傳感器融合成為時代

隨著時間的推移，傳感器已從簡單的模擬和機械結(jié)構(gòu)演變?yōu)榛谛酒臄?shù)字設備，這些設備連接到機器以監(jiān)控機器的健康狀況和環(huán)境條件。同樣，傳感器融合 - 多種類型的傳感器協(xié)同工作以解決問題 - 結(jié)合了許多其他技術的線索，創(chuàng)造出一些非常新穎和令人興奮的東西。

至少從20世紀50年代開始，使用計算設備從多個傳感器中分類數(shù)據(jù)并結(jié)合信息得出結(jié)論的想法已經(jīng)存在。但這非常困難。大約在1960年，幾位數(shù)學家開發(fā)了一套算法，以便讓機器根據(jù)多個傳感器的輸入得出結(jié)論。這些濾波器還從噪聲或其他來源中刪除了無意義的數(shù)據(jù)。當然，不久之后政府就決定這種技術在其應用中有用。能夠處理來自多個來源的輸入并將其與存儲的數(shù)據(jù)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(jié)果的確定性。憑借更好的計算機和傳感器，該技術在不斷發(fā)展。

潛在的應用

當微處理器出現(xiàn)時，人們將其描述為尋找問題的解決方案?？梢詫鞲衅魅诤线M行相同的處理。如果您擁有監(jiān)控多個傳感器的能力和智能，可以實時分析數(shù)據(jù)，并提供簡單的指導或控制動作，迄今為止 - 未經(jīng)考慮的應用程序幾乎是無限的。以下示例只是劃傷表面：

        健康監(jiān)測 - 包括健康運動，患者監(jiān)測和研究

        監(jiān)測老年人 - 健康監(jiān)測，以減輕人員配備負擔

        汽車，運輸系統(tǒng) - 監(jiān)控和控制效率和安全功能

        公共安全 - 識別潛在的危險條件，其準確性遠遠高于簡單的火災和安全系統(tǒng)

        娛樂 - 游戲，包括控制器和虛擬現(xiàn)實耳機

        天氣 - 智能天氣預報站，不僅可以警告變化的條件，還可以控制風暴準備系統(tǒng)（例            如，關閉風暴百葉窗，關閉閥門等）

        HVAC /空氣質(zhì)量 - 室溫，濕度，空氣質(zhì)量，系統(tǒng)維護等的智能控制

雖然所有這些類型的功能已經(jīng)以某種形式存在多年，但系統(tǒng)觀察多個傳感器并得出智能結(jié)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(jiān)測器是*采用傳感器融合技術的消費產(chǎn)品之一。

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

雖然他們的術語確實有所不同，但許多IC制造商要么調(diào)整現(xiàn)有的產(chǎn)品線，要么創(chuàng)造全新的產(chǎn)品來解決傳感器融合任務。該處理由控制器芯片完成，該芯片可以被識別為MCU，傳感器集線器或傳感器融合處理器。我們已經(jīng)看到這種技術應用于智能手機，活動監(jiān)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。這種組合能力通常被稱為9-DoF，九個自由度。

在大多數(shù)情況下，這些功能在手機中“始終打開”。如果來自這些傳感器的數(shù)據(jù)處理由手機的中央微控制器管理，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(shù)據(jù)作為傳感器集線器處理。恩智浦ARM M3系列MCU就是一個例子。根據(jù)EETimes報道的產(chǎn)品拆解專家Chipworks的說法，Apple使用定制版本的NXP芯片來監(jiān)控iPhone 5S中的傳感器。“M7控制各種離散傳感器的功能，包括陀螺儀，加速度計和指南針。”三星與Atmel（Core 8位AVR MCU）的微控制器承擔相同的任務。

