現代傳感器是怎樣模擬人類5感的？

從歷史的某個時刻開始，我們用“智能手機”，并且隨時代發(fā)展有了“智能家居”“智能樓宇”“智慧城市”“智能照明”……這里的“智能”和“智慧”從直覺來看究竟體現在哪兒？

最早感受“智能手機”的震撼，恐怕是在十多年前，在我們用智能手機看圖時，當手機橫置，圖片也能立刻調轉顯示方向。這一刻我們感覺，手機仿佛是知道我們在想什么的。雖然這項功能現在看來稀松平常，其實現的本質是重力傳感器。

早年的智能家居，比如單純用app來遠程開關燈，大概并不能讓人感受到“智能”。傳感器技術的發(fā)展，真正讓“智能家居”能夠名副其實。比如說，下班回家一推門，起居室的燈就自動亮了;向智能音箱說一句“播放音樂”，就能立刻聽到平常最喜歡聽的曲子;夜間起床去洗手間，經過客廳時，客廳也能自動亮燈，并且在折返時自動關燈。

這種“被動式”體驗，才稱得上是“智能”的，其核心就在傳感器技術上。英飛凌事業(yè)部總裁Andreas Urschitz說：“將現實世界和數字世界連接起來，其中需要克服的障礙就在于，你需要在各處都布局好傳感器。英飛凌以半導體的形式，為技術賦予人的五官感知。”所以我們在英飛凌的傳感器產品組合中，看到了智能感知（大氣壓力傳感器）、智能耳朵（MEMS麥克風）、智能鼻子（CO2傳感器）、智能眼睛（3D ToF傳感器、雷達技術等）這樣的分類。

以英飛凌的產品覆蓋，我們恰好可以了解當前的“智能”生活究竟已經進化成何種形態(tài)，以及如今的尖端傳感器技術，又發(fā)展到了何種程度。為此，我們特別采訪了英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部的工程師和負責人，來了解英飛凌在傳遞智能生活、“感知世界”時扮演的角色。

一個典型的例子：報警系統(tǒng)

在英飛凌的宣傳中，直觀感應解決方案，大多強調“系統(tǒng)”性方案。這種描述方式大概不夠直觀，我們嘗試列舉幾個典型的應用場景，來談談這種“系統(tǒng)”解決方案究竟是如何成為“系統(tǒng)”的。

我們認為，比較具有代表性，而且在結構上相對簡單的是英飛凌構建的“報警系統(tǒng)”（IAS）應用。這套解決方案主要解決的，是家庭、樓宇可能遭遇非法入侵的安保問題。早年國外針對玻璃破碎的報警系統(tǒng)，常見的解決方案是在窗戶玻璃上貼用于檢測震動的傳感器。傳統(tǒng)方案的問題在于，一方面影響美觀性，另一方面則在樓宇窗戶很多的時候，投入的成本會很高。

還有一些解決方案則采用麥克風來檢測特定玻璃破碎的聲音頻率，在檢測到匹配的相應頻率時就發(fā)出警報。這種方案的問題是，存在較高的誤報率，比如說家中玻璃杯被打碎，也可能被這種方案被認為是非法入侵;另外，麥克風的可靠性、信噪比、動態(tài)范圍等都是比較大的挑戰(zhàn)。

英飛凌在傳感器層面的解決方案是，將MEMS麥克風（IM69D130）和大氣壓力傳感器（DPS310）做結合。其中麥克風用于檢測玻璃碎裂的聲響，而大氣壓力傳感器能夠獲取物理沖擊信號：即在房間的窗戶/門被破壞時，捕捉壓力信號模式的變化。這兩者做融合，實現更為可靠、避免錯誤報警的問題。

從傳感器的角度來說，這是兩種傳感器的融合方案。如果從更高層級去看英飛凌針對這套系統(tǒng)提供的開發(fā)板，則能夠發(fā)現這套系統(tǒng)除了傳感器，還包含了MCU（英飛凌的XMC系列），其上當然還需要跑應用，包括將傳感器數據做融合與分析的算法方案——這就屬于軟件部分了。英飛凌相對高階的解決方案，也提供云端連接的應用。

