智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)應用開(kāi)發(fā)中的挑戰分析和應對措施

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)旨在通過(guò)聯(lián)網(wǎng)周?chē)澜鐬橄M者提供更便捷、更精彩的生活方式。但是如何實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的這一承諾呢?

　　在物聯(lián)網(wǎng)的世界里，微機電系統(MEMS)傳感器是搭建用戶(hù)與其周邊眾多設備(如智能手機、可穿戴設備、機器人和無(wú)人機)之間的橋梁。然而，僅僅憑借設備的傳感和連接根本不足以實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的遠大目標。只有以人為本，即解決現實(shí)生活中的日常挑戰、使生活更便捷并提升易用性，物聯(lián)網(wǎng)才能取得成功。此外，隨著(zhù)周遭環(huán)境的日益復雜，各類(lèi)設備對眾事物無(wú)時(shí)無(wú)刻的傳感功能也讓傳感器供應商面臨著(zhù)巨大的挑戰。下面將從傳感器供應商的角度探討這些挑戰及其解決方案。

　　智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域面臨的三大挑戰

　　當今的智能傳感器模塊包含與原始傳感器集成的某些處理能力，它所面臨的主要挑戰可歸結為以下三點(diǎn)：

　　第一個(gè)挑戰是技術(shù)本身。供應商欲利用其核心MEMS和系統技術(shù)來(lái)完成這項不可能完成的任務(wù)。對于工程師來(lái)說(shuō)，這是一種物理限制的挑戰。封裝尺寸不能無(wú)限縮小，而對低能耗和高性能的要求也不斷提高。供應商不得不改進(jìn)系統，使其更智能、更具感知性。要實(shí)現這一目標就必須使技術(shù)跨越多個(gè)產(chǎn)品平臺。

　　第二個(gè)挑戰源于行業(yè)寬泛的分散特性。當下，MEMS傳感器的大部分收益來(lái)源于智能手機——每年智能手機銷(xiāo)量超過(guò)十億部，每臺智能手機至少包含一臺MEMS傳感器。根據智能手機原始設備制造商(OEM)設定的規格，Bosch Sensortec等廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)了相應的MEMS傳感器。

　　但物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)特殊的領(lǐng)域，其特點(diǎn)在于競爭性技術(shù)平臺結構的高度分散性。在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)空間，對由傳感器、微控制器和執行器組成的傳感器子系統的要求有很大差異。因此，Bosch Sensortec等供應商需要創(chuàng )建集成硬件和軟件的跨平臺解決方案，并提供專(zhuān)用的應用軟件。借助軟件和專(zhuān)業(yè)應用技術(shù)，供應商在幫助客戶(hù)解決具體問(wèn)題時(shí)無(wú)需特意為每個(gè)應用程序定制硬件解決方案。

　　最后的挑戰則是呈幾何式增長(cháng)的復雜性。物聯(lián)網(wǎng)系統本身十分復雜，只提供組件已不能滿(mǎn)足原始設備制造商的需求，通常需要一站式解決方案或參考設計。處于市場(chǎng)領(lǐng)導地位的供應商將更多的系統處理能力納入單個(gè)模塊化設備，以此為基礎開(kāi)發(fā)集成智能傳感器的解決方案，從而滿(mǎn)足大幅降低復雜性的需求。而由于沒(méi)有一家公司能夠提供全面的解決方案，所以供應商還必須在創(chuàng )建參考設計等方面與第三方密切合作并建立伙伴關(guān)系。

　　物聯(lián)網(wǎng)傳感器信息的層次結構

　　物聯(lián)網(wǎng)信息結構包括幾個(gè)層次。典型應用的層次按信息有用性的遞增狀況排序如下：

　　傳感器信息層次結構

　　1.原始數據

　　2.運動(dòng)檢測

　　3.活動(dòng)監控

　　4.情境感知

　　5.意圖預估

　　盡管原始數據可能被過(guò)濾、補充和更改，但大多數情況下它們會(huì )明確限制用戶(hù)對數據的使用。在第二等級，通過(guò)識別模式和應用算法分析數據，以提供運動(dòng)檢測信息。然后，通過(guò)添加額外的傳感器功能，例如根據氣壓測量的高度，就能進(jìn)入下一個(gè)等級，來(lái)分配推斷活動(dòng)監控的信息。在當代無(wú)處不在的計算環(huán)境中，設備情境感知的定義更加豐富：如與其他設備的交互、適應環(huán)境噪聲與光線(xiàn)條件以及網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)等。這使任務(wù)變得更為復雜：如需要基于情境和行為模式的加權評估生成預測性決策。

　　在這一點(diǎn)上，傳感器系統處理數據的方式與人類(lèi)大腦功能具有可比性。人腦在數據處理時(shí)主要運用兩個(gè)系統：認知系統和邊緣系統。認知系統類(lèi)似于云計算——有延遲現象的高處理效能和大容量?jì)却?。相比之下，邊緣系統則是原始、反應和反射的系統——與傳感器系統中的局部處理，即邊緣計算相對應。

　　圖1：描述認知和邊緣系統之間的差異，類(lèi)比人類(lèi)大腦對感知數據的相關(guān)處理(圖片來(lái)源：[Krisdog]/Depositphotos.com; Bosch Sensortec)。

