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如何應(yīng)對智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中的三大挑戰(zhàn)?
專欄:行業(yè)資訊
發(fā)布日期:2017-11-21
閱讀量:4104
作者:佚名
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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(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...

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(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)。

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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

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??焖僭凸に囃ǔT谌鏏rduino、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。


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