物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介

凡是有電視或電腦的人大概都知道，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)不需要人為干預就能使“物體”相互通信的網(wǎng)絡(luò )。在物聯(lián)網(wǎng)出現之前，聯(lián)網(wǎng)設備需要人類(lèi)產(chǎn)生或處理信息。智能手機、筆記本電腦和臺式機都屬于個(gè)人聯(lián)網(wǎng)設備。

物聯(lián)網(wǎng)延伸得很深：有物聯(lián)網(wǎng)功能的設備，例如，智能個(gè)人設備、智能家居設備、智能汽車(chē)，甚至智能城市設施，都能感知、處理、存儲數據，并采取相應操作。智能藥盒可以監視病人是否按時(shí)吃藥，提醒吃藥，通知患者家屬照顧病人按時(shí)服藥，甚至提前購買(mǎi)快用完的藥。 智能鎖可用手機開(kāi)門(mén)和鎖門(mén)，監控所有活動(dòng)，設置訪(fǎng)問(wèn)時(shí)段，提醒業(yè)主注意非法進(jìn)入。

你可能已有或在用幾個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備，根據Stastita  (1)的研究報告，到2025年物聯(lián)網(wǎng)設備的總量預計超過(guò)750億臺，遠遠超過(guò)聯(lián)合國預測的那一年的81億地球人口 (2)。你會(huì )明白為什么物聯(lián)網(wǎng)可能是科技公司的最大增長(cháng)點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)設備將我們的生活變得更安全、更舒適，有助于優(yōu)化資源的利用率。

物聯(lián)網(wǎng)體系結構是這個(gè)更長(cháng)的價(jià)值鏈與外部世界交互的窗口。物聯(lián)網(wǎng)設備也是人機交互的主要接口，因此，外形尺寸和產(chǎn)品功能是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品熱賣(mài)的要素。

典型的物聯(lián)網(wǎng)體系架構包括設備、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)和應用軟件。在本文中，我們的重點(diǎn)討論通信連接技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)設備，特別是個(gè)人可穿戴設備。

個(gè)人物聯(lián)網(wǎng)設備規格

活動(dòng)檢測

身體活動(dòng)識別和計步器是可穿戴設備最常見(jiàn)的功能，這些功能是由一個(gè)加速計完成的，加速度計是用途最廣泛的傳感器之一，是幾乎所有個(gè)人設備的標配。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，從簡(jiǎn)單的加速度檢測，到許多先進(jìn)運動(dòng)檢測，直接輸出傳感數據，加速度計已經(jīng)變得非常先進(jìn)。

例如，意法半導體的LIS2DW12加速度計可以檢測6D方向、喚醒、自由落體和點(diǎn)擊功能。該傳感器的檢測噪聲模式可配置，在檢測精度和功耗之間選擇，甚至具有自動(dòng)睡眠和喚醒功能。

為了提高可穿戴電子設備的檢測精確度和功能，需要將陀螺儀與加速度計配合使用。陀螺儀是角速度傳感器，以前，陀螺儀耗電量很大，應用范圍有限，不適合用在小型電池供電的個(gè)人設備。但是，將陀螺儀和加速度計整合在一個(gè)芯片上的IMU慣性測量單元，不僅耗電量小，還有很多先進(jìn)的功能，例如，有限狀態(tài)機、自定義手勢識別、智能FIFO存儲器和外部傳感器接口，數據處理在模塊內部完成，不占用微控制器計算資源。意法半導體的LSM6DSO就是一個(gè)這樣的IMU產(chǎn)品。

羅盤(pán)和方向檢測

羅盤(pán)為用戶(hù)提供方向檢測功能，幫助無(wú)人機導航。磁力計與加速度計和陀螺儀配合使用，可實(shí)現室內導航。磁力計還用于一些家庭自動(dòng)化解決方案，例如，開(kāi)門(mén)或關(guān)門(mén)檢測。

高度測量

測高儀可以增強計步器的功能，例如，幫助攀巖者測量離地高度，在室內導航中檢測樓層位置?？纱┐鳉鈮簜鞲衅饔糜跈z測大氣壓力，最終也用于測量高度。

氣壓傳感器需要一個(gè)通氣孔，以便空氣進(jìn)入薄膜，檢測氣壓，水和化學(xué)物質(zhì)很容易從氣孔進(jìn)入傳感器單元，污染內部結構。因此，需要一個(gè)既能用于游泳、戶(hù)外運動(dòng)和海產(chǎn)業(yè)的氣壓傳感器，又能預防氯、溴等化學(xué)制品污染的氣壓傳感器。LPS33HW 就是一個(gè)符合這些要求的傳感器，具有O 型密封圈和10帕防水(最深90米)能力，防止氯、溴、鹽等化學(xué)制品污染。

環(huán)境感知

環(huán)境感知技術(shù)根據來(lái)自麥克風(fēng)的音頻輸入數據檢測識別環(huán)境。通過(guò)測量聲音，設備可以識別用戶(hù)是在商場(chǎng)、體育場(chǎng)還是會(huì )議室。通過(guò)識別環(huán)境，可以直接配置所連手機的設置。麥克風(fēng)陣列可實(shí)現回波消除、光束形成和聲源定位，提升麥克風(fēng)的檢測精度。麥克風(fēng)的重要參數包括SNR(信噪比)、AOP(聲過(guò)載點(diǎn))和功耗。麥克風(fēng)分為模擬輸出和數字輸出兩大類(lèi)，按照聲孔位置劃分，麥克風(fēng)又分為上聲孔和下聲孔(手機麥克風(fēng))。

