IoT推動(dòng)傳感器創(chuàng)新

技術(shù)出現(xiàn)了巨大變化：所有一切都連接到互聯(lián)網(wǎng)。功能強(qiáng)大而且使用方便的互聯(lián)網(wǎng)使得這些產(chǎn)品的價(jià)值更高，因此，企業(yè)蜂擁而至，將其物聯(lián)網(wǎng) (IoT) (圖1) 產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

圖1. 物聯(lián)網(wǎng)

傳感器

傳感器無(wú)處不在;您的汽車和電話里到處都是。之所以出現(xiàn)這種增長(zhǎng)，有三個(gè)關(guān)鍵原因—傳感器的尺寸越來(lái)越小，價(jià)格低廉，功耗也越來(lái)越低。一個(gè)很好的例子是MEMS加速度計(jì)，它最先被廣泛應(yīng)用在車輛的氣囊中。這些器件的成本很快從數(shù)百美元降到幾十美元。成本降低之后，它們幾乎可以用在所有其他類型的物體上?，F(xiàn)在，這些器件得以應(yīng)用于數(shù)十億臺(tái)智能電話中，價(jià)格也降到一美元。傳感器越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越低，隨之進(jìn)入了更多的市場(chǎng)領(lǐng)域。在這一過(guò)程中，傳感器在傳統(tǒng)器件中增加了智能化，改變了世界。

一些常用的傳感器測(cè)量溫度、壓力、振動(dòng)、液流和加速度。此外，攝像機(jī)和麥克風(fēng)也很常見?，F(xiàn)在，新出的電話還有陀螺儀和磁場(chǎng)計(jì)。現(xiàn)在的單芯片解決方案含有三個(gè)加速度計(jì)、三個(gè)陀螺儀和三個(gè)磁場(chǎng)計(jì)。我們會(huì)看到目前的傳感器在精度和靈敏度上會(huì)不斷改進(jìn)，而且還能夠探測(cè)其他形式的能量和物質(zhì)。

無(wú)線通信

隨著傳感器的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地選擇通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將其鏈接起來(lái)。但是不同的傳感器有不同的需求，不同的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)也有不同的特性。您的應(yīng)用適合采用哪種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)?

無(wú)線有很多種標(biāo)準(zhǔn)，例如，GPRS、GSM、CDMA、Zigbee、Bluetooth、WiFi、全球定位系統(tǒng) (GPS)、近期通信 (NFC)，以及射頻識(shí)別 (RFID) 等。每一種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此，根據(jù)您的具體應(yīng)用，建議使用不同的技術(shù)以滿足您的需求。您的應(yīng)用適合采用哪種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)?請(qǐng)參見表1 。

表1. 無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指南

當(dāng)您通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)集成一組傳感器并使其協(xié)調(diào)工作時(shí)，就需要建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是對(duì)連續(xù)真實(shí)的信息進(jìn)行采樣，產(chǎn)生軟件能夠處理的數(shù)據(jù)。可以把采集到的數(shù)據(jù)在設(shè)備上顯示、分析并存儲(chǔ)。PC、電話或者其他可穿戴式設(shè)備都可以用于對(duì)來(lái)自傳感器的真實(shí)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組件包括相應(yīng)的傳感器、濾波器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集器件，以及應(yīng)用軟件。最終的數(shù)據(jù)分析應(yīng)與輸入數(shù)據(jù)一致，因此，由采集功能負(fù)責(zé)提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。需要進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)才能獲得有意義的數(shù)據(jù)。

目前的難點(diǎn)

讓我們了解一下目前的難點(diǎn)和限制。傳感器的應(yīng)用受限于哪里?對(duì)于大量的IoT設(shè)備，電池可能是主要的限制。電池的發(fā)展比較慢，當(dāng)我們嘗試使其工作時(shí)間更長(zhǎng)，或者體積更小時(shí)，一直會(huì)面臨比較大的限制。之所以出現(xiàn)進(jìn)展緩慢這一問(wèn)題，原因是電池供電和容量是無(wú)線傳輸距離最關(guān)鍵的限制。例如，藍(lán)牙和WiFi的傳輸距離不遠(yuǎn)。藍(lán)牙相對(duì)功耗較低。蜂窩技術(shù)能夠傳輸幾英里，但是功耗很高。

一種工作方式是突發(fā)傳輸，只把功耗很高的長(zhǎng)距離發(fā)射器打開幾秒鐘，發(fā)送數(shù)據(jù)，然后關(guān)掉它。但是，這對(duì)于接收器而言卻帶來(lái)了問(wèn)題，它只有打開時(shí)才監(jiān)聽信息：如果一個(gè)設(shè)備時(shí)斷時(shí)續(xù)的發(fā)送，另一個(gè)也是時(shí)斷時(shí)續(xù)的監(jiān)聽，那么，它們可能建立不了通信。WiFi 和蜂窩等協(xié)議要求一直或者幾乎連續(xù)的連接，因此，很難降低電池功耗。

這些限制導(dǎo)致一些有趣的設(shè)計(jì)綜合考慮?，F(xiàn)在能夠以很低的成本而且也很容易使用 GPS 定位芯片，確定設(shè)備的位置。但即使是 GPS，它也只是一個(gè)接收器，功耗也比較大。比較而言，加速度計(jì)的功耗非常低。通常您可以使用加速度計(jì)來(lái)替代 GPS 模塊，從而降低功耗。數(shù)據(jù)雖然不同，但是加速度計(jì)上更智能的軟件一般能夠獲得很好的位置信息。