從應用層面來看，這是個相對完整的“系統(tǒng)”，不僅有傳感器融合，而且包括了硬件、軟件的提供。

在其中的軟件部分，英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)射頻及傳感器部門總監(jiān)麥正奇表示：“我們提供這種簡單的聯結方式，客戶自己也能開發(fā)自己客制化的應用。”英飛凌針對各種產品和解決方案，“提供基礎的算法，包括數據傳輸、協(xié)議等。我們提供的SDK會有一些基本的功能，提供第一層、第二層的算法，那么客戶就能基于我們的SDK去開發(fā)上百上千種的應用了?！?/p>

基礎的算法，以及軟件開發(fā)方面的更多支持，也是開發(fā)者快速開發(fā)產品的前提。

“其實我們的這個系統(tǒng)，在國內已經有幾個case在談，是供給一些大型企業(yè)的智慧型大樓。我們也想過在車載領域，這套系統(tǒng)是否也有可行性，很多的細節(jié)現在都在討論。不過總體上，通過我們的SDK，傳感+算法，客戶可以創(chuàng)造各種可能性?！丙溦嬲f。

構建系統(tǒng)和平臺

上面這個例子相對簡單地傳遞了，英飛凌如何做傳感器融合，加上結合自家MCU這樣的優(yōu)勢資源，再搭配初步的算法構建起一個系統(tǒng)的例子。有關傳感器自身可實現的一些能力，我們將在后文詳述。針對構成一個完整解決方案的問題，我們認為在英飛凌的傳感生態(tài)內，更具代表性的是IoT XENSIV Lighting Platform照明平臺。

這也是一個通過傳感器融合，無線連接到云端的系統(tǒng)，而且是模塊化架構。它能夠實現的一些典型應用場景，比如說應用在辦公大樓，雷達檢測到會議室有人時自動調亮燈光、調整空調溫度;隧道/工廠用燈的節(jié)能;壓力傳感器檢測到電梯不動，可自動遠程報警給電梯管理相關機構;在一些共享空間，檢測人流場景、空間占用，以實現智能的資源利用和分配優(yōu)化。

實際上，我們可以認為前面的警報系統(tǒng)也是基于這樣的平臺構建的。來看一看這個平臺的構成：它在大框架上，同樣分成了硬件和軟件兩部分。

這個平臺的硬件架構上，除了云服務涉及的部分，在設備端主體上包含了幾個部分。分別是中央處理單元（MCU）、雷達系統(tǒng)、Optiga數據安全芯片、XDPL LED驅動、壓力傳感器，以及無線連接相關的組成部分。

上面這張圖的中間部分是個中控板，圍繞在周圍的周邊器件是可以模塊化更換的。左邊的是XDPL LED驅動;右邊則是無線連接模塊（典型的是NBIoT/Sigfox支持）;下方則是不同傳感器的融合，比如ToF、MEMS麥克風、CO2傳感器、24GHz雷達等。

除了硬件層面的部分，還有軟件：上面這張圖就是IoT XENSIV Lighting Platform平臺的軟件架構。下方是設備終端，有各種硬件支持，除了傳感器還包括了無線連接。在靠上的應用層部分，就能看到比如雷達參數調試、LED控制、OTA軟件升級等。上方是服務器端軟件，與設備端對接。服務器端軟件，涉及到數據庫、賬戶管理、設備管理等等，而最上層也需要有燈光管理、人流管理、空間占用管理、電量計算等越來越多的功能實現。

這是一個相對完整的，英飛凌提供給開發(fā)者的系統(tǒng)或者平臺，其上的很多板塊是模塊化的。填充、替換這些模塊構成不一樣的應用方案，比如前面提到的報警系統(tǒng)。

