智能傳感器將為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）帶來怎樣的改變？

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，物聯(lián)網(wǎng)（簡(jiǎn)稱：IoT）的目標(biāo)是通過世界上事物相連接，從而讓消費(fèi)者的生活更加簡(jiǎn)單，讓消費(fèi)者更加“興奮”。但這種物聯(lián)網(wǎng)的愿景該如何實(shí)現(xiàn)呢？在物聯(lián)網(wǎng)的世界里，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器是用戶與圍繞在我們身邊的眾多設(shè)備之間的人機(jī)交互“頂梁柱”，諸如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人和無人機(jī)。然而，使設(shè)備能夠感知并且聯(lián)網(wǎng)，根本不足以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的宏偉承諾。事實(shí)卻是，物聯(lián)網(wǎng)只有以用戶為中心才能取得成功，即解決現(xiàn)實(shí)生活中的挑戰(zhàn)，提高易用性，讓生活變得更簡(jiǎn)單。此外，在越來越復(fù)雜的環(huán)境中，各種設(shè)備上無處不在的傳感器，給傳感器供應(yīng)商帶來了明確的收益且日益增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。下面以傳感器供應(yīng)商的角度討論這些挑戰(zhàn)并提出可能的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)中智能傳感器面臨的三方面挑戰(zhàn)如今的智能傳感器模組包含與原始傳感器集成的某些處理能力，它可以歸結(jié)為三個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)：I. 第一個(gè)挑戰(zhàn)是技術(shù)本身。供應(yīng)商被迫利用其核心的MEMS和系統(tǒng)知識(shí)來實(shí)現(xiàn)幾乎不可能的目標(biāo)。對(duì)工程師來說，存在物理上的約束，一方面封裝尺寸不能一直縮小，另一方面對(duì)低功率及高性能的要求不斷增加。供應(yīng)商也被迫將越來越多的智能和意識(shí)嵌入此類系統(tǒng)中。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，技術(shù)需要跨多個(gè)產(chǎn)品平臺(tái)來使用。II. 第二個(gè)挑戰(zhàn)來自于該行業(yè)的嚴(yán)重碎片化。如今，MEMS傳感器獲得的大部分收入來自智能手機(jī)領(lǐng)域。每年售出的智能手機(jī)超過10億部，并且每個(gè)智能手機(jī)都裝有多個(gè)MEMS傳感器。同時(shí)，智能手機(jī)的OEM制造商設(shè)置了規(guī)范，而諸如Bosch Sensortec等供應(yīng)商也相應(yīng)地定義了其MEMS傳感器規(guī)格指標(biāo)。但物聯(lián)網(wǎng)世界則截然不同，其特點(diǎn)是競(jìng)爭(zhēng)激烈的技術(shù)平臺(tái)呈現(xiàn)高度分散的結(jié)構(gòu)。傳感器、微控制器和執(zhí)行器的傳感器子系統(tǒng)的需求在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有很大差異。因此，像Bosch Sensortec這樣的供應(yīng)商需要?jiǎng)?chuàng)建集成硬件和軟件的跨平臺(tái)解決方案，并提供專用軟件。通過利用軟件和專家應(yīng)用技術(shù)，供應(yīng)商可幫助其客戶解決特定問題，而不需要為個(gè)人應(yīng)用一一定制個(gè)性化硬件解決方案。III. 最后一個(gè)挑戰(zhàn)是幾何復(fù)雜性加劇。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)本質(zhì)上是復(fù)雜的，而OEM制造商通常需要一站式解決方案或參考設(shè)計(jì)?？傊瑑H僅提供組件是不能滿足需求的。以市場(chǎng)為導(dǎo)向的供應(yīng)商滿足這些要求，采用集成智能傳感器解決方案，通過將越來越多的系統(tǒng)處理能力整合到單個(gè)模組設(shè)備中，從而大大降低其復(fù)雜性。