| 圖一 : 如果要實現(xiàn)智慧家庭或智慧城市的愿景，機(jī)器學(xué)習(xí)和云端托管復(fù)雜軟體至關(guān)重要。(source: https://thedoctorweighsin.com) |
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大家似乎都面臨了相同的問題：產(chǎn)業(yè)廣泛采用「智慧家庭」或「智慧城市」等詞語，然而對這些詞語的定義卻是莫衷一是。幸運(yùn)的是，人們對于智慧家庭或智慧城市的「智慧」有著共識，我們普遍認(rèn)為這是指高度自動化和個人化。例如，在智慧家庭中，未來的客廳是應(yīng)用程式App、云端和感測器的混合體：一個連結(jié)到云端的應(yīng)用程式支持平臺（Application Enablement Platform, AEP），這個平臺已經(jīng)透過自我學(xué)習(xí)了解每個家庭成員對于燈光、音樂、娛樂、香味、冷暖空調(diào)的偏好，能在特定成員進(jìn)入房間時自動調(diào)整每項設(shè)定。
「智慧家庭」情境能根據(jù)用戶的喜好進(jìn)行精確調(diào)整，這將為用戶提供更舒適的環(huán)境，同時可以減少能源浪費或降低用水量，也不再需要「老式」的控制方式，例如照明開關(guān)和溫控器。
用戶想要的是一個隱形和自動化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。只要使用者走進(jìn)房間，就能觸發(fā)冷暖空調(diào)、音樂、照明及其他系統(tǒng)等改變設(shè)定。
雖然現(xiàn)今有些高級建筑物已具有不少這些功能，但它們通常是各自獨立的，或是用戶仍然看得到它們的存在。如果要實現(xiàn)上述愿景，需要哪些關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展？機(jī)器學(xué)習(xí)和云端托管復(fù)雜軟體至關(guān)重要，另一個重要因素是能夠廣泛感知真實世界的現(xiàn)象，如此一來，機(jī)器才能像人類一樣對所處世界做出反應(yīng)。
這將需要許多新的智慧感測器。在本文中，我們將介紹有哪些新的感測器功能可以使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)個人化和智慧化設(shè)定操作，以及它們可能布署在哪些應(yīng)用中。
沒有數(shù)據(jù) 云端一無是處
云端連結(jié)技術(shù)已改變了通用系統(tǒng)和服務(wù)的效率、回應(yīng)能力及便利性。在智慧城市領(lǐng)域中，Uber的按需出租（taxi-on-demand）服務(wù)就是一個例子，透過云端精密演算法來協(xié)調(diào)用戶需求和即時處理數(shù)據(jù)，可以改變運(yùn)輸服務(wù)的使用方法和模式。
我們都聽過「
（IoT）」這個總稱，這意謂數(shù)以百萬計的云端連結(jié)服務(wù)都將執(zhí)行類似的技巧，也就是結(jié)合多個不同的數(shù)據(jù)流，以提供個性化的快速服務(wù)。關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速增加，討論多聚焦于將節(jié)點連結(jié)至云端的技術(shù)和系統(tǒng)，以及讓來自用戶設(shè)備和其他IoT節(jié)點類型的「大數(shù)據(jù)」發(fā)揮作用所需的分析功能。
是什么使得云端智慧如此有用及高效率？答案是可用的數(shù)據(jù)輸入。輸入進(jìn)云端系統(tǒng)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)將來自感測器，然而其中有許多感測器目前尚未被安裝，其中一些甚至還未發(fā)明。
就實際應(yīng)用而言，智慧照明系統(tǒng)需要關(guān)于光譜成分和環(huán)境光強(qiáng)度的高準(zhǔn)確度資訊。智慧通風(fēng)系統(tǒng)則需要「嗅到」用戶呼吸的空氣，并對其進(jìn)行分析。智慧交通管制需要「看到」并定位在道路上的車輛，如此才能確保安全并保持交通順暢。
感測器擔(dān)當(dāng)「人類」的工作：即時觀察、嗅聞、感受和聽到現(xiàn)實世界中發(fā)生的事情。因此，如同低功耗射頻IC和云端運(yùn)算系統(tǒng)一樣，感測器技術(shù)及解決方案也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的前驅(qū)，而且這些感測器必須精密、高度準(zhǔn)確且始終可靠。
智慧照明控制
我們可以在照明領(lǐng)域找到這樣的一個例子。在20世紀(jì)，照明是低技術(shù)領(lǐng)域，由各種白熾燈照明技術(shù)主導(dǎo)，且所有產(chǎn)生的光輸出都是根據(jù)其相關(guān)色溫（Correlated Color Temperature, CCT）而定。
在本世紀(jì)，關(guān)于照明對人類健康和行為影響的新知識，促成了色彩控制和個性化照明的新應(yīng)用，例如研究已經(jīng)證明光譜和人類健康之間存在關(guān)系，這是身體調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律的方法。明亮的藍(lán)色日光會觸發(fā)荷爾蒙反應(yīng)，讓身體醒過來；黃昏或火光的金黃色光線會促進(jìn)放松和平靜的行為。
