От простых сенсоров - к интеллектуальным

Цель лекции: сформировать у слушателей (учащихся, читателей) более точное представление о том, что собой представляют сенсоры, в частности, интеллектуальные сенсоры, сенсорно-компьютерные системы, из каких главных функциональных узлов они состоят, какую роль играют в нашей жизни. Вкратце ознакомить с историей совершенствования сенсоров, с их многообразием, с возможными подходами к их классификации, с порядком их рассмотрения в данном цикле лекций.

1.1. Введение

Весь опыт развития человеческой цивилизации свидетельствует о том, что чем правильнее и лучше люди понимают мир, чем точнее, больше и глубже знают о нем, и чем в большем согласии с законами природы действуют, тем успешнее и лучше обустраивают они свою жизнь. В свою очередь, уровень, достоверность и глубина наших знаний о мире во многом определяются тем, с помощью каких средств воспринимаем мы этот мир, наблюдаем за ним, следим за происходящими в нем изменениями и явлениями.

В период становления человечества наши пращуры использовали для этого только свои органы чувств, возможности которых ограниченны. Но по мере развития технологий, техники, науки люди стали все шире применять также и разнообразные технические устройства, которые дополняют или заменяют наши органы чувств. Такие устройства принято называть сенсорами (от латинских слов sensus — чувство и sensorium — орган чувств).

Можно смело утверждать, что уровень развития цивилизации (наряду с другими важнейшими факторами) характеризуется уровнем развития сенсоров. Их роль в обеспечении нашей правильной ориентации, в более объективном, точном и глубоком восприятии действительности, в повышении качества и эффективности нашей деятельности трудно переоценить. Особенно это касается биологии, медицины, социальной сферы, высокотехнологических отраслей, где мы имеем дело с очень сложными объектами, оценивать состояние которых и процессы, в них происходящие, только "на глаз", по внешним признакам уже недостаточно.

Сенсоры к тому же — это именно те устройства, в которых происходит загадочный процесс "рождения информации" и в которых физико-химические изменения, происходящие в реальной действительности, превращаются в информационные сигналы, служащие основой для разумного поведения, для формирования и уточнения моделей этой действительности, наших представлений о ней. По большому счету, именно от сенсоров фактически и начинается любое разумное поведение, всякий интеллект, вся информатика. Любая разумная система, возникшая естественным путем или созданная другой разумной системой, успешно функционирует и выживает в реальном мире лишь тогда и до тех пор, когда и пока она получает объективную и качественную информацию о нем.

Каким образом может происходить "превращение" физико-химических воздействий в информацию, каковы возможные механизмы этого "превращения", принципы действия сенсоров, от чего зависит точность получаемой информации, - об этом и рассказывается в предлагаемом цикле лекций.

Поразительно быстрое, можно сказать, "революционное", развитие в последние десятилетия кибернетики, микроэлектронной и оптоэлектронной элементной базы информатики, да, собственно, и самих прикладных областей знаний, сделало возможным построение нового поколения "разумных" сенсоров. Такие сенсоры стали называть "интеллектуальными" — от латинского слова intellectualis, которое кроме значения "умственный" имеет также значение "рассудительный, соображающий, разумный". Создание и все более широкое применение интеллектуальных сенсоров — это один из признаков информационной стадии в развитии общества.

Каковы отличительные особенности таких сенсоров, какие они бывают, от чего зависит и как достигается их интеллектуальность, как их проектировать и строить, обеспечивать удобство и надежность их работы, — эти и много других вопросов относительно интеллектуальных сенсоров тоже раскрываются в данном цикле лекций.

Еще одна задача этого курса: наглядно показать, что интеллектуальные сенсоры — это уже не мечта, не отдельные разрозненные достижения современной техники, что они уже уверенно вошли в нашу повседневную жизнь. Их разработка и производство стали самостоятельной важной инновационной подотраслью приборостроения. Пока этот факт не всегда осознают даже специалисты — разработчики отдельных интеллектуальных сенсоров.