由于沒有一家公司能夠提供一個(gè)全方位的完整解決方案，因此供應(yīng)商也必須緊密合作，并與第三方建立伙伴關(guān)系，例如創(chuàng)建參考設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器信息的層次結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)信息結(jié)構(gòu)由幾個(gè)層次組成，對(duì)于一個(gè)典型應(yīng)用來說，可按以下順序排列信息有用性：傳感器信息的層次結(jié)構(gòu)：1. 原始數(shù)據(jù)2. 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)3. 活動(dòng)監(jiān)測(cè)4. 情境感知5. 目的預(yù)測(cè)盡管原始數(shù)據(jù)可能會(huì)被篩選、補(bǔ)償和修正，但大多數(shù)情況下，用戶使用它可以做什么是有明確的限制。在下一層級(jí)中，通過識(shí)別模式和應(yīng)用算法，來解析數(shù)據(jù)，以提供運(yùn)動(dòng)檢測(cè)信息。然后，通過增加其它傳感器功能，比如通過氣壓測(cè)量來測(cè)量海拔高度，就會(huì)上升到第三層級(jí)，來分配推斷出的活動(dòng)監(jiān)測(cè)信息?，F(xiàn)代無處不在的計(jì)算環(huán)境情景感知設(shè)備包括：添加更多的元素，如與其他設(shè)備的交互、適應(yīng)環(huán)境噪聲、光照條件、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等。最終，這將導(dǎo)致更復(fù)雜的任務(wù)，例如基于環(huán)境與過去行為模式的加權(quán)評(píng)估做出預(yù)測(cè)決策。在這一點(diǎn)上，將傳感系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)與人腦功能相關(guān)聯(lián)會(huì)變得非常有趣。人類大腦處理數(shù)據(jù)有兩個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)：認(rèn)知和邊緣。一方面，認(rèn)知層對(duì)應(yīng)于云計(jì)算，即使擁有高處理能力和大容量?jī)?nèi)存，也會(huì)出現(xiàn)延遲和潛伏期。另一方面，邊緣系統(tǒng)是原始的、反應(yīng)性的和反射性的，對(duì)應(yīng)于傳感系統(tǒng)中的局部處理，即邊緣計(jì)算。

人類大腦的感知數(shù)據(jù)處理：認(rèn)知與邊緣系統(tǒng)的區(qū)別的相關(guān)描述（圖片來源：[Krisdog]/ Depositphotos.com；Bosch Sensortec）談及物聯(lián)網(wǎng)話題，傳感器的信息層級(jí)變得至關(guān)重要，它決定了哪些測(cè)量數(shù)據(jù)是重要的，哪些不是。如果數(shù)據(jù)不可操作，那么它基本無用，因此在大多數(shù)應(yīng)用程序中，大量數(shù)據(jù)是多余的。與直覺相反，簡(jiǎn)單地加入等待識(shí)別有用信息的傳感器通常會(huì)更有效，例如在計(jì)步應(yīng)用中加入加速度計(jì)。我們的傳感系統(tǒng)必須智能地決定哪些數(shù)據(jù)值得轉(zhuǎn)存到云端，從而有效地利用可用的帶寬和功率。對(duì)于本地傳感器處理的關(guān)鍵是可以自動(dòng)丟棄那些多余的數(shù)據(jù)，以節(jié)省寶貴的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)在物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用中，我們可識(shí)別影響系統(tǒng)和組件設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)：? 低功耗：在某些應(yīng)用中，低功耗是至關(guān)重要的，例如小型或便攜設(shè)備。自動(dòng)傳感處理器與傳感元器件匹配（“Sensor bot”）對(duì)邊緣處理很有幫助，它可以決定何時(shí)傳輸?shù)皆贫?，從而降低?shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源成本。? 低延遲：我們需要以最小延遲傳輸大量數(shù)據(jù)，因此低延遲是非常重要的。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）圖像中需要以實(shí)時(shí)速度發(fā)送，以跟上用戶頭部的動(dòng)態(tài)變化。? 高數(shù)據(jù)采樣率：對(duì)于快速系統(tǒng)的活動(dòng)學(xué)習(xí)應(yīng)用，可能需要高數(shù)據(jù)采樣率。