來源 | HaaS技術社區
1、引言
在物聯網時代，談到智能硬件，傳感器是一個繞不開的話題。隨著物聯網時代的到來，硬件設備的智能化業務的不斷更新迭代，對於傳感器的場景化需求也在不斷變化。今天，我們的話題就從物理傳感器開始。
2、什麼是物理傳感器
在嵌入式移動設備中，比如智能手機，智能穿戴，家用醫療設備和其他一些智能硬件設備，所用到的物理傳感器一般都是MEMS傳感器即微機電系統（Microelectro Mechanical System）傳感器。經過幾十年的發展，已經成為了世界矚目的重要科技之一，同時也涉及到了電子，機械，物理學等多學科的領域。和傳統的傳感器相比，MEMS傳感器體積更小，重量輕，成本低，功耗低，可靠性高，易於集成開發等優勢。目前，MEMS傳感器主要有加速度計(Accelerometer)，磁力計(Magnetometer)，陀螺儀(Gyroscope)，光感計(Ambient light sensor)，接近光(Proximity)，氣壓計(Barometer/pressure)，溼度計(Humidometer)等等，按類型可以分為環境類傳感器，運動類傳感器，健康類傳感器。
傳感器數據主要分兩種類型，一種是物理傳感器數據，兩外一種是基於物理傳感器數據基礎上通過算法導出的數據，可以稱之為虛擬數據或者軟件數據。
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傳感器列表 |
傳感器類型 |
功能簡介 |
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光感器 |
環境類傳感器 |
感知周圍的光亮強度 |
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溫度計 |
環境類傳感器 |
感知周圍的環境溫度 |
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溼度計 |
環境類傳感器 |
感知周圍的環境溼度 |
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氣壓計 |
環境類傳感器 |
感知所在區域的氣壓值 |
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紫外線 |
環境類傳感器 |
感知所在區域的紫外線強度 |
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PM2.5 |
環境類傳感器 |
感知所在區域的PM2.5值 |
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VOC |
環境類傳感器 |
感知所在區域的有害氣體值 |
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加速度計 |
運動類傳感器 |
測算對象當時的加速度值 |
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陀螺儀 |
運動類傳感器 |
測算對象當時的角速度值 |
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磁力計 |
位置類傳感器 |
測算對象周圍的磁場強度 |
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接近光 |
位置類傳感器 |
感知物體接近的距離 |
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心率計 |
健康類傳感器 |
測算對象當時的心率值 |
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血壓計 |
健康類傳感器 |
測算對象當時的血壓值 |
加速度傳感器
加速計（Accelerometer）也叫重力傳感器，是可以感知任意方向上的加速度（重力加速度則只是地表垂直方向加速度），加速計通過測量組件在某個軸向的受力情況來得到結果，表現形式為軸向的加速度大小和方向（X，Y，Z）。其原理是根據傳感器內部的振動結構，由於外界加速度會影響到內部結構的振動特性，來測量到物體的加速度。加速度計的用途很多，只要跟智能硬件（比如手機）運動相關的幾乎都與加速度計有關（計步、手機的姿態測量、相關的遊戲等等） 。
陀螺儀傳感器
陀螺儀，在傳感器內部有個三軸的陀螺。陀螺儀的工作原理是通過測量三維座標系內陀螺轉子的垂直軸與設備之間的夾角，然後來計算角速度，從而可以由夾角和角速度來判別物體在三維空間的運動狀態。陀螺儀的用途也非常多，比如數碼照相防抖，以及配合加速度計（有的還有磁傳感器或者GPS等）形成的融合傳感器來完成更高級的功能（如慣性導航）。
磁力計傳感器
