传感器加速物联网技术在智能家居、智慧城市、智慧办公和智慧工厂领域的应用

Félix Marchal

我们似乎面临着同一问题：行业广泛使用“智能家居”或“智慧城市”等术语，但对具体含义却没有一致的定义。然而，人们普遍认同，智能家居或智慧城市的“智能”意味着高度自动化和个性化。例如，在智能家居中，未来的客厅由一系列应用、云和传感器构成：即连接到云的应用支持平台（AEP），能够自主学习每个家庭成员偏好的照明、声音、娱乐、香味、供暖和通风设置，并在已知用户进入房间时自动调整每种设置。

“智能家居”方案将为用户提供更加舒适的环境，精确地根据他们的喜好进行调整，同时减少能源浪费或水的使用，不再需要电灯开关和恒温器这样的老式用户控制。

用户希望物联网系统能够在用户毫无察觉的情况下自动完成工作。只要走进房间，用户就能触发暖气、通风、声音、光等系统更改设置。

虽然现在一些高端建筑已经具备了很多此类功能，但那些功能通常是独立的，或仍然对用户可见。那么，实现这一愿景所需要的关键新技术有哪些？显然，机器学习和复杂的云软件至关重要。但另一重要因素是感知大量真实世界现象的能力，以便机器像人类一样对世界做出反应。

这就需要大量新的智能传感器。在本文中，我们将介绍一些新的传感器功能，它们可使物联网技术提供个性化和智能配置，以及可能部署在某些具体的应用中。

离开数据，云毫无价值

云连接技术已经大大提升了公共系统和服务的效率、响应能力和便利性。在智慧城市领域，优步的按需出租车服务是一个很好的例子，通过复杂的云端算法，协调用户请求和实时数据，彻底改变交通使用和模式。

“物联网”是个宽泛的术语，主要指数以百万计的云连接服务采用类似的方式，组合多个不同的数据流，以提供个性化的快捷服务。在有关推广物联网技术的讨论中，重点问题是如何将节点连接到云的技术和系统，以及分析用户设备和其他类型物联网节点“大数据”输入的能力。

实用高效的云端智能离不开可用的数据输入。未来，云系统的大部分数据输入来自传感器，其中许多传感器目前还没有部署，有些甚至还没有发明出来。事实上，智能照明系统需要环境光的光谱组成和强度相关的高精度信息。智能通风系统需要“嗅”出用户呼吸的空气并对其进行分析。智能交通控制需要“看到”和定位道路上的车辆，以确保安全并保持交通畅通。

传感器承担着类似“人类”的工作：实时看到、闻到、感觉到和听到现实世界中正在发生的事情。因此，与低功耗无线IC和云计算系统一样，传感器技术和解决方案也处于物联网技术的前沿。而且，这些传感器必须精确、准确度高和始终可靠。

智能照明控制

下面举一个照明领域的例子。在20世纪，照明是一种低科技含量的技术：各种白炽灯照明技术占主导地位，产生的光输出都具有固定的相关色温（CCT）。

在本世纪，人们逐步了解照明对人类健康和行为的重要影响，出现了能控制颜色的个性化照明新应用。例如，研究已经证明了光的光谱含量和幸福感有关，因为身体具备调节昼夜节律的机制。明亮的蓝色光线会引发激活身体的激素反应，而黄昏或炉火的金黄光线则会促进放松和宁静。

智能照明可自動检测工作或家庭中使用的人工照明中日光光谱含量的变化。这就需要能够准确地测量人眼所见光的CCT芯片级颜色传感器。今天，艾迈斯半导体XYZ颜色传感器采用了先进的硅制造技术，直接在晶圆上构建光学滤波器，使对入射光的光电二极管光学响应的控制达到前所未有的水平（参见图1）。

在智能照明控制中，这种颜色传感功能可与脸部识别技术相结合，根据个人需求自动调整照明。与年轻人和儿童相比，老年人对可见光光谱蓝端的感知能力较弱。在强调蓝色波长的照明下，老年人更容易正确感知蓝色成分较强的物体。例如，在儿童和年迈的祖父母共同居住的房子里，灯光控制可以根据不同需求产生不同的光谱输出。

目前，已经成功应用于智能手机的面部识别技术，可以用于登记房间主人的身份，并相应地自动调整灯光的光谱含量。

传感器技术也推动了物联网系统的发展。脸部识别技术建立在多个微电子元器件集成的基础上。结构光发射器需要微型激光器和集成微型光学设备，需要对光电探测器捕获的反射光测量数据进行复杂的处理，以生成面部“深度图”，然后分析深度图来寻找与已知面部的潜在匹配（参见图2）。

面部识别系统的各种元素相互依赖，因此，艾迈斯半导体等传感器制造商正致力于提供集成系统，为OEM客户（如家居自动化设备制造商）提供交钥匙面部识别系统。

个性化室内环境

对室内环境实现个性化控制的愿景甚至超出了照明的范围，延伸到人们呼吸的空气。

同样，半导体传感器解决方案为物联网系统提供了一种新的个性化实现方式。最新一代CMOS气体传感器可以精确测量气味和污染物的相对浓度，包括烹饪产生的挥发性有机物（VOC），以及清洁产品、家具等产生的化学排放。

集成到安保网络摄像头或智能扬声器等中枢设备的气体传感器，可以实时远程监测室内的家居环境，远程控制通风，确保无论何时有人进入房间，室内空气都干净清新。

芯片级气体传感器能够提供VOC浓度的原始测量。然而，要将室内空气监测集成到智能扬声器等设备中，扬声器制造商需要通过一种方法，将相对气体浓度的原始测量值转换为可用信息，如室内空气质量评分。这需要将算法和固件集成到传感器设备中，从而为室内空气质量监测创建完整的板载级解决方案。

创新芯片和软件技术

许多电子产品制造商计划推出新版本产品，使用户享受与物联网基础设施集成带来的益处。通常，最困扰他们的问题是数据通信和数据分析，以及为最终用户提供实用的云应用。

市场不断出现针对这些问题的新解决方案。但传感器技术的发展对物联网设备制造商同样重要，它们可以促进新一代智能、个性化系统的应用，包括家庭、建筑自动化和照明等领域。这些新型传感器利用半导体技术，以较小的占用面积实现出色的测量性能，并通过集成外围元器件和软件，为室内空气质量监测和面部识别等复杂应用提供完整的解决方案。 因此，先进的传感器技术和解决方案一直处于物联网技术发展的前沿，而艾迈斯半导体在这一领域将继续发挥领导作用。