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物联网传感器的未来:智能+定制+融合

传感器从19世纪60年代诞生至今大约有150余年的时间,如今随着物联网产业的快速发展,对于传感器技术提出了更多、更高的要求。


传感器被视为物联网的重要使能技术,2017 年全球传感器市场规模40亿美元,到2021年将达到650亿美元,而MEMS传感器是其中重要的增长点。在慕尼黑(上海)电子展会期间,Bosch Sensortec着重展示了三件产品:BMA400、BMI085、交互投影模块。


会议期间,笔者有幸采访到了Bosch Sensortec MEMS 产品领域的总负责人

Ralf Schellin先生,就物联网传感器的未来等相关问题进行了讨论,现将感悟整理如下:

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Bosch Sensortec MEMS产品领域的总负责人Ralf Schellin先生


智能——场景需求升级    

三大类别传感器的演进

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IoT可穿戴设备、AR\VR、智能家电、智能工业、机器人、无人机等的巨大增长空间给各种类型的传感器带来机会,包括惯性、压力、温湿度、气体类传感器等。作为全球MEMS传感器第一大供应商,博世目前每年出货大概15亿颗,每天大约有500万颗芯片产量,平均市占率达到40%左右。Bosch Sensortec成立于2005年,由博世的汽车电子MEMS Sensors部门而来,专门针对消费类电子提供MEMS传感器应用产品。从一开始主打手机市场,到后来为可穿戴设备提供MEMS产品,再到现在看好IoT的市场机会,Bosch Sensortec一直走在市场前列,探索着物联网传感器未来之路,并经历了不同阶段的场景需求,而这些需求对应传感器的三大类别。


第一类,特定功能的传感器。

Bosch Sensortec亚太区总裁Leopold Beer表示,该类传感器有一个简单的中断机制,主要应用于比较单纯的应用界面,像画面稳定、横屏竖屏或者一些游戏的使用,大部分使用是原生的数据,只要传感器侦测到以后,会提供一个数据,便于设计工程师进行相关应用的设计。


第二类,预编程的传感器。

随着应用升级,传感器多样化需求仅靠一个简单的中断已经无法满足,还需要嵌入预先编辑好的功能。比如手环中计步器的使用、敲击识别的应用,这些都需要预先编程器,针对复杂的使用场景进行优化。


第三类,“AI”传感器。

人工智能的普及,逐渐给传感器数据采集提出了更高的要求,物联网场景联动推动了智能传感器的演进。例如,在山区或者在较高温度和湿度的环境中的使用者,仅仅依靠智能手机来进行环境数据采集会遇到一些困难。用户一旦将智能手机放到裤兜里,很多传感器会被盖住,这个时候收集的数据会发生错误,甚至无法发生作用。而不管是机器视觉还是语音助手等服务都需要大量的数据进行分析和学习,同时对周边环境进行更详细、复杂的监控和数据收集。那么就需要多传感器间智能化连接,进行很多的运算分析,才能提供给使用者更好的预测和结果。


定制——碎片化市场来袭   

三大核心产品彰显科技力量

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近年来,单一的智能手机市场开始遇到瓶颈,从2017年下半年的情况来看,全球智能手机市场出货量增长趋缓趋势,业界迫切需要新的产业热点来替代智能手机增长停滞的空白。有相关数据显示,物联网市场在2020年将突破 1兆美元大关,2020年会有超过300亿设备连接在物联网上,AR眼镜市场容量2024年达到3000万台。智能音箱市场显著增长,语音控制、可视化方面会有更多的应用场景,以及一些低功耗和紧凑解决方案需求越来越多,可视化的用户界面、智能家居设备和针对线上购物小型家电,需求也会明显增强。


Bosch Sensortec MEMS产品领域的总负责人Ralf Schellin表示,“物联网市场不像以前手机应用趋于集中,需求类似。可穿戴等物联网设备的多样化导致这个市场呈现碎片化市场特性。针对这个领域,我们提供的产品必须有针对性,我们的产品会针对不同应用需求点与技术契合,面对碎片化市场,博世已经有了足够深厚的技术积累。”


此处,简单介绍下博世带来的三款有针对性的核心产品:BMA400、BMI085、交互式投影模块。


超低功耗与高性能结合的BMA400

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BMA400是一款用于可穿戴设备和物联网的超低功耗加速度传感器。它所需耗电量仅为现有加速度计的十分之一,并能提供稳定且高性能的服务。其大幅降低的功率需求显著提高了电池使用寿命,尤其是对于那些使用钮扣电池供电的设备。凭借其步进式计数器仅4μA的超低耗电量,和其智能电源管理功能(如内置活动识别),能前所未有延长可穿戴设备(如健身带、智能服装、腕表和活动追踪器)所配电池的使用寿命。


