物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器融合和遠(yuǎn)程情感計(jì)算

　　摘要

　　傳感器技術(shù)時(shí)代已經(jīng)到來?，F(xiàn)在，很難見到不使用傳感器為用戶創(chuàng)造新體驗(yàn)的電子消費(fèi)產(chǎn)品。傳感器正在經(jīng)歷復(fù)興，這是由于微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 技術(shù)價(jià)格降低了，尺寸也縮小了，因此又推動(dòng)了傳感器在新應(yīng)用的使用，并為傳感器市場營造了新機(jī)遇。

　　1. 引言

　　傳感器現(xiàn)在用于各種應(yīng)用中，如智能移動(dòng)設(shè)備、汽車系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療保健、石油勘探和氣候監(jiān)測。傳感器無處不在，現(xiàn)在傳感器技術(shù)已開始密切模仿終極感知設(shè)備，即人類。傳感器融合使這成為可能，該技術(shù)利用微控制器（“大腦”）將從多個(gè)傳感器采集的各個(gè)數(shù)據(jù)融合在一起，獲得的數(shù)據(jù)視圖比單獨(dú)使用各個(gè)離散傳感器獲得的視圖更準(zhǔn)確、更可靠。使用傳感器融合整體采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各傳感器獨(dú)立采集的數(shù)據(jù)之和。

　　傳感器融合支持環(huán)境感知，這對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）來說蘊(yùn)藏著巨大潛力。傳感器融合針對(duì)遠(yuǎn)程情感計(jì)算（情感感測和處理）的演進(jìn)在未來還可能產(chǎn)生激動(dòng)人心的新應(yīng)用，包括智能醫(yī)療。然而，這些功能也帶來了物聯(lián)網(wǎng) 監(jiān)管中需要解決的嚴(yán)重的隱私問題。隨著傳感器融合和 REC 技術(shù)的使用不斷增加，將采集大量的環(huán)境感知數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng) 對(duì)“空中全球神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”和基于云的處理資源的訪問，將進(jìn)一步推動(dòng)為給定情況提供自定義的環(huán)境感知服務(wù)。這些服務(wù)可基于單個(gè)用戶正在做什么、設(shè)備正在做什么、基礎(chǔ)設(shè)施正在做什么，大自然正在做什么等環(huán)境，以及所有上述內(nèi)容的各種組合。

　　圖1 傳感器融合：人體模型

　　2. 人類：終極傳感示例

　　為了了解傳感器融合如何工作，讓我們看看人體內(nèi)感知的工作方式。一個(gè)人在許多方面體驗(yàn)外部世界。視覺、聽覺、化學(xué)感覺（嗅覺和味覺）和表面感覺（觸覺）都提供關(guān)于一個(gè)人周圍環(huán)境的感官信息，這些信息通過外周神經(jīng)系統(tǒng) （PNS） 傳遞給大腦。然后大腦決定如何響應(yīng)一個(gè)給定的情況或體驗(yàn)。

　　PNS 對(duì)它傳輸?shù)男畔⒉恢贫◤?fù)雜的決策；這些決策由大腦制定。對(duì)感覺輸入，大腦的反應(yīng)是發(fā)送運(yùn)動(dòng)信息，這是人類對(duì)輸入的響應(yīng)。例如，一個(gè)行人看到一輛汽車向他開過來，他的大腦告訴他的肌肉以更快的速度走到路的另一邊，避免發(fā)生事故。人還接收來自他們內(nèi)臟器官的信息，其中一些信息非常明顯，如胃疼。還有其他類型的體內(nèi)信息是人無法感知的，如血壓，這些信息用于調(diào)節(jié)人體的內(nèi)部環(huán)境。