磁力計（Magnetic）也叫地磁計、磁感器，可用於測試磁場強度和方向，磁力計的原理跟指南針原理類似，可以測量出當前設備與東南西北四個方向上的夾角。
環境光感傳感器
環境光傳感器可以感知周圍光線強度。例如，在手機、筆記本、平板電腦等移動應用中，可以根據外界的亮度來實現自動調節背光亮度等，從而降低產品的功耗。
接近光傳感器
接近光傳感器用於檢測紅外信號，其主要檢測的是外部的紅外線LED的信號。這個LED向外發出紅外線，當有物體接近傳感器的上方時，進入紅外線的發射區域，有些紅外線會被髮射回傳感器。現在還有基於激光的接近光傳感器，比如ToF sensor等，可以測距範圍在2-4米左右。
氣壓計傳感器
氣壓計主要是由一個真空盒式氣壓傳感器，靠氣壓導致真空盒形變，上下兩塊電容板距離改變，電容改變來測量大氣壓值。
溼度計傳感器
主要原理是把空氣中的溫溼度通過一定檢測裝置，測量到溫溼度後，按一定的規律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，從而來檢測出當時的溫度值。
紫外線傳感器
紫外線傳感器（UV）是利用光敏元件將紫外線信號轉換為電信號的傳感器。
PM2.5傳感器
PM2.5激光傳感器是一款通用細微顆粒物濃度傳感器，採用激光散射原理。即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產生散射，同時在某一特定角度用探測器接收散射光，產生的光電流經放大後，得到電信號與顆粒物的對應曲線，經過一系列算法得出單位體積內不同粒徑的顆粒物質量。從而獲得空氣中單 位體積內PM2.5的質量數據。PM2.5傳感器主要用於嵌入各種細微顆粒物濃度相關的儀器儀表、環境改善設備，如空氣淨化器。
智能傳感集線器SensorHub框架
硬件部分
談到傳感器，我們也一定要談一下用於傳感器數據計算和傳輸的智能傳感集線器，也稱之為Sensor hub，是一種基於低功耗MCU和輕量級RTOS操作系統之上的軟硬件結合的方案，其主要功能是連接並處理來自各種傳感器設備的數據。
根據不同的終端設備和業務場景需求，當前的傳感集線器硬件框架主要可以分為三種，MCU內置型，MCU外置型和MCU獨立型。硬件組件主要有低功耗MCU，比如ARM7，ARM9和cortex M系列為主，外設主要是MEMS傳感器，如加速度，陀螺儀等等。SoC主要指ARM A核系列，比如手機裡的主芯片，可以運行Android等大型操作系統。
MCU內置型
目前主要是在智能手機中存在這樣的硬件方案，SOC上運行安卓或者IOS，MCU上運行輕量級的RTOS。
MCU外置型
在沒有內置型硬件架構之前，市面上的很多智能設備都基於這樣的硬件方案。當然，目前這樣的硬件方案還有很大的市場。
MCU獨立型
這種硬件方案主要是用於各種智能硬件設備，比如智能手環，掃地機器人等等。
軟件部分
本章節主要是介紹智能傳感集線器的軟件部分，主要涉及通用軟件方案的概要設計和各模塊的功能職責，包括了功能模塊，管理模塊，驅動模塊等。
具體代碼實現可以參考AliOS Things開源代碼。
按上圖所示，目前主要有三大模塊支撐整個架構。其他模塊均可以按照業務需求進行組件化配置或者增加新功能。
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模塊描述 |
模塊名 |
具體描述 |
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應用服務管理模塊 |
service mgr |
1.管理基於傳感器的應用算法數據服務，如註冊等 |
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抽象數據管理模塊 |
abs data model |
1.對物理傳感器的抽象化管理 |
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傳感器抽象層模塊 |
sensor\hal |
1.提供物理傳感器驅動的驅動接口，如註冊，創建驅動對象等 |
MEMS產業鏈和芯片發展趨勢
目前國內整個MEMS產業鏈經過數十年的發展，已經形成了一定的規模和全鏈路生態。下圖是近期對國內MEMS產業的調研。
除了完成的產業鏈之外，我們也需要對未來一段時間MEMS傳感器芯片發展趨勢做一定的研究和分析：主要衝繩那個維度來分析和預測：
物理參數：趨向體積小，重量輕，功耗低，精度高。
芯片整合：趨向於同類功能的傳感器整合成一顆芯片；集成MCU化。
軟件整合：趨向於常用算法和安全功能嵌入到帶MCU的傳感器中，實現可編程化，AI化等
尾聲
隨著IoT物聯網時代的到來，各種智能硬件設備越來越依賴於各種傳感器來實現各種智能化業務。從個人消費產品的普及，到如今的智能家居，智能城市，智能工業等無不依賴於傳感器來實現其智能化。感知，連接，應用，從模擬世界到數字世界，連接的橋樑基石就是傳感器。