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物联网简介
[作者 Vishal GOYAL]   2019年08月21日 星期三 浏览人次: [1846]

凡是有电视或电脑的人大概都知道,物联网是一个不需要人为干预就能使「物体」相互通讯的网路。在物联网出现之前,联网装置需要人类产生或处理资讯。智慧型手机、笔记型电脑和桌上型电脑都属於个人连网装置。


物联网延伸得很广泛:具备连网功能的装置,例如,智慧个人装置、智慧家庭设备、智慧汽车,甚至智慧城市设施,都能感知、处理、存储资料,并采取相应操作。智慧药盒可以监控病人是否按时吃药,并提醒吃药,还能通知患者家属协助病人按时服药,甚至提前购买快用使用完的药品。智慧锁可用手机开门和锁门,并监控所有活动,还有设定开锁时间,提醒使用者注意非法进入。


你可能已经有或正在使用几个连网装置,根据Stastita的研究报告,到2025年物联网设备的总量预计将超过750亿台,远远超过联合国预测同一年的81亿地球人囗。你会了解为什麽物联网可能是科技公司最大成长的动力。连网装置或设备将我们的生活变得更安全、更舒适,还能有助於优化资源的利用率。


物联网体系结构是这个更长价值链与外部世界交互沟通的视窗。连网装置与设备也是人机互动的主要介面,因此,外形尺寸和产品功能是连网产品热卖的要素。


典型的物联网体系架构包括设备、闸道、云端服务和应用软体。在本文中,我们的重点将探讨通讯连网技术和连网设备,特别是聚焦在个人化的穿戴式装置。


个人连网装置规格

活动检测

身体活动识别和计步器是穿戴带式装置最常见的功能。这些功能是经由一个加速计而完成的,加速度计是用途最广泛的感测器之一,是几??所有个人装置的标配。经过多年的发展,从简单的加速度检测,到许多先进动作检测、直接输出感测资料等,加速度计已经变得非常先进。


例如,意法半导体的LIS2DW12加速度计可以检测6D方向、唤醒、自由落体和点击功能。该感测器的检测杂讯模式可以被设定,在检测精度和功耗之间选择,甚至具有自动睡眠和唤醒功能。



图一 : 意法半导体的LIS2DW12加速度计可以检测6D方向、唤醒、自由落体和点击功能。
图一 : 意法半导体的LIS2DW12加速度计可以检测6D方向、唤醒、自由落体和点击功能。

为了提升穿戴式电子装置的检测精确度和功能,需要将陀螺仪与加速度计配合使用。陀螺仪是角速度感测器。


以前的陀螺仪耗电量很大,应用范围有限,不适合用在小型电池供电的个人装置。但是,将陀螺仪和加速度计整合在一个晶片上的IMU惯性测量单元,不仅耗电量小,还有很多先进的功能,例如,有限状态机、自订手势识别、智慧FIFO记忆体和外部感测器介面,资料处理在模组内部完成,且不占用微控制器计算资源。意法半导体的LSM6DSO就是一个这样的IMU产品。


罗盘和方向检测

罗盘为使用者提供方向检测功能,帮助无人机导航。磁力计与加速度计和陀螺仪配合使用,可达到室内导航的功能。磁力计还用於一些家庭自动化解决方案,例如,开门或关门检测。


高度测量

测高仪可以强化计步器的功能,例如,帮助攀岩者测量离地高度,或是在室内导航中检测楼层位置。穿戴式气压感测器用於检测大气压力,最终也用於测量高度。


气压感测器需要一个通气孔,以便空气进入薄膜。检测气压、水和化学物质很容易从气孔进入感测器单元,污染内部结构。因此,需要一个既能用於游泳、户外运动和海产业的气压感测器,同时还能预防氯、溴等化学制品污染的气压感测器。


LPS33HW 就是一个符合这些要求的感测器,其具有O型密封圈和10帕防水(最深90公尺)能力,以防止氯、溴、盐等化学制品污染。


环境感知

环境感知技术根据来自麦克风的音讯输入资料检测识别环境。透过测量声音,装置可以识别使用者是在商场、体育场还是会议室。经过识别环境,就可以直接进行手机的设定。麦克风阵列可提供回波消除、光束形成和声源定位等功能,以提升麦克风的检测精度。


麦克风的重要叁数包括讯号杂讯比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)、AOP(声超载点)和功耗。麦克风分为类比输出和数位输出两大类,并依照声孔位置划分,麦克风又分为上声孔和下声孔(手机麦克风)。


@中标;连网


需要注意的是,是连网技术将一个设备或装置变为连网装置。连网技术使装置可以透过手机或闸道连接到网路云端,或者直接连到基础设施。连网装置的传统连线方法是透过 Wi-Fi、蓝牙和蜂窝网路技术。但是,低功耗射频技术的出现扩大了连网装置的范围和功能。


