楼梯响了很久的＂智慧家庭＂(Smart Home)，为何这两年突然见到勃发之象？意法半导体 (ST) 认为，低功耗广域网 (LPWAN) 的普及与应用程序编程接口 (API) 的充沛，是主要催熟剂。然而，实现智慧家庭一个极关键的先决条件是：感应接口是否够聪明且友善？太过繁琐的操作，反会造成普罗大众的麻烦，影响使用意愿。于是，语音输入与利用光学原理赋予家用设备感知能力，成为不少制造商属意的人机接口。ST 模拟／微机电与感测组件产品营销经理陈建成分析，感测、连网与低功耗，将是建构智慧家庭的三大要素。
照片人物：ST 模拟／微机电与感测组件产品营销经理陈建成
蓝牙声控，是最直觉的触发方式
＂陀螺仪、加速度计、磁力计等运动传感器 (Motion Sensor)，是居家防跌／防撞及姿态辨别的马前卒，新兴 SigFox 协议有担当对外低功耗通信要角的潜力，而蓝牙 (Bluetooth) 声控是最直觉的触发方式＂，陈建成分享他的观点。运动传感器除了早先介绍过能加载混合现实 (MR) 技术，通过事先汇入建筑管线图资、结合热像仪进行漏水检测，陀螺仪、地磁计可维持移动式家电的方向性之外，加速度计更是慎防人、物发生意外的必要防护配备。关于＂发号施令＂的感应接口，陈建成认为麦克风语音识别的误判率相对较低，适合随兴、惬意的居家生活氛围。
＂陀螺仪、加速度计、磁力计等运动传感器 (Motion Sensor)，是居家防跌／防撞及姿态辨别的马前卒，新兴 SigFox 协议有担当对外低功耗通信要角的潜力，而蓝牙 (Bluetooth) 声控是最直觉的触发方式＂，陈建成分享他的观点。运动传感器除了早先介绍过能加载混合现实 (MR) 技术，通过事先汇入建筑管线图资、结合热像仪进行漏水检测，陀螺仪、地磁计可维持移动式家电的方向性之外，加速度计更是慎防人、物发生意外的必要防护配备。关于＂发号施令＂的感应接口，陈建成认为麦克风语音识别的误判率相对较低，适合随兴、惬意的居家生活氛围。
不过，他也强调，这必须建立在丰富的＂声音数据库＂以及传感器出色的信噪比 (SNR) 的基础上——麦克风收音器件常以＂声学过载点＂(AOP) 来衡量敏感度，意指在不失真条件下所能接收到的最大信号，该数值越高越好。另机构设计与模拟／数字的封装选择也是焦点。不同的产品外型，麦克风开口朝上或朝下都会影响收音效果。此外，模拟麦克风虽然较没有衰减问题，却易受干扰；微机电 (MEMS) 数字封装具有低噪声、小尺寸的优势，且加载精密算法、可直接算出数值回馈到系统中，效能较高；以往成本要贵上一成，但目前两者已相去不远。
SigFox 与 Bluetooth，交织家用低功耗网络
特别一提的是，ST 在台北办公室设有实验室，可帮客户代测机构设计是否适当、波束成形 (Beamforming) 与降噪是否到位？并给予建议。连网传输部分，陈建成相当肯定 SigFox 覆盖区域大，能突破地理疆界、跨国通信的优势。他指出，不同于其他停车场重点在于＂现场＂调度／寻找车位或方便收费管理的要求，从法国起家的 SigFox 缘于上述特性，常被用于＂事先＂预知／预约空位。它还曾被装设在满街跑的公交车以侦测空气质量，因为是移动式动态收集数据，比定点侦测站更有参考价值，可进一步做事件触发的通知设定及后续应用。
特别一提的是，ST 在台北办公室设有实验室，可帮客户代测机构设计是否适当、波束成形 (Beamforming) 与降噪是否到位？并给予建议。连网传输部分，陈建成相当肯定 SigFox 覆盖区域大，能突破地理疆界、跨国通信的优势。他指出，不同于其他停车场重点在于＂现场＂调度／寻找车位或方便收费管理的要求，从法国起家的 SigFox 缘于上述特性，常被用于＂事先＂预知／预约空位。它还曾被装设在满街跑的公交车以侦测空气质量，因为是移动式动态收集数据，比定点侦测站更有参考价值，可进一步做事件触发的通知设定及后续应用。
