早在2009年，“物聯(lián)網(wǎng)”在中國(guó)就曾經(jīng)火熱過(guò)，之后一度沉寂到幾乎被遺忘。時(shí)隔近十年，物聯(lián)網(wǎng)這一次會(huì)不會(huì)又是虛火一場(chǎng)呢？

 

我們的判斷是：不會(huì)。

 

讓我們?cè)賮?lái)看看剛剛提到的前十位的關(guān)鍵詞：“人工智能”和“5G”，是物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)；“新零售”、“共享經(jīng)濟(jì)”和“無(wú)人駕駛”，會(huì)用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)是“大數(shù)據(jù)”的重要來(lái)源；健康的“生態(tài)”會(huì)構(gòu)建于物聯(lián)網(wǎng)之上。物聯(lián)網(wǎng)不再是孤立的存在了，它會(huì)被新的技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和需求升級(jí)裹挾著向前奔。回到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本身，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)終端的關(guān)鍵技術(shù)在過(guò)去十年取得了長(zhǎng)足進(jìn)步：遠(yuǎn)距和近距無(wú)線通信技術(shù)的性能提高、功耗大幅度降低，讓聯(lián)網(wǎng)不再是問(wèn)題；物聯(lián)網(wǎng)感知層對(duì)傳感器高性能和超低功耗的要求也逐一被滿足，賦予“物”智能的同時(shí)，讓“物”也永遠(yuǎn)在線。

 

 

加速度傳感器不僅可以檢測(cè)線性加速度，同時(shí)也測(cè)量地球引力產(chǎn)生的重力加速度。所以，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，可以使用加速度傳感器感測(cè)“物”的加速度，算法對(duì)單個(gè)或連續(xù)數(shù)據(jù)分析處理后，可以感知

 

物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

物體的靜止?fàn)顟B(tài)

加速度傳感器感知到“物”的靜止或運(yùn)動(dòng)的信息，數(shù)據(jù)在本地或連接到網(wǎng)絡(luò)處理后，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、追蹤、監(jiān)控和管理。

如何為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用選擇合適的加速度傳感器？

 

加速度傳感器在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中扮演重要角色，對(duì)于應(yīng)用開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)選擇一款合適的傳感器至關(guān)重要。相信大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)者對(duì)加速度傳感器并不陌生，智能手機(jī)里已經(jīng)標(biāo)配了。那么是不是直接選用一顆手機(jī)里使用的加速度傳感器就可以直接做物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用了？當(dāng)然不是，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)功耗和傳感器性能的要求與智能手機(jī)截然不同。 而如下幾個(gè)方面是首先應(yīng)該被考慮的：

 

1． 功耗要低，以延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間

 

2． 性能要足夠高，有用信號(hào)可以被完整采集，抗混疊，抗噪聲，以保證上層應(yīng)用的精度

 

3．功能豐富靈活，以滿足各種場(chǎng)景的功能需求

 

Bosch Sensortec最近發(fā)布的超低功耗三軸加速度傳感器BMA400正是為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而生。

 

 

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中電池容量通常都很小，并且由于使用場(chǎng)景的限制不允許經(jīng)常充電，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，功耗必然是第一優(yōu)先考慮因素。

 

BMA400在正常工作模式（normal mode）消耗的電流在可以低至3.5uA，同時(shí)提供高至800Hz的三軸加速度數(shù)據(jù)。

 

即當(dāng)OSR=0 （Over Sampling Rate過(guò)采樣比率設(shè)置為等級(jí)0時(shí)），此時(shí)ODR（Output Data Rate輸出數(shù)據(jù)速率） 可以配置為12.5~800Hz，并不會(huì)影響耗電。如果為了提高抗噪聲的效果，可以進(jìn)一步提高OSR的等級(jí)，相應(yīng)的抗干擾性能會(huì)增強(qiáng)，耗電也會(huì)隨之增加。

 

BMA400在低功耗模式（low power mode）消耗的電流會(huì)更低，最低可以達(dá)到0.8uA (800nA，OSR=0) 。

 

