智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中的挑戰(zhàn)分析和應(yīng)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(biāo)。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(fù)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(yīng)商面臨著巨大的挑戰(zhàn)。下面將從傳感器供應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用軟件。借助軟件和專業(yè)應(yīng)用技術(shù)，供應(yīng)商在幫助客戶解決具體問題時無需特意為每個應(yīng)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(fù)雜性。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)本身十分復(fù)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(dǎo)地位的供應(yīng)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yù)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(fù)雜：如需要基于情境和行為模式的加權(quán)評估生成預(yù)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(yīng)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(yīng)。

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(dǎo)致大部分應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)習(xí)應(yīng)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(yù)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(dǎo)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(yù)期往往也不同。為簡化應(yīng)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(yīng)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。

應(yīng)用示例

我們舉例來說明上圖的幾點。首先，可穿戴的應(yīng)用程序，如計步器必須永不斷電且電池要盡可能小。這類應(yīng)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(yīng)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(yīng)用需要傳感器供應(yīng)商提供相對復(fù)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(yīng)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(yīng)用的成功，需要一位能夠理解這種高度復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的合格傳感器供應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。

關(guān)于作者

Marcellino Gemelli在服兵役期間取得了意大利帕維亞大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位，之后獲得米蘭理工大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。1995年至2011年，他于意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）公司的MEMS、電子設(shè)計自動化和數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域擔(dān)任工程和產(chǎn)品管理方面的多項職務(wù)。2000年至2002年間，他榮任米蘭理工大學(xué)微電子課程的合同教授。目前他負責(zé)Bosch Sensortec在美國帕羅奧圖（CA）地區(qū)MEMS產(chǎn)品組合的業(yè)務(wù)發(fā)展。

Email: Marcellino.Gemelli@us.bosch.com