切换到智慧家庭场景，陈建成表示，随着全球人口移动频繁，一旦远距医疗、居家照护／保全走进千家万户，产生跨国通信需求，例如：国际会诊／收发生理数据或病历、人在国外又惦念着家人或门户安全……，都是 SigFox 可着力之处。＂目前已在 29 个国家部署的 SigFox，亦是跨国电网的骨干；许多欧洲家庭都有装设 SigFox 协议的智能电表以监控用电状况＂，陈建成补充。为此，ST 新近推出的 S2-LP Sub-1GHz 射频收发器，可与 M-BUS、SigFox、6LowPAN 和 IEEE802.15.4g 等诸多协议兼容。
图1：S2-LP 是免授权频段的 sub-GHz 低功耗射频收发器芯片，接收模式工作电流仅 6.7mA，睡眠和待机模式分别降到 600nA 和 350nA
资料来源：ST提供
SensorTile，易上手的 Bluetooth 语音感测模块
至于家庭内部通信遥控，陈建成看好 Bluetooth 5.0 强大的 mesh 功能，让建置工作更简单、省电、便宜，预料 2018 年上半年可望看到市场甜蜜点。ST 推出 SensorTile 传感器模块，集 MEMS 加速度计、陀螺仪、压力／温湿度传感器、MEMS 麦克风、STM32L4 微控制器 (MCU)，以及 micro-SD 卡插槽和锂聚电池 (LiPo) 充电器于一身，可为穿戴设备、智能家居等物联网 (IoT) 设备提供感知和互联控制；模块内建功能完整的 Bluetooth 低能耗蓝牙收发器、单片平衡不平衡转换器以及各种系统接口，可用作感测数据整合控制器或固件开发平台。
至于家庭内部通信遥控，陈建成看好 Bluetooth 5.0 强大的 mesh 功能，让建置工作更简单、省电、便宜，预料 2018 年上半年可望看到市场甜蜜点。ST 推出 SensorTile 传感器模块，集 MEMS 加速度计、陀螺仪、压力／温湿度传感器、MEMS 麦克风、STM32L4 微控制器 (MCU)，以及 micro-SD 卡插槽和锂聚电池 (LiPo) 充电器于一身，可为穿戴设备、智能家居等物联网 (IoT) 设备提供感知和互联控制；模块内建功能完整的 Bluetooth 低能耗蓝牙收发器、单片平衡不平衡转换器以及各种系统接口，可用作感测数据整合控制器或固件开发平台。
它是十分容易上手的开发工具包，开放源码可为评估和客制项目提供方便的切入点，包括位置感测和低功耗语音通信软件。使用者只须将 SensorTile 接到主板，通电后，该模块会立即向 ST BlueMS 智能手机应用软件 (用户可免费下载) 灌注惯性、音频和环境数据。该模块拥有基于 STM32Cube 硬件抽象层 (HAL)、中间件、STM32 开放式的开发环境，API 生态系统完善，且可与各种开放软件扩展库 (Open.MEMS / Open.RF / Open.AUDIO) 以及众多第三方嵌入式感测和语音处理项目兼容。
图2：SensorTile 开发工具包齐全
资料来源：ST提供
ToF 测距感测技术，探知具体数值才能定位
谈完应用层的人机互动，接着探究更深层的＂存在侦侧＂(Presence Detection)——只要一＂现身＂，就能自动捕捉、执行后续动作。ST 影像事业部技术营销项目经理林国志表示，日常生活中最常接触的光学感测接口就是红外线 (IR)，但它只能通过光线强度辨识距离远近，无法探知绝对距离、加以定位，更遑论撷取 3D 影像；而基于飞行时间 (Time-of-Flight, ToF) 技术的测距传感器，只要将光速与 1/2 来回反射的时间相乘，就能得到具体距离数值。测距传感器具有体积轻巧、功耗低、反应快等优点——以＂光速＂量测 1 厘米距离来回仅需 67 皮秒 (ps)。
谈完应用层的人机互动，接着探究更深层的＂存在侦侧＂(Presence Detection)——只要一＂现身＂，就能自动捕捉、执行后续动作。ST 影像事业部技术营销项目经理林国志表示，日常生活中最常接触的光学感测接口就是红外线 (IR)，但它只能通过光线强度辨识距离远近，无法探知绝对距离、加以定位，更遑论撷取 3D 影像；而基于飞行时间 (Time-of-Flight, ToF) 技术的测距传感器，只要将光速与 1/2 来回反射的时间相乘，就能得到具体距离数值。测距传感器具有体积轻巧、功耗低、反应快等优点——以＂光速＂量测 1 厘米距离来回仅需 67 皮秒 (ps)。
