編者按：

本文關(guān)于傳感器與人工智能融合改變智能制造時代。鳴謝 自主研制NTC芯片的特普生儲能CCS集成溫度采集母排，對本文的大力支持，感謝特普生海外技術(shù)翻譯官林博女士！

德國零部件供應(yīng)商BOSCH博世將其位于德累斯頓的新半導(dǎo)體工廠稱為智能工廠，擁有高度自動化、完全互聯(lián)的機(jī)器和集成流程，并與人工智能和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 技術(shù)相結(jié)合，以促進(jìn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造。憑借自我思考驅(qū)動的機(jī)器和內(nèi)置攝像頭的眼鏡，該工廠的維護(hù)工作可以在 9,000 公里（約 5,592 英里）外進(jìn)行。

毫不奇怪，BOSCH博世將這座工廠視為工業(yè) 4.0的體現(xiàn)，這意味著生產(chǎn)單元具有智能處理能力，無需人工輔助即可進(jìn)行通信，同時連接物理世界和虛擬世界。羅伯特·博世有限公司管理委員會主席 Volkmar Denner表示：“在人工智能的幫助下，我們將把半導(dǎo)體制造提升到一個新的水平。

人工智能算法支持的智能流程甚至可以檢測半導(dǎo)體晶圓中最微小的異常情況。

工業(yè) 4.0 涵蓋了汽車和多個電子行業(yè)智能制造的廣泛需求。在這里，工業(yè) 4.0 解決方案通過基于傳感器的系統(tǒng)支持自動化生產(chǎn)線監(jiān)控，為任何制造過程提供實(shí)時監(jiān)控和可操作性。

還需要注意的是，工業(yè) 4.0 的概念大約在十年前出現(xiàn)，隨著嵌入式系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)連接和數(shù)據(jù)分析的發(fā)展而不斷發(fā)展。在工業(yè) 4.0 領(lǐng)域，基于傳感器的設(shè)備正在不斷重塑工業(yè)、汽車和機(jī)器人領(lǐng)域；其中包括工業(yè)壓力變送器、HVAC 傳感器、體重秤、工廠自動化設(shè)備和智能儀表。

智能制造的演變

然而，在深入研究智能傳感器在工業(yè) 4.0 中的作用之前，有必要先看看該行業(yè)是如何達(dá)到這一拐點(diǎn)的。

這一切都始于 20 世紀(jì) 80 年代，當(dāng)時公司將計算機(jī)連接到控制設(shè)備，并開始使用機(jī)器人進(jìn)行自動化物料搬運(yùn)。工廠自動化也緊隨其后，實(shí)現(xiàn)了材料運(yùn)輸?shù)戎貜?fù)制造流程的自動化。

隨后出現(xiàn)了智能制造的理念，它開始將物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動分析和人工智能技術(shù)相結(jié)合。如果做得有效，可以實(shí)現(xiàn)流程優(yōu)化、靈活生產(chǎn)、縮短交貨時間、提高人力質(zhì)量和提高效率。

但這也需要更強(qiáng)的計算能力、先進(jìn)的電機(jī)控制算法、可靠的連接和穩(wěn)定的圖像識別。同樣，智能傳感器是制造流程轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素。智能傳感器從物理環(huán)境獲取模擬輸入，并采用專門的技術(shù)來調(diào)節(jié)這些數(shù)據(jù)，以便在數(shù)字世界中使用。

以用于智能制造的自主漫游車為例，它使用導(dǎo)航算法與飛行時間 (ToF) 傳感器相結(jié)合，可以自由移動而不會造成碰撞。它還采用人工智能和機(jī)器視覺技術(shù)來識別特定顏色的物體，拾取它們，并使用具有場定向控制（FOC）的機(jī)械臂將它們放入相應(yīng)的籃子中。

智能傳感器已成為人工智能驅(qū)動的工業(yè) 4.0 應(yīng)用的關(guān)鍵要素。（來源：意法半導(dǎo)體）

傳感器構(gòu)建模塊：推陳出新

信號調(diào)節(jié)器對于主要處理非線性和非常小的信號的智能傳感器仍然至關(guān)重要，這些傳感器需要專門的技術(shù)將傳感器信號轉(zhuǎn)換為線性化輸出。信號調(diào)節(jié)器通過提供可編程、高精度、寬增益和量化功能以及強(qiáng)大的高階數(shù)字校正和線性化算法來增強(qiáng)傳感器接口。

然后是圖像傳感器。雖然不是一項新技術(shù)，但它們通過促進(jìn)高性能工業(yè)檢測自動化，在智能制造應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。先進(jìn)的 CMOS 圖像傳感器現(xiàn)已成為智能制造環(huán)境中常用的 3D 機(jī)器視覺和光譜分析的主要產(chǎn)品。

除了這些久經(jīng)考驗的傳感器構(gòu)建模塊之外，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以滿足智能制造領(lǐng)域更苛刻的應(yīng)用。以工業(yè)操作中常用來捕獲 3D 圖像的 ToF 傳感器為例。此類傳感相機(jī)可在機(jī)器人、工業(yè) 4.0 和汽車工廠中實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺和預(yù)測性維護(hù)。

另一項值得注意的技術(shù)，包括高度小型化的 MEMS 掃描儀，越來越多地用于工業(yè)制造中的圖像掃描。這些設(shè)備（一維和二維微型掃描儀）具有大掃描角度和高掃描頻率，可在制造環(huán)境中創(chuàng)建高度可靠的控制系統(tǒng)。

AI 與 MEMS 傳感器的結(jié)合

小型化、智能和網(wǎng)絡(luò)化的傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè) 4.0 和采用人工智能功能的智能制造應(yīng)用的基礎(chǔ)，并且這些智能傳感器越來越多地在工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)邊緣的應(yīng)用中找到了一席之地。

典型的例子：意法半導(dǎo)體 (STMicro) 在所謂的智能傳感器處理單元 (ISPU) 中增加了傳感計算能力。它將適合運(yùn)行 AI 算法的 DSP 和 MEMS 傳感器集成在同一芯片上。傳感器和人工智能的融合將電子決策置于邊緣，同時使智能傳感器能夠感知、處理和采取行動，架起技術(shù)與物理世界融合的橋梁。

智能傳感器處理單元（右）通過將 DSP 驅(qū)動的 AI 與 MEMS 傳感器相結(jié)合來補(bǔ)充傳感功能。（來源：意法半導(dǎo)體）

STMicro 還通過添加 AI 加速、時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 支持以及 PCIe、USB 3.0 和 CAN-FD 外設(shè)，為其 STM32 處理器做好工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)邊緣應(yīng)用的準(zhǔn)備。STMicro 執(zhí)行副總裁兼通用微控制器子集團(tuán)總經(jīng)理 Ricardo De Sa Earp 表示，這些人工智能處理器已做好迎接工業(yè) 4.0、物聯(lián)網(wǎng)和豐富用戶界面應(yīng)用領(lǐng)域的新興機(jī)遇的準(zhǔn)備。

上述示例展示了制造業(yè)如何在智能傳感器和計算豐富性與人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的時代不斷發(fā)展。智能傳感器構(gòu)成工業(yè) 4.0 的支柱，越來越多地應(yīng)用于智能工廠環(huán)境。它們已與人工智能、云計算和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一起成為工業(yè) 4.0 的關(guān)鍵要素。