将环境传感器用于传感器融合中和NIMS

电子设计 2019-03-14 3410

描述

如今，环境传感器必须远远超出其传统的检测气体，监测湿度和气压以及计算水中颗粒的数量，如水文学，微气象学和国土安全等。传感器融合，其中来自多个不同传感器的信息被组合以考虑这些设备周围环境的属性，现在可以实现对事件和情况的敏感推断 - 传感器在其中运行的环境。

例如，传感器融合在不断增长的可穿戴设备市场中发挥着重要作用。通过将传统环境传感器与其他传感器设备相结合，设计人员可以开发智能系统，使机器能够相互交互，并与周围的世界互动。来自陀螺仪，加速度计，接近传感器，环境光传感器和位置传感器的信息，结合手腕佩戴的脉搏率传感器，可用于推断用户正在做什么 - 跑步，行走，睡觉等等，以执行一些自动化任务。

由于可穿戴设备的用户不断运动，他们的各种活动会影响传感器必须在其中运行的条件。移动设备的GPS可以跟踪位置，但是也可能需要知道用户现在正在行走。设备必须能够在一天中从一个环境到下一个环境不断地跟踪用户，随着用户从家庭方向移动到工作并且再次返回而进行调整。

为医疗保健，健身和运动训练设计可穿戴系统是一项复杂的任务。与传统的独立设备相比，多种传感器功能的集成需要更多的安全性，可靠性和性能。它还要求更小的包装和减轻重量;它必须足够小，以适应微小的主机设备，对功率和处理的需求非常小，当然，它必须是便宜的。底层算法也必须能够适应，以便传感器及其工作的上下文可以在运行中重新配置。同样重要的是，它们必须具有高灵敏度和出色的抗噪性。

分布式嵌入式传感器技术已经达到了能够实现普遍监控环境愿景的程度。然而，仍然需要克服的最重要挑战之一是传感障碍的时变（和不可预测）性质所产生的传感不确定性。用于减少嵌入式网络感测中的不确定因素的方法被称为网络信息 - 机械系统（NIMS），其在3-D空间中暂停无线移动和固定传感器节点的网络。结果是使用可变传感位置，透视和传感器类型的运行时自适应。广泛而精确的驱动意味着NIMS解决了传统静态传感器网络中固有的一些基本问题，例如：

适应环境动态和可持续检测

感知不确定性的降低

NIMS的使用增加了新的网络灵活性和功能以及支持分布式传感器的新物流，以及更高的传感器自我感知能力，以了解其自身的传感不确定性，至关重要在上下文感知应用程序中。 NIMS提供了主动调整传感节点，引入各种新传感器以及减少无线链路路径损耗的能力。

传感器示例

现在让我们看看一些设备齐全的环境传感器用于传感器融合和NIMS应用。

欧姆龙的D6T1 MEMS热传感器（图1）具有足够的灵敏度，可以检测静止的人体存在。它解决了热电传感器不能检测静止的人的缺点，因为这种方法需要检测信号变化。此外，与热电模型不同，D6T1继续检测物体的远红外发射。为了延长短距离检测距离，可以通过软件编程，考虑时间变化，热源位置和人体运动来提高判断精度。

图1：欧姆龙D6T1温度传感器的性能优于其热电竞争。

非接触式温度传感器由带硅透镜的盖子，MEMS热电堆传感器芯片和专用模拟电路和逻辑电路组成，用于通过一个连接器在单个板上转换为数字温度值。通过将信号处理电路紧密地安装到传感器芯片上，可以实现低噪声温度测量。

在操作中，硅透镜将来自物体的辐射热量收集到模块中的热电堆传感器上，热量在传感器上产生电动势。模拟电路使用电动势值和模块内部的测量温度值计算物体的温度，该值通过I 2 C总线输出。

作为在具有VDD I 2 C接口的光学模块中集成数字彩色传感器，接近传感器和IR LED的示例，请考虑使用ams TMD3782x颜色传感器（图2）。该传感器提供红色，绿色，蓝色和透明（RGBC）光感应和接近检测，可在各种照明条件下检测光强度。它执行色温测量，环境光感应（ALS）和具有背景光抑制的接近检测。

嵌入式

图2：TMD3782s颜色传感器框图。

接近检测功能允许进行大范围的操作以实现精确的距离检测，例如当用户将手机靠近耳朵时在手机中。颜色感应功能在背光控制，固态照明，反射LED颜色采样器或荧光灯色温检测等应用中非常有用。该模块可减少电路板空间和设计复杂性，并可在各种条件下实现准确的色彩和环境光感应。它还消除了最终产品出厂校准。最后，其内部状态机将器件置于接近和RGBC测量之间的低功耗状态，以实现极低的平均功耗。

专为可穿戴设备，医疗设备和移动设备等应用而设计德州仪器（TI）的HDC1008YPAT（图3）是一款带有集成温度传感器的低功耗，高精度数字湿度传感器。它具有出色的测量精度，可根据公司新颖的电容式传感器测量湿度。湿度和温度传感器在出厂时已经过校准。

嵌入式

图3：可穿戴设备的理想选择，HDC1008YPAT结合了湿度和温度感应。

该器件的WLCSP（晶圆级芯片尺寸封装）非常紧凑，简化了电路板设计。传感元件放置在设备的底部，这使其更耐脏，防尘，防尘和其他环境污染物。该器件具有非常小的2 mm x 1.6 mm封装，可在-40°C至+ 125°C的温度范围内工作。

总之

可以肯定地说，传感器融合组合将导致环境传感器在未来的更多应用中得到应用。正如我们所看到的，情境感知要求传感器具有高精度和可靠性，小尺寸，低功率预算，当然还有合理的实施成本。提供了几个满足这些要求的示例传感器。

打开APP阅读更多精彩内容