因此，在工业控制、物流仓管与消费电子距离警示应用甚广；就连家用扫地机器人，也能看到它的踪影，内置 1～8 颗不等的一维度测距传感器。林国志指出，最早扫地机器人多用超音波作为感测接口，但因体积及价格限制，应用无法普及；改采 ToF 的机器，可设定确切数值实现＂沿边＂行进模式，让机器乖乖按既定轨迹运作、避免碰撞及坠落。ST 于 2015 年推出第一代 FlightSense 的 ToF 传感器模块——VL6180X，有效距离达 40 厘米，甫问市即因行动够灵活，而深获多家扫地机器人以及专门清洁玻璃用的＂玻妞＂制造商青睐。
此外，由于搭载环境光源传感器 (Ambient Light Sensor, ALS)，门禁控制面板、智能家电运转也在应用之列，用来感测环境光强度与辨别目标物是否在场，以便相关设备自动开关或发出警示。另一方面，人形机器人的进驻家庭，催生人机之间的安全防护需求。＂他们不像扫地机是贴着地面行走，有高度的机器人一旦撞到障碍物而倒下，可能危害到人身安全，尤其是有老人与孩童的居家环境，更须格外留意＂，林国志提醒。随着时间推进，去年发布的第二代的 VL53L0X 已可侦测相距远至 200 厘米的物体，不少国际一线手机大厂将它用于强化摄影功能。
图3：FlightSense 广泛应用于通信、智能家庭、消费、工业等领域
资料来源：ST提供
FlightSense，揭开测距感测新篇章
藉由精准的光学反应测定最佳拍摄距离，提高拍摄质量。林国志并透露，ST 正计划将有效距离再倍增、延至 400 厘米以上，第三代产品拟于今年下半年登场，可供作居家保全等长距应用。例如，当外来者进入警戒区域，平时因省电考虑而休眠的摄影机会自动开启工作。他剖析，FlightSense 特别适用于腾不出双手、因手脏不便触控或有安全意识的场合，其中＂卫浴＂也是智慧家庭极佳发挥舞台，包括：马桶盖掀放、自动冲水、水龙头、给皂机、烘手机等设备。当中有些设备可用红外线实现，但低阶产品常有感应不灵敏的问题。
藉由精准的光学反应测定最佳拍摄距离，提高拍摄质量。林国志并透露，ST 正计划将有效距离再倍增、延至 400 厘米以上，第三代产品拟于今年下半年登场，可供作居家保全等长距应用。例如，当外来者进入警戒区域，平时因省电考虑而休眠的摄影机会自动开启工作。他剖析，FlightSense 特别适用于腾不出双手、因手脏不便触控或有安全意识的场合，其中＂卫浴＂也是智慧家庭极佳发挥舞台，包括：马桶盖掀放、自动冲水、水龙头、给皂机、烘手机等设备。当中有些设备可用红外线实现，但低阶产品常有感应不灵敏的问题。
容易受使用者肤色或环境光源影响，即是其中一个致命伤；而高阶 IR 产品又有体积大、安装不便且成本高等缺点，让 ToF 有了见缝插针的机会。＂大家或许曾有这种经验：当我们在感应式洗手枱前，有时得来回晃动好几次、水龙头才得以顺利出水＂，林国志唤起我们早已习以为常的记忆；而 ToF 传感器有望在开创新市场之余，产生替代性需求。从产品开发的立场来看，相较于手势辨识需要繁复的算法，FlightSense 内嵌一个 8 位 MCU、缓存器和必要主动组件，开发者只须外加电阻、电容即可依开发需求做分段控制。
照片人物：ST 影像事业部技术营销项目经理林国志 (左) 与影像事业部资深专员吴芳雅 (右)
内置 MCU 会先行计算距离，再将数值传送至后端系统控制器，降低主要 MCU 工作负担。目前单颗 FlightSense 传感器约可监控 25 度角的活动范围，也可多颗一起使用以增加感测范围；若后端搭配 ST MCU 产品，同样能通过 ST 提供的原始码做多种加值应用。另因其属于低频的光信号，即使设备空间有限，也不致干扰到其他通信模块的运作，轻松晋身成为物联网一员。随着人们对手机越来越依赖，加上应用程序 (APPs) 百花齐放、感测定位越来越精准，智慧家庭颇有加速起飞之姿。
