現(xiàn)代傳感器是怎樣模擬人類5感的？

從歷史的某個(gè)時(shí)刻開始，我們用“智能手機(jī)”，并且隨時(shí)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(xiàn)在哪兒？

最早感受“智能手機(jī)”的震撼，恐怕是在十多年前，在我們用智能手機(jī)看圖時(shí)，當(dāng)手機(jī)橫置，圖片也能立刻調(diào)轉(zhuǎn)顯示方向。這一刻我們感覺，手機(jī)仿佛是知道我們在想什么的。雖然這項(xiàng)功能現(xiàn)在看來稀松平常，其實(shí)現(xiàn)的本質(zhì)是重力傳感器。

早年的智能家居，比如單純用app來遠(yuǎn)程開關(guān)燈，大概并不能讓人感受到“智能”。傳感器技術(shù)的發(fā)展，真正讓“智能家居”能夠名副其實(shí)。比如說，下班回家一推門，起居室的燈就自動(dòng)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(jīng)過客廳時(shí)，客廳也能自動(dòng)亮燈，并且在折返時(shí)自動(dòng)關(guān)燈。

這種“被動(dòng)式”體驗(yàn)，才稱得上是“智能”的，其核心就在傳感器技術(shù)上。英飛凌事業(yè)部總裁Andreas Urschitz說：“將現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)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(dǎo)體的形式，為技術(shù)賦予人的五官感知?！彼晕覀冊谟w凌的傳感器產(chǎn)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(fēng)）、智能鼻子（CO2傳感器）、智能眼睛（3D ToF傳感器、雷達(dá)技術(shù)等）這樣的分類。

以英飛凌的產(chǎn)品覆蓋，我們恰好可以了解當(dāng)前的“智能”生活究竟已經(jīng)進(jìn)化成何種形態(tài)，以及如今的尖端傳感器技術(shù)，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(fù)責(zé)人，來了解英飛凌在傳遞智能生活、“感知世界”時(shí)扮演的角色。

一個(gè)典型的例子：報(bào)警系統(tǒng)

在英飛凌的宣傳中，直觀感應(yīng)解決方案，大多強(qiáng)調(diào)“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(gè)典型的應(yīng)用場景，來談?wù)勥@種“系統(tǒng)”解決方案究竟是如何成為“系統(tǒng)”的。

我們認(rèn)為，比較具有代表性，而且在結(jié)構(gòu)上相對簡單的是英飛凌構(gòu)建的“報(bào)警系統(tǒng)”（IAS）應(yīng)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(bào)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(dòng)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(shí)候，投入的成本會(huì)很高。

還有一些解決方案則采用麥克風(fēng)來檢測特定玻璃破碎的聲音頻率，在檢測到匹配的相應(yīng)頻率時(shí)就發(fā)出警報(bào)。這種方案的問題是，存在較高的誤報(bào)率，比如說家中玻璃杯被打碎，也可能被這種方案被認(rèn)為是非法入侵;另外，麥克風(fēng)的可靠性、信噪比、動(dòng)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(fēng)（IM69D130）和大氣壓力傳感器（DPS310）做結(jié)合。其中麥克風(fēng)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(shí)，捕捉壓力信號模式的變化。這兩者做融合，實(shí)現(xiàn)更為可靠、避免錯(cuò)誤報(bào)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(xiàn)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(dāng)然還需要跑應(yīng)用，包括將傳感器數(shù)據(jù)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(yīng)用。

從應(yīng)用層面來看，這是個(gè)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(lián)結(jié)方式，客戶自己也能開發(fā)自己客制化的應(yīng)用?！庇w凌針對各種產(chǎn)品和解決方案，“提供基礎(chǔ)的算法，包括數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)議等。我們提供的SDK會(huì)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(yīng)用了?！?/p>

基礎(chǔ)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(chǎn)品的前提。

“其實(shí)我們的這個(gè)系統(tǒng)，在國內(nèi)已經(jīng)有幾個(gè)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(lǐng)域，這套系統(tǒng)是否也有可行性，很多的細(xì)節(jié)現(xiàn)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。”麥正奇說。

