智慧感測平台的功能包括在感測器節點上增添智慧功能，匯聚其他感測器的資料，並顯著降低感測器網路中的通訊資料傳輸。此外，智慧運動感測平台還能降低約90%的系統功耗，並讓感測器網路應用透過實現最佳效率、最低功耗和合適的成本支援感測器節點的大範圍傳播，且感測器網路還可透過智慧感測平台內建的軟體，定製每個感測器節點，提升效能。
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| 圖1 智慧運動感測平台架構圖 |
目前微機電系統(MEMS)業者開發的智慧感測平台是將一個三軸MEMS加速度感測器、一個32位元微控制器(MCU)和一個用於管理其他外部感測器的專用架構整合在一個3(毫米)×3毫米的封裝中(圖1)。
行動裝置內建感測器數量激增
行動裝置中MEMS感測器首要應用是以加速度計為主而開發，透過加速度計可讓行動裝置判斷縱向/橫向移動。另外，由於行動裝置指南針應用中增加磁力計改善導航功能的用戶介面，因此被行動裝置製造商迅速採用，且Android等作業系統現在已支援磁力計。陀螺儀為最晚亮相的MEMS元件，目前主要應用於遊戲，以及提升全球衛星定位系統(GPS)導航精確度。
隨著智慧型手機中的定址服務(LBS)逐漸興起，行動裝置須添加其他類型的感測器，如高度計，並匯聚所有感測器的資料。因此，行動裝置製造商面臨的挑戰是，不僅要在設計中採用新的感測器技術，而且還要管理每種類型的感測器，如特定校準、電源管理和資料採樣率，並匯聚感測器資料。
為解決上述問題，並提供靈活而可定製的感測器平台解決方案，智慧運動感測平台應運而生。該平台是將感測器與專用微控制器和專用架構整合，從而創建感測器樞紐。
從靈巧感測器到智慧感測器
在MEMS技術及摩爾定律(Moore's Law)的助力下，加速度計在行動電話中已廣泛採用，並已具備規模經濟。按照IEEE 1451.4的定義，更靈巧的運動感測器包括訊號調節、數位介面和邏輯位址。目前靈巧的運動感測器已上市，甚至還帶有能改善通訊的額外功能，如中斷、先進先出(FIFO)，以及預定義，如預確定使用情況下的特定運動檢測和嵌入式演算法。
行動電話中的加速度計主要用於縱向/橫向檢測，以適應螢幕圖像旋轉，隨後迅速用於遊戲和用戶介面的改進。目前，市場上推出的加速度計擁有資料檢測和過濾，以及特定手勢識別功能，但未具備感測器等級的充分靈活性和定製功能。
由於新應用的需求不斷增加，如分析複雜的用戶手勢，以及新感測器的推出，如用於指南計的磁力計、光檢測計、壓力計，從而催生對處理能力和定製功能的需求。
整合微控制器打造智慧感測平台
首個實現的智慧感測平台是使用一個三軸MEMS加速度計和一個32位元微控制器；其整合後的元件尺寸和功耗與一顆獨立的加速度感測器差不多。
智慧運動感測平台還具有±2g、4g、8g的可設定動態範圍，內建可存取的14位類比數位轉換器(ADC)、內部低功率振盪器、通用輸入輸出(GPIO)，並整合帶乘法累加器模組的32位中央處理器(CPU)內核、嵌入式快閃記憶體，以及嵌入式RAM和ROM。
另外，嵌入式快閃記憶體、隨機存取記憶體(RAM)和唯讀記憶體(ROM)，可提供處理能力的充分靈活性。上述所有功能都置於一個3毫米×3毫米的封裝中，與獨立加速度感測器的尺寸相同，符合行動和可攜式裝置所需。
低功耗(1.6Hz的資料採樣率大約消耗30μA，並帶有內部時鐘)和自動採樣頻率對於採用電池運行的感測器網路，特別是在無線感測器網路(WSN)中監控事件時，是相當關鍵的參數。通訊效率是另一個重要參數，因此，包括中斷及記憶體到緩衝器已處理的資訊等互動式通訊已添加I2C和SPI介面。
因為加速度計在所有行動和可攜式裝置中滲透率高，而且已經得到廣泛的使用，如檢測用戶活動，實現有效的自動喚醒和睡眠模式，因此業者發布的首款智慧感測平台是嵌入一個三軸低雜訊加速度計為主。
智慧感測平台具低功耗特性
智慧感測平台連接到一個主應用處理器(圖2)或無線收發器，如ZigBee和其他感測器時，該感測平台的優勢是可顯著降低系統功耗。
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| 圖2 做為感測器樞紐的智慧運動感測平台 |
