。从网络层次的方向来看，无线传感器的网络拓扑结构是变化不定的，例如构成网络拓扑结构的传感器节点可以随时增加或者减少，网络拓扑结构图可以随时被分开或者合并。

（3）控制方式不集中，网络强度高。虽然无线传感器网络把基站和传感器的节点集中控制了起来，但是各个传感器节点之间的控制方式还是分散式的，路由和主机的功能由网络的终端实现，各个主机独立运行，互不干涉，因此无线传感器网络的强度很高，很难被破坏。

（4）安全性不高。无线传感器网络采用无线方式传递信息，因此传感器节点在传递信息的过程中很容易被外界入侵，从而导致信息的泄露和无线传感器网络的损坏。大部分无线传感器网络的节点都是暴露在外的，这大大降低了无线传感器网络的安全性。

无线传感器网络具有众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

中华人民共和国标准（GB/T 30269.902—2018）《信息技术　传感器网络　第902部分：网关：网络传输安全》规定了传感器网络网关的远程管理功能结构和管理功能要求，包括网关状态管理、网关远程配置、网关安全管理、网关自我维护管理、传感器网络管理、应用管理、标识管理和网关远程管理接口。

中华人民共和国标准（GB/T 30269.807—2018）《信息技术　传感器网络　第807部分：测试：远程管理技术要求》规定了针对传感器网络传输安全技术要求和测试方法，适用于传感器网络的建设、使用、安全测试和风险评估。

（三）无线传感器网络的工作原理

无线传感器网络是一种新型的分布式测控系统，由分布在监测区域内的大量传感器节点组成。得益于无线通信技术和微电子技术的飞速发展，开发低成本、低能耗、多功能的微型无线传感器节点已成现实。

图3-15是一个典型的无线传感器网络应用系统的示意图，它描述了无线传感器网络系统所包含的三种类型的节点，即传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink）和任务管理节点（Task Manager Node）。图中白色的监测区域中已经部署了大量的无线传感器节点，每个节点都可以采集其覆盖区域的现场数据，路由到Sink节点采用了多跳方式。节点A就是经过了A<->B<->C<->D<->Sink的多跳路由来实现数据转发，其他传感器节点的情况依此类推。Sink节点是一个类似于网关的特殊节点，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，能够把无线传感器网络桥接到其他的通信网络，比如Internet，从而使终端用户能够方便实时地通过任务管理节点来进行各种操作。Sink节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是仅带有无线通信接口的网关设备。任务管理节点可以是各种智能终端，PC（个人电脑）、PDA（掌上电脑），甚至是智能手机。

小思考：无线传感器网络与物联网有何区别和联系？

（四）无线传感器网络在物流领域的应用场景

无线传感器网络（WSN）作为推动物联网发展的四驾马车之一，越来越受到各个行业的青睐。WSN在物流领域中的应用，比较常见的有仓储环境监测、在途货物监测、运动物体监测等。

1.仓储环境监测

仓储作为物流中一个非常重要的环节，将WSN应用于仓储监测将有利于现代仓储系统的信息化和智能化。为实现货物信息的实时传递，仓储不仅需要配备先进的作业设备，建立高效的作业流程，还需要有仓储监控管理系统。仓储监测的关键技术包括参数监测与传输、节点部署、数据处理，具体的监测范围包括仓储环境监测和仓储作业设备监测。表征仓储环境的参数包括温度、湿度、光照度、氧含量等。仓储监测就是要利用WSN对以上参数进行实时地感知、记录、分析、报警等，以达到改善仓储作业环境、保证物品安全、提高仓储效率的目的。

2.在途货物监测

在途危险物监控系统，是一种相对比较复杂的监控系统。在途危险物监控系统需要实时掌握在途货物的相关参数，确保人员、设备及所运载货物的安全并及时到达。因此，对在途货物的监测需要由远程控制和车载监控两部分组成。车载监控由传感器节点和车载控制中心组成，并通过Zigbee构建无线传感器网络。传感器节点应根据不同的监控需求，选用合适的传感器节点。传感器节点的安装位置需要根据相应的车体结构和运输物品而定，并且需要经过不断的试验以调整至最佳状态。

3.运动物体监测

对运动物体的监测，由于其本身的不确定性导致的漏检等相关问题，通常需要格外关注网络监测数据的有效性和可靠性。因此对于运动物体监测系统而言，首先需要考虑的问题就是其可扩展性和容错能力。运动型WSN监测系统一般由监管中心、传感器节点、网关、路由器等构成。其中监测节点只采集数据信息；汇聚节点主要负责将收集到的数据通过合适的路由传递出去；网关将收到的数据发送给监管中心；监管中心由远程控制终端和数据存储服务器组成；路由器主要负责协调采集单元与监管中心之间的相互通信；远程控制终端的主要功能是发出控制命令，并为管理人员提供实时的监测数据。

无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一，可用于在特殊环境实现对信号的采集、处理和发送。无线传感器网络是一种信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。

智能交通系统（ITS）是在传统交通体系的基础上发展起来的新型交通系统，它将信息、通信、控制和计算机技术以及其他现代通信技术综合应用于交通领域，并将“人—车—路—环境”有机地结合在一起。在现有的交通设施中增加一种无线传感器网络技术，能够从根本上缓解困扰现代交通的安全、通畅、节能和环保等问题，同时还可以提高交通工作效率。

智能交通系统主要包括交通信息的采集、交通信息的传输、交通控制和诱导等几个方面。无线传感器网络可以为智能交通系统的信息采集和传输提供一种有效手段，用来监测路面与路口各个方向的车流量、车速等信息。

它主要由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统之间的数据传输与通信等子系统组成。信息采集子系统主要通过传感器采集车辆和路面信息，然后由策略控制子系统根据设定的目标，并运用计算方法计算出最佳方案，同时输出控制信号给执行子系统，以引导和控制车辆的通行，从而达到预设的目标。

无线传感器网络在智能交通中还可以用于交通信息发布、电子收费、车速测定、停车管理、综合信息服务平台、智能公交与轨道交通、交通诱导系统和综合信息平台等技术领域。