橫跨物聯網和大(da)健康兩(liang)個萬億級市(shi)場的(de)傳感器，正(zheng)在迎來強勁增長動(dong)力。過(guo)去十(shi)年間，搭載(zai)多種傳感器類型的(de)智(zhi)能手(shou)表(biao)、手(shou)環等，可以測(ce)量步數、心跳(tiao)等數據，已經成為很多人必不(bu)可少(shao)的(de)隨身設(she)備。
隨著可穿戴設備應用的成熟，傳感器在大健康的應用場景也在不斷拓展。不僅用于兒童的看護，居家養老方面也得到更多應用，通過與多種家居設備聯動使用，有望構筑云端一體的智慧醫療新體(ti)驗。據ABI Research數據，未來十年(nian)內(nei)，居(ju)家(jia)場景中健康管理(Home Healthcare)產品(pin)的(de)安裝量(liang)將由2022年(nian)的(de)2000萬臺(tai)增長至2023年(nian)的(de)1.8億臺(tai)。
英(ying)飛(fei)凌科(ke)技大中(zhong)華區(qu)電源(yuan)與(yu)傳(chuan)感系(xi)統事(shi)業部應用(yong)市場總監李國(guo)豪(hao)，日前(qian)在(zai)接受媒體采訪(fang)時(shi)表示(shi)，海(hai)量健康(kang)設(she)(she)備(bei)中(zhong)，各(ge)類傳(chuan)感器扮演著關鍵(jian)角色。以往(wang)在(zai)醫療(liao)健康(kang)監測(ce)領域，傳(chuan)感器多應用(yong)于專業級健康(kang)醫療(liao)設(she)(she)備(bei)。英(ying)飛(fei)凌通過對傳(chuan)感器在(zai)封裝、尺寸、成本上的(de)優化(hua)設(she)(she)計，將多種傳(chuan)感器從工業應用(yong)拓展(zhan)到消費電子(zi)產品(pin)中(zhong)。并(bing)與(yu)智慧健康(kang)領域的(de)合(he)作(zuo)伙伴攜(xie)手進行(xing)方案(an)設(she)(she)計，讓消費類電子(zi)產品(pin)成為監測(ce)功能的(de)載體，并(bing)在(zai)健康(kang)管理以及(ji)監測(ce)方向落地(di)。
“作為數據收(shou)集的起點和重要來源，傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)就像人體感(gan)(gan)官一樣(yang)，對環(huan)境進行感(gan)(gan)應”, 李國豪介紹了英飛凌幾大類(lei)(lei)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的特征，“高精(jing)度(du)毫米波雷(lei)達傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)、3D ToF飛行時間傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)，就類(lei)(lei)似(si)于人的眼(yan)睛，用(yong)于人員/障礙物監測；超高信噪比MEMS麥克風、XENSIVE PAS CO2二氧化碳傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)相當于耳朵(duo)和鼻子(zi)；精(jing)準的壓力傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)，則像人類(lei)(lei)的皮膚一樣(yang)具備感(gan)(gan)知功能。”
不同傳感器如何應用于智慧健康領域？
雷達傳感器
英飛(fei)凌雷達傳感器首(shou)次在(zai)(zai)全(quan)世界亮相是2016年的(de)谷(gu)(gu)歌開(kai)發(fa)者大會上(shang)。當時，在(zai)(zai)谷(gu)(gu)歌還未正(zheng)式(shi)發(fa)布的(de)Pixel 4手(shou)機(ji)上(shang)成功演示了感知、以及手(shou)勢偵測等功能。直到現在(zai)(zai)，谷(gu)(gu)歌仍在(zai)(zai)持續地使用(yong)該雷達產品，它(ta)也進一步影響整個市場雷達的(de)開(kai)發(fa)、使用(yong)的(de)想法(fa)，以及一些創新的(de)應用(yong)案例(li)。
