德國零部件供應商BOSCH博世將其位于德累斯頓的新半導體工廠稱為智能工廠，擁有高度自動化、完全互聯的機器和集成流程，并與人工智能和物聯網 (IoT) 技術相結合，以促進數據驅動的制造。憑借自我思考驅動的機器和內置攝像頭的眼鏡，該工廠的維護工作可以在 9,000 公里（約 5,592 英里）外進行。
毫不奇怪，BOSCH博世將這座工廠視為工業4.0的體現，這意味著生產單元具有智能處理能力，無需人工輔助即可進行通信，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，我們將把半導體制造提升到一個新的水平。
圖 1：人工智能算法支持的智能流程甚至可以檢測半導體晶圓中最微小的異常情況。（來源：博世）
工業 4.0 涵蓋了汽車和多個電子行業智能制造的廣泛需求。在這里，工業4.0 解決方案通過基于傳感器的系統支持自動化生產線監控，為任何制造過程提供實時監控和可操作性。
還需要注意的是，工業 4.0 的概念大約在十年前出現，隨著嵌入式系統、互聯網連接和數據分析的發展而不斷發展。在工業 4.0 領域，基于傳感器的設備正在不斷重塑工業、汽車和機器人領域；其中包括工業壓力變送器、HVAC 傳感器、體重秤、工廠自動化設備和智能儀表。
然而，在深入研究智能傳感器在工業 4.0 中的作用之前，有必要先看看該行業是如何達到這一拐點的。
這一切都始于 20 世紀 80 年代，當時公司將計算機連接到控制設備，并開始使用機器人進行自動化物料搬運。工廠自動化也緊隨其后，實現了材料運輸等重復制造流程的自動化。
隨后出現了智能制造的理念，它開始將物聯網、數據驅動分析和人工智能技術相結合。如果做得有效，可以實現流程優化、靈活生產、縮短交貨時間、提高人力質量和提高效率。
但這也需要更強的計算能力、先進的電機控制算法、可靠的連接和穩定的圖像識別。同樣，智能傳感器是制造流程轉型的關鍵因素。智能傳感器從物理環境獲取模擬輸入，并采用專門的技術來調節這些數據，以便在數字世界中使用。
以用于智能制造的自主漫游車為例，它使用導航算法與飛行時間 (ToF) 傳感器相結合，可以自由移動而不會造成碰撞。它還采用人工智能和機器視覺技術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）的機械臂將它們放入相應的籃子中。
圖 2：智能傳感器已成為人工智能驅動的工業 4.0 應用的關鍵要素。（來源：意法半導體）
信號調節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重要，這些傳感器需要專門的技術將傳感器信號轉換為線性化輸出。信號調節器通過提供可編程、高精度、寬增益和量化功能以及強大的高階數字校正和線性化算法來增強傳感器接口。
然后是圖像傳感器；雖然不是一項新技術，但它們通過促進高性能工業檢測自動化，在智能制造應用中發揮著關鍵作用。先進的 CMOS 圖像傳感器現已成為智能制造環境中常用的 3D 機器視覺和光譜分析的主要產品。
除了這些久經考驗的傳感器構建模塊之外，新技術不斷涌現，以滿足智能制造領域更苛刻的應用。以工業操作中常用來捕獲 3D 圖像的 ToF 傳感器為例。此類傳感相機可在機器人、工業 4.0 和汽車工廠中實現機器視覺和預測性維護。
另一項值得注意的技術，包括高度小型化的 MEMS 掃描儀，越來越多地用于工業制造中的圖像掃描。這些設備（一維和二維微型掃描儀）具有大掃描角度和高掃描頻率，可在制造環境中創建高度可靠的控制系統。
小型化、智能和網絡化的傳感器和執行器構成了物聯網、工業 4.0 和采用人工智能功能的智能制造應用的基礎，并且這些智能傳感器越來越多地在工業和物聯網邊緣的應用中找到了一席之地。
典型的例子：意法半導體 (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，架起技術與物理世界融合的橋梁。
圖 3：智能傳感器處理單元（右）通過將 DSP 驅動的 AI 與 MEMS 傳感器相結合來補充傳感功能。（來源：意法半導體）
STMicro 還通過添加 AI 加速、時間敏感網絡 (TSN) 支持以及 PCIe、USB 3.0 和 CAN-FD 外設，為其 STM32 處理器做好工業和物聯網邊緣應用的準備。STMicro 執行副總裁兼通用微控制器子集團總經理 Ricardo De Sa Earp 表示，這些人工智能處理器已做好迎接工業 4.0、物聯網和豐富用戶界面應用領域的新興機遇的準備。 。
上述示例展示了制造業如何在智能傳感器和計算豐富性與人工智能和神經網絡相結合的時代不斷發展。智能傳感器構成工業 4.0 的支柱，越來越多地應用于智能工廠環境。它們已與人工智能、云計算和工業物聯網一起成為工業 4.0 的關鍵要素。
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