下圖BMA400的單體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用場(chǎng)景，以及對(duì)加速度信號(hào)的抗噪指標(biāo)要求，來(lái)靈活選擇自己實(shí)際需要的抗噪等級(jí)及相應(yīng)的功耗。這使得BMA400可以應(yīng)用于在更廣泛的場(chǎng)景中。

 

 

BMA400即使工作在低功耗模式，仍然能輸出25Hz的數(shù)據(jù)，結(jié)合auto wake-up使用（后面會(huì)詳細(xì)解釋），有用的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)不會(huì)被漏掉。

 

傳感器自身功耗是一方面，從應(yīng)用開(kāi)發(fā)者角度來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)的功耗優(yōu)化可能更重要。BMA400通過(guò)集成的計(jì)步器、單擊雙擊檢測(cè)、方向識(shí)別、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、自由落體檢測(cè)等功能，把本來(lái)需要系統(tǒng)主處理器運(yùn)算處理的任務(wù)下放到傳感器硬件中。系統(tǒng)在主處理器保持睡眠的狀態(tài)下，仍然可以做以上事件或狀態(tài)識(shí)別，必要的時(shí)候可以通過(guò)中斷喚醒主處理器來(lái)對(duì)事件或新的狀態(tài)做出響應(yīng)。特別地，在BMA400中開(kāi)啟step counter功能僅需要增加約0.8uA的電流（step counter工作在100Hz ODR）。

 

另外，BMA400提供了1024字節(jié)的FIFO，最多可以緩存146組12bit（3軸）的加速度數(shù)據(jù)，同時(shí)可以靈活選擇8bit數(shù)據(jù)模式，緩存數(shù)據(jù)可以提高到256組。這樣系統(tǒng)主處理器可以不用在每組數(shù)據(jù)更新的時(shí)候被喚醒或者被迫讀走數(shù)據(jù)做處理。

 

同時(shí)，BMA400 的FIFO還支持x，y，z一軸或多軸可選擇地存入FIFO，那可以用戶可以選擇自己關(guān)心的方向的數(shù)據(jù)存入FIFO，從而更大地延長(zhǎng)MCU的睡眠時(shí)間。

 

進(jìn)一步，BMA400提供了的自動(dòng)喚醒（Auto Wakeup）和自動(dòng)低功耗（Auto Low Power）功能，可以使得BMA400的本體功耗，乃至系統(tǒng)功耗都會(huì)降到更低的水平。

 

 

過(guò)去大家可能會(huì)覺(jué)得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中對(duì)加速度傳感器的性能要求不高，只要能識(shí)別物體大概狀態(tài)或姿態(tài)就夠了。所以，有些加速度傳感器會(huì)通過(guò)簡(jiǎn)化濾波器的設(shè)計(jì)、降低采樣頻率、不連續(xù)采樣（duty cycling）等方式來(lái)降低功耗，當(dāng)然，由此帶來(lái)的是高噪聲輸出、高aliasing（混疊）、強(qiáng)干擾引入等問(wèn)題。

 

可是，如我們前述“加速度傳感器在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中扮演重要角色”，傳感性能決定了系統(tǒng)能否基于傳感器做出精準(zhǔn)的識(shí)別和決策。為了提高對(duì)原始信號(hào)的有效采集，并降低噪聲及高頻信號(hào)的干擾（混疊Aliasing），BMA400在正常工作模式下，采用了連續(xù)采樣和滑動(dòng)低通濾波的方式。

 

 

下圖顯示了連續(xù)采樣（continuous sampling）和周期休眠(duty cycling)兩種不同的采樣模式對(duì)于高頻噪聲的抗干擾能力的顯著區(qū)別。

 

 

BMA400 采用了高采樣頻率的連續(xù)采樣模式以及持續(xù)的滑動(dòng)濾波，從而可以有效地抑制串入的高頻噪聲，并真實(shí)還原原始的目標(biāo)信號(hào)。而如果采用Duty Cycling采樣模式，就會(huì)直接把高頻噪聲引入進(jìn)來(lái)，從而使得加速度計(jì)的輸出信號(hào)帶有噪聲信號(hào)并會(huì)引起step counter， double tap等模式識(shí)別的誤操作。

 