構(gòu)建系統(tǒng)和平臺

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

這也是一個(gè)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(gòu)。它能夠?qū)崿F(xiàn)的一些典型應(yīng)用場景，比如說應(yīng)用在辦公大樓，雷達(dá)檢測到會(huì)議室有人時(shí)自動(dòng)調(diào)亮燈光、調(diào)整空調(diào)溫度;隧道/工廠用燈的節(jié)能;壓力傳感器檢測到電梯不動(dòng)，可自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警給電梯管理相關(guān)機(jī)構(gòu);在一些共享空間，檢測人流場景、空間占用，以實(shí)現(xiàn)智能的資源利用和分配優(yōu)化。

實(shí)際上，我們可以認(rèn)為前面的警報(bào)系統(tǒng)也是基于這樣的平臺構(gòu)建的。來看一看這個(gè)平臺的構(gòu)成：它在大框架上，同樣分成了硬件和軟件兩部分。

這個(gè)平臺的硬件架構(gòu)上，除了云服務(wù)涉及的部分，在設(shè)備端主體上包含了幾個(gè)部分。分別是中央處理單元（MCU）、雷達(dá)系統(tǒng)、Optiga數(shù)據(jù)安全芯片、XDPL LED驅(qū)動(dòng)、壓力傳感器，以及無線連接相關(guān)的組成部分。

上面這張圖的中間部分是個(gè)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(qū)動(dòng);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(fēng)、CO2傳感器、24GHz雷達(dá)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(gòu)。下方是設(shè)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(yīng)用層部分，就能看到比如雷達(dá)參數(shù)調(diào)試、LED控制、OTA軟件升級等。上方是服務(wù)器端軟件，與設(shè)備端對接。服務(wù)器端軟件，涉及到數(shù)據(jù)庫、賬戶管理、設(shè)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(jì)算等越來越多的功能實(shí)現(xiàn)。

這是一個(gè)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(gòu)成不一樣的應(yīng)用方案，比如前面提到的報(bào)警系統(tǒng)。

這里再嘗試列舉一個(gè)，英飛凌的智能路燈方案，就能搞清楚這個(gè)系統(tǒng)究竟是如何構(gòu)建的。英飛凌的智能路燈，在硬件基礎(chǔ)上包括了XDPL照明控制LED驅(qū)動(dòng)芯片（提供數(shù)據(jù)參數(shù)讀寫及信息接口）、24GHz雷達(dá)芯片（實(shí)現(xiàn)車輛、行人監(jiān)測）、Optiga數(shù)據(jù)安全芯片（連接安全認(rèn)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(dá)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以報(bào)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(diào)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(lǐng)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(gòu)建平臺和系統(tǒng)的企業(yè)，在行業(yè)內(nèi)是不多見的。這也是英飛凌搭建系統(tǒng)和平臺的基礎(chǔ)。有了系統(tǒng)和解決方案，面向市場的各類千百種應(yīng)用才能更快地付諸實(shí)現(xiàn)，落地到實(shí)際場景中。

“我們除了主要產(chǎn)品線以外，還有個(gè)Sensor Solution Group，做傳感器的融合，面向不同的應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(gòu)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(chǎn)品。這些是系統(tǒng)能夠獲得用戶青睞的基礎(chǔ)，比如前文提到的警報(bào)系統(tǒng)，其覆蓋范圍有多廣，以及麥克風(fēng)信噪比表現(xiàn)如何，都是影響這套警報(bào)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。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(fēng)

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(fēng)裸die，不過如今英飛凌自己開始涉足完整的MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)品，以高信噪比密封雙薄膜MEMS麥克風(fēng)（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(guān)。

