隨著時(shí)間的推移，傳感器已經(jīng)從簡單的模擬和機(jī)械結(jié)構(gòu)演變?yōu)樾酒臄?shù)字器件，它可以連接到一個(gè)機(jī)器并監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)行以及環(huán)境狀況。同樣的，傳感器融合——讓多種類型的傳感器一起合作來解決問題——可以把許多其它技術(shù)融合并可以創(chuàng)造令人興奮的全新事物。這太令人激動(dòng)了！

利用一個(gè)計(jì)算裝置把來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)和信息結(jié)合起來，得出一個(gè)結(jié)論，這種做法可以上溯到二十世紀(jì)五十年代。但實(shí)現(xiàn)起來難度很大。1960年左右，一些數(shù)學(xué)家開發(fā)了一套算法，試圖在一個(gè)機(jī)器上基于多個(gè)傳感器的輸入得出一個(gè)結(jié)論。這些過濾器可以除掉噪聲或其它來源引入的無效數(shù)據(jù)。不久之后，軍方?jīng)Q定采用這項(xiàng)技術(shù)。通過對多來源輸入進(jìn)行處理并與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)相比較，軍方得以更好地跟蹤和識(shí)別潛在的空中目標(biāo)，甚至計(jì)算出確切結(jié)果。隨著更好的計(jì)算機(jī)和傳感器出現(xiàn)，該技術(shù)也在發(fā)展，但仍然有些問題過于復(fù)雜，解決代價(jià)也過高。

潛在應(yīng)用

當(dāng)微處理器開始出現(xiàn)時(shí)，人們把它描繪成一個(gè)可以給搜索問題解決方案的裝置，同樣的情況也出現(xiàn)在傳感器融合上。如果你有能力和智慧來監(jiān)控多個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，并能提供一個(gè)簡單的指示或控制行動(dòng)，則它可以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用簡直撐爆你的腦洞！下面的例子只是淺嘗輒止：

健康監(jiān)測——包括健康的競技人員，病人的監(jiān)護(hù)，以及研究

監(jiān)測老人——健康監(jiān)控，以減少人員負(fù)擔(dān)

汽車，交通運(yùn)輸系統(tǒng)——監(jiān)測和控制效率及安全功能

公共安全——比簡單的消防和安全系統(tǒng)更加準(zhǔn)確的識(shí)別潛在危險(xiǎn)情況

娛樂——游戲，包括控制器和虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式耳機(jī)

天氣——智能天氣預(yù)報(bào)站，不僅警告天氣條件變化，還可以控制系統(tǒng)為風(fēng)暴來臨做好準(zhǔn)備（如關(guān)閉風(fēng)暴百葉窗，關(guān)閉閥門等）

暖通空調(diào)/空氣質(zhì)量——對室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量、系統(tǒng)維護(hù)等進(jìn)行智能控制

盡管所有上述各類功能已經(jīng)以某種形式存在多年，但系統(tǒng)通過觀察多個(gè)傳感器并得出現(xiàn)一個(gè)智能結(jié)論、甚至采取行動(dòng)的能力，卻是革命性的。

圖1：運(yùn)動(dòng)以及其它類健康監(jiān)測是第一批采用傳感器融合技術(shù)的消費(fèi)產(chǎn)品。

如同其它電子領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生過的，技術(shù)的融合已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)，一些IC廠商已經(jīng)著手這一繁重任務(wù)。除了其它一些途徑，通過使用現(xiàn)成的傳感器融合和傳感器hub芯片，目前可以有效地連接各種數(shù)字傳感器，也不用自己去開發(fā)算法了。

盡管技術(shù)術(shù)語可能會(huì)有所不同，一些IC廠商要么修改現(xiàn)有的產(chǎn)品線，要么為解決傳感器融合任務(wù)創(chuàng)造全新產(chǎn)品。這樣的處理由一個(gè)專門控制芯片完成，它可以是一個(gè)MCU、一個(gè)傳感器hub或一個(gè)傳感器融合處理器。我們已經(jīng)看到了這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在智能手機(jī)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器以及其它設(shè)備等消費(fèi)市場。

