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环境感测待起 初期仍靠合作策略互补
生态系统或为方向之一

【作者: 姚嘉洋】2016年02月15日 星期一

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尽管物联网这个话题仍然是全球科技产业的主流话题之一,但这几年来,大致上可以确定的是,物联网终端系统的设计,大致上离不开:处理控制、连线与感测等三大功能。在处理控制方面,已经有英特尔、高​​通与众多MCU(微控制器)等半导体业者们所把持。连线方面,只要具备连线技术能力的晶片业者,亦可位在此列,而感测器方面,目前则是处于百花齐放的阶段。


感测器大体上可以分为几种类别,一种是属于动作感测,另一种则是环境感测,前者透过MEMS(微机电系统)、影像镜头、雷射与音频等,透过不同的物理变化量,来测知人体的动作状况,环境感测所用的技术,则较为多元,像是UV(紫外线)、气压(压力)、温湿度、气体变化、液体成分等,这些同样也有可能会利用光学或是不同的感测器,来取得这些环境资讯。即便是时下最流行的智慧型手机,也会采用一些环境感测元件,来因应一些特殊应用,像是压力感测器就可被用来侦测使用者目前所在的高度为何,进一步实现室内导航的应用。但归纳来看,智慧型手机所用的感测元件,大多还是以人机介面或是动作感测有较为直接的关系。


这边我们所谈的环境感测,将会把车用感测与人机介面等范围加以摒除,仅就UV(紫外线)、气压(压力)、温湿度、气体变化等,做概括的讨论。



图1 : 如何透过环境感测来了解环境气体浓度的变化,进一步作出反应,已经成了气候专家们所在乎的课题。 (Source:https://upload.wikimedia.org)
图1 : 如何透过环境感测来了解环境气体浓度的变化,进一步作出反应,已经成了气候专家们所在乎的课题。 (Source:https://upload.wikimedia.org)

环境感测仍待起飞

谈到环境感测的发展,ST大中华暨南亚区技术行销与应用工程经理苏振隆以自身的角度观察,我们所熟知的人体的生理讯号感测,应用在保健医疗领域,已经具备了明显的雏型。而严格来说,人体讯号感测与环境感测还是有相当大的不同,今年才是环境感测起步的一年,到了2020年才会逐渐进入成熟期。现阶段来看,环境感测元件业者能切入的应用环境,仍然会停留在智慧家庭,但在诸多恶劣或是工业环境,就解决方案上,还是有许多不足的地方,这方面还是需要时间来加以发展。


而苏振隆也不讳言,即便是ST在环境感测器的产品线上也不见得可以满足多种环境的需求,目前ST已经有压力感测、湿度与UV等感测器方案,但是ST并没有气体感测器,所以就会采取合作方式,共同提供整合方案给客户。


苏振隆坦言,客户对于环境感测方案的要求,与一般半导体方案相同,价格、功耗与体积等,都要尽可能向下压低,所以ST也会朝向这个方向努力。但除此之外,感测器的防尘、防泼水、可靠度或是环境产生变异的元件耐受度等,也都是能否被客户青睐的重要因素。


不管环境感测市场是否已经成熟,不难理解的是,不采取合作策略,晶片业者的解决方案很难被客户发现,就更别说要成为这个市场一员了。


图2 : 就环境感测而言,克服恶劣环境将是必然的发展方向。 (摄影:姚嘉洋)
图2 : 就环境感测而言,克服恶劣环境将是必然的发展方向。 (摄影:姚嘉洋)

至于感测器元件的整合上,ST的确已经采取了行动,但作法可以分成:单一裸晶与系统级封装两种作法,前者像是动作感测元件,ST已经可以作到三轴加速度计与三轴陀螺仪整合在单一裸晶上。所以,像是压力感测器与MEMS麦克风,都是以薄膜震动为基础的MEMS技术,整合成单一裸晶就有相当高的可能性,只是现阶段ST还没有这样的产品线面世。而系统级封装则可以用多裸晶整合在同一封装内的技术,但这方面仍有些许技术上的难度需要克服。


