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传感器,物联网时代的智能硬件数字化入口

简介: 在物联网时代,谈到智能硬件,传感器是一个绕不开的话题。随着物联网时代的到来,硬件设备的智能化业务的不断更新迭代,对于传感器的场景化需求也在不断变化。今天,我们的话题就从物理传感器开始。
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来源 | HaaS技术社区

不看这几篇好文,就别说自己了解物联网

1、引言

在物联网时代,谈到智能硬件,传感器是一个绕不开的话题。随着物联网时代的到来,硬件设备的智能化业务的不断更新迭代,对于传感器的场景化需求也在不断变化。今天,我们的话题就从物理传感器开始。

2、什么是物理传感器

在嵌入式移动设备中,比如智能手机,智能穿戴,家用医疗设备和其他一些智能硬件设备,所用到的物理传感器一般都是MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical System)传感器。经过几十年的发展,已经成为了世界瞩目的重要科技之一,同时也涉及到了电子,机械,物理学等多学科的领域。和传统的传感器相比,MEMS传感器体积更小,重量轻,成本低,功耗低,可靠性高,易于集成开发等优势。目前,MEMS传感器主要有加速度计(Accelerometer),磁力计(Magnetometer),陀螺仪(Gyroscope),光感计(Ambient light sensor),接近光(Proximity),气压计(Barometer/pressure),湿度计(Humidometer)等等,按类型可以分为环境类传感器,运动类传感器,健康类传感器。
  传感器数据主要分两种类型,一种是物理传感器数据,两外一种是基于物理传感器数据基础上通过算法导出的数据,可以称之为虚拟数据或者软件数据。

传感器列表

传感器类型

功能简介

光感器

环境类传感器

感知周围的光亮强度

温度计

环境类传感器

感知周围的环境温度

湿度计

环境类传感器

感知周围的环境湿度

气压计

环境类传感器

感知所在区域的气压值

紫外线

环境类传感器

感知所在区域的紫外线强度

PM2.5

环境类传感器

感知所在区域的PM2.5值

VOC

环境类传感器

感知所在区域的有害气体值

加速度计

运动类传感器

测算对象当时的加速度值

陀螺仪

运动类传感器

测算对象当时的角速度值

磁力计

位置类传感器

测算对象周围的磁场强度

接近光

位置类传感器

感知物体接近的距离

心率计

健康类传感器

测算对象当时的心率值

血压计

健康类传感器

测算对象当时的血压值

加速度传感器


  加速计(Accelerometer)也叫重力传感器,是可以感知任意方向上的加速度(重力加速度则只是地表垂直方向加速度),加速计通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果,表现形式为轴向的加速度大小和方向(X,Y,Z)。其原理是根据传感器内部的振动结构,由于外界加速度会影响到内部结构的振动特性,来测量到物体的加速度。加速度计的用途很多,只要跟智能硬件(比如手机)运动相关的几乎都与加速度计有关(计步、手机的姿态测量、相关的游戏等等) 。

陀螺仪传感器


  陀螺仪,在传感器内部有个三轴的陀螺。陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角,然后来计算角速度,从而可以由夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。陀螺仪的用途也非常多,比如数码照相防抖,以及配合加速度计(有的还有磁传感器或者GPS等)形成的融合传感器来完成更高级的功能(如惯性导航)。

磁力计传感器


  磁力计(Magnetic)也叫地磁计、磁感器,可用于测试磁场强度和方向,磁力计的原理跟指南针原理类似,可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

环境光感传感器


  环境光传感器可以感知周围光线强度。例如,在手机、笔记本、平板电脑等移动应用中,可以根据外界的亮度来实现自动调节背光亮度等,从而降低产品的功耗。

接近光传感器


  接近光传感器用于检测红外信号,其主要检测的是外部的红外线LED的信号。这个LED向外发出红外线,当有物体接近传感器的上方时,进入红外线的发射区域,有些红外线会被发射回传感器。现在还有基于激光的接近光传感器,比如ToF sensor等,可以测距范围在2-4米左右。