智慧感測平台內置的高精度加速度計能用於檢測任何用戶活動、機器移動或結構振動，以喚醒感測器網路或無線收發器，開始進行更徹底的感測和通訊。由於只有智慧感測平台在運作，因此功率可低於50微安培(μA)，而在無線感測器網路中使用的其餘感測器網路和通訊系統則處於待機模式或空閒模式，讓系統整體功耗可大大節省。此外，在給定時間內沒有檢測到活動，智慧感測平台也能自動睡眠，因此行動電話、家庭自動化、跟蹤和定位等應用能受益於上述功能，延長電池使用時間。
另一個例子是，當主應用處理器持續掃描某個感測器，如加速度計時，讀取I2C匯流排的典型功耗處於正常模式水準(通常為12毫安培)。智慧感測平台透過感測器預先處理運動資料，且其內建的軟體能選擇所需資訊，如特定手勢，使智慧感測平台能透過中斷控制喚醒應用處理器，並以突發模式發送所處理的資料。
假定應用處理器在睡眠模式中的功耗相當於正常模式的4%，而且知道智慧運動感測器平台的功耗比應用處理器在睡眠模式中的功耗(小於50μA)還低很多，則最高功耗只是喚醒應用處理器並透過I2C讀取所需數據的功耗。實際上，這個額外功率由應用處理器的喚醒時間和突發模式或單字節模式中I2C讀數的時間(通常速率400kHz的8位元資料為122.5μs)決定，因此，系統節省的功率可超過90%。
感測器網路實作過程的主要問題包括部署、行動性、成本、尺寸、資源和能源，而智慧感測平台可將解決這些問題。
內置的處理器與加速度感測器相結合，有利於增加振動、速度、加速度、傾斜、衝擊、自由墜落和其他運動的資訊。在與裝置活動相關的自動喚醒或睡眠模式或與安全相關的情況，使用感測器網路能降低功耗，同時提高環境資訊水準。
由於可透過軟體在感測器節點上進行資料處理和定製，因而智慧運動感測平台重新定義感測器網路工作架構的硬體和軟體。智慧運動感測平台除管理感測器節點內部的資料處理部件，並盡可能控制其他外部感測器外，還允許減少感測器集群到主處理器或射頻(RF)收發器的資料通訊。此外，智慧感測平台可匯聚不同感測器的資料，以及預處理感測器資料。更重要的是，感測器節點的資料處理部件還可協助降低整個系統的功耗，透過軟體實現每個感測器節點的定製，連續校準和監控感測器的自適應採樣率、自動喚醒和自動休眠功能，降低感測器網路的整體功耗，並將部件整合，提高重複利用率，降低軟體資源，從而降低感測器網路的成本。
圖2顯示智慧感測平台的應用架構。在此範例中，磁力計、壓力感測器和電容式觸控鍵連接到智慧運動感測平台。這個常規示例具有的優勢是僅提供請求資料，從而降低節點功率。此外，在本範例中，每當智慧感測平台透過MEMS加速度計檢測到運動行為，以及軟體對檢測水準和序列編程時，可透過內建的低頻率內部時鐘，定期喚醒系統。
該平台還能管理感測器附帶的資訊融合，而且感測器節點的定製能透過軟體實現。此外，智慧運動感測平台低軟體帶來的高靈活性，可在系統和子系統中能高效地管理感測器網路。智慧運動感測平台對於感測網路系節點和系統的主要好處，還包括減少資料傳輸，以及感測器能在不同節點之間進行智慧互動。
智慧感測平台重新定義感測網路
靈巧感測器網路屬於智慧感測器介面模組(STIM)級，已由標準IEEE 1451.4定義為鏈條組合。由於智慧運動感測平台在STIM能添加資料預處理、資訊融合和感測器管理等功能，因而重新界定感測器網路的軟體和硬體。
上述想法讓智慧感測器節點可能成為從感測器網路被動節點演進為智慧和獨立的節點(只有在需要時才與網路互動)。從靈巧感測器到智慧感測器，其硬體架構的變更是無縫的。然而，軟體架構的修改需要在感測器節點上分配感測器資料處理和感測器融合資料。此外，使用卡爾曼濾波器和分配的微卡爾曼濾波器可實現感測器網路的高度可擴展性。
本文介紹智慧運動感測平台的理念。該平台重新定義感測器網路的架構，允許在感測器節點上進行資料處理和感測器融合。除節省成本、降低功耗、節約資源、縮短上市時間外，智慧感測平台還允許感測器網路使用新應用，使新應用在地化，並廣泛應用於家庭和工業。由於智慧運動感測平台適用於感測器網路的改進應用和新應用，因此能進一步深入挖掘和實施分散式處理和微卡爾曼濾波理論。
(本文作者任職於飛思卡爾)