最新一代蘋果、三星等智能手機(jī)含有多種強(qiáng)大的傳感功能，甚至無需外部接口。這些傳感器包括三軸磁力計(jì)、三軸加速度計(jì)和一個(gè)三軸陀螺儀。這種結(jié)合功能通常被稱為9-DoF，即有九個(gè)自由度，也稱九軸傳感功能。

多數(shù)情況下，手機(jī)中這些功能做到“alwayson”。如果對這些傳感器數(shù)據(jù)的處理由手機(jī)中央微控制器來管理，電池壽命將顯著縮短。相反，高效專用微控制器芯片作為傳感器hub來處理數(shù)據(jù)，僅使用小部分功耗。恩智浦的ARMM3系列MCU是一個(gè)示例。EETimes報(bào)道稱據(jù)產(chǎn)品拆解公司Chipworks說，蘋果使用了恩智浦芯片的定制版本，以監(jiān)控其在iPhone5S中的傳感器。“該M7控制各種分立的傳感器功能，包括陀螺儀、加速計(jì)和羅盤。”三星處理該任務(wù)的是來自Atmel的微控制器，它是一個(gè)8位AVRMCU核。

通過這樣強(qiáng)大的板級(jí)傳感技術(shù)，應(yīng)用程序開始利用手機(jī)中的9-DoF功能來提供健康和活動(dòng)監(jiān)控，或者結(jié)合GPS和外部數(shù)據(jù)來為用戶提供更多信息?，F(xiàn)在，還可以通過藍(lán)牙通信為那些多功能傳感器添加來自于外部設(shè)備的數(shù)據(jù)，并且該功能似乎沒有限制。芯片制造商的目標(biāo)是讓其實(shí)用化，為工程師的設(shè)計(jì)提供實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)，該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可用于提供上下文感知信息，同時(shí)該系統(tǒng)又可以消耗最小功耗，電池壽命也盡可能長。除了智能手機(jī)，高度優(yōu)化的方案，也能夠滿足平板電腦、超級(jí)本、物聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)備、游戲機(jī)、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測和可穿戴計(jì)算等各類應(yīng)用需求。

這樣的開發(fā)板已經(jīng)發(fā)布，可以幫助工程師輕松地體驗(yàn)這項(xiàng)技術(shù)。其中一個(gè)示例是愛特梅爾公司的ATAVRSBIN2。愛特梅爾已經(jīng)將融合傳感器集成在很多產(chǎn)品中，他們稱之為“完整傳感器生態(tài)系統(tǒng)。”愛特梅爾公司確定，將來自不同傳感器和傳感器類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)分析與融合并非一個(gè)可以獨(dú)立處理的任務(wù)。為了解決該問題的復(fù)雜性，該公司與多家領(lǐng)先的傳感器制造商和傳感器融合專家合作，提供一個(gè)完整的、易于實(shí)現(xiàn)的傳感器中樞方案。

目前的趨勢是將三個(gè)或更多的MEMS傳感器與MCU封裝在一起。其中一個(gè)示例是意法半導(dǎo)體的LIS331EB，它組合了一個(gè)高精度三軸數(shù)字加速度計(jì)與一個(gè)微控器，采用了一個(gè)3×3×1毫米的封裝。微控器采用的是超低功耗ARMCortex-M0，帶有64K字節(jié)的閃存、128K字節(jié)RAM、嵌入式定時(shí)器、2個(gè)I²C（主從）和SPI（主從）。該LIS331EB也可以處理外部傳感器的數(shù)據(jù)（共九個(gè)），如陀螺儀、磁力計(jì)和壓力傳感器。作為一個(gè)傳感器中樞，它使用iNemo引擎軟件融合所有輸入。意法半導(dǎo)體的iNemo引擎?zhèn)鞲衅魅诤宪浖准捎昧艘惶鬃赃m應(yīng)預(yù)測和濾波算法來處理（或融合）多個(gè)傳感器傳來的復(fù)雜信息。

