摘要

　　傳感器技術(shù)時代已經(jīng)到來。現(xiàn)在，很難見到不使用傳感器為用戶創(chuàng)造新體驗的電子消費產(chǎn)品。傳感器正在經(jīng)歷復(fù)興，這是由于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)價格降低了，尺寸也縮小了，因此又推動了傳感器在新應(yīng)用的使用，并為傳感器市場營造了新機(jī)遇。

　　1.引言

　　傳感器現(xiàn)在用于各種應(yīng)用中，如智能移動設(shè)備、汽車系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療保健、石油勘探和氣候監(jiān)測。傳感器無處不在，現(xiàn)在傳感器技術(shù)已開始密切模仿終極感知設(shè)備，即人類。傳感器融合使這成為可能，該技術(shù)利用微控制器（“大腦”）將從多個傳感器采集的各個數(shù)據(jù)融合在一起，獲得的數(shù)據(jù)視圖比單獨使用各個離散傳感器獲得的視圖更準(zhǔn)確、更可靠。使用傳感器融合整體采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各傳感器獨立采集的數(shù)據(jù)之和。

　　傳感器融合支持環(huán)境感知，這對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）來說蘊藏著巨大潛力。傳感器融合針對遠(yuǎn)程情感計算（情感感測和處理）的演進(jìn)在未來還可能產(chǎn)生激動人心的新應(yīng)用，包括智能醫(yī)療。然而，這些功能也帶來了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管中需要解決的嚴(yán)重的隱私問題。隨著傳感器融合和REC技術(shù)的使用不斷增加，將采集大量的環(huán)境感知數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)對“空中全球神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”和基于云的處理資源的訪問，將進(jìn)一步推動為給定情況提供自定義的環(huán)境感知服務(wù)。這些服務(wù)可基于單個用戶正在做什么、設(shè)備正在做什么、基礎(chǔ)設(shè)施正在做什么，大自然正在做什么等環(huán)境，以及所有上述內(nèi)容的各種組合。

　　圖1傳感器融合：人體模型

　　2.人類：終極傳感示例

　　為了了解傳感器融合如何工作，讓我們看看人體內(nèi)感知的工作方式。一個人在許多方面體驗外部世界。視覺、聽覺、化學(xué)感覺（嗅覺和味覺）和表面感覺（觸覺）都提供關(guān)于一個人周圍環(huán)境的感官信息，這些信息通過外周神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）傳遞給大腦。然后大腦決定如何響應(yīng)一個給定的情況或體驗。

　　PNS對它傳輸?shù)男畔⒉恢贫◤?fù)雜的決策；這些決策由大腦制定。對感覺輸入，大腦的反應(yīng)是發(fā)送運動信息，這是人類對輸入的響應(yīng)。例如，一個行人看到一輛汽車向他開過來，他的大腦告訴他的肌肉以更快的速度走到路的另一邊，避免發(fā)生事故。人還接收來自他們內(nèi)臟器官的信息，其中一些信息非常明顯，如胃疼。還有其他類型的體內(nèi)信息是人無法感知的，如血壓，這些信息用于調(diào)節(jié)人體的內(nèi)部環(huán)境。

　　圖2計步器案例分析

　　大腦是最終的決策者。然而，如果沒有外周神經(jīng)系統(tǒng)帶來感知信息并發(fā)出運動信息，人將無法行走、說話或我們經(jīng)常認(rèn)為理所當(dāng)然的許多其他功能。大腦經(jīng)常使用數(shù)個感官輸入源驗證事件，并完善非“完整性”信息，從而做出決策。例如，人可能看不到汽車引擎蓋下的火焰，但橡膠燃燒的氣味和儀表盤散發(fā)的熱量將告訴大腦需要離開這輛汽車，因為引擎起火了。在這種情況下，使大腦做出反應(yīng)的信息大于獨立感官輸入之和。

　　在技術(shù)世界，傳感器融合發(fā)揮的作用與此相似。傳感器融合將來自多個傳感器的輸入整合在一起，提供更準(zhǔn)確、更可靠的傳感，能夠產(chǎn)生更高水平的認(rèn)知，并提供新的應(yīng)對措施。各個傳感器都有固有的局限性，可能產(chǎn)生錯誤，但這些錯誤可以由補(bǔ)充傳感節(jié)點進(jìn)行糾正或進(jìn)行補(bǔ)充。例如，陀螺儀會隨著時間的推移而產(chǎn)生偏移，可以使用配備的加速計來補(bǔ)償這些偏移。因此，（來自多個傳感器的）融合的傳感器信息比單獨的傳感器數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更可靠。

