傳感器融合成為時代

傳(chuan) 感器融合成為(wei) 時代

隨著時間的推移，傳(chuan) 感器已從(cong) 簡單的模擬和機械結構演變為(wei) 基於(yu) 芯片的數字設備，這些設備連接到機器以監控機器的健康狀況和環境條件。同樣，傳(chuan) 感器融合 - 多種類型的傳(chuan) 感器協同工作以解決(jue) 問題 - 結合了許多其他技術的線索，創造出一些非常新穎和令人興(xing) 奮的東(dong) 西。

至少從(cong) 20世紀50年代開始，使用計算設備從(cong) 多個(ge) 傳(chuan) 感器中分類數據並結合信息得出結論的想法已經存在。但這非常困難。大約在1960年，幾位數學家開發了一套算法，以便讓機器根據多個(ge) 傳(chuan) 感器的輸入得出結論。這些濾波器還從(cong) 噪聲或其他來源中刪除了無意義(yi) 的數據。當然，不久之後政府就決(jue) 定這種技術在其應用中有用。能夠處理來自多個(ge) 來源的輸入並將其與(yu) 存儲(chu) 的數據進行比較將使政府能夠更好地跟蹤和識別潛在的空中目標，甚至可以計算結果的確定性。憑借更好的計算機和傳(chuan) 感器，該技術在不斷發展。

潛在的應用

當微處理器出現時，人們(men) 將其描述為(wei) 尋找問題的解決(jue) 方案。可以對傳(chuan) 感器融合進行相同的處理。如果您擁有監控多個(ge) 傳(chuan) 感器的能力和智能，可以實時分析數據，並提供簡單的指導或控製動作，迄今為(wei) 止 - 未經考慮的應用程序幾乎是無限的。以下示例隻是劃傷(shang) 表麵：

        健康監測 - 包括健康運動，患者監測和研究

        監測老年人 - 健康監測，以減輕人員配備負擔

        汽車，運輸係統 - 監控和控製效率和安全功能

        公共安全 - 識別潛在的危險條件，其準確性遠遠高於(yu) 簡單的火災和安全係統

        娛樂(le) - 遊戲，包括控製器和虛擬現實耳機

        天氣 - 智能天氣預報站，不僅(jin) 可以警告變化的條件，還可以控製風暴準備係統（例            如，關(guan) 閉風暴百葉窗，關(guan) 閉閥門等）

        HVAC /空氣質量 - 室溫，濕度，空氣質量，係統維護等的智能控製

雖然所有這些類型的功能已經以某種形式存在多年，但係統觀察多個(ge) 傳(chuan) 感器並得出智能結論甚至啟動動作的能力是革命性的。

圖1：活動和其他健康監測器是*采用傳(chuan) 感器融合技術的消費產(chan) 品之一。

技術的融合幸運的是，正如他們(men) 在電子產(chan) 品的其他領域所做的那樣，許多IC製造商已經承擔了繁重工作的任務。借助現成的傳(chuan) 感器融合和傳(chuan) 感器集線器芯片，現在可以有效地連接各種數字傳(chuan) 感器以及其他路徑。創建自己的算法的負擔已經消除。

雖然他們(men) 的術語確實有所不同，但許多IC製造商要麽(me) 調整現有的產(chan) 品線，要麽(me) 創造全新的產(chan) 品來解決(jue) 傳(chuan) 感器融合任務。該處理由控製器芯片完成，該芯片可以被識別為(wei) MCU，傳(chuan) 感器集線器或傳(chuan) 感器融合處理器。我們(men) 已經看到這種技術應用於(yu) 智能手機，活動監視器和其他設備的消費市場。

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

在大多數情況下，這些功能在手機中“始終打開”。如果來自這些傳(chuan) 感器的數據處理由手機的中央微控製器管理，則電池壽命將大大縮短。相反，的MCU芯片使用一小部分功率將數據作為(wei) 傳(chuan) 感器集線器處理。恩智浦ARM M3係列MCU就是一個(ge) 例子。根據EETimes報道的產(chan) 品拆解專(zhuan) 家Chipworks的說法，Apple使用定製版本的NXP芯片來監控iphoness 5S中的傳(chuan) 感器。“M7控製各種離散傳(chuan) 感器的功能，包括陀螺儀(yi) ，加速度計和指南針。”三星與(yu) Atmel（Core 8位AVR MCU）的微控製器承擔相同的任務。

借助如此強大的板載感應技術，應用程序正在出現，利用9-DoF手機硬件提供健康和活動監控，或與(yu) GPS和外部數據協同工作，為(wei) 用戶提供更多信息。現在，從(cong) 通過藍牙進行通信的外部設備添加那些已經多樣化的傳(chuan) 感器輸入數據，這些功能似乎是無限的。芯片製造商的目標是使工程師能夠設計出能夠提供實時傳(chuan) 感器數據的係統，這些數據可用於(yu) 以較小的功耗和較長的電池壽命提供所需的上下文感知。除智能手機外，高度優(you) 化的解決(jue) 方案還可以滿足平板電腦，超極本，支持物聯網的設備，遊戲，醫療保健，環境監控和可穿戴計算等應用。

