智能化仪器仪表中传感器信号无线传输技术研究

引言

智能化仪器仪表凭借数据自动采集、实时分析、智能调控功能，已成为各行业数字化转型的重要基础。传感器作为仪器仪表的 “感知器官”，需持续采集温度、压力、流量、生物信号等参数，其信号传输质量直接影响仪器仪表的监测精度与控制效果。传统仪器仪表多采用有线传输传感器信号，虽具备一定稳定性，但在复杂场景中存在明显局限：工业环境中设备移动或布线空间受限，有线传输难以灵活适配；户外监测仪器需跨区域部署，线缆铺设成本高且易受自然环境损坏；医疗便携仪器受限于线缆束缚，无法满足患者移动需求。

一、传感器信号无线传输的核心技术类型与适配逻辑

1.1 核心技术类型及特性

LoRa 技术，具有远距离、低功耗、抗干扰能力较强的特性，适用于低带宽传感器信号传输。其无需复杂组网，单基站覆盖范围广，可支撑工业远程监测仪器、户外环境监测仪器的信号传输，满足长期低频次信号采集需求，且设备功耗低，可通过电池供电实现长时间运行。NB-IoT 技术，依托蜂窝网络实现海量连接，支持低带宽、低功耗的传感器信号传输。该技术无需自建基站，可直接利用现有移动通信网络，适合城市范围内分布式仪器仪表的信号传输，如智能电表的电流电压信号、城市空气质量监测仪的污染物浓度信号，能实现大规模仪器的集中联网与信号汇总。蓝牙技术，包括经典蓝牙与蓝牙低功耗版本，具有近距离、高带宽特性。5G 技术，具备高速率、低延迟、大连接特性，可满足高带宽传感器信号的实时传输需求。

1.2 技术适配逻辑

按传感器信号特性适配，对低带宽、低频次信号，优先选择 LoRa 或 NB-IoT 技术，平衡传输效率与功耗；对高带宽、高频次信号，采用 5G 或经典蓝牙技术，保障信号传输速度与完整性。按仪器仪表应用场景适配，工业固定仪器可采用 LoRa 技术实现车间内信号覆盖；城市分布式仪器利用NB-IoT 技术依托现有网络组网；便携移动仪器选择蓝牙技术实现短距离信号交互；精密控制仪器通过 5G 技术满足低延迟传输需求。按运行环境条件适配，户外恶劣环境的仪器，选择抗干扰能力强的工业级 LoRa 或 5G 模块，增强信号传输稳定性。

二、无线传输技术在智能化仪器仪表中的应用场景

2.1 工业过程监测仪器应用

设备状态监测，在大型工业设备的振动传感器、温度传感器中集成 LoRa 模块，实时传输设备运行参数至监控平台。例如，电机轴承振动传感器通过 LoRa 技术将振动信号传输至远端监控系统，若信号超出正常阈值，平台立即预警设备故障，避免有线传输因设备移动或线缆磨损导致的信号中断。生产线参数调控，生产线流量仪、液位仪采用 5G 技术传输传感器信号，确保高频次数据的实时性。例如，化工生产线的液体流量传感器通过 5G 将流量信号传输至控制系统，系统根据信号快速调整阀门开度，保障生产参数稳定，解决传统有线传输在生产线调整时布线频繁改动的问题。分布式监测组网，户外工业管网的压力监测仪采用 NB-IoT 技术，依托蜂窝网络实现多节点信号联网。

