傳感器加速物聯網技術在智能家居、智慧城市、智慧辦公和智慧工廠領域的應用

Félix Marchal

我們似乎面臨著同一問題：行業廣泛使用“智能家居”或“智慧城市”等術語，但對具體含義卻沒有一致的定義。然而，人們普遍認同，智能家居或智慧城市的“智能”意味著高度自動化和個性化。例如，在智能家居中，未來的客廳由一系列應用、云和傳感器構成：即連接到云的應用支持平臺（AEP），能夠自主學習每個家庭成員偏好的照明、聲音、娛樂、香味、供暖和通風設置，并在已知用戶進入房間時自動調整每種設置。

“智能家居”方案將為用戶提供更加舒適的環境，精確地根據他們的喜好進行調整，同時減少能源浪費或水的使用，不再需要電燈開關和恒溫器這樣的老式用戶控制。

用戶希望物聯網系統能夠在用戶毫無察覺的情況下自動完成工作。只要走進房間，用戶就能觸發暖氣、通風、聲音、光等系統更改設置。

雖然現在一些高端建筑已經具備了很多此類功能，但那些功能通常是獨立的，或仍然對用戶可見。那么，實現這一愿景所需要的關鍵新技術有哪些？顯然，機器學習和復雜的云軟件至關重要。但另一重要因素是感知大量真實世界現象的能力，以便機器像人類一樣對世界做出反應。

這就需要大量新的智能傳感器。在本文中，我們將介紹一些新的傳感器功能，它們可使物聯網技術提供個性化和智能配置，以及可能部署在某些具體的應用中。

離開數據，云毫無價值

云連接技術已經大大提升了公共系統和服務的效率、響應能力和便利性。在智慧城市領域，優步的按需出租車服務是一個很好的例子，通過復雜的云端算法，協調用戶請求和實時數據，徹底改變交通使用和模式。

“物聯網”是個寬泛的術語，主要指數以百萬計的云連接服務采用類似的方式，組合多個不同的數據流，以提供個性化的快捷服務。在有關推廣物聯網技術的討論中，重點問題是如何將節點連接到云的技術和系統，以及分析用戶設備和其他類型物聯網節點“大數據”輸入的能力。

實用高效的云端智能離不開可用的數據輸入。未來，云系統的大部分數據輸入來自傳感器，其中許多傳感器目前還沒有部署，有些甚至還沒有發明出來。事實上，智能照明系統需要環境光的光譜組成和強度相關的高精度信息。智能通風系統需要“嗅”出用戶呼吸的空氣并對其進行分析。智能交通控制需要“看到”和定位道路上的車輛，以確保安全并保持交通暢通。

傳感器承擔著類似“人類”的工作：實時看到、聞到、感覺到和聽到現實世界中正在發生的事情。因此，與低功耗無線IC和云計算系統一樣，傳感器技術和解決方案也處于物聯網技術的前沿。而且，這些傳感器必須精確、準確度高和始終可靠。

智能照明控制

下面舉一個照明領域的例子。在20世紀，照明是一種低科技含量的技術：各種白熾燈照明技術占主導地位，產生的光輸出都具有固定的相關色溫（CCT）。

在本世紀，人們逐步了解照明對人類健康和行為的重要影響，出現了能控制顏色的個性化照明新應用。例如，研究已經證明了光的光譜含量和幸福感有關，因為身體具備調節晝夜節律的機制。明亮的藍色光線會引發激活身體的激素反應，而黃昏或爐火的金黃光線則會促進放松和寧靜。

智能照明可自動檢測工作或家庭中使用的人工照明中日光光譜含量的變化。這就需要能夠準確地測量人眼所見光的CCT芯片級顏色傳感器。今天，艾邁斯半導體XYZ顏色傳感器采用了先進的硅制造技術，直接在晶圓上構建光學濾波器，使對入射光的光電二極管光學響應的控制達到前所未有的水平（參見圖1）。

在智能照明控制中，這種顏色傳感功能可與臉部識別技術相結合，根據個人需求自動調整照明。與年輕人和兒童相比，老年人對可見光光譜藍端的感知能力較弱。在強調藍色波長的照明下，老年人更容易正確感知藍色成分較強的物體。例如，在兒童和年邁的祖父母共同居住的房子里，燈光控制可以根據不同需求產生不同的光譜輸出。

目前，已經成功應用于智能手機的面部識別技術，可以用于登記房間主人的身份，并相應地自動調整燈光的光譜含量。

傳感器技術也推動了物聯網系統的發展。臉部識別技術建立在多個微電子元器件集成的基礎上。結構光發射器需要微型激光器和集成微型光學設備，需要對光電探測器捕獲的反射光測量數據進行復雜的處理，以生成面部“深度圖”，然后分析深度圖來尋找與已知面部的潛在匹配（參見圖2）。

面部識別系統的各種元素相互依賴，因此，艾邁斯半導體等傳感器制造商正致力于提供集成系統，為OEM客戶（如家居自動化設備制造商）提供交鑰匙面部識別系統。

個性化室內環境

對室內環境實現個性化控制的愿景甚至超出了照明的范圍，延伸到人們呼吸的空氣。

同樣，半導體傳感器解決方案為物聯網系統提供了一種新的個性化實現方式。最新一代CMOS氣體傳感器可以精確測量氣味和污染物的相對濃度，包括烹飪產生的揮發性有機物（VOC），以及清潔產品、家具等產生的化學排放。

集成到安保網絡攝像頭或智能揚聲器等中樞設備的氣體傳感器，可以實時遠程監測室內的家居環境，遠程控制通風，確保無論何時有人進入房間，室內空氣都干凈清新。

芯片級氣體傳感器能夠提供VOC濃度的原始測量。然而，要將室內空氣監測集成到智能揚聲器等設備中，揚聲器制造商需要通過一種方法，將相對氣體濃度的原始測量值轉換為可用信息，如室內空氣質量評分。這需要將算法和固件集成到傳感器設備中，從而為室內空氣質量監測創建完整的板載級解決方案。

創新芯片和軟件技術

許多電子產品制造商計劃推出新版本產品，使用戶享受與物聯網基礎設施集成帶來的益處。通常，最困擾他們的問題是數據通信和數據分析，以及為最終用戶提供實用的云應用。

市場不斷出現針對這些問題的新解決方案。但傳感器技術的發展對物聯網設備制造商同樣重要，它們可以促進新一代智能、個性化系統的應用，包括家庭、建筑自動化和照明等領域。這些新型傳感器利用半導體技術，以較小的占用面積實現出色的測量性能，并通過集成外圍元器件和軟件，為室內空氣質量監測和面部識別等復雜應用提供完整的解決方案。 因此，先進的傳感器技術和解決方案一直處于物聯網技術發展的前沿，而艾邁斯半導體在這一領域將繼續發揮領導作用。