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IoT愿景促进多功能感测器整合
 

【作者: Rich Miron】2018年10月18日 星期四

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物联网(IoT)正在改变世界。物联网具有巨大潜力,能在网路边缘结合超低功率的智慧型装置,且云端运算能从庞大的资料量中判别模式,藉此产生实用资讯。物联网的兴起源自於两方面,一方面是高效能处理器晶片的出现,另一方面则是智慧网路边缘装置的制造成本和能耗大幅降低,因此无论是在技术或经济层面上都让大量部署达到可行程度。


网路和大数据是区分物联网和传统远端监测与控制的两大关键因素。物联网具备保护环境、提升营业绩效以及改变日常生活形态的潜能,其凭藉的不单是针对一两项变数进行侦测和做出反应,而是分析多个资料管道来找出趋势,并决定合适的反应。


汽车产业就有一些例子,领导制造商已开始从现场的众多汽车中撷取其感测器资讯并加以利用,以提供更好的客户服务并开发新产品。在家电等其他消费性??场中,领导制造商开始利用物联网的能力,从客户的设备收集资料,藉此改善产品并提升营业绩效。在建筑服务产业方面,从世界各地安装的电梯和电扶梯收集资料,会传到云端IoT平台,预期能提升维护品质和未来的产品设计。


感测资料组合亦可用於其他许多情况,其中包括:


· 环境感测,例如在矿场中进行气体侦测,以提高工作场所安全性。


· 道路上的接近感测器,以及车载加速和高度感测器,可支援自动驾驶并避免交通意外。


· 饭店房间内的感测器,可侦测房内是否有人且不侵犯隐私,如此一来,工作人员就可在不打扰客户的情况下清理房间并提升工作效率。


· 医疗感测器可记录病患和环境资料,并传送给专业医护人员。


· 远距资讯系统可记录车辆资料,以根据驾驶习惯来决定保险费率,促进更安全的驾驶行为。


多感测器解决方案的需求和开发

若要使用感测器同时监控多项变数,可将感测器和支援电子元件整合,即可降低成本并简化安装。高度整合的感测器评估平台,有助於开发能够随时连接 IoT 的多感测器智慧型产品。


Arduino 是能够简化多感测器解决方案开发作业的环境之一。举例而言,Arduino Lucky Shield 扩充板就相容於所有5 V和3.3 V的标准Arduino板件。此扩充板结合众多感测器,可感测气压、相对高度、光度、温度、动作和存在。这些感测器全都装进68.6 mm x 53.4 mm的小型尺寸中。


Arduino.org提供Arduino Lucky Shield的多项教学,协助您开始使用,其中包括气象站应用,示范如何读取温度、湿度和压力感测器的输出,并将读数传送到OLED显示器上。图1截取自随附的程式码,图2是运行的程式码,显示出读取到的感测器数值。



图1 :  Arduino气象站教学程式码。
图1 : Arduino气象站教学程式码。

图2 : 使用Arduino Lucky Shield多感测器扩充板感测环境状况。
图2 : 使用Arduino Lucky Shield多感测器扩充板感测环境状况。

tmp_lbl = "Temper.:";


hum_lbl = "Humidity:";


pre_lbl = "Pressure:";


tmp_um = " C.";


hum_um = " %";


pre_um = " hPa";


}


void loop() {


luck.oled().clearDisplay();


tmp_val = String(luck.environment().temperature());


lucky.oled().setCursor(5, 10);


lucky.oled().print(tmp_lbl + tmp_val + tmp_um);


Serial.print(tmp_lbl + tmp_val + tmp_um);


hum_val = String(luck.environment().humidity());


lucky.oled().setCursor(5, 30);


lucky.oled().print(hum_lbl + hum_val + hum_um);


Serial.print(hum_lbl + hum_val + hum_um);


pre_val = String(luck.environment().temperature() / 100.0F);


lucky.oled().setCursor(5, 50);


lucky.oled().print(pre_lbl + pre_val + pre_um);


Serial.printIn(pre_lbl + pre_val + pre_um);


ST的X-NUCLEO-IKS01A2板件与SensorTile

STMicroelectronics 的STM32生态系统中,拥有若干款多感测器评估板。X-NUCLEO-IKS01A2 环境感测扩充板,就可搭配STM32 Nucleo微控制器基板使用。此扩充板含有 MEMS 加速计、陀螺仪、磁力计、绝对气压感测器,以及电容式相对温湿度感测器。


