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ST:语音输入呼之即来,飞行光速精准测距

时间:2017-02-13 15:24来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
智慧家庭(1):声、光交会而成的智能感应
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。
 
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。
 
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。
 
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)。
 
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。
 
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。
(责任编辑:helen)
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