這里再嘗試列舉一個，英飛凌的智能路燈方案，就能搞清楚這個系統(tǒng)究竟是如何構建的。英飛凌的智能路燈，在硬件基礎上包括了XDPL照明控制LED驅動芯片（提供數據參數讀寫及信息接口）、24GHz雷達芯片（實現車輛、行人監(jiān)測）、Optiga數據安全芯片（連接安全認證）、CoolMOS（路燈作充電樁、電源管理），以及MCU——英飛凌的XMC系列（核心處理）。

雷達收集的實時數據可以報告停車場信息，協(xié)助交通優(yōu)化、人群管理，優(yōu)化城市規(guī)劃與管理。XDPL芯片則可調節(jié)路燈明暗，并讓終端掌握路燈狀態(tài);另外還有充電支持、安全連接等額外特性。

很顯然在智能路燈這套方案中，英飛凌的能力包括了傳感器融合，另外還涉及到了英飛凌在電源、MCU等領域的更多能力。通過這種方式，能夠像英飛凌這樣做能力整合、構建平臺和系統(tǒng)的企業(yè)，在行業(yè)內是不多見的。這也是英飛凌搭建系統(tǒng)和平臺的基礎。有了系統(tǒng)和解決方案，面向市場的各類千百種應用才能更快地付諸實現，落地到實際場景中。

“我們除了主要產品線以外，還有個Sensor Solution Group，做傳感器的融合，面向不同的應用。不同的傳感器融合，再加上不同的MCU，甚至和partner配合，將我們的硬件和軟件能力都利用起來，為客戶提供解決方案，實現各種各樣的功能。”麥正奇表示。

那些模擬人類感官的傳感器

無論是傳感器融合，還是構建起完整的系統(tǒng)、平臺，更具體的還是前文提到的這些傳感器產品。這些是系統(tǒng)能夠獲得用戶青睞的基礎，比如前文提到的警報系統(tǒng)，其覆蓋范圍有多廣，以及麥克風信噪比表現如何，都是影響這套警報系統(tǒng)具體實現的基礎。這里我們選擇英飛凌一些比較有代表性的傳感器談一談。

1.MEMS麥克風

在更早期的市場上，英飛凌主要為Goertek、AAC Technologies這樣的企業(yè)提供MEMS麥克風裸die，不過如今英飛凌自己開始涉足完整的MEMS麥克風產品，以高信噪比密封雙薄膜MEMS麥克風（high SNR sealed dual-membrane MEMS microphone）的形態(tài)存在，這可能與這部分市場的高速增長有關。

從統(tǒng)計機構的數據來看，英飛凌MEMS麥克風die的市場份額變化情況如上圖所示，目前其整體市場份額在37%左右。其應用場景涵蓋了語音識別、音頻錄制、語音通訊、主動降噪等。以TWS耳機如今的火熱便不難想見，MEMS麥克風市場有多火。這類產品在手機、平板、筆記本、可穿戴設備、智能家居中的廣泛應用自不必多說。

我們在英飛凌的一則宣傳視頻中看到，其MEMS麥克風應用場景，除了正常音量向智能音箱發(fā)出“播放音樂”這樣的指令;當屋內有人在睡覺，那么以很輕的耳語發(fā)出指令“關燈”，一樣可以讓智能家居做出響應。英飛凌在描述中提到，在小聲說話場景下，其“命中率”高出至多40%;另外遠距離識別場景，命中率高出至多25%——比如從廚房向起居室中的智能音箱發(fā)出指令。

這一點在技術層面，除了多麥克風陣列以外，針對MEMS麥克風信噪比的提升應該是有很大關系的。在產品的技術演進中，從2010年較低成本但聲學性能較差的單backplate，發(fā)展到2014年顯著提升了聲學性能——信噪比提升至70dB但防塵性能較差的雙backplate，及今年最高75dB，而且還達到IP57防水防塵級別的密封雙薄膜（sealed dual membrane）設計。