　　3.不斷發(fā)展的傳感器技術(shù)改善日常生活

　　讓我們看一個計步器的簡單示例。傳統(tǒng)的計步器使用一個鐘擺，需要以垂直的角度佩戴在髖關(guān)節(jié)，以避免錯誤讀數(shù)。當(dāng)用戶走動時，計步器跟蹤鐘擺隨著髖關(guān)節(jié)的運動來回擺動，擺動一回便計數(shù)一次，以此對每一步進(jìn)行計數(shù)。然而，由于步幅、攀登/步行角度的變化以及當(dāng)用戶駕駛汽車或進(jìn)行其他運動時的錯誤計步，無效讀數(shù)很常見。

　　基于MEMS的慣性傳感器帶來了很大的改進(jìn)。第一代基于MEMS的計步器使用的加速計對人的加速度執(zhí)行1軸、2軸或3軸（3D）檢測，更準(zhǔn)確地測量步數(shù)。此外，老式機(jī)械計步器只根據(jù)擺動次數(shù)記錄步數(shù)，而加速計則每秒多次測量一個人的運動。

　　但是，如果您不僅想計量步數(shù)，還想準(zhǔn)確地計算上下樓梯或上下山時燃燒的卡路里。下一代計步器添加了高度計，測量和計算人在行走時相對于某個固定參考點的高度變化。高度計技術(shù)用于檢測高度計或氣壓計（BAP）應(yīng)用中的絕對氣壓。要獲得精確的壓力讀數(shù)還需要進(jìn)行溫度測量，因此通常會增加某種溫度補(bǔ)償電路以提高測量精度。

　　繼掛在慢跑者手臂上的早期便攜式音樂播放器獲得成功后，現(xiàn)在有許多設(shè)計佩戴在手臂上的獨立計步器和有計步器功能的手機(jī)（而不是掛在髖關(guān)節(jié)的皮帶上）。在這個使用案例中，手臂運動引入了寄生運動。陀螺儀可測量手臂的旋轉(zhuǎn)運動并對其進(jìn)行補(bǔ)償。

　　將三種傳感器（加速計、高度計和陀螺儀）和MCU結(jié)合在一起來測量和處理讀數(shù)，就產(chǎn)生了高精度計步器。

　　4.傳感器融合如何工作

　　最基本的傳感器融合示例是電子羅盤，它結(jié)合了3D磁力計和3D加速計來提供羅盤功能。更復(fù)雜的傳感器融合技術(shù)增強(qiáng)了用戶體驗，充分利用3D加速計、3D陀螺儀和3D磁力計（，測量相對于給定器件空間方向的特定方向上的磁場組成），并將它們?nèi)诤显谝黄�。每種傳感器都有獨特的功能，但也有其局限性：

　�。考铀儆嫞簒軸、y軸和z軸線性運動感測，但對振動比較敏感
　��？陀螺儀：俯仰、翻滾和方位角感測，但有零位漂移
　�。看帕τ嫞簒軸、y軸和z軸磁場感測，但對磁干擾比較敏感

　　傳感器融合將所有這些技術(shù)結(jié)合在一起，接收來自多個傳感器的同時輸入，并對輸入進(jìn)行處理，產(chǎn)生一個綜合了各個部件輸出的最終輸出值（即，傳感器融合使用特殊算法和濾波技術(shù)，消除了各個獨立傳感器的不足之處－類似于上述人體的功能）。

　　傳感器融合提供了一套完整的功能，可使我們的生活更簡單，并支持可以利用這些功能的各種服務(wù)。

　　傳感器行業(yè)目前面臨的問題之一是各個操作系統(tǒng)（OS）缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。目前，大多數(shù)OS驅(qū)動程序需要最基本的傳感器數(shù)據(jù)，這使傳感器無法發(fā)揮其所有功能。

　　傳感器融合是Microsoft戰(zhàn)略的一部分，因此Windows 8 OS都支持傳感器，使用傳感器級驅(qū)動程序，這些驅(qū)動符合其與微軟的生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴共同制定的標(biāo)準(zhǔn)（Human Interface Device specification 2011）。Windows Runtime編程模塊允許輕量級執(zhí)行調(diào)用，使傳感器能夠在硬件級進(jìn)行處理。

　　傳感器融合通常是指將3D加速計、3D陀螺儀和3D磁力計結(jié)合在一起，這種配置被稱為9軸系統(tǒng)，為用戶提供9個自由度（9-DoF）。2012年，飛思卡爾推出了面向Windows 8的12軸Xtrinsic傳感器平臺，提供了12-DoF傳感器融合解決方案，該解決方案包括氣壓傳感器、溫度傳感器和環(huán)境光感測功能。

　　圖3面向Windows 8的12軸Xtrinsic傳感器數(shù)據(jù)流

　　這個全面的硬件和軟件解決方案使用飛思卡爾32位MCU融合了加速計、磁力計和陀螺儀數(shù)據(jù)，并提供了易于集成的特性，從而簡化了開發(fā)。微軟的Windows 8 OS針對平板電腦、筆記本電腦和其他移動設(shè)備借助個人計算機(jī)的計算能力，擴(kuò)展了運行智能手機(jī)和平板電腦應(yīng)用的功能。飛思卡爾憑借其傳感器融合平臺，從微軟獲得了Windows 8認(rèn)證，成為第一批獲得該認(rèn)證的公司之一。

　　基本的傳感器融合處理需要10–12 MIPS.對于9-DoF傳感器融合，這種要求可達(dá)到18–20 MIPS處理周期。有各種方法可以滿足這些處理要求（每種方法都有優(yōu)缺點），包括為傳感器處理添加專用的協(xié)處理器，或使用有足夠的性能擴(kuò)展空間、允許隨著時間的推移增加新功能的功能強(qiáng)大的MCU.