除了功耗限制，IoT設(shè)計(jì)人員還要注意傳感器的其他特性。傳感器本身在精度和線性度上就有限制。成本極低的傳感器雖然非?？?，但是在線性度、失調(diào)和漂移等方面精度要比價(jià)格昂貴的傳感器差一些。可以通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)大幅度降低這類誤差。工廠校對(duì)的成本很高，但是也不容易克服漂移帶來(lái)的問(wèn)題。要在使用過(guò)程中校準(zhǔn)，應(yīng)知道什么時(shí)候應(yīng)該進(jìn)行校準(zhǔn)。

例如，當(dāng)加速度計(jì)靜止時(shí)，可以通過(guò)存儲(chǔ)其讀數(shù)，消除低成本加速度計(jì)的失調(diào)誤差。然而，加速度計(jì)本身無(wú)法識(shí)別是靜止還是在一直緩慢的加速。這就會(huì)導(dǎo)致不正確的校準(zhǔn)。軟件能夠消除很多這類限制，但是需要很好的電子硬件來(lái)采集數(shù)據(jù)。

安全

連接IoT器件的安全問(wèn)題可能會(huì)很難解決，原因在于人們一般不愿意有計(jì)劃的應(yīng)對(duì)這些不常出現(xiàn)的事件，也不會(huì)對(duì)此而額外付出，即使他們知道這些事件的影響會(huì)很大。但實(shí)際上，我們會(huì)不得不針對(duì)這些極端但是很少出現(xiàn)的事件開發(fā)新的風(fēng)險(xiǎn)管理策略，例如，大風(fēng)暴 (Sandy 颶風(fēng))，太陽(yáng)耀斑導(dǎo)致的電子干擾，以及網(wǎng)站被黑等。

再比如，我們的電子和電氣基礎(chǔ)設(shè)施從未在極端太陽(yáng)耀斑活動(dòng)時(shí)進(jìn)行測(cè)試，這類活動(dòng)也只在100年前發(fā)生過(guò)。要是發(fā)生在今天，我們已經(jīng)非常依賴電力，其破壞程度會(huì)非常大。有了IoT后，這種依賴程度就更大了。我們應(yīng)該考慮電網(wǎng)停電后對(duì)連接了IoT的系統(tǒng)的影響。

當(dāng)然，我們也不一定非要應(yīng)對(duì)一百年才發(fā)生一次的事件。人們一般只有在受到黑客攻擊時(shí)才吃驚的發(fā)現(xiàn)自己對(duì)此缺乏準(zhǔn)備。由于這類攻擊，導(dǎo)致了每年有上千萬(wàn)的個(gè)人數(shù)據(jù)被盜。越來(lái)越多的數(shù)據(jù)被電子化后—不僅僅是您的身份，而且還有您的家庭安全系統(tǒng)以及您個(gè)人的行蹤等，都有可能受到威脅。竊賊會(huì)遠(yuǎn)程監(jiān)視您家庭的信息，知道您在哪里，從而知道什么時(shí)候破門而入。安全問(wèn)題在IoT上尤為重要。但是，傳感器也應(yīng)對(duì)此負(fù)責(zé)嗎?

數(shù)據(jù)格式難題

傳感器的另一限制是每個(gè)傳感器都有自己的數(shù)據(jù)速率、精度和信號(hào)處理需求。在IoT上有沒(méi)有一種統(tǒng)一的方法來(lái)處理這些問(wèn)題?例如，一般是一秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)間采集一次溫度值。取決于具體應(yīng)用，加速度計(jì)可能需要每秒鐘采樣數(shù)千次。如果一個(gè)設(shè)備要同時(shí)對(duì)此進(jìn)行監(jiān)測(cè)，那么數(shù)據(jù)包內(nèi)容會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生很大的變化。這并不難處理，但是并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，獲得來(lái)自很多源的數(shù)據(jù)后，很難理解源的含義。

應(yīng)該以原始二進(jìn)制的方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，減少在傳感器上的處理需求，或者應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成工程單位?除非您知道怎樣將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程單位，使其成為簡(jiǎn)單的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，否則，二進(jìn)制毫無(wú)意義。如果數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成工程單位，哪種單位是標(biāo)準(zhǔn)?溫度可以是攝氏度或者華氏度。壓力有很多單位，會(huì)讓人發(fā)瘋：帕斯卡、大氣壓、psi、水的深度，水銀汞柱，等等。因此，應(yīng)該對(duì)單位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，或者在消息中進(jìn)行設(shè)定。

此外，某些傳感器的信號(hào)處理也非常復(fù)雜。把熱偶讀數(shù)轉(zhuǎn)換成攝氏度需要進(jìn)行冷接點(diǎn)補(bǔ)償、放大和線性化處理。在軟件中進(jìn)行線性化，以獲得最佳精度。這就需要大規(guī)模表格或者高階多項(xiàng)式計(jì)算，對(duì)于存儲(chǔ)器有限的微型低功耗器件就是很大的負(fù)擔(dān)。今后幾年數(shù)字處理的不斷發(fā)展會(huì)減輕這種負(fù)擔(dān)。

我希望全世界有一種數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，能夠靈活的處理家庭、工業(yè)、醫(yī)療以及其他應(yīng)用，傳感器節(jié)點(diǎn)不會(huì)受累于此。您會(huì)看到為什么這并不是小事。

我們應(yīng)該克服這些難題，讓IoT未來(lái)更輝煌?IoT之所以可行是因?yàn)閭鞲衅髟诓粩喔倪M(jìn)，進(jìn)一步推動(dòng)了傳感器創(chuàng)新。我們今后還會(huì)遇到很大的難題。我希望我們能夠解決大部分難題。