從統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)來看，英飛凌MEMS麥克風(fēng)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(yīng)用場景涵蓋了語音識別、音頻錄制、語音通訊、主動(dòng)降噪等。以TWS耳機(jī)如今的火熱便不難想見，MEMS麥克風(fēng)市場有多火。這類產(chǎn)品在手機(jī)、平板、筆記本、可穿戴設(shè)備、智能家居中的廣泛應(yīng)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(fēng)應(yīng)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(dāng)屋內(nèi)有人在睡覺，那么以很輕的耳語發(fā)出指令“關(guān)燈”，一樣可以讓智能家居做出響應(yīng)。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(yuǎn)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(diǎn)在技術(shù)層面，除了多麥克風(fēng)陣列以外，針對MEMS麥克風(fēng)信噪比的提升應(yīng)該是有很大關(guān)系的。在產(chǎn)品的技術(shù)演進(jìn)中，從2010年較低成本但聲學(xué)性能較差的單backplate，發(fā)展到2014年顯著提升了聲學(xué)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(dá)到IP57防水防塵級別的密封雙薄膜（sealed dual membrane）設(shè)計(jì)。

“麥克風(fēng)的工作模式可以簡單理解為一個(gè)帶電荷電容， 固定不動(dòng)的導(dǎo)電層即為backplate。另外一層同樣為導(dǎo)電層的振膜，可以隨著外部進(jìn)入聲壓的變化而發(fā)出不同幅度的震動(dòng)。電容值的變化引起輸入電壓值的變化。從而實(shí)現(xiàn)了聲信號到電信號的轉(zhuǎn)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(jīng)理鐘至仁向我們解釋說。

這種密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面實(shí)現(xiàn)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(yīng)用場景有幫助提升用戶體驗(yàn)的作用，還在于對于反饋式主動(dòng)降噪而言，高信噪比的麥克風(fēng)也能令降噪效果表現(xiàn)更好。

因?yàn)辂溈孙L(fēng)可以捕捉到更低的聲壓級（SPL），抗噪音表現(xiàn)自然會(huì)更好。從65dB SNR提升到69dB，這種變化就已經(jīng)相當(dāng)顯著了。那么就應(yīng)用層面來看，對于TWS主動(dòng)降噪耳機(jī)而言，更多功能的實(shí)現(xiàn)也能做得更好，比如說語音助手、現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)等。

前文中提到應(yīng)用于報(bào)警系統(tǒng)的麥克風(fēng)傳感器（IM69D130），信噪比就達(dá)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(fēng)無論離玻璃爆破音源很近還是很遠(yuǎn)，都能夠?qū)⒉Ａ榱训穆曇粲涗浵聛怼?/p>

2.壓力傳感器

而英飛凌報(bào)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(yùn)動(dòng)期間，如跑樓梯這樣的動(dòng)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(shù)上標(biāo)的是可達(dá)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(shí)峰值電流345μA，待機(jī)電流0.5/1.0μA;外加防塵放水、溫度穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

這種壓力傳感器的應(yīng)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(shè)備的運(yùn)動(dòng)追蹤，甚至還有室內(nèi)室外的導(dǎo)航、氣流測量（典型的比如用在掃地機(jī)器人/空調(diào)，作為傳感器可偵測濾網(wǎng)何時(shí)需要更換）。

英飛凌為其預(yù)設(shè)的應(yīng)用場景還包括了預(yù)測性維護(hù)（Predictive Maintenance）——我們曾在先前智慧工廠生產(chǎn)相關(guān)文章中介紹過這種技術(shù)。它能夠提前預(yù)知生產(chǎn)設(shè)備、組件壽命，預(yù)防故障性停工。大氣壓力傳感器應(yīng)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(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測的傳感器，這讓我們有機(jī)會(huì)窺見當(dāng)代CO2傳感器內(nèi)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(yīng)的光聲譜技術(shù)。紅外光經(jīng)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(nèi)光被吸收引起熱效應(yīng)和壓力改變?！?/p>

“后端還有麥克風(fēng)檢測壓力變化值，從而實(shí)現(xiàn)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(huì)比較強(qiáng)。