智慧照明能讓工作場所或家中使用的人工照明自動呈現(xiàn)日光變化的光譜內(nèi)容。這需要晶片級色彩感測器，它能夠準(zhǔn)確地測量人眼看到的光線的CCT。先進(jìn)的矽制造技術(shù)已被用于ams XYZ色彩感測器，可直接在晶圓上建構(gòu)光學(xué)濾波器，如此一來，我們能更佳地控制光電二極體對于入射光的光學(xué)響應(yīng)，這達(dá)到了前所未有的控制程度（圖二）。
在智慧照明控制中，這種色彩感應(yīng)功能可以結(jié)合臉部辨識技術(shù)，以根據(jù)個人需求自動調(diào)整照明。相較于年輕人和兒童，老年人對于可見光譜的藍(lán)光部分具有較低的視敏度，為了讓老人能正確地看到深藍(lán)色物體，則需要強(qiáng)調(diào)藍(lán)色波長的照明。例如在有著兒童及年長祖父母成員的家庭中，照明控制可以根據(jù)不同需求調(diào)整提供不同的光譜輸出。
| 圖二 : AS7221智慧照明管理器可以精確控制燈光的CCT |
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臉部辨識 - 這是一種成功應(yīng)用于智慧手機(jī)的技術(shù) - 可以記錄空間使用的身份，并自動調(diào)整照明的光譜內(nèi)容。
在這里，它也是推動物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的感測技術(shù)。臉部辨識有賴多個微電子元件的整合，結(jié)構(gòu)光發(fā)射器需要微型雷射裝置和整合型微光學(xué)裝置，此外，由光偵測器捕獲的反射光測量需要進(jìn)行復(fù)雜的處理，以產(chǎn)生臉部「深度圖」，然后分析深度圖，與已知臉控進(jìn)行可能性匹配（圖三）。
這種臉部辨識系統(tǒng)的各個元素相互依賴，因此感測器制造商（如ams）正致力于提供整合系統(tǒng)，為家庭自動化設(shè)備制造商等OEM客戶提供統(tǒng)包（turmkey）臉部辨識系統(tǒng)。
| 圖三 : 3D紅外線深度圖可在各種操作條件下實現(xiàn)精確的臉部辨識 |
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個人化的室內(nèi)環(huán)境
這種對于室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行個人化控制的愿景，甚至從照明延伸至人們呼吸的空氣。
同樣的，半導(dǎo)體感測器解決方案提供了一種新方法，使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)個人化。最新一代的CMOS氣體感測器可以提供高精度的氣味和污染物濃度測量，例如來自烹飪，以及清潔產(chǎn)品、家具等化學(xué)物質(zhì)排放所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）。
將這樣的氣體感測器整合進(jìn)保全網(wǎng)路攝影機(jī)或智慧音箱等中控設(shè)備，則能對室內(nèi)家庭環(huán)境實施即時遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙控通風(fēng)，以確保有人進(jìn)入時，建筑物內(nèi)的空氣是干凈清新的。
晶片級氣體感測器能夠提供VOC濃度的原始測量值。然而，為了將室內(nèi)空氣監(jiān)測整合至智慧音箱等設(shè)備中，智慧音箱器制造商需要將相對氣體濃度的原始測量值轉(zhuǎn)換為可用資訊，方法之一是室內(nèi)空氣品質(zhì)評分。這需要將演算法和韌體整合至感測器設(shè)備本身，以創(chuàng)建一個完整的板級（board-level）解決方案，用于室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控。
半導(dǎo)體和軟體的創(chuàng)新
許多電子產(chǎn)品制造商計劃推出既有產(chǎn)品的新版本，為用戶提供整合至物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的好處。相當(dāng)合理的是，他們通常最介意的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)分析，以及為最終用戶提供高價值云端托管應(yīng)用程式的難處。
為了解決這些問題，各種新解決方案不斷出現(xiàn)在市場上。然而，對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商同樣重要的是感測器技術(shù)的發(fā)展，此技術(shù)將支援家庭和建筑自動化及照明等應(yīng)用中的新一代智慧化、個人化系統(tǒng)。
這些新型感測器的特點是使用半導(dǎo)體技術(shù)在較小的占板面積內(nèi)實現(xiàn)更高的測量效能，并透過整合周邊元件和軟體為復(fù)雜的應(yīng)用提供完整的解決方案，例如室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測和臉部辨識等。因此，先進(jìn)的感測器技術(shù)和解決方案能推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步。
（本文作者Felix Marchal 為ams AG家庭暨建筑自動化/物聯(lián)網(wǎng)市場全球應(yīng)用行銷暨業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁）
