ZigBee 藍牙低功耗 溫度感測器 智慧感測 Ethernet 乙太網路 乙太網 加速度計 物聯網 BLE 陀螺儀 感測器 壓力計

內建感測與連結方案 智慧感測平台實現物聯網應用

消費性電子、工業控制、能源計量及醫療儀器,所有電子產品都在提高智慧化程度,這歸功於電子系統大規模引入嵌入式智慧感測、數位管理和聯網功能。因此,今後幾年,感測器特別是微機電系統(MEMS)產品將是半導體市場上最有前景的技術。
智慧感測平台由五大模組組成

圖1所示的智慧感測平台是一個先進智慧感測應用的完整解決方案。智慧感測平台由MEMS動作感測器、環境感測器、系統資料管理、資料介面與使用者介面五個主要模組組成。其中,MEMS動作感測器為加速度計、磁力計、陀螺儀或慣性感測器模組和數位羅盤模組;環境感測器是指溫度感測器和濕度感測器;系統資料管理所指為低功耗8/32位元微控制器(MCU);資料介面為ZigBee、低功耗藍牙(BLE)、1GHz以下的射頻(RF)、乙太網路;人機介面則是觸控螢幕、觸控鍵盤和近距離感測器。以下一一說明。

圖1 典型的智慧感測平台架構圖

MEMS動作感測器是一個九自由度的動作感測元件,由三軸數位陀螺儀、系統級封裝數位羅盤和三軸數位磁力感測器組成。陀螺儀用於測量角速度,最大量程±2,000o/s;數位羅盤整合三軸數位線性加速度感測器,能測量線性加速度,最大量程±16g;三軸數位磁力感測器的量程為8.1Gauss。

在環境感測器模組內,MEMS壓力計代表動作識別的第十個自由度。由於具備260~1,260mbar的絕對量程和0.020mbar解析度,因此壓力感測器能識別海拔高度,例如室內導航的樓層位置。壓力及濕度二合一感測器的絕對量程為0~100%RH、解析度>0.05%RH,以及類比或數位溫度感測器,皆是環境監測智慧感測解決方案的重要元件。

資料介面模組有四個不同的解決方案,低功耗藍牙工作頻率2.45GHz,傳輸速率大約20kbit/s。ZigBee則採用IEEE 802.15.4無線個人區域網路(WPAN)標準,其中,美國和澳洲的工作頻率為915MHz,歐洲為868MHz,世界其他地區為2.4GHz。該技術資料傳輸速率為20~900kbit/s。另一個射頻技術是功耗極低的無線收發器,工作頻率低於1GHz,能工作在不同的頻帶,支援不同的調製方法,包括2-FSK、高斯頻移鍵控(GFSK)、OOK(On-off Keying)、振幅移位鍵控(ASK)和最小頻移鍵控(MSK)。智慧感測平台線纜介面採用快速乙太網路,這是業界最廣泛使用的區域網路標準。

另外,智慧感測平台的數位管理方案可選用8位元或32位元低功耗微控制器。微控制器的功耗特性及整個系統元件的功耗,是可攜式消費性電子和停電時備用電池供電的24小時監測系統的基本要求。觸控使用者介面代表直接的輸入輸出工具,可簡化很多應用的設置修改,例如家庭顯示器。以下將以意法半導體(ST)所開發的智慧感測平台為例,說明各模組特性。

MEMS動作感測器應用多元

MEMS動作感測元件的目標應用相當廣泛,包括手機、遊戲和指向裝置(Pointing Device)的智慧介面、自由落體檢測和硬碟保護;工業動作追蹤和振動監測;電表和傾斜感測等。另外MEMS動作感測元件還可應用於遊戲、圖像穩定、航位推測、個人導航、導航、室內興趣點(POI)、保健和健身、定址服務(LBS)、擴增實境(AR)和三維(3D)標籤。

兼具低資料速率、功耗特性 1GHz以下收發器受矚目

工作頻段低於1GHz,並具備低資料傳輸速率與低功耗的射頻收發器(圖2)。本文意法半導體在智慧感測平台中使用的SPIRIT1,工作頻段為150~174MHz、300~348MHz、387~470MHz、779~956MHz,並支援多個調變方法,如2-FSK、高斯最小頻移鍵控(GMSK)、GFSK、MSK、OOK和ASK;該收發器整合開關電源與處理器,可實現極低的功耗。

圖2 低於1GHz射頻收發器架構圖

BLE延長裝置電池壽命

另外,意法半導體針對智慧感測應用,也開發出可相容藍牙標準4.0的低功耗藍牙控制器,其整合低功耗的實體層、內嵌安全引擎的鏈路層、主控制器介面(HCI)和電源管理。該元件符合標準硬幣電池的峰值電流要求,而且在惡劣的工作環境中,可從輸入電壓源汲取最大14.5毫安培(mA)電流。

此外,藍牙控制器超低功耗睡眠模式和超短的模式轉換時間,可取得極低的平均電流功耗,從而讓電池壽命更長。該元件還可連接多個外部微控制器,用通用異步收發器(UART)或序列周邊介面(SPI)做為HCI通訊的傳輸層。

圖3 低功耗藍牙控制器評估板
圖3的藍牙控制器的評估工具是由該晶片模組和充當該系統的微控制器組成。評估工具還配備一個圖形使用者介面(GUI)應用軟體,用於配置控制器,執行部分低功耗藍牙通訊。

採用低漏電流製程 低功耗微控制器效能不打折

所有的感測應用對更低功耗的需求日益高漲,導致國家能源和國際能源標準要求降低功耗;簡單說,就是需要節能環保技術。為服務這個市場,微控制器業者透過不同的省電模式,以及採用130奈米(nm)超低漏電流製程,進而找到高性能與低功耗間的最佳平衡點,以最佳化用戶應用的電能消耗。

