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成像技術應用於物聯網的機會
 

【作者: Radhika Arora】   2015年07月06日 星期一

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過去一年,物聯網(IoT)獲得廣大的媒體關注,已被譽為全聯接世界的下一發展階段。各種有用的資訊將透過它在不同機械和設備間傳遞。本文將著重於圖像感測在物聯網中,從概念階段過渡到現實的進程中會發揮的關鍵作用。


物聯網在未來幾年將產生多大的影響?分析師們皆聲稱影響鉅大,大型企業都在大力發展綜合設備、大數據和雲端整合。這不僅創造了儲存大量數據容量的機會,且能利用這數據作出更明智的決策。2008年,互聯網連接數超過了地球人口數,但在今日,這仍然少於世上所有客觀存在的事物的1%。今年,全球人口的75%將進入互聯網。思科預計,到2015年將有250億設備連接;到2020年,這一數值將增至500億。未來無線技術的多數發展也將受到物聯網很大程度的影響。這指數成長的核心是各分立行業的設備交互作用。一個適用所有行業的無線標準是物聯網成功的基礎。今天,標準組織正準備發佈各種通訊協議規範。這將是我們看到其成熟和發展產品上市的一年。


物聯網成像未來應用

首先,讓我們具體看看作為實現物聯網的一部分,攝影機可能用在什麼地方。我們認為有大量的應用可能性,這裏僅舉幾例:


1.家居安全防護系統—透過物聯網的實施,可經智慧手機訪問家庭影像監控系統。因此,進入其家中的人的身份完全暴露於用戶面前。這技術還允許引入「智慧鎖」和「智慧門鈴」,通過使用的攝影機來追蹤個人—適用時允許他們進入和限制訪問。


2.照明控制系統—物聯網意味著家居或辦公環境的照明將不再依賴於簡單地開關。利用系統級晶片功能的感測器,可獲取用於照明控制的有用資訊。圖像分析有助於檢測運動,通過量測光照水準的突然變化,進而用於照明控制。物聯網照明還可用於停車場—使其更環保、更安全、更高效能。


3.無人機—由於與該設備相關聯的成本顯著降低,目前正見證一個激增的無人機市場。這些有能力完成各種不同任務的無人機,有著合乎要求的成像能力。例如,在農業方面,它們可被用來查找灌溉基礎設施的滲漏、或量測農作物及牲畜。它們在災難相關方面也有令人難以置信的價值,好比提供地面即時評估情況。大量無人機現在採用內置或附屬的攝影機,提供空中所拍的所有圖像。它們能在SD卡上儲存圖像,或向行動設備提供現場直播。



圖一
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4.遠端病人監控—這是一種在傳統臨床設施以外監測病人的技術。這有助於提高護理水準,使病人和其家人都能安心。同時,病人可保持一定程度的自由和獨立,改善他們的生活品質。成像技術結合高效能無線技術,在此領域帶來極大的益處。圖像感測器可進行被動監控,確保目標在不同房間移動而不只是待在原地不動。這可以用一種完全非侵入式的方式進行,而不捕獲任何詳細圖像數據,完全清楚此人目前在哪個房間。在其他應用中,可連接到寶寶嬰兒床的攝影機系統正在開發中,以監控寶寶是睡著了還是醒著。先進的圖像分析還可用來監控新生兒生命徵象。


5.手持設備—物聯網的出現正促進包含如微型顯微鏡和光譜儀等功能在內的下一代手持設備的發展。這顯然開發了成像技術的多種可能性。例如,這些光譜儀可提供您正在吃的食物之化學成分。


6.其他應用—基本上任何需要定期從遠端位置獲取成像數據、同時需免去沉重的財務投資的應用場景,可能需要實施某種形式的物聯網。這可能是從工業控制到野生動物種群監控、從家用電器到智慧測量系統的任何應用。在這領域安置工作人員去完成這些任務的費用通常過高而不合理,但通過物聯網成像可採取更具成本效益的方法。


影響物聯網成像部署的動態

過去幾年的一些發展將證明物聯網成像的優勢,並將其納入廣泛的應用。現在生產的圖像感測器是:


