傳感器融合成為時(shí)代

隨著時(shí)間的推移，傳感器已從簡(jiǎn)單的模擬和機(jī)械結(jié)構(gòu)演變?yōu)榛�于芯片的�?shù)字設(shè)備，這些設(shè)備連接到機(jī)器以監(jiān)控機(jī)器的健康狀況和環(huán)境條件。同樣，傳感器融合 - 多種類型的傳感器協(xié)同工作以解決問(wèn)題 - 結(jié)合了許多其他技術(shù)的線索，創(chuàng)造出一些非常新穎和令人興奮的東西。

至少?gòu)?0世紀(jì)50年代開(kāi)始，使用計(jì)算設(shè)備從多個(gè)傳感器中分類數(shù)據(jù)并結(jié)合信息得出結(jié)論的想法已經(jīng)存在。但這非常困難。大約在1960年，幾位數(shù)學(xué)家開(kāi)發(fā)了一套算法，以便讓機(jī)器根據(jù)多個(gè)傳感器的輸入得出結(jié)論。這些濾波器還從噪聲或其他來(lái)源中刪除了無(wú)意義的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，不久之后軍方就決定這種技術(shù)在其應(yīng)用中有用。能夠處理來(lái)自多個(gè)來(lái)源的輸入并將其與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較將使軍方能夠更好地跟蹤和識(shí)別潛在的空中目標(biāo)，甚至可以計(jì)算結(jié)果的確定性。憑借更好的計(jì)算機(jī)和傳感器，該技術(shù)在不斷發(fā)展。

潛在的應(yīng)用

當(dāng)微處理器首次出現(xiàn)時(shí)，人們將其描述為尋找問(wèn)題的解決方案�？梢詫�(duì)傳感器融合進(jìn)行相同的處理。如果您擁有監(jiān)控多個(gè)傳感器的能力和智能，可以實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，并提供簡(jiǎn)單的指導(dǎo)或控制動(dòng)作，迄今為止 - 未經(jīng)考慮的應(yīng)用程序幾乎是無(wú)限的。以下示例只是劃傷表面：

        健康監(jiān)測(cè) - 包括健康運(yùn)動(dòng)，患者監(jiān)測(cè)和研究

        監(jiān)測(cè)老年人 - 健康監(jiān)測(cè)，以減輕人員配備負(fù)擔(dān)

        汽車，運(yùn)輸系統(tǒng) - 監(jiān)控和控制效率和安全功能

        公共安全 - 識(shí)別潛在的危險(xiǎn)條件，其準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于簡(jiǎn)單的火災(zāi)和安全系統(tǒng)

        娛樂(lè) - 游戲，包括控制器和虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)

        天氣 - 智能天氣預(yù)報(bào)站，不僅可以警告變化的條件，還可以控制風(fēng)暴準(zhǔn)備系統(tǒng)（例            如，關(guān)閉風(fēng)暴百葉窗，關(guān)閉閥門(mén)等）

        HVAC /空氣質(zhì)量 - 室溫，濕度，空氣質(zhì)量，系統(tǒng)維護(hù)等的智能控制

雖然所有這些類型的功能已經(jīng)以某種形式存在多年，但系統(tǒng)觀察多個(gè)傳感器并得出智能結(jié)論甚至啟動(dòng)動(dòng)作的能力是革命性的。

圖1：活動(dòng)和其他健康監(jiān)測(cè)器是首批采用傳感器融合技術(shù)的消費(fèi)產(chǎn)品之一。

技術(shù)的融合幸運(yùn)的是，正如他們?cè)陔娮赢a(chǎn)品的其他領(lǐng)域所做的那樣，許多IC制造商已經(jīng)承擔(dān)了繁重工作的任務(wù)。借助現(xiàn)成的傳感器融合和傳感器集線器芯片，現(xiàn)在可以有效地連接各種數(shù)字傳感器以及其他路徑。創(chuàng)建自己的算法的負(fù)擔(dān)已經(jīng)消除。

