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

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)旨在通過聯(lián)網(wǎng)周圍世界為消費者提供更便捷、更精彩的生活方式。但是如何實現(xiàn)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(tǒng)(MEMS)傳感器是搭建用戶與其周邊眾多設(shè)備(如智能手機、可穿戴設(shè)備、機器人和無人機)之間的橋梁。然而，僅僅憑借設(shè)備的傳感和連接根本不足以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠大目標。只有以人為本，即解決現(xiàn)實生活中的日常挑戰(zhàn)、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，隨著周遭環(huán)境的日益復雜，各類設(shè)備對眾事物無時無刻的傳感功能也讓傳感器供應商面臨著巨大的挑戰(zhàn)。下面將從傳感器供應商的角度探討這些挑戰(zhàn)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(zhàn)

　　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(zhàn)可歸結(jié)為以下三點：

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

　　第二個挑戰(zhàn)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源于智能手機——每年智能手機銷量超過十億部，每臺智能手機至少包含一臺MEMS傳感器。根據(jù)智能手機原始設(shè)備制造商(OEM)設(shè)定的規(guī)格，Bosch Sensortec等廠商開發(fā)了相應的MEMS傳感器。

　　但物聯(lián)網(wǎng)是一個特殊的領(lǐng)域，其特點在于競爭性技術(shù)平臺結(jié)構(gòu)的高度分散性。在整個物聯(lián)網(wǎng)空間，對由傳感器、微控制器和執(zhí)行器組成的傳感器子系統(tǒng)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，并提供專用的應用軟件。借助軟件和專業(yè)應用技術(shù)，供應商在幫助客戶解決具體問題時無需特意為每個應用程序定制硬件解決方案。

　　最后的挑戰(zhàn)則是呈幾何式增長的復雜性。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)本身十分復雜，只提供組件已不能滿足原始設(shè)備制造商的需求，通常需要一站式解決方案或參考設(shè)計。處于市場領(lǐng)導地位的供應商將更多的系統(tǒng)處理能力納入單個模塊化設(shè)備，以此為基礎(chǔ)開發(fā)集成智能傳感器的解決方案，從而滿足大幅降低復雜性的需求。而由于沒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(shè)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(jié)構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)信息結(jié)構(gòu)包括幾個層次。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(jié)構(gòu)

　　1.原始數(shù)據(jù)

　　2.運動檢測

　　3.活動監(jiān)控

　　4.情境感知

　　5.意圖預估

　　盡管原始數(shù)據(jù)可能被過濾、補充和更改，但大多數(shù)情況下它們會明確限制用戶對數(shù)據(jù)的使用。在第二等級，通過識別模式和應用算法分析數(shù)據(jù)，以提供運動檢測信息。然后，通過添加額外的傳感器功能，例如根據(jù)氣壓測量的高度，就能進入下一個等級，來分配推斷活動監(jiān)控的信息。在當代無處不在的計算環(huán)境中，設(shè)備情境感知的定義更加豐富：如與其他設(shè)備的交互、適應環(huán)境噪聲與光線條件以及網(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(quán)評估生成預測性決策。

　　在這一點上，傳感器系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的方式與人類大腦功能具有可比性。人腦在數(shù)據(jù)處理時主要運用兩個系統(tǒng)：認知系統(tǒng)和邊緣系統(tǒng)。認知系統(tǒng)類似于云計算——有延遲現(xiàn)象的高處理效能和大容量內(nèi)存。相比之下，邊緣系統(tǒng)則是原始、反應和反射的系統(tǒng)——與傳感器系統(tǒng)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(tǒng)之間的差異，類比人類大腦對感知數(shù)據(jù)的相關(guān)處理(圖片來源：[Krisdog]/Depositphotos.com; Bosch Sensortec)。

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

　　直觀地說，簡單地將傳感器永久地保留下來，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(tǒng)需智能地篩選出值得傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)，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過濾掉大部分無用的數(shù)據(jù)，從而節(jié)省寶貴的系統(tǒng)驅(qū)動容量。

　　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)驅(qū)動程序

　　在物聯(lián)網(wǎng)傳感器應用中，有以下幾個影響系統(tǒng)和組件設(shè)計的關(guān)鍵系統(tǒng)驅(qū)動程序：

　　· 對于小型或便攜式設(shè)備的某些應用來說，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，即確定何時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍瑥亩档蛿?shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源成本。

　　· 在需要最短時間內(nèi)傳輸大量數(shù)據(jù)的情況下，縮短延遲時間則尤為重要。例如在虛擬現(xiàn)實(VR)中需要實時發(fā)送圖像，以便與用戶頭部的運動同步。

　　· 快速行為學習應用的系統(tǒng)中，高數(shù)據(jù)采樣率必不可少。例如在振動機械的預測維護中，傳感器必須以足夠高的速率進行采樣，以便捕獲導致設(shè)備故障的所有相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　· 簡單集成的變數(shù)很大，由于投入時間的長短和工程資源的大小不同，原始設(shè)備制造商往對傳感器數(shù)據(jù)的預期往往也不同。為簡化應用中傳感器的集成，越來越多的公司使用智能傳感器，將嵌入在傳感器中的數(shù)據(jù)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(shè)備制造商更專注于機器人本身的運動，傾向于完全不處理原始的傳感器數(shù)據(jù)。

　　· 邊緣運算則類似于上述的邊緣系統(tǒng)。我們有時需要邊緣處理功能，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(shù)據(jù)，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濾掉大部分無用的數(shù)據(jù)，從而防止超出內(nèi)存。

　　圖2: 影響和限制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和組件設(shè)計的六個因素(圖片來源：Bosch Sensortec)

　　應用示例

　　我們舉例來說明上圖的幾點。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。這類應用程序的關(guān)鍵是低能耗，通過將計步功能直接集成于傳感器本身來實現(xiàn)。除非絕對必要，否則不會喚醒可穿戴設(shè)備的主處理器，從而節(jié)省電池電量。

　　為節(jié)省資源，使用者無法將所有計步數(shù)據(jù)傳送到主機，這也是邊緣計算應用的典型特點。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。

　　另一個例子是快速原型工藝的開發(fā)趨勢，這一趨勢在大型公司越來越普遍地用于市場驗證中。快速原型工藝通常在如Arduino、Raspberry Pi或其他類似的開源系統(tǒng)之類的開發(fā)平臺使用，其中包括傳感器組件的組合驗證。

　　這類應用需要傳感器供應商提供相對復雜的軟件，以最大程度地實現(xiàn)集成。開發(fā)時間必須盡可能短，且原始供應商也需要利用有限的傳感器知識進行系統(tǒng)設(shè)計的探索。將傳感器用于Arduino和Raspberry Pi等多個平臺，能夠極大地簡化集成。

　　結(jié)語

　　要實現(xiàn)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(shè)計和系統(tǒng)層面的專業(yè)知識。

　　物聯(lián)網(wǎng)需要對多種應用的深入了解并滿足各種傳感器和處理的要求——低功耗、易集成、數(shù)據(jù)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)市場設(shè)計創(chuàng)新化的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，使用戶的生活更加便利，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的承諾。