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- 物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器融合
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/12/12
摘要
傳感器技術(shù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)�，F(xiàn)在，很難見(jiàn)到不使用傳感器為用戶創(chuàng)造新體驗(yàn)的電子消費(fèi)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(jià)格降低了，尺寸也縮小了，因此又推動(dòng)了傳感器在新應(yīng)用的使用，并為傳感器市場(chǎng)營(yíng)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(dòng)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(cè)。傳感器無(wú)處不在，現(xiàn)在傳感器技術(shù)已開(kāi)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(gè)傳感器采集的各個(gè)數(shù)據(jù)融合在一起，獲得的數(shù)據(jù)視圖比單獨(dú)使用各個(gè)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(dú)立采集的數(shù)據(jù)之和。
傳感器融合支持環(huán)境感知，這對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）來(lái)說(shuō)蘊(yùn)藏著巨大潛力。傳感器融合針對(duì)遠(yuǎn)程情感計(jì)算（情感感測(cè)和處理）的演進(jìn)在未來(lái)還可能產(chǎn)生激動(dòng)人心的新應(yīng)用，包括智能醫(yī)療。然而，這些功能也帶來(lái)了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管中需要解決的嚴(yán)重的隱私問(wèn)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(duì)“空中全球神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”和基于云的處理資源的訪問(wèn)，將進(jìn)一步推動(dòng)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(gè)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(gè)人在許多方面體驗(yàn)外部世界。視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、化學(xué)感覺(jué)（嗅覺(jué)和味覺(jué)）和表面感覺(jué)（觸覺(jué)）都提供關(guān)于一個(gè)人周圍環(huán)境的感官信息，這些信息通過(guò)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(gè)給定的情況或體驗(yàn)。
PNS對(duì)它傳輸?shù)男畔⒉恢贫◤?fù)雜的決策；這些決策由大腦制定。對(duì)感覺(jué)輸入，大腦的反應(yīng)是發(fā)送運(yùn)動(dòng)信息，這是人類對(duì)輸入的響應(yīng)。例如，一個(gè)行人看到一輛汽車向他開(kāi)過(guò)來(lái)，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(lái)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(wú)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(jì)步器案例分析
大腦是最終的決策者。然而，如果沒(méi)有外周神經(jīng)系統(tǒng)帶來(lái)感知信息并發(fā)出運(yùn)動(dòng)信息，人將無(wú)法行走、說(shuō)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(gè)感官輸入源驗(yàn)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(kāi)這輛汽車，因?yàn)橐嫫鸹鹆�。在這種情況下，使大腦做出反應(yīng)的信息大于獨(dú)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(lái)自多個(gè)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(duì)措施。各個(gè)傳感器都有固有的局限性，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，但這些錯(cuò)誤可以由補(bǔ)充傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行糾正或進(jìn)行補(bǔ)充。例如，陀螺儀會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生偏移，可以使用配備的加速計(jì)來(lái)補(bǔ)償這些偏移。因此，（來(lái)自多個(gè)傳感器的）融合的傳感器信息比單獨(dú)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(gè)計(jì)步器的簡(jiǎn)單示例。傳統(tǒng)的計(jì)步器使用一個(gè)鐘擺，需要以垂直的角度佩戴在髖關(guān)節(jié)，以避免錯(cuò)誤讀數(shù)。當(dāng)用戶走動(dòng)時(shí)，計(jì)步器跟蹤鐘擺隨著髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)回?cái)[動(dòng)，擺動(dòng)一回便計(jì)數(shù)一次，以此對(duì)每一步進(jìn)行計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)的錯(cuò)誤計(jì)步，無(wú)效讀數(shù)很常見(jiàn)。
基于MEMS的慣性傳感器帶來(lái)了很大的改進(jìn)。第一代基于MEMS的計(jì)步器使用的加速計(jì)對(duì)人的加速度執(zhí)行1軸、2軸或3軸（3D）檢測(cè)，更準(zhǔn)確地測(cè)量步數(shù)。此外，老式機(jī)械計(jì)步器只根據(jù)擺動(dòng)次數(shù)記錄步數(shù)，而加速計(jì)則每秒多次測(cè)量一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)。
但是，如果您不僅想計(jì)量步數(shù)，還想準(zhǔn)確地計(jì)算上下樓梯或上下山時(shí)燃燒的卡路里。下一代計(jì)步器添加了高度計(jì)，測(cè)量和計(jì)算人在行走時(shí)相對(duì)于某個(gè)固定參考點(diǎn)的高度變化。高度計(jì)技術(shù)用于檢測(cè)高度計(jì)或氣壓計(jì)（BAP）應(yīng)用中的絕對(duì)氣壓。要獲得精確的壓力讀數(shù)還需要進(jìn)行溫度測(cè)量，因此通常會(huì)增加某種溫度補(bǔ)償電路以提高測(cè)量精度。
繼掛在慢跑者手臂上的早期便攜式音樂(lè)播放器獲得成功后，現(xiàn)在有許多設(shè)計(jì)佩戴在手臂上的獨(dú)立計(jì)步器和有計(jì)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(gè)使用案例中，手臂運(yùn)動(dòng)引入了寄生運(yùn)動(dòng)。陀螺儀可測(cè)量手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。