　　圖2 計(jì)步器案例分析

　　大腦是最終的決策者。然而，如果沒有外周神經(jīng)系統(tǒng)帶來感知信息并發(fā)出運(yùn)動(dòng)信息，人將無法行走、說話或我們經(jīng)常認(rèn)為理所當(dāng)然的許多其他功能。大腦經(jīng)常使用數(shù)個(gè)感官輸入源驗(yàn)證事件，并完善非“完整性”信息，從而做出決策。例如，人可能看不到汽車引擎蓋下的火焰，但橡膠燃燒的氣味和儀表盤散發(fā)的熱量將告訴大腦需要離開這輛汽車，因?yàn)橐嫫鸹鹆?。在這種情況下，使大腦做出反應(yīng)的信息大于獨(dú)立感官輸入之和。

　　在技術(shù)世界，傳感器融合發(fā)揮的作用與此相似。傳感器融合將來自多個(gè)傳感器的輸入整合在一起，提供更準(zhǔn)確、更可靠的傳感，能夠產(chǎn)生更高水平的認(rèn)知，并提供新的應(yīng)對(duì)措施。各個(gè)傳感器都有固有的局限性，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，但這些錯(cuò)誤可以由補(bǔ)充傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行糾正或進(jìn)行補(bǔ)充。例如，陀螺儀會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生偏移，可以使用配備的加速計(jì)來補(bǔ)償這些偏移。因此，（來自多個(gè)傳感器的）融合的傳感器信息比單獨(dú)的傳感器數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更可靠。

　　3.不斷發(fā)展的傳感器技術(shù)改善日常生活

　　讓我們看一個(gè)計(jì)步器的簡單示例。傳統(tǒng)的計(jì)步器使用一個(gè)鐘擺，需要以垂直的角度佩戴在髖關(guān)節(jié)，以避免錯(cuò)誤讀數(shù)。當(dāng)用戶走動(dòng)時(shí)，計(jì)步器跟蹤鐘擺隨著髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來回?cái)[動(dòng)，擺動(dòng)一回便計(jì)數(shù)一次，以此對(duì)每一步進(jìn)行計(jì)數(shù)。然而，由于步幅、攀登/步行角度的變化以及當(dāng)用戶駕駛汽車或進(jìn)行其他運(yùn)動(dòng)時(shí)的錯(cuò)誤計(jì)步，無效讀數(shù)很常見。

　　基于 MEMS 的慣性傳感器帶來了很大的改進(jìn)。第一代基于 MEMS 的計(jì)步器使用的加速計(jì)對(duì)人的加速度執(zhí)行 1 軸、2 軸或3 軸（3D）檢測，更準(zhǔn)確地測量步數(shù)。此外，老式機(jī)械計(jì)步器只根據(jù)擺動(dòng)次數(shù)記錄步數(shù)，而加速計(jì)則每秒多次測量一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)。

　　但是，如果您不僅想計(jì)量步數(shù)，還想準(zhǔn)確地計(jì)算上下樓梯或上下山時(shí)燃燒的卡路里。下一代計(jì)步器添加了高度計(jì)，測量和計(jì)算人在行走時(shí)相對(duì)于某個(gè)固定參考點(diǎn)的高度變化。高度計(jì)技術(shù)用于檢測高度計(jì)或氣壓計(jì) （BAP） 應(yīng)用中的絕對(duì)氣壓。要獲得精確的壓力讀數(shù)還需要進(jìn)行溫度測量，因此通常會(huì)增加某種溫度補(bǔ)償電路以提高測量精度。

　　繼掛在慢跑者手臂上的早期便攜式音樂播放器獲得成功后，現(xiàn)在有許多設(shè)計(jì)佩戴在手臂上的獨(dú)立計(jì)步器和有計(jì)步器功能的手機(jī)（而不是掛在髖關(guān)節(jié)的皮帶上）。在這個(gè)使用案例中，手臂運(yùn)動(dòng)引入了寄生運(yùn)動(dòng)。陀螺儀可測量手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

　　將三種傳感器（加速計(jì)、高度計(jì)和陀螺儀）和 MCU 結(jié)合在一起來測量和處理讀數(shù)，就產(chǎn)生了高精度計(jì)步器。