英飛(fei)凌(ling)科技大中華(hua)區電(dian)源與傳感系統事業部(bu)高(gao)級市(shi)場經理吳柏(bo)毅介(jie)紹，雷達的功能和(he)特性(xing)十分強大，可(ke)(ke)(ke)以感知到任何(he)微小(xiao)的移(yi)動，包括呼(hu)吸時胸腔微小(xiao)的位移(yi)，由(you)此(ci)可(ke)(ke)(ke)以做生(sheng)命(ming)體征的監測(ce)，去(qu)感知距離(li)、位置(zhi)、速度(du)、角度(du)等數據信息，之后進一步利用算法可(ke)(ke)(ke)以實現呼(hu)吸、心跳、手(shou)勢、追蹤等各方面應用。
此外(wai)，雷達(da)波可以(yi)穿透(tou)任何(he)不具導電(dian)物質(zhi)的(de)表面以(yi)及外(wai)殼(ke)，即使安裝到產品內部也不受影(ying)響。且(qie)(qie)不容易受客觀(guan)(guan)環(huan)境如燈光(guang)、粉塵等影(ying)響，可以(yi)更精(jing)確地識別手掌(zhang)的(de)運動和追蹤，并且(qie)(qie)在(zai)外(wai)觀(guan)(guan)設(she)計更加靈活、美觀(guan)(guan)。
雷(lei)達傳感器的工作原理(li)如下(xia)，從左(zuo)至右依(yi)次(ci)是雷(lei)達傳感器、MCU和消費者(zhe)終端(duan)，探測到的數據信息以反(fan)射(she)波的形式在處(chu)理(li)器中進行運算，輔(fu)以固件開發、算法處(chu)理(li)等，能夠(gou)滿足不同使用者(zhe)的需求。
英飛凌PSS部門最新推出了兩款雷達(da)傳感器BGT60LTR11AIP和BGT60TR13C。前者基(ji)于(yu)毫(hao)米波多普勒(le)效(xiao)應(ying)打(da)造(zao)，主要面(mian)向運(yun)動檢(jian)測(ce)類應(ying)用，開啟自(zi)動模式時探測(ce)距離可(ke)達(da)5米，水平視角(jiao)約(yue)80度(du)，平均功(gong)耗小于(yu)5毫(hao)瓦；后者采(cai)用一發三收(shou)的硬(ying)件架(jia)構，平均功(gong)耗20-30毫(hao)瓦，頻(pin)寬(kuan)大于(yu)5GHz，解(jie)析度(du)3厘(li)米，搭配(pei)不同的高(gao)級算(suan)法，可(ke)以實現手(shou)勢辨識(shi)、室內人員存在感知、追蹤，甚至心跳監測(ce)等(deng)功(gong)能。
吳柏毅表示，毫米波雷達芯片應用于健康監(jian)測設(she)備(bei)中，可以實現全(quan)天(tian)候、非(fei)接觸、不侵犯隱(yin)私的數據記錄。在清(qing)雷(lei)科技發(fa)布(bu)的“貝加安(an)智(zhi)(zhi)慧康養生命支持系統”和智(zhi)(zhi)能呼(hu)吸(xi)睡(shui)(shui)眠監(jian)測設(she)備(bei)中，就使用了BGT60TR13C毫(hao)米波雷(lei)達芯(xin)片。在智(zhi)(zhi)能呼(hu)吸(xi)睡(shui)(shui)眠監(jian)測設(she)備(bei)中，采用了毫(hao)米波雷(lei)達層析(xi)感知(zhi)技術。通(tong)過(guo)2.5cm分(fen)辨率層析(xi)譜和100ms刷新(xin)周(zhou)期，能夠從(cong)睡(shui)(shui)眠、呼(hu)吸(xi)、心率、體動(dong)、睡(shui)(shui)姿等多維度進行(xing)監(jian)測。
談及這(zhe)些產品的(de)開發難(nan)點(dian)，吳柏毅介紹，毫米波(bo)雷達傳(chuan)感器最大的(de)挑戰在于算(suan)法，通常的(de)做法是將距(ju)離(li)、位置、速度、角度信息與雷達不同的(de)工作(zuo)原理(li)和算(suan)法相(xiang)結合，形成(cheng)組合方案(an)。當然，隨(sui)著算(suan)法的(de)不同，雷達傳(chuan)感器所匹配的(de)MCU或處理(li)器也不相(xiang)同，因此成(cheng)本、功耗會存在差異，這(zhe)完(wan)全取決(jue)于最終的(de)應用場景所需。