“麥克風的工作模式可以簡單理解為一個帶電荷電容， 固定不動的導電層即為backplate。另外一層同樣為導電層的振膜，可以隨著外部進入聲壓的變化而發(fā)出不同幅度的震動。電容值的變化引起輸入電壓值的變化。從而實現了聲信號到電信號的轉變?！庇w凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場經理鐘至仁向我們解釋說。

這種密封結構設計，一方面實現了防水防塵，另一方面則提升了信噪比，也就提升了聲音信號的獲取能力。而高信噪比不僅對于前述應用場景有幫助提升用戶體驗的作用，還在于對于反饋式主動降噪而言，高信噪比的麥克風也能令降噪效果表現更好。

因為麥克風可以捕捉到更低的聲壓級（SPL），抗噪音表現自然會更好。從65dB SNR提升到69dB，這種變化就已經相當顯著了。那么就應用層面來看，對于TWS主動降噪耳機而言，更多功能的實現也能做得更好，比如說語音助手、現實增強等。

前文中提到應用于報警系統(tǒng)的麥克風傳感器（IM69D130），信噪比就達到了69dB，另外有130dB的SPL——即最高可以聽到130dB的信號。如此一來，麥克風無論離玻璃爆破音源很近還是很遠，都能夠將玻璃碎裂的聲音記錄下來。

2.壓力傳感器

而英飛凌報警系統(tǒng)中所用的電容式大氣壓力傳感器，英飛凌的工程師介紹說，DPS310壓力傳感器能夠偵測到5cm的高度差（±0.004hPa），所以運動期間，如跑樓梯這樣的動作，傳感器也能判斷每一級樓梯的落差——這也是它能夠通過微小氣壓差別，去偵測玻璃爆破的原因。另外更多型號，如DPS368在參數上標的是可達到2cm高度差的偵測靈敏度。

其特性還包括了足夠小的尺寸，如DPS310這顆壓力傳感器的三圍2x2.5x1.0mm;低功耗，壓力測量時峰值電流345μA，待機電流0.5/1.0μA;外加防塵放水、溫度穩(wěn)定性高等特點。

這種壓力傳感器的應用范圍也因此可以很廣，包括用于智能家居、氣象站、可穿戴設備的運動追蹤，甚至還有室內室外的導航、氣流測量（典型的比如用在掃地機器人/空調，作為傳感器可偵測濾網何時需要更換）。

英飛凌為其預設的應用場景還包括了預測性維護（Predictive Maintenance）——我們曾在先前智慧工廠生產相關文章中介紹過這種技術。它能夠提前預知生產設備、組件壽命，預防故障性停工。大氣壓力傳感器應該是作為其中的組成部分存在的。

3.CO2傳感器

這是一種典型應用于空氣質量監(jiān)測的傳感器，這讓我們有機會窺見當代CO2傳感器內部究竟是什么樣。鐘至仁向我們解釋英飛凌CO2傳感器的原理：“英飛凌的CO2傳感器是基于光聲效應的光聲譜技術。紅外光經過特定光柵，輸出特定波長λ=4.2μm的光波，可被CO2氣體分子吸收。在密閉腔內光被吸收引起熱效應和壓力改變?！?/p>

“后端還有麥克風檢測壓力變化值，從而實現CO2濃度及濃度變化的檢測?！钡蜐舛鹊男盘柸?，而高濃度的信號就會比較強。

上面這張圖是英飛凌XENSIV PAS CO2傳感器模塊，上方封裝起來的就是感應腔。里面主要包括兩部分，分別是發(fā)出紅外光的部分，包括了過濾4.2μm波長的光學filter——即鐘至仁所說的光柵，以及一個MEMS heater;探測器部分就是前文提到的MEMS麥克風。

除了感知腔體以外，整個模塊實則還包含了英飛凌的XMC MCU（跑補償固件，支持I2C/UART/SPI），以及驅動MEMS heater的MOSFET。從CO2傳感器模塊的這個整體，也能夠體現在“系統(tǒng)”構成層面，英飛凌覆蓋的能力是相對全面的。