雖然他們的術(shù)語(yǔ)確實(shí)有所不同，但許多IC制造商要么調(diào)整現(xiàn)有的產(chǎn)品線，要么創(chuàng)造全新的產(chǎn)品來(lái)解決傳感器融合任務(wù)。該處理由專用控制器芯片完成，該芯片可以被識(shí)別為MCU，傳感器集線器或傳感器融合處理器。我們已經(jīng)看到這種技術(shù)應(yīng)用于智能手機(jī)，活動(dòng)監(jiān)視器和其他設(shè)備的消費(fèi)市場(chǎng)。

Apple，三星等最新一代智能手機(jī)具有強(qiáng)大而多樣的感應(yīng)功能，即使不需要外部接口。這些包括三軸磁力計(jì)，三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀。這種組合能力通常被稱為9-DoF，九個(gè)自由度。

在大多數(shù)情況下，這些功能在手機(jī)中“始終打開(kāi)”。如果來(lái)自這些傳感器的數(shù)據(jù)處理由手機(jī)的中央微控制器管理，則電池壽命將大大縮短。相反，高效的專用MCU芯片使用一小部分功率將數(shù)據(jù)作為傳感器集線器處理。恩智浦ARM M3系列MCU就是一個(gè)例子。根據(jù)EETimes報(bào)道的產(chǎn)品拆解專家Chipworks的說(shuō)法，Apple使用定制版本的NXP芯片來(lái)監(jiān)控iPhone 5S中的傳感器。“M7控制各種離散傳感器的功能，包括陀螺儀，加速度計(jì)和指南針。”三星與Atmel（Core 8位AVR MCU）的微控制器承擔(dān)相同的任務(wù)。

借助如此強(qiáng)大的板載感應(yīng)技術(shù)，應(yīng)用程序正在出現(xiàn)，利用9-DoF手機(jī)硬件提供健康和活動(dòng)監(jiān)控，或與GPS和外部數(shù)據(jù)協(xié)同工作，為用戶提供更多信息�，F(xiàn)在，從通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行通信的外部設(shè)備添加那些已經(jīng)多樣化的傳感器輸入數(shù)據(jù)，這些功能似乎是無(wú)限的。芯片制造商的目標(biāo)是使工程師能夠設(shè)計(jì)出能夠提供實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)可用于以最小的功耗和最長(zhǎng)的電池壽命提供所需的上下文感知。除智能手機(jī)外，高度優(yōu)化的解決方案還可以滿足平板電腦，超極本，支持物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，游戲，醫(yī)療保健，環(huán)境監(jiān)控和可穿戴計(jì)算等應(yīng)用。

開(kāi)發(fā)板可以讓設(shè)計(jì)工程師輕松掌握這項(xiàng)技術(shù)。一個(gè)這樣的例子是Atmel的ATAVRSBIN2。Atmel已經(jīng)將傳感器融合到各種各樣的產(chǎn)品中，他們稱之為“完整的傳感器生態(tài)系統(tǒng)”.Atmel認(rèn)為，同時(shí)分析和融合來(lái)自不同傳感器和傳感器類型的數(shù)據(jù)并不是它可以單獨(dú)處理的任務(wù)。為了克服這些復(fù)雜性，該公司與眾多領(lǐng)先的傳感器制造商和傳感器融合專家合作，提供完整，易于實(shí)施的傳感器集線器解決方案。

目前的趨勢(shì)是將MCU與三個(gè)或更多MEMS傳感器組合在一個(gè)封裝中。其中一個(gè)例子是意法半導(dǎo)體的LIS331EB，它將高精度三軸數(shù)字加速度計(jì)與微控制器結(jié)合在一個(gè)3 x 3 x 1 mm封裝中。該微控制器是一款超低功耗ARM Cortex-M0，具有64 KB閃存，128 KB RAM，嵌入式定時(shí)器，2xI2C（主/從）和SPI（主/從）。LIS331EB還可以內(nèi)部處理外部傳感器（總共9個(gè)）檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，例如陀螺儀，磁力計(jì)和壓力傳感器。作為傳感器集線器，它將所有輸入與iNEMO Engine軟件融合在一起。STMicroelectronics的iNEMO發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器融合軟件套件采用一套自適應(yīng)預(yù)測(cè)和濾波算法來(lái)感知（或融合）來(lái)自多個(gè)傳感器的復(fù)雜信息。

