“傳感器”這個(gè)話題在行業(yè)有著永恒的熱度，常談常新。隨著各個(gè)領(lǐng)域在數(shù)智化的道路上愈行愈遠(yuǎn)，傳統(tǒng)傳感器逐漸不能滿足它們的需求。于是傳感器也被冠以“智能”之名，獲得強(qiáng)勁發(fā)展驅(qū)動(dòng)力，并被認(rèn)為在多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)TMR 的《2031 年智能傳感器市場(chǎng)展望》中預(yù)測(cè)，2021-2031年全球智能傳感器市場(chǎng)的復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)18.2%。并且基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用量的增加，2031年智能傳感器市場(chǎng)將超過2080億美元。 ? 智能傳感器是一種具備感知、計(jì)算和通信能力的設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)地感知環(huán)境中的物理量或事件，并將其轉(zhuǎn)化為可用于分析、控制或通信的數(shù)字信號(hào)。區(qū)別于傳統(tǒng)傳感器技術(shù)那樣通過追求傳感器本身的完善、對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試，而是通過與微處理器/微計(jì)算機(jī)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。其發(fā)展方向也將由單一監(jiān)測(cè)、單一功能對(duì)象向多功能、多變量檢測(cè)融合的方向發(fā)展，由信號(hào)轉(zhuǎn)換的被動(dòng)形式向主動(dòng)信息處理方式發(fā)展，由單獨(dú)的元器件向網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。 ?

? 人工智能加持，傳感器邊緣化新趨勢(shì)

憑借能夠采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)置的處理器進(jìn)行分析和處理的優(yōu)勢(shì)，智能傳感器越來越多被應(yīng)用于邊緣決策。這一趨勢(shì)別諸多傳感器廠商作為該賽道的新切入點(diǎn)，例如Bosch Sensortec，其推出的BHI260AP自學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)傳感器就是一款將人工智能添加至便攜式設(shè)備的傳感器，其獨(dú)特的自學(xué)習(xí)和個(gè)性化功能，使用戶能夠通過定制化健身活動(dòng)輕松訓(xùn)練設(shè)備。??

繼BHI260AP之后，Bosch Sensortec又推出了性能進(jìn)階的自學(xué)習(xí)傳感器BHI380，這是一款基于IMU的可編程傳感器系統(tǒng)，結(jié)合了陀螺儀和加速度計(jì)，可實(shí)現(xiàn)完全自定義。在助力個(gè)性化運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方面，BHI380和BHI260AP一脈相承。BHI380包含了適用于各種健身追蹤功能的自學(xué)習(xí)人工智能軟件，讓訓(xùn)練與追蹤輕而易舉，并可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化健身。同時(shí)，專門的游泳追蹤軟件可以檢測(cè)游泳風(fēng)格，切實(shí)幫助用戶提高游泳能力。此外，BHI380具有良好的性能/功耗比，同時(shí)體積小巧，非常適合可穿戴設(shè)備。

另一邊，意法半導(dǎo)體也在MEMS傳感器中嵌入了可編程內(nèi)核，成功滿足了各類市場(chǎng)需求。在這之中發(fā)揮重要作用的，是ISPU——智能傳感器處理單元。

ISPU以專有數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，C語言編程，在超低功率硬件電路中采用CMOS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)混合精度AI運(yùn)算。這種簡(jiǎn)化的指令集處理器允許量化的AI傳感器支持全精度到一位精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從慣性數(shù)據(jù)中獲得充分的活動(dòng)識(shí)別和異常檢測(cè)精度。 ?