連接

需要注意的是，是連接技術(shù)將一個(gè)設備變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)設備。連接技術(shù)使設備可以通過(guò)手機或網(wǎng)關(guān)連接到物聯(lián)網(wǎng)云端，或者直接連到基礎設施。物聯(lián)網(wǎng)設備的傳統聯(lián)網(wǎng)方法是通過(guò) Wi-Fi、藍牙和蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。但是，低功耗射頻技術(shù)的出現擴大了物聯(lián)網(wǎng)設備的范圍和功能。

低功耗藍牙 [BLE]是一種無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò ) [WLAN] 技術(shù)，旨在推進(jìn)醫療、健康、健身、安保和家庭自動(dòng)化應用創(chuàng )新。與傳統藍牙和 Wi-Fi技術(shù)相比，BLE的功耗非常低，同時(shí)增加了設備和手機相連功能。BLE的載波頻率是2.4Ghz，屬于全球免費的ISM頻段。BLE Mesh是一個(gè)在Mesh網(wǎng)絡(luò )內連接多個(gè) BLE 設備的軟件解決方案。BLE Mesh解決方案的出現使得即使設備不在網(wǎng)絡(luò )的直連范圍內也可以照常接入網(wǎng)絡(luò )。

意法半導體的BlueNRG-2是一款超低功耗的BLE 5.0 認證系統芯片，能夠與傳感器無(wú)縫連接，支持藍牙Privacy 1.2和Secure Connection 4.2，8dbm輸出功率，支持與物聯(lián)網(wǎng)設備的可靠BLE鏈路。此外，還支持標準的完全兼容的 SIG BLE 網(wǎng)格。

低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò )連接領(lǐng)域另一個(gè)顛覆性技術(shù)，通信連接距離長(cháng)達數公里，功耗非常低，電源是一枚非充電型硬幣電池。Sigfox是一種LPWAN技術(shù)，提供全球云服務(wù)和遠距離連接，功耗極低。Sigfox 設備在世界各地免費接入網(wǎng)絡(luò )，無(wú)需與網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商簽訂任何單獨的協(xié)議或支付漫游費。LPWAN 技術(shù)工作在1 Ghz 以下的頻段，在全球沒(méi)有統一的頻段標準（藍牙是 2.4Ghz），因此，LPWAN設備在不同國家/地區采用不同的頻段。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Sigfox 推出了一項叫做Monarch的新功能，用于識別無(wú)線(xiàn)電服務(wù)并根據當地法規管理無(wú)線(xiàn)電頻率變化。

意法半導體推出了一個(gè)市場(chǎng)上獨一無(wú)二的解決方案，將BLE和Sigfox射頻S2-LP合并為一。該雙射頻解決方案通過(guò)Sigfox和智能手機BLE建立遠程連接。智能手機連接到Sigfox設備，具有用戶(hù)界面[UI]、空中固件更新[OTA]、直接配置和控制功能。

邊緣智能

人工智能和機器學(xué)習已經(jīng)演變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)的骨干計算技術(shù)。人工智能利用模擬自然界特點(diǎn)的自然計算方法解決復雜問(wèn)題；機器學(xué)習是指使機器能夠識別底層模式，通過(guò)分析數據進(jìn)行預測和提出建議的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)云計算能夠實(shí)現這些算法和技術(shù)。

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)設備的數量呈指數級增長(cháng)，從傳感器送到云端的原始數據量大量增加，導致對云連接的數據帶寬和云計算能力的需求大幅上升。當某些分析過(guò)程下移到傳感器節點(diǎn)附近或邊緣端點(diǎn)時(shí)，可以利用人工智能有效地分析處理傳感器數據。邊緣計算可以保護數據隱私安全，降低網(wǎng)絡(luò )帶寬和云計算需求。邊緣計算意味著(zhù)在節點(diǎn)執行智能感測和處理過(guò)程，因此選擇這些設備非常重要。智能節點(diǎn)分析數據，運行傳感器算法，推算識別環(huán)境，并將數據上傳到云端，進(jìn)行后續處理。

開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)解決方案

如前所述，典型的物聯(lián)網(wǎng)體系結構是由設備、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)應用程序組成的。

性能強大的物聯(lián)網(wǎng)解決方案不僅包括創(chuàng )新設備，還包括開(kāi)源軟硬件參考設計、垂直應用解決方案，以及與云服務(wù)商的合作關(guān)系。成功的物聯(lián)網(wǎng)解決方案還需要平臺上所有利益相關(guān)者協(xié)同開(kāi)發(fā)。

例如，意法半導體的STM32 ODE 開(kāi)放式開(kāi)發(fā)平臺提供可堆疊安裝的硬件和模塊化軟件平臺，超過(guò) 131 個(gè)軟件包、3個(gè)云 SDK工具和幾個(gè)第三方電路板。物聯(lián)網(wǎng)用例數量龐大，種類(lèi)繁多，初創(chuàng )公司在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮的作用不可小覷。開(kāi)源平臺和強大的生態(tài)系統有助于降低解決方案的開(kāi)發(fā)、原型設計和商業(yè)化的難度。

結論

低功耗智能傳感器、創(chuàng )新的連接技術(shù)和令人驚艷的用例的出現讓物聯(lián)網(wǎng)火爆起來(lái)。未來(lái)每個(gè)人都有多個(gè)可穿戴設備，所以，市場(chǎng)體量很大，機會(huì )很多。物聯(lián)網(wǎng)設備數量暴漲既是機遇也是挑戰，成功的物聯(lián)網(wǎng)解決方案要求合作伙伴同時(shí)提供創(chuàng )新的傳感器和連接技術(shù)。

1) https://www.statista.com/statistics/471264/iot-number-of-connected-devices-worldwide/

2) https://www.usatoday.com/story/news/world/2013/06/13/un-world-population-81-billion-2025/2420989/