例如，在振動(dòng)機(jī)械的預(yù)測(cè)維護(hù)中，傳感器必須以足夠高的速率采樣，以便獲取導(dǎo)致設(shè)備故障的所有相關(guān)數(shù)據(jù)。? 集成便捷性：差異很大，OEM制造商對(duì)其準(zhǔn)備投資于解析傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間和工程資源有不同的期望。為了簡(jiǎn)化傳感器集成到其應(yīng)用中，許多公司均需更加智能的傳感器，這些傳感器可提供嵌入其內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理，以匹配供應(yīng)商提供的軟件解決方案。例如，在機(jī)器人技術(shù)中，OEM制造商專注于機(jī)器人自身的運(yùn)動(dòng)，并不處理原始傳感器數(shù)據(jù)。? 邊緣計(jì)算：類似于上述的邊緣系統(tǒng)。有時(shí)我們需要在邊緣處理性能，這通常與低功耗和集成便捷性的先決條件息息相關(guān)。? 存儲(chǔ)：由于傳感器模組的內(nèi)存成本非常高，因此云存儲(chǔ)為本地存儲(chǔ)及處理提供了一種可行的替代方案。也存在問題，一方面不希望傳輸大量不必要的數(shù)據(jù)，而另一方面卻也受到傳感器物理存儲(chǔ)能力的限制。因此，我們必須實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化，并確保傳感器放棄大多數(shù)不必要的數(shù)據(jù)，防止其內(nèi)存容量被占用。

六種影響并制約物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及組件設(shè)計(jì)的因素（圖片來源：Bosch Sensortec）應(yīng)用實(shí)例為說明以上幾點(diǎn)，介紹幾個(gè)例子。首先，如計(jì)步器等可穿戴應(yīng)用，需要始終保持在線狀態(tài)，電池則越小越好。其關(guān)鍵因素是低功耗，這可通過直接在傳感器內(nèi)部集成計(jì)步功能來實(shí)現(xiàn)。通過在必要環(huán)境下才喚醒可穿戴設(shè)備主處理器的方式，可節(jié)省電池電量。為進(jìn)一步節(jié)省電力資源，可穿戴設(shè)備不能將所有計(jì)步數(shù)據(jù)傳輸于主機(jī)，此即為典型的邊緣計(jì)算應(yīng)用示例。由于功耗是最主要的考慮因素，如BHA250和 BHI160智能傳感樞紐的超低功耗解決方案，就是一個(gè)理想的選擇。另一個(gè)例子是快速樣品設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，甚至在大型企業(yè)的用戶案例市場(chǎng)驗(yàn)證中，這種趨勢(shì)也越來越常見?？焖贅悠吩O(shè)計(jì)通常在諸如Arduino、Raspberry Pi或其他類似的開源系統(tǒng)上執(zhí)行，包括傳感器在內(nèi)的組件組合在一起來驗(yàn)證某個(gè)概念。為了最大程度地實(shí)現(xiàn)集成便捷性，這種類型的應(yīng)用則需要由傳感器供應(yīng)商提供相對(duì)復(fù)雜的軟件。開發(fā)時(shí)間則需盡可能縮短，而OEM制造商則需以有限的傳感器知識(shí)開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在許多如Arduino和Raspberry Pi的平臺(tái)上都有傳感器，極大地簡(jiǎn)化了其集成。結(jié)論對(duì)于成功的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，與一家能夠理解高度復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的傳感器供應(yīng)商合作至關(guān)重要。這樣的合作伙伴應(yīng)可提供一系列高性能的傳感器模組，并為用戶的應(yīng)用提出正確的解決方案。質(zhì)量、本地支持及與第三方的緊密合作同樣重要，第三方可提供參考設(shè)計(jì)和系統(tǒng)層級(jí)的專業(yè)意見。物聯(lián)網(wǎng)需要對(duì)多種應(yīng)用深入了解，并知道滿足關(guān)鍵傳感器和處理需求（如低功耗、易集成、數(shù)據(jù)速率和延遲等）的能力。只有通過理解這些不同因素之間的相互關(guān)系，才能設(shè)計(jì)出適應(yīng)于快速發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的創(chuàng)新及成功的產(chǎn)品，可讓用戶的生活更簡(jiǎn)單，并實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的美好愿景。