圖源丨ST

意法半導(dǎo)體開發(fā)的一款商業(yè)產(chǎn)品ISM330IS就裝配了ISPU，令處理復(fù)雜情況的工業(yè)應(yīng)用程序進(jìn)入到一個(gè)全新的維度。例如，在24小時(shí)控制的情況下，系統(tǒng)可能需要快速響應(yīng)，但由于能量通過電池提供，因此功率預(yù)算相對(duì)緊張，此時(shí)就需要借助ISM330IS的力量。ISM330IS可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的異常檢測(cè)算法，對(duì)受到電源和空間限制的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)（如機(jī)器臂和一般設(shè)備的改造）。 ? ? 除了傳統(tǒng)的傳感器廠商之外，商湯、曠視等AI公司也在探索AI傳感器。商湯智能產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布《AI傳感器：智能手機(jī)影像新核心》白皮書。該白皮書提到，在智能手機(jī)市場(chǎng)緩慢步入瓶頸期的趨勢(shì)下，影像功能成為產(chǎn)業(yè)破局焦點(diǎn)，而AI軟件與CMOS圖像傳感器硬件的融合，將是智能手機(jī)影像能力持續(xù)提升的破題之道。

過去幾年，AI算法讓手機(jī)的影像能力得到了不小的提升。但在這種方案中，圖像傳感和AI算法的運(yùn)行，在不同的硬件上完成，圖像傳感器提供圖像信號(hào)，處理器或者AI加速芯片執(zhí)行AI算法。這會(huì)造成能耗資源的浪費(fèi)，并且難以處理一些需要及時(shí)響應(yīng)的場(chǎng)景。

白皮書指出，融入了AI技術(shù)的CMOS圖像傳感器，可以很好地發(fā)揮原始光信號(hào)的價(jià)值。

在設(shè)備獲取視覺信號(hào)的伊始，AI傳感器就可以進(jìn)行優(yōu)化和處理，增強(qiáng)真實(shí)世界感知、提高圖像和視頻的質(zhì)量、豐富內(nèi)容細(xì)節(jié)，同時(shí)大限度地降低了設(shè)備功耗，并增強(qiáng)了數(shù)據(jù)安全性。 ? ?

從單一到融合，傳統(tǒng)感知短板這樣補(bǔ)齊

就算是在AI的加持下，單一的傳感器信息顯然無法滿足產(chǎn)品的需要，畢竟AI的“養(yǎng)料”到底還是數(shù)據(jù)。這就需要為目標(biāo)產(chǎn)品安裝更多的傳感器，通過獲取多個(gè)傳感器的信息源來解決問題。

多傳感器信息融合技術(shù)就是借助特定準(zhǔn)則的引導(dǎo)，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)和分析多傳感器數(shù)據(jù)，然后對(duì)信息進(jìn)行排序并整合互補(bǔ)信息，從而對(duì)目標(biāo)作出準(zhǔn)確預(yù)估。背后的直觀判斷是，我們采集的信息越多，我們對(duì)世界的理解就越深入。該技術(shù)模擬了人類大腦獲取、理解、分析和處理感知信息的整套流程。它利用多個(gè)傳感器的信息，從不同的角度彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)感知完整性的不足，代表了一種良好的信息處理能力和預(yù)判水平。

尤其是在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。舉個(gè)例子，CMOS 攝像頭在雨霧環(huán)境下就會(huì)“失明”，強(qiáng)光和弱光環(huán)境它也不能處理。現(xiàn)在的雷達(dá)技術(shù)在分辨率上也有些不合格，可以說每種傳感器都有自己的軟肋。而與光學(xué)傳感器相比，雷達(dá)明顯分辨率較差，不過它在測(cè)距功能和惡劣天氣下明顯更勝一籌。雖然光學(xué)傳感器在惡劣天氣下能力受限，但它依然能識(shí)別色彩（交通燈和路標(biāo)），而且在分辨率上依然有優(yōu)勢(shì)。

目前，包括索尼、 Mobileye和Waymo在內(nèi)的公司目前正專注于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)創(chuàng)新，將攝像頭與LiDAR和雷達(dá)等其他傳感技術(shù)相結(jié)合，以改善其自動(dòng)駕駛解決方案的圖像分析。由于攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)感知環(huán)境的不同特征，這種組合背后的想法是為系統(tǒng)提供更豐富的真實(shí)世界模型，以決定行動(dòng)方案或計(jì)算輸出。總體而言，自動(dòng)駕駛汽車中的傳感器協(xié)同工作，提供車輛周圍環(huán)境的完整圖像，使其能夠做出安全有效的駕駛決策。

