IoT推動傳感器創(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。

圖1. 物聯(lián)網(wǎng)

傳感器

傳感器無處不在;您的汽車和電話里到處都是。之所以出現(xiàn)這種增長，有三個關(guān)鍵原因—傳感器的尺寸越來越小，價格低廉，功耗也越來越低。一個很好的例子是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)十億臺智能電話中，價格也降到一美元。傳感器越來越小，價格越來越低，隨之進(jìn)入了更多的市場領(lǐng)域。在這一過程中，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量溫度、壓力、振動、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計(jì)?，F(xiàn)在的單芯片解決方案含有三個加速度計(jì)、三個陀螺儀和三個磁場計(jì)。我們會看到目前的傳感器在精度和靈敏度上會不斷改進(jìn)，而且還能夠探測其他形式的能量和物質(zhì)。

無線通信

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

無線有很多種標(biāo)準(zhǔn)，例如，GPRS、GSM、CDMA、Zigbee、Bluetooth、WiFi、全球定位系統(tǒng) (GPS)、近期通信 (NFC)，以及射頻識別 (RFID) 等。每一種無線標(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)用適合采用哪種無線標(biāo)準(zhǔn)?請參見表1 。

表1. 無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指南

當(dāng)您通過無線網(wǎng)絡(luò)集成一組傳感器并使其協(xié)調(diào)工作時，就需要建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是對連續(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)?？梢园巡杉降臄?shù)據(jù)在設(shè)備上顯示、分析并存儲。PC、電話或者其他可穿戴式設(shè)備都可以用于對來自傳感器的真實(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間更長，或者體積更小時，一直會面臨比較大的限制。之所以出現(xiàn)進(jìn)展緩慢這一問題，原因是電池供電和容量是無線傳輸距離最關(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，這對于接收器而言卻帶來了問題，它只有打開時才監(jiān)聽信息：如果一個設(shè)備時斷時續(xù)的發(fā)送，另一個也是時斷時續(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格昂貴的傳感器差一些?？梢酝ㄟ^校準(zhǔn)來大幅度降低這類誤差。工廠校對的成本很高，但是也不容易克服漂移帶來的問題。要在使用過程中校準(zhǔn)，應(yīng)知道什么時候應(yīng)該進(jìn)行校準(zhǔn)。

例如，當(dāng)加速度計(jì)靜止時，可以通過存儲其讀數(shù)，消除低成本加速度計(jì)的失調(diào)誤差。然而，加速度計(jì)本身無法識別是靜止還是在一直緩慢的加速。這就會導(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采集數(shù)據(jù)。

安全

連接IoT器件的安全問題可能會很難解決，原因在于人們一般不愿意有計(jì)劃的應(yīng)對這些不常出現(xiàn)的事件，也不會對此而額外付出，即使他們知道這些事件的影響會很大。但實(shí)際上，我們會不得不針對這些極端但是很少出現(xiàn)的事件開發(fā)新的風(fēng)險管理策略，例如，大風(fēng)暴 (Sandy 颶風(fēng))，太陽耀斑導(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)施從未在極端太陽耀斑活動時進(jìn)行測試，這類活動也只在100年前發(fā)生過。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才吃驚的發(fā)現(xiàn)自己對此缺乏準(zhǔn)備。由于這類攻擊，導(dǎo)致了每年有上千萬的個人數(shù)據(jù)被盜。越來越多的數(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)以及您個人的行蹤等，都有可能受到威脅。竊賊會遠(yuǎn)程監(jiān)視您家庭的信息，知道您在哪里，從而知道什么時候破門而入。安全問題在IoT上尤為重要。但是，傳感器也應(yīng)對此負(fù)責(zé)嗎?

數(shù)據(jù)格式難題

傳感器的另一限制是每個傳感器都有自己的數(shù)據(jù)速率、精度和信號處理需求。在IoT上有沒有一種統(tǒng)一的方法來處理這些問題?例如，一般是一秒甚至更長的時間采集一次溫度值。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。如果一個設(shè)備要同時對此進(jìn)行監(jiān)測，那么數(shù)據(jù)包內(nèi)容會隨著時間而發(fā)生很大的變化。這并不難處理，但是并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，獲得來自很多源的數(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，使其成為簡單的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，否則，二進(jìn)制毫無意義。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，對于存儲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)不會受累于此。您會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)一步推動了傳感器創(chuàng)新。我們今后還會遇到很大的難題。我希望我們能夠解決大部分難題。