低功耗蓝牙(BLE)是一种无线个人区域网路(WLAN)技术,旨在推动医疗、健康、健身、安全保护和家庭自动化的应用创新。相较传统蓝牙和 Wi-Fi技术,BLE的功耗非常低,同时还增加了装置和手机相连的功能。BLE的载波频率是2.4Ghz,属於全球免费的ISM频段。


BLE Mesh则是一个在Mesh网路内连线多个 BLE 装置的软体解决方案。BLE Mesh解决方案的出现,让设备不在网路的直连范围内也可以照常连接网路。


BLE Mesh则是一个在Mesh网路内连线多个 BLE 装置的软体解决方案。BLE Mesh解决方案的出现,让设备不在网路的直连范围内也可以照常连接网路。



图二 : BLE Mesh解决方案的出现,让设备不在网路的直连范围内也可以照常连接网路。
图二 : BLE Mesh解决方案的出现,让设备不在网路的直连范围内也可以照常连接网路。

意法半导体的BlueNRG-2是一款超低功耗的BLE 5.0 认证系统晶片,能够与感测器无缝连线,其支援蓝牙Privacy 1.2和Secure Connection 4.2,8dbm输出功率,并支援与连网装置的可靠BLE链路。此外,它亦支援标准的完全相容的 SIG BLE 网格。



图三 : BlueNRG-2是超低功耗的BLE 5.0 认证系统晶片,能够与感测器无缝连线。
图三 : BlueNRG-2是超低功耗的BLE 5.0 认证系统晶片,能够与感测器无缝连线。

低功耗广域网路(LPWAN)技术是连网领域另一个颠覆性的技术,通讯连接距离长达数公里,而且功耗非常低,电源是一枚非充电型硬币电池。Sigfox是一种LPWAN技术,提供全球云端服务和远距离连线,功耗极低。Sigfox 装置在世界各地免费连接网路,无需与网路运营商签订任何单独的协议或支付漫游费。


LPWAN 技术运作在1 Ghz 以下的频段,在全球没有统一的频段标准(蓝牙是2.4Ghz),因此,LPWAN设备在不同国家/地区采用不同的频段。为了解决这个问题,Sigfox推出了一个名为「Monarch」的新功能,用於识别无线电服务并根据当地法规管理无线电频率变化。


意法半导体推出了一个市面上独一无二的解决方案,将BLE和Sigfox 射频S2-LP合二为一。该双射频解决方案透过Sigfox和智慧型手机的BLE建立远端连线。当智慧型手机连接到Sigfox装置後,就拥有有使用者介面(UI)、空中韧体更新(OTA)、直接配对和控制功能。


边缘智慧

人工智慧和机器学习已经演变为物联网的骨干运算技术。人工智慧利用模拟自然界特点的自然计算方法解决复杂问题;机器学习是指使机器能够识别底层模式,透过分析资料进行预测和提出建议的技术。物联网云端运算则能够实现这些演算法和技术。


随着连网装置的数量呈指数级成长,从感测器传送到云端的原始资料量大量增加,导致对云端连接的资料频宽和云端运算能力的需求大幅上升。当某些分析过程下移转到感测器节点附近或边缘端点时,可以利用人工智慧有效地分析处理感测器资料。


边缘运算可以保护资料隐私安全,降低网路频宽和云端运算的需求。边缘运算意味着在节点执行智慧感测和处理过程,因此选择这些装置非常重要。智慧节点分析资料、执行感测器演算法、推算识别环境,并将资料上传到云端,进行後续处理。


开发物联网解决方案

如前所述,典型的物联网体系结构是由设备、闸道、云端服务和物联网应用程式组成的。


性能强大的物联网解决方案不仅包括创新装置,还包括开源软硬体叁考设计、垂直应用解决方案,以及与云端服务商的合作关系。成功的物联网解决方案还需要平台上所有利益相关者协同开发。


例如,意法半导体的STM32 ODE 开放式开发平台提供可堆叠安装的硬体和模组化软体平台,其拥有超过 131 个套装软体、3个云端 SDK工具和几个协力厂商电路板。物联网用例数量庞大,且种类繁多,新创公司在物联网发展中发挥的作用不可小黥。开源平台和强大的生态系统有助於降低解决方案的开发、原型设计和商业化的困难度。


结论

低功耗智慧感测器、创新的连网技术和令人惊艳的使用案例让物联网热门起来。未来每个人都将拥有数个穿戴式装置,所以,市场很大,而且机会很多。连网装置的数量暴增既是机遇也是挑战,成功的物联网解决方案将要求合作夥伴同时提供创新的感测器和连网技术。


(本文作者Vishal GOYAL任职於意法半导体)


*刊头图(source:jungleWorks)


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