传感器和换能器实现无线化并变得更智能

传感器和换能器的最新发展表明，人们越来越重视物联网的连接性、更集成的独立解决方案的智能以及精度和准确性方面的更高性能。

推动这些发展的应用包括资产和设备跟踪和传感、可穿戴设备、汽车和智能手机应用，例如虚拟现实和增强现实。特别是，由于技术转向 76 至 81 GHz 毫米波频段，用于汽车的基于雷达的测距和位置传感已取得显着改进。

对于需要快速响应客户需求的开发人员来说，传感器的集成封装也是一个关键的推动因素，尤其是在消费类应用中。Bosch Sensortec GmbH 专注于消费者领域，根据战略营销高级经理 Wolfgang Schmitt 的说法，最终用户对更好、更可靠和更有说服力的用例的需求越来越大。“这通常会受到传感器性能的影响，”他说，特别是指更高的精度。

这适用于智能手机中内置的六轴惯性测量单元 (IMU)。此外，在健身追踪器中，“加速度传感器的更高性能和更复杂的计步算法直接导致更准确的计步数字。”

Bosch Sensortec 最新发布的两款产品 BMA456 和 BMA423 直接体现了这一主题，以及添加更多集成功能以及更多独立处理和控制功能的趋势(图 1)。

图 1：Bosch Sensortec 的 BMA456 和 BMA243 低功耗 MEMS 加速度传感器专为运动和健身追踪而设计。图片来源：Bosch Sensortec。

BMA456 和 BMA243 包括一个优化的计步器，用于直接集成到传感器中的可穿戴设备，无需额外的外部微控制器。这有助于设计人员将成本和功耗控制在可接受的范围内，从而降低设计复杂性并缩短上市时间。

关键参数包括 16 位分辨率、120 ?g√Hz 的噪声系数和仅 20 mg 的生命周期内的总偏移。步进计数器功能的功耗低于 30 ?A，封装尺寸为 2 x 2 mm，高度为 0.65 mm。这些传感器还可用于高级手势识别，例如手腕倾斜，并可以检测跑步、步行和静止不动等活动。

LoRaWAN 和 Sigfox 争夺最佳无线连接随着物联网的不断扩展，现在可以通过 LoRaWAN 和 Sigfox 通过低功耗、广域网连接传感器，覆盖范围可达 50 公里。虽然范围对于快速部署数百或数千个节点而对地役权的担忧最小化至关重要，但低功耗同样重要，10 年的电池寿命是常见的参考点。

LoRaWAN 得到 LoRa 联盟的支持，该联盟最近超过了 500 个成员点。与 Sigfox 的许可频段操作相比，它在未经许可的频段上运行。它受到了有限的硅可用性的阻碍，Semtech 是收发器的唯一供应商，而 Microchip 则提供基于该收发器的模块。然而，意法半导体已加入该集团，并且已经在生产硅。瑞萨电子也加入了，预计也会这样做。

即使 LoRaWAN 增加了芯片供应商的数量，这两个接口仍将继续为设计人员提供良好的连接选择，蜂窝运营商的窄带物联网也是如此。

与此同时，出现了一些有趣的传感器选项，例如 Adeunis RF 的 LoRaWAN 传感器收发器(图 2)。

图 2：LoRaWAN 传感器收发器接收任何传感器输出并将其转换为 RF 信号以实现 LoRaWAN 无线连接。图片来源：Adeunis RF。

虽然将更多智能集成到每个新传感器中很诱人，包括无线连接，但这确实增加了成本和空间，同时还要求传感器供应商承诺使用一个或多个接口。这可能会导致多个 SKU 和潜在的库存管理成本。还有一个问题是如何处理传统传感器：它们如何连接到新的无线网络?

Adeunis RF 的收发器通过获取任何传感器 I/O 信号并将其转换为在 LoRaWAN 无线网络上运行，从而从传感器中提取无线接口。I/O 可以包括 0–10 V 和 4–20 mA 等。结果是，新旧传感器(例如温度、压力、湿度和 CO 2等传感器)都可以通过 LoRaWAN 快速轻松地连接到物联网。

该接口的射频功率为 14 dBm (25 mW)，射频灵敏度高达 –140 dBm，范围为 10 km。它支持 LoRaWAN V1 网络协议。

汽车雷达跳到更宽的带宽最近的监管要求汽车雷达从 24 GHz 到 76 到 81 GHz 频段的转变带来了许多明显的优势。这些优势包括由于更高的工作频率和更宽的带宽而导致的更小尺寸的组件，后者为更高分辨率的检测打开了大门。

为了帮助设计人员利用更高频段的操作，德州仪器推出了三款新的雷达传感器器件：AWR1642、AWR1443 和 AWR1243(图 3)。它们因 ARM Cortex-R4 处理器和 DSP 支持的级别以及发送和接收通道的数量及其采样率(12.5 或 37.5 Msamples/s)而异。全部工作在 76 至 81 GHz 频段。

图 3：AWR1642 是用于汽车的三种 76 至 81GHz 角雷达解决方案之一：与其他两种相比，它更侧重于短距离应用。图片来源：德州仪器。

坚持汽车，但在换能器方面，TI 还推出了带有换能器驱动器和信号调节器的 PGA460 超声波 SoC。该芯片具有互补的低侧驱动器对，可以在使用升压变压器的基于变压器的拓扑中或使用外部高侧 FET 的直接驱动拓扑中驱动超声波换能器(图 4)。它还可以接收和调节反射回波信号以进行物体检测。

图 4：PGA460 是符合 AEC-Q100 标准的汽车超声波信号处理器和换能器驱动器。图片来源：德州仪器。

雷达和超声波信号都被纳入半自动和自动驾驶汽车(参见智能汽车发射自动登月)。除了激光雷达、摄像头，甚至红外传感器，它们都被纳入最佳传感系统，以最大限度地提高道路安全性和驾驶效率。

触觉反馈控制结合了传感器和换能器与机器或汽车仪表板交互的方式有很多种，但英国初创公司 Ultrahaptics 开发了一种方法，可以感应手的位置，然后向手指或手发送精确的目标超声波脉冲表面，这样它就可以感觉到整个世界就像用户在半空中触摸一个旋钮或按钮(图 5)。

图 5：Ultrahaptics 的触觉反馈系统可以使用任何手势感应技术。它的区别在于它对手部使用超声波脉冲来提供 3D 触摸感觉。图片来源：Ultrahaptics。

尽管该技术自 2013 年以来一直处于不同的发展阶段，但现在它在汽车和医疗应用中越来越受欢迎。这两个应用程序脱颖而出，因为设计师可以使用 Ultrahaptics 的技术来开发一个不需要视觉协调的系统，这会分散驾驶员的注意力。它也不需要医生或医疗领域的其他人接触可能被污染的表面。

审核编辑：汤梓红