通常系統(tǒng)中的高頻噪聲源，有電氣信號(hào)類，比如傳感器的供電電壓的波動(dòng)，電氣干擾等，以及機(jī)械振動(dòng)類，比如板級(jí)電容振動(dòng)，外部震動(dòng)和撞擊等。這些干擾信號(hào)或者信號(hào)的高次諧波如果不能夠有效濾除，就會(huì)引起加速度傳感器輸出的畸變，并引起屏幕翻轉(zhuǎn)，計(jì)步器計(jì)步等誤操作。

 

 

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用通常不像智能手機(jī)一樣在終端配備高性能的處理器，所以對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)的處理不能完全依賴外部處理器的運(yùn)算。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特性而設(shè)計(jì)內(nèi)置于傳感器內(nèi)的功能，會(huì)幫助整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低功耗、實(shí)時(shí)快速響應(yīng)等。

 

 

BMA400內(nèi)置的計(jì)步器功能可以基于自身的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度步伐的檢測(cè)和累加，在多場(chǎng)景中的精度都可以達(dá)到95%以上。此計(jì)步器的邏輯和算法是Bosch傳感器團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，投入了大量人力物力進(jìn)行了各種場(chǎng)景的測(cè)試并多次優(yōu)化而成的，具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率。

 

同時(shí)，還可以準(zhǔn)確判斷用戶的當(dāng)前狀態(tài)，比如靜態(tài)，走路，跑步等。這些功能是當(dāng)前智能穿戴設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，而計(jì)步器算法通常是運(yùn)行在MCU端，而MCU一旦運(yùn)轉(zhuǎn)，其功耗必然會(huì)遠(yuǎn)大于加速度傳感器，這無(wú)形中會(huì)增加系統(tǒng)功耗，一般會(huì) 50uA~130uA。

 

而B(niǎo)MA400單體集成了這些功能，實(shí)際僅需要3.9uA的電流（配合低功耗模式的自動(dòng)切換，還可以進(jìn)一步降低），從而可以在滿足同等功能的情況下，顯著降低系統(tǒng)地總功耗，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間。

 

BMA400內(nèi)置的tap/double-tap功能可以實(shí)現(xiàn)用戶的單擊/雙擊（可配置）的交互輸入功能。由于單擊/雙擊的閾值等級(jí)可配，從而用戶可以根據(jù)自己需要的靈敏度等級(jí)來(lái)選擇。這個(gè)功能可用在穿戴耳機(jī)，手表，手環(huán)等上。BMA400的tap/double-tap功能是運(yùn)行在ODR=200Hz的數(shù)據(jù)速率上，從而會(huì)保證非常高的準(zhǔn)確率，以及實(shí)時(shí)性，避免誤觸發(fā)和誤操作。開(kāi)啟tap/double tap功能的BMA400所需的電流僅為4.3uA。如果結(jié)合BMA400的自動(dòng)睡眠和喚醒功能，實(shí)際的平均功耗會(huì)更低（50%以下）。

 

BMA400內(nèi)置的通用中斷機(jī)（Generic Interrupt 1 & 2）具有非常靈活地中斷觸發(fā)機(jī)制，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)器件的靜態(tài)姿態(tài)，或者動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)水平，并根據(jù)三軸的邏輯“或”或者邏輯“與“，而產(chǎn)生中斷。同時(shí)還可以結(jié)合Auto-LowPower 功能來(lái)自動(dòng)切換normal或者low power模式。

 

BMA400內(nèi)置的Orientation（方向傳感器）可以被靈活配置來(lái)檢測(cè)方向變化并產(chǎn)生中斷；Activity change功能可以評(píng)估用戶當(dāng)前的活躍水平，如果超過(guò)設(shè)定的門(mén)限，則會(huì)中斷MCU；Free fall功能可以檢測(cè)器件是否處于失重狀態(tài)，并產(chǎn)生中斷。此功能可以用在硬盤(pán)保護(hù)等地方。

 

 

BMA400從產(chǎn)品定義和設(shè)計(jì)上充分考慮了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的獨(dú)特性，兼顧功耗和性能，通過(guò)內(nèi)置的功能簡(jiǎn)化應(yīng)用開(kāi)發(fā)的難度。