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2019年7月15日 星期一

Internet of Things (IoT) | What is IoT | How it Works | IoT Explained | Edureka




來源:意法半导体



凡是有電視或電腦的人大概都知道,物聯網是一個不需要人為干預,就能使「物體」相互通信的網路。在物聯網出現之前,聯網設備需要人類產生或處理資訊。智慧手機、筆記型電腦,和桌上型電腦,都屬於個人聯網設備。


物聯網延伸得很深:有物聯網功能的設備,例如,智慧個人設備、智慧家庭設備、智慧汽車,甚至智慧城市設施,都能感知、處理、儲存數據,並採取相應操作。

智慧藥盒可以監視病人,是否按時吃藥、提醒吃藥,通知患者家屬照顧病人按時服藥,甚至提前購買快用完的藥。 智慧鎖可用手機開門和鎖門,監控所有活動,設置訪問時段,提醒業主注意非法進入。

你可能已有或在用幾個物聯網設備,根據 Stastita 的研究報告,到 2025年物聯網設備的總量,預計超過 750 億台,遠遠超過聯合國預測的,那一年的 81億地球人口。



你會明白,為什麼物聯網可能是科技公司的最大成長點。物聯網設備將我們的生活,變得更安全、更舒適,有助於優化資源的利用率。

物聯網體系結構,是這個更長的價值鏈,與外部世界交互的窗口。物聯網設備也是人機交互的主要接口,因此,外形尺寸和產品功能,是物聯網產品熱賣的要素。

典型的物聯網體系架構,包括設備、閘道器、雲端或邊緣端服務和應用軟體。在本文中,我們的重點討論,通信連接技術和物聯網設備,特別是個人可穿戴設備。

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個人物聯網設備規格
活動檢測
身體活動辨識和計步器,是可穿戴設備最常見的功能,這些功能是由一個加速計完成的,加速度計是用途最廣泛的感測器之一,是幾乎所有個人設備的標配。經過多年的發展,從簡單的加速度檢測,到許多先進運動檢測,直接輸出感測數據,加速度計已經變得非常先進。

例如,意法半導體的 LIS2DW12加速度計,可以檢測 6D方向、喚醒、自由落體和點擊功能。該感測器的檢測噪聲模式可配置,在檢測精度和功耗之間選擇,甚至具有自動睡眠和喚醒功能。

物联网简介

為了提高可穿戴電子設備的檢測精確度和功能,需要將陀螺儀與加速度計配合使用。陀螺儀是角速度感測器,以前,陀螺儀耗電量很大,應用範圍有限,不適合用在小型電池供電的個人設備。

但是,將陀螺儀和加速度計,整合在一個晶片上的 IMU 慣性測量單元,不僅耗電量小,還有很多先進的功能。例如,有限狀態機、自定義手勢辨識、智慧 FIFO 儲存器,和外部感測器接口,數據處理在模組內部完成,不佔用微控制器計算資源。意法半導體的 LSM6DSO 就是一個這樣的 IMU 產品。

羅盤和方向檢測
羅盤為用戶提供方向檢測功能,幫助無人機導航。磁力計與加速度計和陀螺儀配合使用,可實現室內導航。磁力計還用於一些家庭自動化解決方案,例如,開門或關門檢測。

高度測量
測高儀可以增強計步器的功能,例如,幫助攀岩者測量離地高度,在室內導航中檢測樓層位置。可穿戴氣壓感測器,用於檢測大氣壓力,最終也用於測量高度。

氣壓感測器需要一個通氣孔,以便空氣進入薄膜,檢測氣壓,水和化學物質,很容易從氣孔進入感測器單元,污染內部結構。因此,需要一個既能用於游泳、戶外運動和海產業的氣壓感測器,又能預防氯、溴等化學製品污染的氣壓感測器。

LPS33HW 就是一個符合這些要求的感測器,具有 O 型密封圈和 10 帕防水(最深90米)能力,防止氯、溴、鹽等化學製品污染。

環境感知
環境感知技術,根據來自麥克風的音頻輸入數據,檢測辨識環境。透過測量聲音,設備可以辨識使用者是在商場、體育場還是會議室。透過辨識環境,可以直接配置所連手機的設置。

麥克風陣列可實現回波消除、光束形成和聲源定位,提升麥克風的檢測精度。麥克風的重要參數包括 SNR(信噪比)、AOP(聲過載點)和功耗。麥克風分為類比輸出和數位輸出兩大類,按照聲孔位置劃分,麥克風又分為上聲孔和下聲孔(手機麥克風)。
連接
需要注意的是,是連接技術將一個設備,變為物聯網設備。連接技術使設備可以透過手機,或 Gateway (閘道器)連接到物聯網雲端,或者直接連到基礎設施。物聯網設備的傳統聯網方法,是透過 WiFi、藍牙和蜂窩網路技術。但是,低功耗射頻技術的出現擴大了物聯網設備的範圍和功能。