STM32Cube的生态系统提供工具和软体,能初始化并运行STM32微控制器。此外,X-CUBE-MEMS1 环境感测器软体扩充函式库更提供在X-NUCLEO-IKS01A2上打造应用程式所需的驱动程式。在图3的系统整体架构示意图中,X-CUBE-MEMS1满足了驱动层的要求。



图3 : 在STM32生态系统中进行感测器开发的系统架构。
图3 : 在STM32生态系统中进行感测器开发的系统架构。

图3的中介软体层纳入了更多的软体范例,可使用感测器进行特定功能,例如动作及/或手势辨识。这些范例包括:


osxMotionAW:STM32Cube的即时手腕活动辨识软体扩充项目


osxMotionID:STM32Cube的即时动作频率侦测软体扩充项目


osxMotionFX:STM32Cube的即时感测器融合软体扩充项目


osxMotionGC:STM32Cube的即时陀螺仪校准软体扩充项目


osxMotionPE:STM32Cube的即时姿势估测软体扩充项目


图4的拟码显示 MotionFX如何实现即时动作感测器的资料融合。



图4 : MotionFX感测器融合用的拟码。
图4 : MotionFX感测器融合用的拟码。

拟码序列初始化(执行一次)


1.初始化感测器(加速计和陀螺仪达6倍融合,磁力计达9倍融合);为获得良好的资料样本,电源开启後应等到暂态完成为止


2.初始化 MotionFX 融合:osx_MotionFX_initialize()


3.初始化磁力计校准:osx_MotionFX_compass_Init()


4.osx_MotionFX_getKnobs(); modify settings; _setKnobs()


5.透过停用融合来重置:osx_MotionFX_enable_6X(0) / _9X(0)


开始融合


1.若可行,初始化陀螺仪校准:sx_MotionFX_setGbias()


2.若可行,初始化磁力计校准:osx_MotionFX_compass_setCalibrationData()


3.启用资料融合:osx_MotionFX_enable_6X(1) / _9X(1)


接着即可读取感测器资料,并可使用 osx_MotionFX_propagate()与 osx_MotionFX_update()等指令控制交易。


小尺寸IoT实验元件


ST近期推出一款尺寸更小的多感测器模组,可作为嵌入式系统的感测和连线中枢,或作为利用智慧手机应用程式撷取感测器资料的独立装置。此 SensorTile会将MEMS加速计、陀螺仪、磁力计、绝对压力感测器和麦克风以及 STM32L4微控制器和低功耗蓝牙(BLE)无线电,整合在邮票大小的电路板上,然後焊接或??在主板上。


若要在独立模式中使用,ST提供另含温湿度感测器的底座板,也可在必要时轻松进行改装,以增添其他感测器。使用此模式时,可透过BLE设定SensorTile,以便在智慧型手机上快速开始撷取感测器资料。


若是嵌入式开发,可透过不同的扩充底座板将SensorTile??入STM32 Nucleo 评估板。


Samsung的ARTIK平台搭载企业安全性

Samsung的ARTIK平台提供一系列可扩充模组,从搭载ARM Cortex-M4微控制器且支援蓝牙4.2的小型设备,到采用双Cortex-A7处理器且支援蓝牙、Wi-Fi、ZigBee和Thread的ARTIK 5系列,再到搭载Cortex-A35应用处理器的 ARTIK 7系列。ARTIK 5和ARTIK 7系列功能强大,可用於闸道器或控制器。这些系列内建企业级安全功能,包括可储存金钥并安全执行加密演算法的硬体安全性元件,以及有助於建立可信任执行环境的安全作业系统。


许多绩优厂商正使用ARTIK生态系统打造IoT解决方案,此外也提供套件可进行嵌入式开发,例如 ARTIK 020 蓝牙 4.2 IoT 终端装置套件、ARTIK 520 蓝牙/Wi-Fi/ZigBee/Thread 套件,以及高阶 ARTIK 710 套件。可利用相容於ARTIK 5和 ARTIK 7套件的 ARTIK 感测器扩充板,快速进行多感测器开发作业。此扩充板含有加速计、陀螺仪、湿度感测器、磁力计、压力与温度感测器,并可透过边缘连接器作为辅助单元连接至主评估板(如图5所示)。



图5 : 使用感测器扩充板搭配ARTIK 5或ARTIK 7套件。
图5 : 使用感测器扩充板搭配ARTIK 5或ARTIK 7套件。

结论

目前市场推出的感测器开发板均为小型多感测器模组,可直接或稍经修改後,用於物联网边缘的终端产品上。随着使用者需求升高,加上云端分析应用愈来愈复杂且经济实惠,将逐渐出现更多充满想像的服务,并带动感测器资料多样性的成长。


(本文作者Rich Miron为Digi-Key应用工程师)


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