借助如此強大的板載感應技術，應用程序正在出現(xiàn)，利用9-DoF手機硬件提供健康和活動監(jiān)控，或與GPS和外部數(shù)據(jù)協(xié)同工作，為用戶提供更多信息。現(xiàn)在，從通過藍牙進行通信的外部設備添加那些已經(jīng)多樣化的傳感器輸入數(shù)據(jù)，這些功能似乎是無限的。芯片制造商的目標是使工程師能夠設計出能夠提供實時傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)可用于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(yōu)化的解決方案還可以滿足平板電腦，超極本，支持物聯(lián)網(wǎng)的設備，游戲，醫(yī)療保健，環(huán)境監(jiān)控和可穿戴計算等應用。

開發(fā)板可以讓設計工程師輕松掌握這項技術。一個這樣的例子是Atmel的ATAVRSBIN2。Atmel已經(jīng)將傳感器融合到各種各樣的產(chǎn)品中，他們稱之為“完整的傳感器生態(tài)系統(tǒng)”.Atmel認為，同時分析和融合來自不同傳感器和傳感器類型的數(shù)據(jù)并不是它可以單獨處理的任務。為了克服這些復雜性，該公司與眾多的傳感器制造商和傳感器融合專家合作，提供完整，易于實施的傳感器集線器解決方案。

目前的趨勢是將MCU與三個或更多MEMS傳感器組合在一個封裝中。其中一個例子是意法半導體的LIS331EB，它將高精度三軸數(shù)字加速度計與微控制器結(jié)合在一個3 x 3 x 1 mm封裝中。該微控制器是一款超低功耗ARM Cortex-M0，具有64 KB閃存，128 KB RAM，嵌入式定時器，2xI2C（主/從）和SPI（主/從）。LIS331EB還可以內(nèi)部處理外部傳感器（總共9個）檢測到的數(shù)據(jù)，例如陀螺儀，磁力計和壓力傳感器。作為傳感器集線器，它將所有輸入與iNEMO Engine軟件融合在一起。STMicroelectronics的iNEMO發(fā)動機傳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）來自多個傳感器的復雜信息。

飛思卡爾還提供將MCU和傳感器組合在一個封裝中的產(chǎn)品系列。他們的FXLC95000 Xtrinsic運動傳感平臺集成了MEMS加速度計和32位ColdFire MCU。與STMicroelectronics器件類似，F(xiàn)XLC95000可以同時管理來自內(nèi)部和外部傳感器的數(shù)據(jù)。飛思卡爾是家推出嵌入式傳感集線器MCU的公司，該集成電路也可根據(jù)客戶特定應用和算法進行編程。單個器件可以管理多達16個傳感器輸入，允許從應用處理器卸載校準，補償和傳感器功能。它適用于飛思卡爾或第三方驅(qū)動程序。

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

融合云計算

雖然可以在本地實現(xiàn)相當多的功能，但與云的交互才是真正開始的樂趣所在。遠程傳感器數(shù)據(jù)可以由傳感器融合設備處理并發(fā)送到云以進行記錄，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(jīng)安裝了一個遠程傳感器來識別它是否正在運行熱或甚至失敗。現(xiàn)在，也可以監(jiān)控同一個泵的振動，排氣化學，軸承噪音以及周圍的外部條件。預定程序可以使傳感器融合控制器能夠關閉泵或者甚至使其操作循環(huán)直到技術人員可以到達。系統(tǒng)還會事先知道是否可能必須更換整個泵或僅僅是一個部件。在這里，傳感器融合解決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(shù)據(jù)來分析泵加班的情況。同樣的一般想法適用于監(jiān)控飛行中的飛機發(fā)動機。

云的另一個應用是在那里進行傳感器融合，而不是在現(xiàn)場。利用可用的開源傳感器融合軟件，可以將各個傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌?，進行處理。

結(jié)論

傳感器融合技術已經(jīng)成熟，并且恰好可以利用傳感器，無線通信和其他技術的發(fā)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(xiàn)已開始供貨，價格甚至適合許多消費產(chǎn)品的BOM預算。

現(xiàn)在，與移動技術和低成本數(shù)字傳感器的快速發(fā)展密切相關，傳感器融合有望實現(xiàn)爆炸式增長。對于設計工程師來說，現(xiàn)在是應用一些創(chuàng)造性思維并開始實驗的好時機！