二十世紀(jì)80年代以來，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一的傳感技術(shù),，獲得了飛速發(fā)展,，普通傳感器只有感知——輸出的單一功能，以及失效后無法及時判定等問題,，已經(jīng)越來越制約信息技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)不能滿足客戶的差異化需求,。

智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器,，集感知、信息處理與通信于一體;能提供以數(shù)字量方式傳播具有一定知識級別的信息;具有自診斷,、自校正,、自補(bǔ)償?shù)裙δ埽壳皞鞲屑夹g(shù)向智能化,、網(wǎng)絡(luò)化,、微型化、集成化發(fā)展,。

智能傳感器作為網(wǎng)絡(luò)化,、智能化、系統(tǒng)化的自主感知器件，是實(shí)現(xiàn)智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)旨在通過聯(lián)網(wǎng)周圍世界為消費(fèi)者提供更便捷,、更精彩的生活方式。但是如何實(shí)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(jī)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(jī),、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人和無人機(jī))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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)大目標(biāo)。只有以人為本,，即解決現(xiàn)實(shí)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(diǎn)：

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(xiàng)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(jìn)系統(tǒng),，使其更智能,、更具感知性。要實(shí)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(jī)——每年智能手機(jī)銷量超過十億部,，每臺智能手機(jī)至少包含一臺MEMS傳感器,。根據(jù)智能手機(jī)原始設(shè)備制造商(OEM)設(shè)定的規(guī)格，BoschSensortec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(diǎn)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，BoschSensortec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(yùn)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(bǔ)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(yùn)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(jìn)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(diǎn)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(yùn)用兩個系統(tǒng)：認(rèn)知系統(tǒng)和邊緣系統(tǒng)。認(rèn)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(jī)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?，從而降低?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(shí)(VR)中需要實(shí)時發(fā)送圖像,，以便與用戶頭部的運(yùn)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(jī)械的預(yù)測維護(hù)中，傳感器必須以足夠高的速率進(jìn)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(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，原始設(shè)備制造商更專注于機(jī)器人本身的運(yùn)動,，傾向于完全不處理原始的傳感器數(shù)據(jù),。

•邊緣運(yùn)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(diǎn)。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(shí)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(jī),，這也是邊緣計算應(yīng)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(yàn)證中?？焖僭凸に囃ǔＴ谌鏏rduino,、RaspberryPi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(yàn)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(shí)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的探索,。將傳感器用于Arduino和RaspberryPi等多個平臺，能夠極大地簡化集成,。

結(jié)語

要實(shí)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的承諾,。

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