低功耗藍牙 [BLE]是一種無線個人區域網路 [WLAN] 技術,旨在推進醫療、健康、健身、保全和家庭自動化應用創新。與傳統藍牙和 WiFi 技術相比,BLE 的功耗非常低,同時增加了設備和手機相連功能。

BLE 的載波頻率是 2.4 Ghz,屬於全球免費的 ISM 頻段。 BLE Mesh 是一個在 Mesh 網路內,連接多個 BLE 設備的軟體解決方案。BLE Mesh 解決方案的出現,使得即使設備不在網路的直連範圍內,也可以照常接入網路。

物联网简介

意法半導體的 BlueNRG-2,是一款超低功耗的 BLE 5.0 認證系統晶片,能夠與感測器無縫連接,支持藍牙 Privacy 1.2 和 Secure Connection 4.2,8dbm 輸出功率,支持與物聯網設備的可靠 BLE 鏈路。此外,還支持標準的完全相容的 SIG BLE 網格。

物联网简介

低功耗廣域網(LPWAN)技術,是網連接領域,另一個顛覆性技術,通信連接距離長達數公里,功耗非常低,電源是一枚非充電型硬幣電池。

Sigfox是一種LPWAN技術,提供全球雲服務和遠距離連接,功耗極低。Sigfox 設備在世界各地免費接入網,無需與網營運商簽訂任何單獨的協議,或支付漫遊費。

LPWAN 技術工作,在1 Ghz 以下的頻段,在全球沒有統一的頻段標準(藍牙是 2.4Ghz),因此,LPWAN設備在不同國家/地區,採用不同的頻段。為瞭解決這個問題,Sigfox 推出了一項叫做 Monarch 的新功能,用於辨識無線電服務,並根據當地法規管理無線電頻率變化。

意法半導體推出了一個市場上獨一無二的解決方案,將 BLE 和 Sigfox 射頻 S2-LP 合併為一。該雙射頻解決方案,透過 Sigfox 和智慧手機 BLE 建立遠端連接。智慧手機連接到 Sigfox 設備,具有使用者介面[UI]、空中固件更新[OTA]、直接配置和控制功能。
邊緣智慧
人工智慧和機器學習,已經演變為物聯網的骨幹計算技術。人工智慧利用模擬自然界特點的自然計算方法,解決複雜問題;機器學習是指使機器能夠辨識底層模式,透過分析數據,進行預測和提出建議的技術。物聯網雲計算能夠實現,這些算法和技術。

隨著物聯網設備的數量,呈指數級成長,從感測器送到雲端的原始數據量,大量增加,導致對雲連接的數據頻寬,和雲計算能力的需求大幅上升。

當某些分析過程下移,到感測器節點附近或邊緣端點時,可以利用人工智慧,有效地分析處理感測器數據。邊緣計算可以保護數據隱私安全,降低網路頻寬和雲端運算需求。

邊緣運算意味著,在節點執行智慧感測和處理過程,因此選擇這些設備非常重要。智慧節點分析數據,運行感測器算法,推算辨識環境,並將數據上傳到雲端,進行後續處理。
開發物聯網解決方案
如前所述,典型的物聯網體系結構,是由設備、Gateway、雲端\邊緣服務,和物聯網應用程式組成的。

性能強大的物聯網解決方案,不僅包括創新設備,還包括開源軟硬體參考設計、垂直應用解決方案,以及與雲端服務商的合作關係。成功的物聯網解決方案,還需要平台上所有利益相關者協同開發。

例如,意法半導體的 STM32 ODE 開放式開發平台,提供可堆疊安裝的硬體,和模組化軟體平台,超過 131 個軟體包、3個雲 SDK 工具,和幾個第三方電路板。物聯網用例數量龐大,種類繁多,新創公司在物聯網發展中,發揮的作用不可小覷。開源平台和強大的生態系統,有助於降低解決方案的開發、原型設計和商業化的難度。

結論
低功耗智慧感測器、創新的連接技術,和令人驚艷的應用案例的出現,讓物聯網火爆起來。未來每個人都有多個可穿戴設備。所以,市場體量很大,機會很多。物聯網設備數量暴漲既是機會也是挑戰,成功的物聯網解決方案,要求合作夥伴同時提供創新的感測器和連接技術。


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