　　反觀(guān)物聯(lián)網(wǎng)，傳感器信息層次對確定測量數據重要與否至關(guān)重要。不具備可行性的數據基本無(wú)法使用，從而導致大部分應用程序中存在大量冗雜多余的數據。

　　直觀(guān)地說(shuō)，簡(jiǎn)單地將傳感器永久地保留下來(lái)，等待識別有用信息(例如計步應用中的加速度計)通常更有效。傳感器系統需智能地篩選出值得傳輸到云端的數據，從而有效利用可用的帶寬和功率。關(guān)鍵在于，本地傳感器能夠自動(dòng)過(guò)濾掉大部分無(wú)用的數據，從而節省寶貴的系統驅動(dòng)容量。

　　物聯(lián)網(wǎng)系統驅動(dòng)程序

　　在物聯(lián)網(wǎng)傳感器應用中，有以下幾個(gè)影響系統和組件設計的關(guān)鍵系統驅動(dòng)程序：

　　· 對于小型或便攜式設備的某些應用來(lái)說(shuō)，低能耗至關(guān)重要。這種情況下，與感測元件(“傳感器機器人”)匹配的自主傳感器處理器有助于邊緣處理，即確定何時(shí)將數據傳輸到云端，從而降低數據傳輸的資源成本。

　　· 在需要最短時(shí)間內傳輸大量數據的情況下，縮短延遲時(shí)間則尤為重要。例如在虛擬現實(shí)(VR)中需要實(shí)時(shí)發(fā)送圖像，以便與用戶(hù)頭部的運動(dòng)同步。

　　· 快速行為學(xué)習應用的系統中，高數據采樣率必不可少。例如在振動(dòng)機械的預測維護中，傳感器必須以足夠高的速率進(jìn)行采樣，以便捕獲導致設備故障的所有相關(guān)數據。

　　· 簡(jiǎn)單集成的變數很大，由于投入時(shí)間的長(cháng)短和工程資源的大小不同，原始設備制造商往對傳感器數據的預期往往也不同。為簡(jiǎn)化應用中傳感器的集成，越來(lái)越多的公司使用智能傳感器，將嵌入在傳感器中的數據處理裝置與供應商提供的軟件解決方案相匹配。例如在機器人技術(shù)領(lǐng)域，原始設備制造商更專(zhuān)注于機器人本身的運動(dòng)，傾向于完全不處理原始的傳感器數據。

　　· 邊緣運算則類(lèi)似于上述的邊緣系統。我們有時(shí)需要邊緣處理功能，而這通常以低功耗和易于集成為先決條件。

　　· 由于傳感器模塊中的存儲器成本非常高，云存儲成為本地存儲和處理可行的替代方案。一方面，我們不希望傳輸大量不必要的數據，而另一方面，我們受到傳感器物理存儲容量的限制。因此，我們必須使傳感器智能化，并確保傳感器能夠過(guò)濾掉大部分無(wú)用的數據，從而防止超出內存。

　　圖2: 影響和限制物聯(lián)網(wǎng)系統和組件設計的六個(gè)因素(圖片來(lái)源：Bosch Sensortec)

　　應用示例

　　我們舉例來(lái)說(shuō)明上圖的幾點(diǎn)。首先，可穿戴的應用程序，如計步器必須永不斷電且電池要盡可能小。這類(lèi)應用程序的關(guān)鍵是低能耗，通過(guò)將計步功能直接集成于傳感器本身來(lái)實(shí)現。除非絕對必要，否則不會(huì )喚醒可穿戴設備的主處理器，從而節省電池電量。

　　為節省資源，使用者無(wú)法將所有計步數據傳送到主機，這也是邊緣計算應用的典型特點(diǎn)。從耗能角度考慮，BHA250或BHI160的超低能耗解決方案是理想的選擇。

　　另一個(gè)例子是快速原型工藝的開(kāi)發(fā)趨勢，這一趨勢在大型公司越來(lái)越普遍地用于市場(chǎng)驗證中?？焖僭凸に囃ǔＴ谌鏏rduino、Raspberry Pi或其他類(lèi)似的開(kāi)源系統之類(lèi)的開(kāi)發(fā)平臺使用，其中包括傳感器組件的組合驗證。

　　這類(lèi)應用需要傳感器供應商提供相對復雜的軟件，以最大程度地實(shí)現集成。開(kāi)發(fā)時(shí)間必須盡可能短，且原始供應商也需要利用有限的傳感器知識進(jìn)行系統設計的探索。將傳感器用于A(yíng)rduino和Raspberry Pi等多個(gè)平臺，能夠極大地簡(jiǎn)化集成。

　　結語(yǔ)

　　要實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)應用的成功，需要一位能夠理解這種高度復雜的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的合格傳感器供應商作為合作伙伴。他們能夠提供廣泛且高性能傳感器組合，并為客戶(hù)的應用提供優(yōu)質(zhì)解決方案。質(zhì)量、本地支持和與強有力的第三方合作伙伴同樣重要，這些能夠提供參考設計和系統層面的專(zhuān)業(yè)知識。

　　物聯(lián)網(wǎng)需要對多種應用的深入了解并滿(mǎn)足各種傳感器和處理的要求——低功耗、易集成、數據速率、縮短延遲等。只有了解這些不同因素之間的相互關(guān)系，才能為快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)設計創(chuàng )新化的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，使用戶(hù)的生活更加便利，從而實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的承諾。