　　5.其他傳感器融合示例

　　飛思卡爾正在進(jìn)行有關(guān)傳感器在醫(yī)療電子中的使用和非醫(yī)療應(yīng)用的多傳感器處理的研究。JoséFernández Villase？or博士是一位醫(yī)學(xué)博士兼電氣工程師，他既是飛思卡爾醫(yī)療產(chǎn)品市場營銷專家，同時也是一家醫(yī)院的醫(yī)生，研究使用傳感器（這是REC技術(shù)的較大的基本構(gòu)件）進(jìn)行情感分析，他將這兩個身份完美地結(jié)合在一起。研究表明由于物理活動導(dǎo)致心律增加的模式和幅度與由于腎上腺素激發(fā)的心率增加的不同。因此，人們可以使用算法并分析傳感器數(shù)據(jù)，以電子方式檢測一個人所顯示的情感的類型。

　　下面是一個游戲平臺示例，這個游戲平臺能夠監(jiān)控生理變化和狀態(tài)并采集數(shù)據(jù)，從而以電子方式檢測情感，例如：

　��？肌肉放松（MR）－通過壓力傳感器
　　？心律變化（HRV）－通過一個芯片上的雙電極ECG
　�。苛骱梗⊿）－通過電容式傳感器
　��？姿態(tài)（A）－通過加速計監(jiān)測一個人的放松狀態(tài)（生澀的動作和平穩(wěn)的手）
　　？肌肉收縮（MC）－通過壓力傳感器

　　圖4使用情感感測的環(huán)境感知：工作方式

　　使用采集的傳感器數(shù)據(jù)，游戲平臺里的MCU能夠在游戲情境過程中檢測情感，并為玩家提供反饋，使游戲更精彩。是否可以在賽車游戲中當(dāng)檢測到玩家處于更放松的狀態(tài)（加速計的讀數(shù)減少）然后使轉(zhuǎn)彎速度更快、更難操控？這樣，能夠更好地控制情感的，沉穩(wěn)的駕駛員得分會更高（與現(xiàn)實生活相似）。如果本地控制臺的MCU提供處理功能，這將被視為本地情感計算，如果基于云的系統(tǒng)提供處理功能，則被視為遠(yuǎn)程情感計算。在基于云的系統(tǒng)中，可利用復(fù)雜的大數(shù)據(jù)算法對游戲場景提供更詳細(xì)的響應(yīng)。

　　在另一個示例中，傳感器可用于通過測量用戶拿手機(jī)輸入文字或撥打電話的方式，檢測用戶的情感。此外，軟件算法可用于分析人輸入文字的方式、手機(jī)運動是否平穩(wěn)或者在輸入文字時犯了多少錯誤（使用退格鍵），提供有關(guān)個人心理狀態(tài)的其他背景。

　　圖5物聯(lián)網(wǎng)：不同的服務(wù)，不同的技術(shù)，對每個人的意義不同

　　6.在物聯(lián)網(wǎng)中充分利用傳感器融合

　　正如白皮書“物聯(lián)網(wǎng)要變成現(xiàn)實‘還缺什么”所述，物聯(lián)網(wǎng)包含了許多用例——從互連家居和城市、互連的汽車和道路到跟蹤個人的行為并使用采集的數(shù)據(jù)來推送服務(wù)的設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)是一種普遍的“空中全球神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，將觸及我們生活的各個方面。從技術(shù)的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)被定義為與其他機(jī)器、對象、環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行交互和通信的智能機(jī)，會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)處理成有用的行為，可以“指揮和控制”事物并使人類的生活更加輕松。

　　所有物聯(lián)網(wǎng)用例的通用要求包括：

　��？傳感和數(shù)據(jù)采集功能（傳感節(jié)點）
　�。勘镜厍度胧教幚韺庸δ埽ū镜厍度胧教幚砉�(jié)點）
　��？有線和/或無線通信功能（連接節(jié)點）
　��？軟件自動執(zhí)行任務(wù)，并啟用新的服務(wù)類別
　��？遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)/基于云的嵌入式處理功能（遠(yuǎn)程嵌入式處理節(jié)點）
　　？整個信號路徑都具有完整的安全性（未完待續(xù)）

　　
圖6物聯(lián)網(wǎng)的功能塊

　　轉(zhuǎn)載請注明來源：賽斯維傳感器網(wǎng)（www.jsxlzzp.com）