从生态系统出发 FPGA补足讯号处理不足之处

但是,由于环境感测市场正处于萌芽期的阶段,造就了诸多元件供应商的出现,这对于负责的资料汇整的感测器集线器(Sensor Hub)来说,也形成了全新的挑战。


Lattice(莱迪思半导体)亚太区资深事业发展经理陈英仁不讳言,市场最为火热的话题莫过于物联网,但也因为这个话题过于浮滥,反倒看不出这个市场真正的价值与发展情势。陈英仁认为,物联网必须从服务模式与附加价值着手,从消费者的取向来解决问题那才有意义。所以回过头来看环境感测,也是同样的道理,Lattice会从系统与服务业者,甚至是从整个生态系统切入,思考Lattice能切入的地方有哪些,就现阶段而言,Lattice能够扮演的,就是感测器到应用处理器之间的桥梁,因应整体系统还有哪些不足的地方,由Lattice的FPGA(可编程逻辑阵列)产品线来补强。


至于MCU与FPGA之间的竞合关系,陈英仁谈到,两者的竞合关系到未来都会存在着,他举例谈到,台北捷运与U-bike两者就是一种互补关系,同理MCU与FPGA也是。长远来看,有些装置所搭载的感测器数量将会愈来愈多,光凭既有的MCU可能就没有办法负责这么多的感测器,此时若有个FPGA,就能补MCU在I/O或是相容性上的不足。



图3 : 就诸多应用的系统设计来说,MCU与FPGA可以扮演互补角色。所以某程度上来说,双方的合作应是大于竞争。 (摄影:姚嘉洋)
图3 : 就诸多应用的系统设计来说,MCU与FPGA可以扮演互补角色。所以某程度上来说,双方的合作应是大于竞争。 (摄影:姚嘉洋)

但陈英仁也指出,MCU在资料处理上,就偏重小量资料的处理,在影像领域还是要藉由FPGA来进行加速或是预处理会较为适当。


陈英仁以安全监控为例,尽管这个市场的价格竞争十分激烈,但从镜头撷取到的影像,如何即时地处理,就并非MCU的能力所能及。过去的安全监控市场应用,最多就是进行即时追踪,但若要再增加一些附加价值的功能或是双镜头的影像即时整合,FPGA就能扮演这类的角色,亦或是成为影像即时传输的桥梁。


陈英仁认为,在感测器元件方面,其市场可说是相当成熟,关键在于后端的处理上,如何能更加地智慧化?这时候,资料的「预处理」或是附加价值的功能设计,就看FPGA与应用处理器之间的工作分配与协调。毕竟,近年来的应用处理器的效能也开始强化到可以处理感测器讯号,如高通自前年开始,便开始倡导自家的骁龙处理器已经具备感测器集线器的功能,可以一次性处理九轴动作感测器的讯号。


当然,这包含了与演算法业者之间的合作,所以Lattice会从生态系统的角度来切入,从服务端、系统、演算法、应用处理器与感测器等业者,用合作的方式来因应环境感测市场的多元需求。苏振隆也表示,ST的感测器的除了能与自家的MCU作到完美搭配外,也能与其他的处理器或是MCU晶片进行系统的整合搭配。



图4 : 应用处理器业者高通的801处理器由于具备优异的运算效能,对于感测器讯号的处理,也能一次性的处理。 (摄影:姚嘉洋)
图4 : 应用处理器业者高通的801处理器由于具备优异的运算效能,对于感测器讯号的处理,也能一次性的处理。 (摄影:姚嘉洋)

值得一提的是,陈英仁认为,感测器市场其实是相对成熟的市场,但若没有后端讯号处理元件的支援,系统要如何进行判断,所以在系统中扮演大脑的角色就十分重要。像是无人机应用,它必须同时具备多种不同的感测器元件在上面,即便现在的感测器技术发展仍然不到成熟的阶段,但长期而言,由于这些技术都会同时发展的情况下,在未来几年内,将可以看到整体市场会蓬勃发展。


结论

不论是感测器或是负责后端处理的晶片业者,都可以看得出来环境感测应用若要加速发展,保持合作的态度仍然不可免。从物联网的发展正在如火如荼的现况来看,环境感测的发展可望被物联网带动,进而衍生新一波的市场商机。


**刊头图片(Source:computationalculture.net)


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