高性能低功耗，智能傳感的必由之路

功耗也一直是傳感器老生常談的話題。隨著越來越多的傳感器使用可再生能源為自己供電，如太陽能或風(fēng)能，從而消除了更換電池或其他電源的需要。這一創(chuàng)新提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可靠性和壽命，特別是那些部署在偏遠(yuǎn)或無法到達(dá)的地方的設(shè)備，這些設(shè)備需要能自我供電，有助于減少整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置對(duì)環(huán)境的影響，所以低功耗現(xiàn)如今傳感器的必然發(fā)展路徑。

同時(shí)，低功耗傳感器通常意味著設(shè)備的散熱需求較低，這意味著可以減小設(shè)備的尺寸和重量。此外，減少功耗還可以降低傳感器系統(tǒng)的整體成本，因?yàn)榈凸脑O(shè)計(jì)通常意味著組件可以更小、更經(jīng)濟(jì)有效。另一方面，高功耗會(huì)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生過熱問題，這可能會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性并導(dǎo)致故障。通過低功耗設(shè)計(jì)，可以減少設(shè)備的熱量產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

例如在雷達(dá)傳感器領(lǐng)域，60GHz 和 77GHz 雷達(dá)傳感器取代了 24GHz 雷達(dá)傳感器，具有更高的分辨率、更高的精度和更小的外形尺寸。60GHz 和 77GHz 雷達(dá)頻段還支持了多種新的應(yīng)用，例如車輛中的兒童存在檢測(cè)和醫(yī)院中的老年人跌倒檢測(cè)。但高性能 60GHz 和 77GHz 片上系統(tǒng)傳感器以前在功耗預(yù)算緊張的應(yīng)用中會(huì)受到限制。

對(duì)此，德州儀器推出了IWRL6432 和 AWRL6432 等新型雷達(dá)傳感器因采用低功耗架構(gòu)使得功耗更低，可以支持在工業(yè)、個(gè)人電子產(chǎn)品和汽車應(yīng)用中使用雷達(dá)。低功耗雷達(dá)內(nèi)置休眠模式和提供有效的運(yùn)行占空比，能夠讓傳感系統(tǒng)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)，并智能地決定采取行動(dòng)的時(shí)機(jī)，其功耗預(yù)算在 5mW 以內(nèi)。這些特點(diǎn)能夠讓高性能雷達(dá)傳感應(yīng)用于電池供電的應(yīng)用和線路功率有限的應(yīng)用，而這在以前是無法實(shí)現(xiàn)的。

另一邊在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，矽遞科技推出的SenseCAP LoRaWAN S2101溫濕度傳感器采用內(nèi)部電池供電，可以在沒有外部電源的情況下在建筑物內(nèi)運(yùn)行。由于采用了低功耗設(shè)計(jì)，其電池供電可以保障設(shè)備運(yùn)行5到10年。該設(shè)備通過LoRaWAN技術(shù)連接，這使它能夠使用小功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線傳輸數(shù)據(jù)。這使得它非常適合在各種室內(nèi)室外環(huán)境中使用，如辦公室、倉庫或工廠及戶外。 ?

結(jié) 語

智能傳感作為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代泛在感知的重要基礎(chǔ)，在為傳統(tǒng)行業(yè)注入新鮮血液的同時(shí)，也帶領(lǐng)了傳感器產(chǎn)業(yè)潮流。放眼國(guó)際，持續(xù)迭代的傳感器技術(shù)勢(shì)必將助力涌現(xiàn)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，物聯(lián)網(wǎng)感知層不久便會(huì)迎來新一輪的供需兩端熱。

編輯：黃飛

?