它的体积只有2.0 x 2.0 x 0.95mm³,可以设计到很微小的手表、耳环甚至眼镜当中。除了想以前的加速度传感器只能提供旋转屏幕功能外,它还可以让使用者做更多的处理,比如计步步数和活动识别等。具备了超低功耗、超小体积、高性能以及易于集成等特性,硬件制造厂商可以设计出更时尚炫酷的产品。

 

开启VR/AR智能世界大门的BMI085

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BMI085一款高性能6轴惯性测量单元(IMU)BMI085,其将3轴16位MEMS加速度传感器和一个3轴16位MEMS陀螺仪封装在一起,适合要求苛刻的VR、AR等应用。如导航、身体/人体运动跟踪和高端游戏。紧凑型MEMS传感器封装具有多种功能,结合了极低漂移陀螺仪和低噪声加速度计,可显著减少令人不适的晕动病效应。其对头部运动的超精确瞬时检测将时间延迟缩短至几乎不可察觉的最小值。因此,电子设备制造商能够创造出更加真实和身临其境的虚拟和增强现实体验,使耳机用户能够更长时间地融入虚拟环境,而不需要时常进行休息。


Ralf Schellin进一步说到,新型BMI085的极低延迟使耳机制造商能够消除图像漂移并提供逼真的实境体验。IMU提供低于3 ms的低运动至光子延迟,并且能够在连续头戴式显示器(HMD)或增强现实头戴式耳机场景中经常遇到的高温度波动环境下,实现接近完美的稳定性。这套系统进一步提高了准确性,对于当今快如闪电的高清增强现实/虚拟现实应用来说至关重要。


灵活的交互式投影模块

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交互式投影模块主要是提供一个更弹性的使用交互界面,让物联网的使用场景可以更多元化。该产品采用博世独家开发的MOEMS激光扫描技术,用于投影和感应交互式图像。它可实现免对焦激光投影,并可灵活地将任何表面转变为尤为直观和具有视觉吸引力的虚拟用户界面(UI),非常适合与家用电器、智能扬声器、增强现实眼镜、可穿戴设备等配合使用。


其实,它是基于微型扫描仪的互动投影模块,是一个光学微系统,尺寸大致为高7mm,宽度是30mm,长度是30mm(参考设计尺寸)。它的主要特色在于免聚焦,激光这边的技术,它直接通过激光扫描每个点,进行自动对接,可投射在不同的几何表面,甚至是任何不同的距离(Leopold Beer表示, “由于是物联网设备交互界面,距离不需要很远;另外,距离远可以通过激光模组升级,更大功率的激光模组实现清晰可变,但这样对眼睛会有伤害”)。

 

融合——技术搭配创新应用

技术整合与市场需求反馈

众所周知,在MEMS Sensors领域,博世是全球第一大的供应商。面对手机市场的饱和以及物联网持续增长的市场机遇与挑战,博世已经做好了充足的准备,进行升级转型。引领MEMS产品向嵌入式软件和算法、集成式传感器组合等整体解决方案升级,定制化和智能化产品走向融合发展之路。


对于Bosch Sensortec的融合发展,体现在两大方面,一是技术整合创新,另一个则是多方位的市场需求的融合,进而更精准定义产品,快速推动市场化应用。


在采访中,Ralf Schellin表示,目前,物联网传感器在技术整合方面,已经看到了三大趋势:


第一,Sensors和Sensors的整合。比如,加速度计和陀螺仪的整合,甚至跨类型传感器的整合,如惯性传感器、环境传感器、光学传感器的相互整合。


第二,Sensors与MCU或算法的整合。它们的整合将为客户提供更低功耗、体积更小的模块化产品,方便使用者灵活开发。


第三,Sensors与无线通信模块的整合。比如Zigee、Lora、蓝牙等模块的整合,方便边缘端的传感器间进行数据传递,从而方便物联网体系进行边缘端进行智能化处理。


另一方面,博世是一个庞大的集团,员工大概有40万,分布在60多个不同的国家,有四大事业部:汽车及智慧交通部门、工业技术、能源建筑、消费品等。2017年达到了78亿多欧元的销售额。

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Ralf Schellin表示,“博世不仅是全球领先的MEMS供应商,同时是一家全球领先的家电供应商,并且还是全球汽车技术提供商,以及在工业4.0上处于领导地位,另外博世还有专门的业务单位,他们专注于IoT的应用,包括云、互联等等。我们在未来为物联网应用定义产品,我们首先从内部的业务单元和他们做一些探讨,了解他们对未来IoT方向的把握、产品的需求,回到我们Sensor的需求上,绝对不会凭空想象,并与外部的客户去讨论他们的需求。结合内外需求的输入,博世将精准地定义我们Sensor包括解决方案、系统的产品,并不断地适配到IoT的应用上。”


总结

传感器作为物联网中一个从外界接收信息的载体,重要的感知层前端,传感器未来将随着物联网的普及迎来一个高速的发展期。伴随着博世等先进的传感器厂商的不断探索以及人工智能、VR\AR、边缘计算、区块链等技术的不断成熟,传感器将率先打开物联网的潘多拉魔盒。

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