飛思卡爾還提供將MCU和傳感器組合在一個(gè)封裝中的產(chǎn)品系列。他們的FXLC95000 Xtrinsic運(yùn)動(dòng)傳感平臺(tái)集成了MEMS加速度計(jì)和32位ColdFire MCU。與STMicroelectronics器件類似，F(xiàn)XLC95000可以同時(shí)管理來(lái)自內(nèi)部和外部傳感器的數(shù)據(jù)。飛思卡爾是第一家推出嵌入式傳感集線器MCU的公司，該集成電路也可根據(jù)客戶特定應(yīng)用和算法進(jìn)行編程。單個(gè)器件可以管理多達(dá)16個(gè)傳感器輸入，允許從應(yīng)用處理器卸載校準(zhǔn)，補(bǔ)償和傳感器功能。它適用于飛思卡爾或第三方驅(qū)動(dòng)程序。

圖2：采用加速度計(jì)的飛思卡爾Xtrinsic FXLC9500 32位MCU傳感器融合中心可實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展，自主，高精度的多傳感器集線器解決方案，并在開(kāi)放式架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)本地計(jì)算和傳感器管理。

融合云計(jì)算

雖然可以在本地實(shí)現(xiàn)相當(dāng)多的功能，但與云的交互才是真正開(kāi)始的樂(lè)趣所在。遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)可以由傳感器融合設(shè)備處理并發(fā)送到云以進(jìn)行記錄，進(jìn)一步分析，甚至可以訂購(gòu)動(dòng)作。

例如，在遠(yuǎn)程位置操作的無(wú)人值守泵總是存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。幾年前，可能已經(jīng)安裝了一個(gè)遠(yuǎn)程傳感器來(lái)識(shí)別它是否正在運(yùn)行熱或甚至失敗�，F(xiàn)在，也可以監(jiān)控同一個(gè)泵的振動(dòng)，排氣化學(xué)，軸承噪音以及周圍的外部條件。預(yù)定程序可以使傳感器融合控制器能夠關(guān)閉泵或者甚至使其操作循環(huán)直到技術(shù)人員可以到達(dá)。系統(tǒng)還會(huì)事先知道是否可能必須更換整個(gè)泵或僅僅是一個(gè)部件。在這里，傳感器融合解決方案可以消除停機(jī)時(shí)間以及昂貴的緊急服務(wù)呼叫，甚至可以收集數(shù)據(jù)來(lái)分析泵加班的情況。同樣的一般想法適用于監(jiān)控飛行中的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

云的另一個(gè)應(yīng)用是在那里進(jìn)行傳感器融合，而不是在現(xiàn)場(chǎng)。利用可用的開(kāi)源傳感器融合軟件，可以將各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒��?wù)器，進(jìn)行處理。

結(jié)論

傳感器融合技術(shù)已經(jīng)成熟，并且恰好可以利用傳感器，無(wú)線通信和其他技術(shù)的發(fā)展。除了最先進(jìn)的政府實(shí)驗(yàn)室以外的所有實(shí)驗(yàn)室都無(wú)法使用，該技術(shù)現(xiàn)已開(kāi)始供貨，價(jià)格甚至適合許多消費(fèi)產(chǎn)品的BOM預(yù)算。

現(xiàn)在，與移動(dòng)技術(shù)和低成本數(shù)字傳感器的快速發(fā)展密切相關(guān)，傳感器融合有望實(shí)現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在是應(yīng)用一些創(chuàng)造性思維并開(kāi)始實(shí)驗(yàn)的好時(shí)機(jī)！

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