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(yīng)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(xué)filter——即鐘至仁所說的光柵，以及一個(gè)MEMS heater;探測器部分就是前文提到的MEMS麥克風(fēng)。

除了感知腔體以外，整個(gè)模塊實(shí)則還包含了英飛凌的XMC MCU（跑補(bǔ)償固件，支持I2C/UART/SPI），以及驅(qū)動(dòng)MEMS heater的MOSFET。從CO2傳感器模塊的這個(gè)整體，也能夠體現(xiàn)在“系統(tǒng)”構(gòu)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(dá)

ToF和雷達(dá)，是英飛凌“智能視覺”或者說“智能眼睛”的表達(dá)方式。相關(guān)光學(xué)測距3D ToF的部分，我們在5月份發(fā)布的《消費(fèi)電子ToF技術(shù)與市場分析報(bào)告》中曾詳細(xì)介紹過技術(shù)原理，其中也提到了英飛凌選擇的技術(shù)方向、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)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(shí)現(xiàn)上，主要選擇的是連續(xù)波iToF方法。主要特點(diǎn)在于具備SBI背光抑制專利技術(shù)，以及和上述方案一樣，有完整的包含傳感器模塊、軟件驅(qū)動(dòng)、3D深度算法在內(nèi)的系統(tǒng)性解決方案。

這種技術(shù)在手機(jī)、掃地機(jī)器人、智能家居、智能安防、現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)設(shè)備等領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如說應(yīng)用到手機(jī)前置ToF攝像頭，構(gòu)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(qiáng);應(yīng)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(shí)現(xiàn)交互加強(qiáng)。

同樣是采用ToF技術(shù)（雖然并非光學(xué)測距），英飛凌的60GHz雷達(dá)實(shí)際上是比較值得一提的。這里的雷達(dá)，是英飛凌將車載領(lǐng)域相對成熟的硬件和方案，應(yīng)用到消費(fèi)類、工業(yè)類應(yīng)用中的產(chǎn)品。其特色能力在于感應(yīng)微動(dòng)作（micro movement），比如室內(nèi)有人時(shí)，這種60GHz雷達(dá)能夠感知呼吸、心跳這些亞毫米級別的動(dòng)作。

智能家居中比較流行的PIR被動(dòng)式紅外傳感器，作為存在檢測較大的一個(gè)問題就是，它無法偵測微小動(dòng)作，比如在房間里辦公，僅敲擊鍵盤這樣的微動(dòng)作時(shí)，這種紅外傳感器就無法感知到。60GHz的雷達(dá)波長為5mm，皮膚0.5mm的微動(dòng)，對雷達(dá)而言就是較大的移動(dòng)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(dá)除了存在檢測，也可以應(yīng)用人數(shù)統(tǒng)計(jì)及追蹤，甚至加上高階演算法開發(fā)，就可實(shí)現(xiàn)非接觸式心率監(jiān)測、懸浮手勢控制等應(yīng)用。其中心率監(jiān)測，就是利用雷達(dá)偵測胸腔呼吸振幅加上皮膚或者心率微動(dòng)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(jīng)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(shè)定雷達(dá)僅檢測1米范圍內(nèi)的活體，1米以外的活動(dòng)可忽略。這還是體現(xiàn)了除硬件之外，英飛凌在軟件方面為開發(fā)者提供的儲(chǔ)備和方案。前面提到的智能路燈，和更多IoT XENSIV Lighting Platform平臺應(yīng)用，都有雷達(dá)的參與。

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

這些傳感器產(chǎn)品，去年收歸在英飛凌的“Power Management & Multimarket”業(yè)務(wù)中，這項(xiàng)業(yè)務(wù)原本包含針對能量管理的功率半導(dǎo)體、針對通訊基礎(chǔ)設(shè)施和移動(dòng)設(shè)備的產(chǎn)品（包括射頻與電源器件），以及面向嚴(yán)苛環(huán)境的高可靠產(chǎn)品。

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

編輯：jq