气压计传感器


  气压计主要是由一个真空盒式气压传感器,靠气压导致真空盒形变,上下两块电容板距离改变,电容改变来测量大气压值。

湿度计传感器


  主要原理是把空气中的温湿度通过一定检测装置,测量到温湿度后,按一定的规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出,从而来检测出当时的温度值。

紫外线传感器


  紫外线传感器(UV)是利用光敏元件将紫外线信号转换为电信号的传感器。

PM2.5传感器


  PM2.5激光传感器是一款通用细微颗粒物浓度传感器,采用激光散射原理。即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射,同时在某一特定角度用探测器接收散射光,产生的光电流经放大后,得到电信号与颗粒物的对应曲线,经过一系列算法得出单位体积内不同粒径的颗粒物质量。从而获得空气中单 位体积内PM2.5的质量数据。PM2.5传感器主要用于嵌入各种细微颗粒物浓度相关的仪器仪表、环境改善设备,如空气净化器。

智能传感集线器SensorHub框架

硬件部分

谈到传感器,我们也一定要谈一下用于传感器数据计算和传输的智能传感集线器,也称之为Sensor hub,是一种基于低功耗MCU和轻量级RTOS操作系统之上的软硬件结合的方案,其主要功能是连接并处理来自各种传感器设备的数据。
  根据不同的终端设备和业务场景需求,当前的传感集线器硬件框架主要可以分为三种,MCU内置型,MCU外置型和MCU独立型。硬件组件主要有低功耗MCU,比如ARM7,ARM9和cortex M系列为主,外设主要是MEMS传感器,如加速度,陀螺仪等等。SoC主要指ARM A核系列,比如手机里的主芯片,可以运行Android等大型操作系统。

MCU内置型
目前主要是在智能手机中存在这样的硬件方案,SOC上运行安卓或者IOS,MCU上运行轻量级的RTOS。

image.png

MCU外置型

在没有内置型硬件架构之前,市面上的很多智能设备都基于这样的硬件方案。当然,目前这样的硬件方案还有很大的市场。

image.png

MCU独立型
这种硬件方案主要是用于各种智能硬件设备,比如智能手环,扫地机器人等等。

image.png

软件部分

本章节主要是介绍智能传感集线器的软件部分,主要涉及通用软件方案的概要设计和各模块的功能职责,包括了功能模块,管理模块,驱动模块等。

具体代码实现可以参考AliOS Things开源代码。

image.png

按上图所示,目前主要有三大模块支撑整个架构。其他模块均可以按照业务需求进行组件化配置或者增加新功能。

模块描述

模块名

具体描述

应用服务管理模块

service mgr

1.管理基于传感器的应用算法数据服务,如注册等
2.支撑整个uData框架的事件调度机制
3.管理对外组件的业务需求,如订阅等

抽象数据管理模块

abs data model

1.对物理传感器的抽象化管理
2.和实际物理传感器分离,并做1:1映射
3.以vfs方式和kernel层sensor进行通信

传感器抽象层模块

sensor\hal

1.提供物理传感器驱动的驱动接口,如注册,创建驱动对象等
2.提供静态校准的配置接口,如轴向等
3.提供硬件配置接口,比如I2C,SPI配置相关配置

MEMS产业链和芯片发展趋势

目前国内整个MEMS产业链经过数十年的发展,已经形成了一定的规模和全链路生态。下图是近期对国内MEMS产业的调研。

image.png


除了完成的产业链之外,我们也需要对未来一段时间MEMS传感器芯片发展趋势做一定的研究和分析:主要冲绳那个维度来分析和预测:
物理参数:趋向体积小,重量轻,功耗低,精度高。
芯片整合:趋向于同类功能的传感器整合成一颗芯片;集成MCU化。
软件整合:趋向于常用算法和安全功能嵌入到带MCU的传感器中,实现可编程化,AI化等

image.png

尾声

随着IoT物联网时代的到来,各种智能硬件设备越来越依赖于各种传感器来实现各种智能化业务。从个人消费产品的普及,到如今的智能家居,智能城市,智能工业等无不依赖于传感器来实现其智能化。感知,连接,应用,从模拟世界到数字世界,连接的桥梁基石就是传感器。

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