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物聯網簡介
 

【作者: Vishal GOYAL】   2019年08月21日 星期三

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凡是有電視或電腦的人大概都知道,物聯網是一個不需要人為干預就能使「物體」相互通訊的網路。在物聯網出現之前,聯網裝置需要人類產生或處理資訊。智慧型手機、筆記型電腦和桌上型電腦都屬於個人連網裝置。


物聯網延伸得很廣泛:具備連網功能的裝置,例如,智慧個人裝置、智慧家庭設備、智慧汽車,甚至智慧城市設施,都能感知、處理、存儲資料,並採取相應操作。智慧藥盒可以監控病人是否按時吃藥,並提醒吃藥,還能通知患者家屬協助病人按時服藥,甚至提前購買快用使用完的藥品。智慧鎖可用手機開門和鎖門,並監控所有活動,還有設定開鎖時間,提醒使用者注意非法進入。


你可能已經有或正在使用幾個連網裝置,根據Stastita的研究報告,到2025年物聯網設備的總量預計將超過750億台,遠遠超過聯合國預測同一年的81億地球人口。你會了解為什麼物聯網可能是科技公司最大成長的動力。連網裝置或設備將我們的生活變得更安全、更舒適,還能有助於優化資源的利用率。


物聯網體系結構是這個更長價值鏈與外部世界交互溝通的視窗。連網裝置與設備也是人機互動的主要介面,因此,外形尺寸和產品功能是連網產品熱賣的要素。


典型的物聯網體系架構包括設備、閘道、雲端服務和應用軟體。在本文中,我們的重點將探討通訊連網技術和連網設備,特別是聚焦在個人化的穿戴式裝置。


個人連網裝置規格

活動檢測

身體活動識別和計步器是穿戴帶式裝置最常見的功能。這些功能是經由一個加速計而完成的,加速度計是用途最廣泛的感測器之一,是幾乎所有個人裝置的標配。經過多年的發展,從簡單的加速度檢測,到許多先進動作檢測、直接輸出感測資料等,加速度計已經變得非常先進。


例如,意法半導體的LIS2DW12加速度計可以檢測6D方向、喚醒、自由落體和點擊功能。該感測器的檢測雜訊模式可以被設定,在檢測精度和功耗之間選擇,甚至具有自動睡眠和喚醒功能。



圖一 : 意法半導體的LIS2DW12加速度計可以檢測6D方向、喚醒、自由落體和點擊功能。
圖一 : 意法半導體的LIS2DW12加速度計可以檢測6D方向、喚醒、自由落體和點擊功能。

為了提升穿戴式電子裝置的檢測精確度和功能,需要將陀螺儀與加速度計配合使用。陀螺儀是角速度感測器。


以前的陀螺儀耗電量很大,應用範圍有限,不適合用在小型電池供電的個人裝置。但是,將陀螺儀和加速度計整合在一個晶片上的IMU慣性測量單元,不僅耗電量小,還有很多先進的功能,例如,有限狀態機、自訂手勢識別、智慧FIFO記憶體和外部感測器介面,資料處理在模組內部完成,且不佔用微控制器計算資源。意法半導體的LSM6DSO就是一個這樣的IMU產品。


羅盤和方向檢測

羅盤為使用者提供方向檢測功能,幫助無人機導航。磁力計與加速度計和陀螺儀配合使用,可達到室內導航的功能。磁力計還用於一些家庭自動化解決方案,例如,開門或關門檢測。


高度測量

測高儀可以強化計步器的功能,例如,幫助攀岩者測量離地高度,或是在室內導航中檢測樓層位置。穿戴式氣壓感測器用於檢測大氣壓力,最終也用於測量高度。


氣壓感測器需要一個通氣孔,以便空氣進入薄膜。檢測氣壓、水和化學物質很容易從氣孔進入感測器單元,污染內部結構。因此,需要一個既能用於游泳、戶外運動和海產業的氣壓感測器,同時還能預防氯、溴等化學製品污染的氣壓感測器。


LPS33HW 就是一個符合這些要求的感測器,其具有O型密封圈和10帕防水(最深90公尺)能力,以防止氯、溴、鹽等化學製品污染。


環境感知

環境感知技術根據來自麥克風的音訊輸入資料檢測識別環境。透過測量聲音,裝置可以識別使用者是在商場、體育場還是會議室。經過識別環境,就可以直接進行手機的設定。麥克風陣列可提供回波消除、光束形成和聲源定位等功能,以提升麥克風的檢測精度。


麥克風的重要參數包括訊號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)、AOP(聲超載點)和功耗。麥克風分為類比輸出和數位輸出兩大類,並依照聲孔位置劃分,麥克風又分為上聲孔和下聲孔(手機麥克風)。


@中標;連網


需要注意的是,是連網技術將一個設備或裝置變為連網裝置。連網技術使裝置可以透過手機或閘道連接到網路雲端,或者直接連到基礎設施。連網裝置的傳統連線方法是透過 Wi-Fi、藍牙和蜂窩網路技術。但是,低功耗射頻技術的出現擴大了連網裝置的範圍和功能。