В связи с этим напомним, как на севере, на берегу Ледовитого океана летнее солнце, волны и дожди размыли со временем крутой берег, и на его обрыве открылись какие-то кости. Учуяв добычу, к этим костям приползли насекомые, пришли дикие звери, начали грызть их, даже и не подозревая, что это за кости. Только образованный человек, оказавшийся на том берегу, сумел разглядеть и понять, что это не просто отдельные кости, а остатки скелета огромного животного. Люди старательно выбрали и рассортировали эти кости, осторожно перевезли, а потом собрали их в музее, где все теперь могут увидеть впечатляющий цельный скелет огромного мамонта.

Вот и мы решили в данном цикле лекций собрать вместе разрозненные примеры различных интеллектуальных сенсоров, рассортировать и описать их, чтобы каждый смог увидеть, что все они вместе – это и в самом деле уже не просто отдельные научно-технические достижения, а новое поколение сенсоров, очередной значительный шаг в развитии сенсорики и вообще в технологическом прогрессе человечества.

1.2. Уточнение понятия "сенсор"

Разные авторы по-разному трактуют понятие "сенсор". У одних – это "чувствительный прибор", искусно созданный человеком "бдительный сторож", у других – "анализатор", распознающий, узнающий нужный объект ("аналит"), у третьих – " датчик " какой-то физической величины (температуры, давления, угла поворота), у четвертых – орган чувств животного или растения и т.д. Выше и мы, желая дать начальное объяснение этому понятию, сказали, что сенсоры – это "устройства, которые дополняют или заменяют наши органы чувств". И всё это частично правильно. Действительно, все сенсоры что-то "чувствуют" (например, изменение температуры, наличие магнитного поля, изменение кислотности раствора и т.п.); за чем-то "бдительно наблюдают"; что-то "распознают" (напр., отклонение от вертикали, появление в воздухе избытка углекислого газа, наличие в воде возбудителя холеры, ...); "измеряют" какую-нибудь физическую величину (напр., освещенность, ускорение, давление, ...). Все они, действительно, заменяют или дополняют наши органы чувств. В понятии "датчик" акцент делается на другой важной способности сенсора – на том, что он выдает во внешний мир сигналы о том, что он "чувствует", "распознаёт", "измеряет".

Чтобы точнее определить понятие "сенсор", надо отвлечься от деталей, от того, что именно "чувствует", "распознаёт", "измеряет" сенсор, с какой конкретной целью и как именно он это "делает", каким конкретно образом выдает он сигналы во внешний мир. Главное, общее, что тогда остаётся, – это то, что

1. у сенсора есть "объект наблюдения" ;
2. взаимодействуя с объектом наблюдения, под его влиянием сенсор меняет свое состояние ("чувствует", "распознает", "измеряет") и
3. каким-то образом выдает сигналы об этом ("сигнализирует") "пользователю".

Объектом наблюдения является тот материальный объект, процесс, та среда, с которыми взаимодействует сенсор, информацию о которых он "приставлен" собирать. Объектом наблюдения может быть, в частности, и вся окружающая сенсор среда. Для уровня (ватерпаса), например, объектом наблюдения является плоская поверхность, на которой он установлен; для радиоприемника объектом наблюдения является окружающее его антенну электромагнитное поле; для медицинского градусника – тело, находящееся в тепловом контакте с его концом, в котором находится капля ртути.

"Пользователем", получающим, понимающим и использующим сигналы от сенсора может быть человек, другое живое существо, автоматическая система управления, регулирования или регистрации, для которых сигналы от сенсора являются "информацией" об объекте наблюдения. Таким образом, отвлекаясь от частностей, мы приходим к следующему определению понятия "сенсор".

Сенсор – это устройство (прибор, орган, узел), преобразующее физическое (физико-химическое) изменение в объекте наблюдения, его физическое воздействие в информационный сигнал для пользователя . Сенсор – это связующее звено между реальным "физическим" миром и миром информационных моделей, между материей и информацией.

Сенсоры поставляют "пользователю" важнейшую объективную исходную информацию, на основе которой только и можно предвидеть события, разумно вести себя в мире, судить о том, насколько созданные и применяемые пользователем информационные модели адекватны реальным процессам и объектам, с которыми он имеет дело.