將環(huán)境傳感器用于傳感器融合中和NIMS

如今，環(huán)境傳感器必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其傳統(tǒng)的檢測氣體，監(jiān)測濕度和氣壓以及計(jì)算水中顆粒的數(shù)量，如水文學(xué)，微氣象學(xué)和國土安全等。傳感器融合，其中來自多個不同傳感器的信息被組合以考慮這些設(shè)備周圍環(huán)境的屬性，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)對事件和情況的敏感推斷 - 傳感器在其中運(yùn)行的環(huán)境。

例如，傳感器融合在不斷增長的可穿戴設(shè)備市場中發(fā)揮著重要作用。通過將傳統(tǒng)環(huán)境傳感器與其他傳感器設(shè)備相結(jié)合，設(shè)計(jì)人員可以開發(fā)智能系統(tǒng)，使機(jī)器能夠相互交互，并與周圍的世界互動。來自陀螺儀，加速度計(jì)，接近傳感器，環(huán)境光傳感器和位置傳感器的信息，結(jié)合手腕佩戴的脈搏率傳感器，可用于推斷用戶正在做什么 - 跑步，行走，睡覺等等，以執(zhí)行一些自動化任務(wù)。

由于可穿戴設(shè)備的用戶不斷運(yùn)動，他們的各種活動會影響傳感器必須在其中運(yùn)行的條件。移動設(shè)備的GPS可以跟蹤位置，但是也可能需要知道用戶現(xiàn)在正在行走。設(shè)備必須能夠在一天中從一個環(huán)境到下一個環(huán)境不斷地跟蹤用戶，隨著用戶從家庭方向移動到工作并且再次返回而進(jìn)行調(diào)整。

為醫(yī)療保健，健身和運(yùn)動訓(xùn)練設(shè)計(jì)可穿戴系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。與傳統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)備相比，多種傳感器功能的集成需要更多的安全性，可靠性和性能。它還要求更小的包裝和減輕重量;它必須足夠小，以適應(yīng)微小的主機(jī)設(shè)備，對功率和處理的需求非常小，當(dāng)然，它必須是便宜的。底層算法也必須能夠適應(yīng)，以便傳感器及其工作的上下文可以在運(yùn)行中重新配置。同樣重要的是，它們必須具有高靈敏度和出色的抗噪性。

分布式嵌入式傳感器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了能夠?qū)崿F(xiàn)普遍監(jiān)控環(huán)境愿景的程度。然而，仍然需要克服的最重要挑戰(zhàn)之一是傳感障礙的時變（和不可預(yù)測）性質(zhì)所產(chǎn)生的傳感不確定性。用于減少嵌入式網(wǎng)絡(luò)感測中的不確定因素的方法被稱為網(wǎng)絡(luò)信息 - 機(jī)械系統(tǒng)（NIMS），其在3-D空間中暫停無線移動和固定傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果是使用可變傳感位置，透視和傳感器類型的運(yùn)行時自適應(yīng)。廣泛而精確的驅(qū)動意味著NIMS解決了傳統(tǒng)靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)中固有的一些基本問題，例如：

適應(yīng)環(huán)境動態(tài)和可持續(xù)檢測

感知不確定性的降低

NIMS的使用增加了新的網(wǎng)絡(luò)靈活性和功能以及支持分布式傳感器的新物流，以及更高的傳感器自我感知能力，以了解其自身的傳感不確定性，至關(guān)重要在上下文感知應(yīng)用程序中。 NIMS提供了主動調(diào)整傳感節(jié)點(diǎn)，引入各種新傳感器以及減少無線鏈路路徑損耗的能力。

傳感器示例

現(xiàn)在讓我們看看一些設(shè)備齊全的環(huán)境傳感器用于傳感器融合和NIMS應(yīng)用。

歐姆龍的D6T1 MEMS熱傳感器（圖1）具有足夠的靈敏度，可以檢測靜止的人體存在。它解決了熱電傳感器不能檢測靜止的人的缺點(diǎn)，因?yàn)檫@種方法需要檢測信號變化。此外，與熱電模型不同，D6T1繼續(xù)檢測物體的遠(yuǎn)紅外發(fā)射。為了延長短距離檢測距離，可以通過軟件編程，考慮時間變化，熱源位置和人體運(yùn)動來提高判斷精度。

圖1：歐姆龍D6T1溫度傳感器的性能優(yōu)于其熱電競爭。

非接觸式溫度傳感器由帶硅透鏡的蓋子，MEMS熱電堆傳感器芯片和專用模擬電路和邏輯電路組成，用于通過一個連接器在單個板上轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度值。通過將信號處理電路緊密地安裝到傳感器芯片上，可以實(shí)現(xiàn)低噪聲溫度測量。

在操作中，硅透鏡將來自物體的輻射熱量收集到模塊中的熱電堆傳感器上，熱量在傳感器上產(chǎn)生電動勢。模擬電路使用電動勢值和模塊內(nèi)部的測量溫度值計(jì)算物體的溫度，該值通過I 2 C總線輸出。

作為在具有VDD I 2 C接口的光學(xué)模塊中集成數(shù)字彩色傳感器，接近傳感器和IR LED的示例，請考慮使用ams TMD3782x顏色傳感器（圖2）。該傳感器提供紅色，綠色，藍(lán)色和透明（RGBC）光感應(yīng)和接近檢測，可在各種照明條件下檢測光強(qiáng)度。它執(zhí)行色溫測量，環(huán)境光感應(yīng)（ALS）和具有背景光抑制的接近檢測。

圖2：TMD3782s顏色傳感器框圖。

接近檢測功能允許進(jìn)行大范圍的操作以實(shí)現(xiàn)精確的距離檢測，例如當(dāng)用戶將手機(jī)靠近耳朵時在手機(jī)中。顏色感應(yīng)功能在背光控制，固態(tài)照明，反射LED顏色采樣器或熒光燈色溫檢測等應(yīng)用中非常有用。該模塊可減少電路板空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并可在各種條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的色彩和環(huán)境光感應(yīng)。它還消除了最終產(chǎn)品出廠校準(zhǔn)。最后，其內(nèi)部狀態(tài)機(jī)將器件置于接近和RGBC測量之間的低功耗狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)極低的平均功耗。

專為可穿戴設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備和移動設(shè)備等應(yīng)用而設(shè)計(jì)德州儀器（TI）的HDC1008YPAT（圖3）是一款帶有集成溫度傳感器的低功耗，高精度數(shù)字濕度傳感器。它具有出色的測量精度，可根據(jù)公司新穎的電容式傳感器測量濕度。濕度和溫度傳感器在出廠時已經(jīng)過校準(zhǔn)。

圖3：可穿戴設(shè)備的理想選擇，HDC1008YPAT結(jié)合了濕度和溫度感應(yīng)。

該器件的WLCSP（晶圓級芯片尺寸封裝）非常緊湊，簡化了電路板設(shè)計(jì)。傳感元件放置在設(shè)備的底部，這使其更耐臟，防塵，防塵和其他環(huán)境污染物。該器件具有非常小的2 mm x 1.6 mm封裝，可在-40°C至+ 125°C的溫度范圍內(nèi)工作。

總之

可以肯定地說，傳感器融合組合將導(dǎo)致環(huán)境傳感器在未來的更多應(yīng)用中得到應(yīng)用。正如我們所看到的，情境感知要求傳感器具有高精度和可靠性，小尺寸，低功率預(yù)算，當(dāng)然還有合理的實(shí)施成本。提供了幾個滿足這些要求的示例傳感器。