4.ToF傳感器與雷達

ToF和雷達，是英飛凌“智能視覺”或者說“智能眼睛”的表達方式。相關光學測距3D ToF的部分，我們在5月份發(fā)布的《消費電子ToF技術與市場分析報告》中曾詳細介紹過技術原理，其中也提到了英飛凌選擇的技術方向、技術特點和應用領域。

英飛凌通過與pmd合作的方式，共同推出REAL3 ToF傳感器解決方案，用于相對近距離的場景3D感知、成像。英飛凌在3D ToF實現上，主要選擇的是連續(xù)波iToF方法。主要特點在于具備SBI背光抑制專利技術，以及和上述方案一樣，有完整的包含傳感器模塊、軟件驅動、3D深度算法在內的系統(tǒng)性解決方案。

這種技術在手機、掃地機器人、智能家居、智能安防、現實增強設備等領域都有應用。比如說應用到手機前置ToF攝像頭，構建人臉3D深度圖，則可用來做3D人臉識別，以及輔助拍照的效果加強;應用在電視之上，則可通過3D感知，來識別手勢操作、體感控制之類的信號，實現交互加強。

同樣是采用ToF技術（雖然并非光學測距），英飛凌的60GHz雷達實際上是比較值得一提的。這里的雷達，是英飛凌將車載領域相對成熟的硬件和方案，應用到消費類、工業(yè)類應用中的產品。其特色能力在于感應微動作（micro movement），比如室內有人時，這種60GHz雷達能夠感知呼吸、心跳這些亞毫米級別的動作。

智能家居中比較流行的PIR被動式紅外傳感器，作為存在檢測較大的一個問題就是，它無法偵測微小動作，比如在房間里辦公，僅敲擊鍵盤這樣的微動作時，這種紅外傳感器就無法感知到。60GHz的雷達波長為5mm，皮膚0.5mm的微動，對雷達而言就是較大的移動距離了。作為寫字樓智慧樓宇的存在檢測，這種方案還是相對可靠的。

“雷達除了存在檢測，也可以應用人數統(tǒng)計及追蹤，甚至加上高階演算法開發(fā)，就可實現非接觸式心率監(jiān)測、懸浮手勢控制等應用。其中心率監(jiān)測，就是利用雷達偵測胸腔呼吸振幅加上皮膚或者心率微動完成?！庇w凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場經理吳柏毅表示。

英飛凌提供的SDK也包含了算法庫，典型的比如開發(fā)者可設定雷達僅檢測1米范圍內的活體，1米以外的活動可忽略。這還是體現了除硬件之外，英飛凌在軟件方面為開發(fā)者提供的儲備和方案。前面提到的智能路燈，和更多IoT XENSIV Lighting Platform平臺應用，都有雷達的參與。

谷歌Pixel 4手機距離檢測所用的“Soli”技術，所用的就是英飛凌60GHz雷達芯片。也算是對這項技術在尺寸和功耗方面的背書。

這些傳感器產品，去年收歸在英飛凌的“Power Management & Multimarket”業(yè)務中，這項業(yè)務原本包含針對能量管理的功率半導體、針對通訊基礎設施和移動設備的產品（包括射頻與電源器件），以及面向嚴苛環(huán)境的高可靠產品。

“未來我們要聚焦的，包括了各種智能應用場景，包括智能家居、智能照明、智能樓宇等等。5G時代的到來，IoT萬物互聯，對于整個行業(yè)都是相當大的機會，同時也是挑戰(zhàn)。這兩者不僅對于我們的硬件產品，也對算法提出了更高的要求。所以我們也給客戶準備了更多基礎演算法。為了滿足客制化需求，我們也會和合作伙伴共同開拓這片市場?！敝悄苌罘秶臄U展還在持續(xù)。

編輯：jq