將三種傳感器（加速計(jì)、高度計(jì)和陀螺儀）和MCU結(jié)合在一起來(lái)測(cè)量和處理讀數(shù)，就產(chǎn)生了高精度計(jì)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(jì)和3D加速計(jì)來(lái)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(yàn)，充分利用3D加速計(jì)、3D陀螺儀和3D磁力計(jì)（，測(cè)量相對(duì)于給定器件空間方向的特定方向上的磁場(chǎng)組成），并將它們?nèi)诤显谝黄�。每種傳感器都有獨(dú)特的功能，但也有其局限性：
��？加速計(jì)：x軸、y軸和z軸線性運(yùn)動(dòng)感測(cè)，但對(duì)振動(dòng)比較敏感
？陀螺儀：俯仰、翻滾和方位角感測(cè)，但有零位漂移
��？磁力計(jì)：x軸、y軸和z軸磁場(chǎng)感測(cè)，但對(duì)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(lái)自多個(gè)傳感器的同時(shí)輸入，并對(duì)輸入進(jìn)行處理，產(chǎn)生一個(gè)綜合了各個(gè)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(gè)獨(dú)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(jiǎn)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(wèn)題之一是各個(gè)操作系統(tǒng)（OS）缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。目前，大多數(shù)OS驅(qū)動(dòng)程序需要最基本的傳感器數(shù)據(jù)，這使傳感器無(wú)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(jí)驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)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(jí)執(zhí)行調(diào)用，使傳感器能夠在硬件級(jí)進(jìn)行處理。
傳感器融合通常是指將3D加速計(jì)、3D陀螺儀和3D磁力計(jì)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(gè)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(tái)，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(cè)功能。
圖3面向Windows 8的12軸Xtrinsic傳感器數(shù)據(jù)流
這個(gè)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(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)，并提供了易于集成的特性，從而簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)。微軟的Windows 8 OS針對(duì)平板電腦、筆記本電腦和其他移動(dòng)設(shè)備借助個(gè)人計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，擴(kuò)展了運(yùn)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(tái)，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(duì)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(diǎn)），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(shí)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(chǎng)營(yíng)銷專家，同時(shí)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(gè)身份完美地結(jié)合在一起。研究表明由于物理活動(dòng)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(cè)一個(gè)人所顯示的情感的類型。
下面是一個(gè)游戲平臺(tái)示例，這個(gè)游戲平臺(tái)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(cè)情感，例如：
�。考∪夥潘桑∕R）－通過(guò)壓力傳感器
�。啃穆勺兓℉RV）－通過(guò)一個(gè)芯片上的雙電極ECG
��？流汗（S）－通過(guò)電容式傳感器
��？姿態(tài)（A）－通過(guò)加速計(jì)監(jiān)測(cè)一個(gè)人的放松狀態(tài)（生澀的動(dòng)作和平穩(wěn)的手）
？肌肉收縮（MC）－通過(guò)壓力傳感器
圖4使用情感感測(cè)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(tái)里的MCU能夠在游戲情境過(guò)程中檢測(cè)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(cè)到玩家處于更放松的狀態(tài)（加速計(jì)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(huì)更高（與現(xiàn)實(shí)生活相似）。如果本地控制臺(tái)的MCU提供處理功能，這將被視為本地情感計(jì)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(jì)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(duì)游戲場(chǎng)景提供更詳細(xì)的響應(yīng)。
在另一個(gè)示例中，傳感器可用于通過(guò)測(cè)量用戶拿手機(jī)輸入文字或撥打電話的方式，檢測(cè)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(yùn)動(dòng)是否平穩(wěn)或者在輸入文字時(shí)犯了多少錯(cuò)誤（使用退格鍵），提供有關(guān)個(gè)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(duì)每個(gè)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(shū)“物聯(lián)網(wǎng)要變成現(xiàn)實(shí)‘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(gè)人的行為并使用采集的數(shù)據(jù)來(lái)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(gè)方面。從技術(shù)的角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)被定義為與其他機(jī)器、對(duì)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(huì)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(diǎn)）
��？本地嵌入式處理層功能（本地嵌入式處理節(jié)點(diǎn)）
��？有線和/或無(wú)線通信功能（連接節(jié)點(diǎn)）
��？軟件自動(dòng)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(diǎn)）
？整個(gè)信號(hào)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
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