開發板可以讓設計工程師輕鬆掌握這項技術。一個(ge) 這樣的例子是Atmel的ATAVRSBIN2。Atmel已經將傳(chuan) 感器融合到各種各樣的產(chan) 品中，他們(men) 稱之為(wei) “完整的傳(chuan) 感器生態係統”.Atmel認為(wei) ，同時分析和融合來自不同傳(chuan) 感器和傳(chuan) 感器類型的數據並不是它可以單獨處理的任務。為(wei) 了克服這些複雜性，該公司與(yu) 眾(zhong) 多的傳(chuan) 感器製造商和傳(chuan) 感器融合專(zhuan) 家合作，提供完整，易於(yu) 實施的傳(chuan) 感器集線器解決(jue) 方案。

目前的趨勢是將MCU與(yu) 三個(ge) 或更多MEMS傳(chuan) 感器組合在一個(ge) 封裝中。其中一個(ge) 例子是意法半導體(ti) 的LIS331EB，它將高精度三軸數字加速度計與(yu) 微控製器結合在一個(ge) 3 x 3 x 1 mm封裝中。該微控製器是一款超低功耗ARM Cortex-M0，具有64 KB閃存，128 KB RAM，嵌入式定時器，2xI2C（主/從(cong) ）和SPI（主/從(cong) ）。LIS331EB還可以內(nei) 部處理外部傳(chuan) 感器（總共9個(ge) ）檢測到的數據，例如陀螺儀(yi) ，磁力計和壓18luck网备用。作為(wei) 傳(chuan) 感器集線器，它將所有輸入與(yu) iNEMO Engine軟件融合在一起。STMicroelectronics的iNEMO發動機傳(chuan) 感器融合軟件套件采用一套自適應預測和濾波算法來感知（或融合）來自多個(ge) 傳(chuan) 感器的複雜信息。

飛思卡爾還提供將MCU和傳(chuan) 感器組合在一個(ge) 封裝中的產(chan) 品係列。他們(men) 的FXLC95000 Xtrinsic運動傳(chuan) 感平台集成了MEMS加速度計和32位ColdFire MCU。與(yu) STMicroelectronics器件類似，FXLC95000可以同時管理來自內(nei) 部和外部傳(chuan) 感器的數據。飛思卡爾是家推出嵌入式傳(chuan) 感集線器MCU的公司，該集成電路也可根據客戶特定應用和算法進行編程。單個(ge) 器件可以管理多達16個(ge) 傳(chuan) 感器輸入，允許從(cong) 應用處理器卸載校準，補償(chang) 和傳(chuan) 感器功能。它適用於(yu) 飛思卡爾或第三方驅動程序。

圖2：采用加速度計的飛思卡爾Xtrinsic FXLC9500 32位MCU傳(chuan) 感器融合中心可實現可擴展，自主，高精度的多傳(chuan) 感器集線器解決(jue) 方案，並在開放式架構中實現本地計算和傳(chuan) 感器管理。

融合雲(yun) 計算

雖然可以在本地實現相當多的功能，但與(yu) 雲(yun) 的交互才是真正開始的樂(le) 趣所在。遠程傳(chuan) 感器數據可以由傳(chuan) 感器融合設備處理並發送到雲(yun) 以進行記錄，進一步分析，甚至可以訂購動作。

例如，在遠程位置操作的無人值守泵總是存在失效的風險。幾年前，可能已經安裝了一個(ge) 遠程傳(chuan) 感器來識別它是否正在運行熱或甚至失敗。現在，也可以監控同一個(ge) 泵的振動，排氣化學，軸承噪音以及周圍的外部條件。預定程序可以使傳(chuan) 感器融合控製器能夠關(guan) 閉泵或者甚至使其操作循環直到技術人員可以到達。係統還會(hui) 事先知道是否可能必須更換整個(ge) 泵或僅(jin) 僅(jin) 是一個(ge) 部件。在這裏，傳(chuan) 感器融合解決(jue) 方案可以消除停機時間以及昂貴的緊急服務呼叫，甚至可以收集數據來分析泵加班的情況。同樣的一般想法適用於(yu) 監控飛行中的飛機發動機。

雲(yun) 的另一個(ge) 應用是在那裏進行傳(chuan) 感器融合，而不是在現場。利用可用的開源傳(chuan) 感器融合軟件，可以將各個(ge) 傳(chuan) 感器數據傳(chuan) 輸到服務器，進行處理。

結論

傳(chuan) 感器融合技術已經成熟，並且恰好可以利用傳(chuan) 感器，無線通信和其他技術的發展。除了先進的政府實驗室以外的所有實驗室都無法使用，該技術現已開始供貨，價(jia) 格甚至適合許多消費產(chan) 品的BOM預算。

現在，與(yu) 移動技術和低成本數字傳(chuan) 感器的快速發展密切相關(guan) ，傳(chuan) 感器融合有望實現爆炸式增長。對於(yu) 設計工程師來說，現在是應用一些創造性思維並開始實驗的好時機！