超低功耗微控制器可為要求低功耗的應用提供特殊功能,例如,先進超低功耗模式、最佳化的動態功耗和特殊的安全功能。透過不同的功率模式,微控制器在高性能和超低功耗之間取得最佳平衡,從而確保最優的能耗。

智慧感測平台應用範圍廣

智慧感測平台的應用涵蓋相當廣泛,包括醫學應用方面的血糖計、胰島素輸注泵、糖尿病護理、血壓監視儀、電子膽固醇監視器、病患監護與心臟監視儀;計量表應用的電能表、燃氣表、水表、秤、熱能表;遊戲和可攜式裝置的手機配件、3D滑鼠、3D遙控器、全球衛星定位系統(GPS)手表、運動器材、遊戲和玩具;報警系統應用中的中央處理器、有線感測器、無線感測器、門鎖等。

另外在環境監測應用方面,感測器開發廠商提供環境監測解決方案評估板,該評估板搭載多種感測器如溫度、濕度、環境光和MEMS,以及通訊介面,因此在環境監測領域將可開發多種潛在應用。環境監測評估板整合射頻收發器,可支援ZigBee 802.15.4、RF 15693連接,透過外接印刷電路板(PCB)上的印刷天線和SMA線纜連接,可以讀取13.56MHz電子標籤。

該評估板還可將環境資料或特定的系統設置保存在板載雙介面(I2C e RF)電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)內。該記憶體連接環境監測板上印刷的天線,可以從任何支援RF 15693,以及近距離無線通訊(NFC)標準的設備,讀取雙介面記憶體。

家用能耗顯示器實作

在今天這個能源最佳化和計量的時代,人們願意更清晰地了解能耗情況,足不出戶就可管理家庭能耗。

內建HTTPS閘道的家用能耗顯示器是一個典型的評估能耗的實例,能夠與幾個ZigBee產品交互作用。以下介紹的解決方案為,適用於能源計量和其他ZigBee應用。

ZigBee通訊專用微控制器是工作在802.15.4家庭區域網的能源評估系統解決方案(圖4),用於能源管理和節能降耗。該系統的一端連接電網,另一端連接家電,功能包括耗電量和電力參數監視、預防電力網超載和透過無線HAN方式管理遠端負載、繼電器通斷開關,具有TRIAC實現的軟啟動/停止功能、符合802.15.4 HA v2.0/E@H規範,以及路由器模式配置,可輕鬆增加感測器,擴大網狀網路覆蓋。

圖4 ZigBee通訊專用微控制器電路架構

ZigBee電路板可用於家庭/大樓自動化能源管理子系統的設計指引。在典型應用中,這個電路板插入牆上的電源插座,為電力負載供電,監測耗電量,若使用多個智慧插座,透過監控每個插座的耗電量,還可監控整棟住宅/大樓的耗電量。

此外,ZigBee電路板還可打造內建HTTPS閘道的家用能耗顯示器(圖5)。該電路板具有資料閘道功能,並可連接專用子板,協助工程師進行開發。HTTPS閘道的家用能耗顯示器功能包括嵌入式安全SSL Web用戶端、在乙太網路上實現安全SSL-TCP/IP協議、相容802.15.4 HA v2.0/E@H規範、通斷命令、用電量監測,以及乙太網路配置儲存在雙介面EEPROM記憶體中。

圖5 內建HTTPS閘道的家庭能耗顯示器

家用能耗顯示器閘道系統可用於家庭/大樓自動化能源管理,系統能夠向Web伺服器上傳ZigBee設備的負載能耗資料。無論身在何方,用戶都可瀏覽Web伺服器上的能耗資料。在家裡,用戶可透過液晶顯示器(LCD)觸控螢幕直接管理整個系統。

感測器助陣 室內導航不迷航

在沒有全球導航衛星系統(GNSS)訊號或衛星訊號被部分遮擋的情況下,確定使用者位置的定位技術稱為航位推測。航位推測在汽車透過隧道或大樓林立的街道時非常有用,且更有可能成為新一代行動消費性電子產品如智慧型手機和平板裝置的殺手級應用。

圖6 室內導航解決方案的應用
室內導航可應用於很多地方(圖6),包括機場、博物館、商業中心、停車場和醫院、緊急救援場所及大型商業中心,非常精確的興趣點定位讓人們在幾分鐘內找到心儀的商品,並可透過NFC技術直接在智慧型手機上購物;在博物館,只要把智慧型手機或平板裝置指向喜愛的藝術作品,消費者就可以看到全部的相關資訊。

室內定位運用來自四個不同資訊源的全部資訊,第一個資料是慣性感測器系統的動作資料,第二種定位資料為射頻定位,亦即現有的基礎設施(Wi-Fi、3G/4G LTE)和其他通訊技術(ZigBee、藍牙、Sub-GHz等)。事實上,單射頻源定位是人們非常熟悉的技術,透過插入其他訊號,使用每個天線的訊號強度可以計算使用者的精確位置。

第三種定位資訊來自近距離射頻定位,置於POI地點或固定在人們熟知地點的無線射頻識別(RFID)或RF EEPROM系統發送的近距離(<2公尺)訊號資料,第四種定位資料則是建築物地圖,如所有天線、房間、樓梯、電梯、樓門等設施的地圖。融合所有這些資料,並將路線疊加於大樓地圖上,定位系統就可重構行人的準確位置。

透過分析本文介紹的解決方案,可發現,若應用工程師想設計高整合度、高效能的智慧應用方案,智慧感測系統架構須內建三個重要功能,包括智慧感測、具有即時控制功能的數位管理和先進連接解決方案,才能進一步滿足市場需求,並讓應用更智慧化。

(本文作者皆任職於意法半導體)

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