飛思卡爾也提供了一個(gè)將微控器和傳感器組合在一個(gè)封裝中的設(shè)備產(chǎn)品線。他們的FXLC95000Xtrinsic運(yùn)動(dòng)傳感平臺(tái)集成了一個(gè)MEMS加速度計(jì)和一個(gè)32位ColdFire微控制器。類似于意法半導(dǎo)體的器件，F(xiàn)XLC95000可以同時(shí)管理內(nèi)部和外部傳感器的數(shù)據(jù)。飛思卡爾是第一家為市場提供集成傳感中心的微控器的公司，該微控器還具備為客戶定制應(yīng)用程序和算法的可編程功能。一個(gè)器件可管理最多16個(gè)傳感器輸入，可使校準(zhǔn)、補(bǔ)償和傳感器功能從應(yīng)用處理器中分離開來。它可以使用飛思卡爾自帶的或第三方驅(qū)動(dòng)程序。

圖2：帶有加速度計(jì)的飛思卡爾XtrinsicFXLC950032位微控器傳感器融合中心，提供了一個(gè)開放架構(gòu)下具備本地計(jì)算和傳感器管理的可擴(kuò)展、自主、高精度多傳感器中樞方案

其它頗具實(shí)力的制造商包括博世、飛兆半導(dǎo)體、霍尼韋爾、微芯和德州儀器等。

融合與云

盡管相當(dāng)多的功能可以通過本地實(shí)現(xiàn)，但與云的交互才是真正樂趣的開始。遙感數(shù)據(jù)可以通過傳感器融合器件處理后送到云處以記錄、進(jìn)一步分析，或甚至發(fā)起一次動(dòng)作。

例如，一個(gè)無人看管的遠(yuǎn)程泵操作總是存在一定的宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。幾年前，一個(gè)遠(yuǎn)程傳感器可能用來辨別它是在運(yùn)行還是宕機(jī)?，F(xiàn)在，還可以監(jiān)測該泵的振動(dòng)、排氣化學(xué)、軸承噪聲和外圍狀況。預(yù)定程序可以使傳感器融合控制器關(guān)閉泵或甚至循環(huán)操作直至技術(shù)人員到來。該系統(tǒng)還將提前知道是整個(gè)泵還是僅僅其中一個(gè)部件需要更換。在這里，傳感器融合方案可以消除停機(jī)時(shí)間以及昂貴的緊急服務(wù)請求，甚至收集數(shù)據(jù)來分析該泵隨時(shí)間的工作好壞狀況。相同的理念也應(yīng)用于飛行中的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控，建筑物中的電梯，或任何機(jī)械裝置。

云計(jì)算的另一個(gè)應(yīng)用可以在云端進(jìn)行傳感器融合，而不是要在現(xiàn)場融合。隨著開源傳感器融合軟件的出現(xiàn)，單獨(dú)傳感器數(shù)據(jù)可以被傳送到服務(wù)器，隨后在那里進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

結(jié)論

傳感器融合技術(shù)時(shí)代已經(jīng)來臨，目前正處于恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)以充分地融合利用傳感器、無線通信和其他技術(shù)。一旦從最先進(jìn)的政府實(shí)驗(yàn)室落地，則該技術(shù)將成熟并可以出售，價(jià)格最終也會(huì)在多數(shù)消費(fèi)品BOM預(yù)算之內(nèi)。

因?yàn)榕c移動(dòng)技術(shù)和飛速發(fā)展的低成本數(shù)字傳感器緊密相關(guān)，傳感器融合即將迎來爆炸性增長。對于設(shè)計(jì)工程師來說，這是應(yīng)用創(chuàng)造性思維的良機(jī)，請即刻著手開始！

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