低功耗藍牙(BLE)是一種無線個人區域網路(WLAN)技術,旨在推動醫療、健康、健身、安全保護和家庭自動化的應用創新。相較傳統藍牙和 Wi-Fi技術,BLE的功耗非常低,同時還增加了裝置和手機相連的功能。BLE的載波頻率是2.4Ghz,屬於全球免費的ISM頻段。


BLE Mesh則是一個在Mesh網路內連線多個 BLE 裝置的軟體解決方案。BLE Mesh解決方案的出現,讓設備不在網路的直連範圍內也可以照常連接網路。


BLE Mesh則是一個在Mesh網路內連線多個 BLE 裝置的軟體解決方案。BLE Mesh解決方案的出現,讓設備不在網路的直連範圍內也可以照常連接網路。



圖二 : BLE Mesh解決方案的出現,讓設備不在網路的直連範圍內也可以照常連接網路。
圖二 : BLE Mesh解決方案的出現,讓設備不在網路的直連範圍內也可以照常連接網路。

意法半導體的BlueNRG-2是一款超低功耗的BLE 5.0 認證系統晶片,能夠與感測器無縫連線,其支援藍牙Privacy 1.2和Secure Connection 4.2,8dbm輸出功率,並支援與連網裝置的可靠BLE鏈路。此外,它亦支援標準的完全相容的 SIG BLE 網格。



圖三 : BlueNRG-2是超低功耗的BLE 5.0 認證系統晶片,能夠與感測器無縫連線。
圖三 : BlueNRG-2是超低功耗的BLE 5.0 認證系統晶片,能夠與感測器無縫連線。

低功耗廣域網路(LPWAN)技術是連網領域另一個顛覆性的技術,通訊連接距離長達數公里,而且功耗非常低,電源是一枚非充電型硬幣電池。Sigfox是一種LPWAN技術,提供全球雲端服務和遠距離連線,功耗極低。Sigfox 裝置在世界各地免費連接網路,無需與網路運營商簽訂任何單獨的協議或支付漫遊費。


LPWAN 技術運作在1 Ghz 以下的頻段,在全球沒有統一的頻段標準(藍牙是2.4Ghz),因此,LPWAN設備在不同國家/地區採用不同的頻段。為了解決這個問題,Sigfox推出了一個名為「Monarch」的新功能,用於識別無線電服務並根據當地法規管理無線電頻率變化。


意法半導體推出了一個市面上獨一無二的解決方案,將BLE和Sigfox 射頻S2-LP合二為一。該雙射頻解決方案透過Sigfox和智慧型手機的BLE建立遠端連線。當智慧型手機連接到Sigfox裝置後,就擁有有使用者介面(UI)、空中韌體更新(OTA)、直接配對和控制功能。


邊緣智慧

人工智慧和機器學習已經演變為物聯網的骨幹運算技術。人工智慧利用模擬自然界特點的自然計算方法解決複雜問題;機器學習是指使機器能夠識別底層模式,透過分析資料進行預測和提出建議的技術。物聯網雲端運算則能夠實現這些演算法和技術。


隨著連網裝置的數量呈指數級成長,從感測器傳送到雲端的原始資料量大量增加,導致對雲端連接的資料頻寬和雲端運算能力的需求大幅上升。當某些分析過程下移轉到感測器節點附近或邊緣端點時,可以利用人工智慧有效地分析處理感測器資料。


邊緣運算可以保護資料隱私安全,降低網路頻寬和雲端運算的需求。邊緣運算意味著在節點執行智慧感測和處理過程,因此選擇這些裝置非常重要。智慧節點分析資料、執行感測器演算法、推算識別環境,並將資料上傳到雲端,進行後續處理。


開發物聯網解決方案

如前所述,典型的物聯網體系結構是由設備、閘道、雲端服務和物聯網應用程式組成的。


性能強大的物聯網解決方案不僅包括創新裝置,還包括開源軟硬體參考設計、垂直應用解決方案,以及與雲端服務商的合作關係。成功的物聯網解決方案還需要平台上所有利益相關者協同開發。


例如,意法半導體的STM32 ODE 開放式開發平台提供可堆疊安裝的硬體和模組化軟體平台,其擁有超過 131 個套裝軟體、3個雲端 SDK工具和幾個協力廠商電路板。物聯網用例數量龐大,且種類繁多,新創公司在物聯網發展中發揮的作用不可小覷。開源平台和強大的生態系統有助於降低解決方案的開發、原型設計和商業化的困難度。


結論

低功耗智慧感測器、創新的連網技術和令人驚豔的使用案例讓物聯網熱門起來。未來每個人都將擁有數個穿戴式裝置,所以,市場很大,而且機會很多。連網裝置的數量暴增既是機遇也是挑戰,成功的物聯網解決方案將要求合作夥伴同時提供創新的感測器和連網技術。


(本文作者Vishal GOYAL任職於意法半導體)


*刊頭圖(source:jungleWorks)


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