2.2 环境感知类仪器应用

城市环境监测，城市道路旁的空气质量监测仪通过 NB-IoT 技术传输 PM2.5、二氧化硫等传感器信号，多台仪器形成城市环境监测网络，平台实时汇总各点位数据，生成污染分布图谱。相比有线传输，NB-IoT 无需自建基站，可快速实现大范围部署，适应城市复杂的监测场景。户外生态监测，偏远地区的气象站、水质监测仪采用 LoRa 技术传输传感器信号。山区水文监测仪的水位、流速传感器通过 LoRa 将信号传输至远端接收站，设备采用太阳能供电，结合 LoRa 低功耗特性，可实现无人值守长期运行，解决偏远地区有线供电与传输的难题。移动环境检测，便携式环境检测仪器采用蓝牙低功耗技术传输传感器信号。检测人员携带仪器现场采样，传感器信号通过蓝牙传输至手机或平板终端，终端实时显示检测结果并存储数据，无需线缆连接，提升现场检测的灵活性与效率。

2.3 医疗健康仪器应用

床边监护仪器，医院床边心电监护仪的心率、血氧传感器采用蓝牙技术传输信号，仪器与监护终端无线连接，避免线缆缠绕影响患者活动，同时保障生物电信号的实时传输，医护人员可通过终端实时查看患者生命体征数据，及时响应异常情况。便携诊断设备，便携式超声诊断仪、血糖检测仪采用5G 或蓝牙技术传输传感器信号。，超声设备的探头传感器通过 5G 将图像信号传输至诊断终端，实现高清图像的快速传输，支持医生在不同科室间移动操作，提升诊断效率；血糖检测仪通过蓝牙将血糖传感器信号传输至手机 APP，方便患者长期记录血糖数据。康复监测仪器，康复训练中的运动传感器采用低功耗蓝牙技术传输信号，传感器佩戴在患者关节处，实时传输运动角度、力度等信号至康复平台，平台根据信号评估训练效果，调整康复方案，无需线缆束缚，提升患者训练的舒适性与依从性。

三、技术应用面临的挑战与优化路径

3.1 核心挑战

信号干扰问题，工业环境中的电磁设备、城市中的无线信号基站、医疗环境中的高频设备，均可能对传感器无线信号产生干扰，导致信号传输误码率升高、数据丢失。传输稳定性不足，部分无线技术受传输距离、遮挡物影响较大，导致信号传输不稳定。，LoRa 信号在高楼密集区域易被遮挡，导致户外监测仪器信号时断时续；蓝牙信号传输距离有限，超出范围后便携仪器无法正常传输数据，影响使用体验。仪器功耗压力，智能化仪器仪表尤其是便携、户外类型，多依赖电池供电，无线传输模块的功耗直接影响仪器续航。

3.2 优化路径

技术升级层面，强化信号抗干扰设计，采用跳频通信、扩频通信技术，避免干扰源对固定频率的影响；在传感器信号传输前增加信号滤波模块，剔除干扰信号；对工业、医疗等特殊环境，开发专用抗干扰无线模块，提升信号传输可靠性。提升传输稳定性，采用多技术融合组网模式，如 LoRa 与 5G协同，远距离用 LoRa 传输，近距离切换 5G 保障带宽；部署信号中继设备，在遮挡区域或远距离场景中增强信号覆盖，减少传输盲区；优化无线模块的信号接收灵敏度，提升弱信号环境下的传输稳定性。降低仪器功耗，研发低功耗无线传输芯片，优化模块休眠唤醒机制，仅在信号传输时启动模块，空闲时进入休眠状态；对低频次信号传输场景，采用间歇传输模式，减少不必要的能耗，延长仪器续航。

结语

传感器信号无线传输技术为智能化仪器仪表突破有线传输局限、拓展应用场景提供了关键支撑。通过 LoRa、NB-IoT、蓝牙、5G 等技术的差异化应用，可满足工业、环境、医疗等领域仪器仪表的信号传输需求，提升数据采集效率与控制响应速度。尽管当前面临信号干扰、传输稳定性、功耗等挑战，但通过技术优化与机制完善，可逐步化解这些问题。

参考文献

[1] 中国仪器仪表行业协会。智能化仪器仪表无线传输技术白皮书 [R]. 2024.

[2] 工业和信息化部。传感器信号无线传输技术应用指南 [Z]. 2024.