1.更緊密—這使其更易於整合到系統設計中,特別是需考慮空間限制的應用。


2.更高解析度—因此能利用先進的畫素技術獲取更大量的數據。


3.提高靈敏度—將提高準確度。


4.總成本—5年前圖像感測器的成本在某種程度上只能令人望而卻步,如今製造技術和工業的改進已讓產品可進入標價較低的市場。


通訊標準

在各種物聯網應用中,部署了大量競爭性的通訊協議。對有線應用,將通過建立如USB、乙太網等協議實施。無線介面更是一個合成包—使用如Wi-Fi、Wi-Fi Direct、藍牙低功耗(BLE)、ZigBee和Z-Wave等協議,以及新興的Thread(基於802.15.4協議的新標準,正被Google/Nest等公司推廣)和6LoWPan(基於IP version 6的低速無線個域網,也基於802.15.4)等。



圖二
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物聯網世界的最大挑戰之一是互通性—不同供應商的設備交換數據和通訊的能力。大多數情況下,這些設備絕不會相互通訊。除了集中控制這些設備,這還涉及編寫特定應用程式使設備一起工作,而絕不單獨運行。解決這此項挑戰是各種定義規範和測試程式的標準組織之主要目標,以確保設備間的互通性。2015年至少有四方力量在為帶來更有秩序的物聯網世界而努力。這是一項巨大的任務,具有廣闊的發展空間。AllSeen聯盟是一個致力於支援和推動產品、系統和服務廣泛採納的聯盟,以開放、通用的發展框架支援互聯網的一切,由一個充滿活力的生態系統和蓬勃發展的技術社群支援。它一開始作為AllJoyn框架的一部分,現在正通過其他成員公司的加入而擴張。它由巨頭如高通、微軟、SONY和LG等100家會員公司支援。


開放互聯網聯盟(OIC)將是個開放的規範,任何人都可實施,便於開發者使用。它將包含知識產權保護和品牌認證的設備(通過合規測試)和服務水準的互通性。它由思科、因特爾、聯發科和三星等公司支援,約有40家會員。


工業互聯網聯盟(IIC)成立於2014年3月,將組織和必要的技術放到一起,通過識別、組裝以加速工業互聯網的成長並促進最佳實踐。會員包括小型和大型技術創新者、垂直市場領先者、研究人員、大學和政府。其成員包括思科、AT&T、英特爾、通用電氣和IBM,目前有超過100家會員。


隨著基於視覺設備的爆發,CMOS成像儀已成為現代重要的感測器。攝影機可跟蹤人體運動、檢測目標、識別人臉、讀取遠處文字、重建三D場景,甚至可拍攝一個脈波。


很多情況下,工程師希望向他們的物聯網中添加一個圖像傳感維度,如果有以前的經驗更好。更資深的圖像系統設計工程師往往需要配合嚴格的期限,所以不能投入必要的時間和資源、從零開始開發一個物聯網成像系統。因此,採用現成的方案將是可取的。


安森美半導體圖像感測器部的IoTVDK,其參考設計有效地為工程師提供全面的為物聯網準備的成像方案。它通過MicroUSB連接或使用單節鋰電子電池供電,能通過WiFi和乙太網通訊介面,以30幀/秒進行全解析度視訊串流。此外,它還支援通過藍牙(BLE4.0)和移動平台應用程式介面(APIs)進行數據傳輸。


這參考設計的核心是一個兩百萬畫素的圖像感測器AR0230,它還包含一個Gainspan WiFi模組(支援802.11n)。圖像數據的處理通過採用ARM9核的DM368數位媒體系統級晶片(SoC)完成。支援所有3個主要的雲端平台(AWS、Azure和Google Cloud)。內建的無源紅外線(PIR)感測器支援智慧視訊串流,使系統視頻流只在運行被檢測到時發生。得益於整合進該參考設計之功能水準,為工程師提供支援「框架外」整合的全面的成像方案。


結語

互聯網顯然是在人類歷史上最強大/有影響力的作品,而物聯網則是下一步演進。我們已看到簡單卻具突破性的產品完全打破市場。這些產品的核心是智慧和連接的攝影機,採用先進的圖像感測技術。改進CMOS圖像感測器的畫素性能使光靈敏度能等同於CCD圖像感測器。更小尺寸、更低功耗和低成本的CMOS圖像感測器採用全新元件類,並支援CMOS圖像感測器在無數應用中迅速普及。在圖像感測器技術的推動下,攝影機讓更多地連接到我們的設備、汽車、家居及最重要的人們。CMOS圖像感測器打開了一扇窗,並帶人們進入前所未知的生活。


(本文作者Radhika Arora任職安森美半導體圖像感測部產品線經理)


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