在主打的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)方(fang)向方(fang)面(mian)，BGT60TR13C適用(yong)(yong)于先進的(de)(de)(de)雷達傳感(gan)，同時(shi)也適用(yong)(yong)于高階的(de)(de)(de)FMCW算法，通過這些(xie)復雜(za)的(de)(de)(de)訊號(hao)處(chu)理(li)，可以(yi)實現手勢控制、生命體(ti)征監測以(yi)及人(ren)員追(zhui)蹤等功能； BGT60LTR11AIP則是取代紅外傳感(gan)的(de)(de)(de)最佳方(fang)案(an)(an)，利用(yong)(yong)其集成基帶以(yi)及集成天線封(feng)裝技術(shu)，可以(yi)更精準地偵(zhen)測運動(dong)方(fang)向，并且對于使(shi)(shi)用(yong)(yong)者(zhe)沒有要求，任何人(ren)都可以(yi)直接(jie)使(shi)(shi)用(yong)(yong)以(yi)及偵(zhen)測。這些(xie)產(chan)品豐(feng)富了英飛凌的(de)(de)(de)產(chan)品方(fang)案(an)(an)組合(he)，也極大拓寬了雷達方(fang)案(an)(an)的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)場景。
ToF傳感器
英飛凌科技大中華區電源與傳感系統事業部高級市場經理張鐵虎回顧，2013年，英飛凌和pmd technologies就在ToF領域展開合作，并于2015年推出第一代ToF圖像傳感器REAL3。此后，英飛凌保持著每年推出一代產品的節奏，2021年，英飛凌推出了第六代ToF產品，具備了更遠距離檢測的能力(達到10米距離)，這是為了適應未來元宇宙的(de)(de)(de)應用需(xu)求，以(yi)及(ji)更加適配AR應用的(de)(de)(de)需(xu)求(包括圖(tu)像功能增強和(he)低功耗需(xu)要(yao))。他強調，英(ying)飛凌(ling)是(shi)最早(zao)進(jin)入ToF領域的(de)(de)(de)廠商之一，同時也是(shi)在消費(fei)類產(chan)品中實現大(da)量量產(chan)的(de)(de)(de)廠商。
目前看來，ToF傳感器在掃地機器人(ren)和AMR中的(de)應用最(zui)為廣泛。這些產品(pin)的(de)共同(tong)特點(dian)都是(shi)需(xu)要對(dui)工作空間、障(zhang)礙物形(xing)狀(zhuang)進行(xing)判斷，并實(shi)現智能構圖和路徑規劃，從而達到高(gao)效(xiao)運轉的(de)目的(de)，這就(jiu)需(xu)要精(jing)準的(de)圖像(xiang)探測(ce)。
在(zai)汽(qi)車領域，包括駕(jia)駛(shi)員(yuan)檢(jian)(jian)測、駕(jia)駛(shi)員(yuan)Face ID驗證、乘客檢(jian)(jian)測、燈光(guang)座椅調整在(zai)內的Smart in-cabin sensing(駕(jia)艙內智能感應(ying))，以(yi)及(ji)自動泊車輔助、車門避(bi)障在(zai)內的車外應(ying)用(yong)，都是ToF熱門的應(ying)用(yong)領域。
在健(jian)康(kang)監測(ce)領域(yu)，ToF可被用(yong)于跌(die)倒檢(jian)測(ce)。這是高分辨率ToF傳感(gan)器的優勢領域(yu)，因為既能(neng)得到清晰的圖(tu)像(xiang)，又能(neng)保護隱私。張鐵虎介紹(shao)了騰訊(xun)即視智慧養老(lao)解決方(fang)案，基于英飛凌REAL3 3D飛行(xing)時(shi)間(jian)圖(tu)像(xiang)傳感(gan)器IRS2381C，能(neng)提(ti)供7*24小(xiao)時(shi)的安(an)全(quan)事件(jian)識(shi)(shi)別(bie)、健(jian)康(kang)數(shu)據分析、場景識(shi)(shi)別(bie)及(ji)定位等(deng)能(neng)力。
XENSIVE PAS CO2傳感器
二(er)(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)(tan)濃(nong)度(du)是(shi)空(kong)氣質量的一項關鍵指標，在(zai)(zai)人(ren)多擁擠(ji)、通(tong)風不(bu)良的環境下，二(er)(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)(tan)濃(nong)度(du)會(hui)快速上(shang)升。如果一個人(ren)在(zai)(zai)大約(yue)4平方米的空(kong)間中，二(er)(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)(tan)濃(nong)度(du)值會(hui)在(zai)(zai)45分鐘之(zhi)內(nei)從(cong)500PPM上(shang)升到1000PPM以(yi)上(shang)。室內(nei)二(er)(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)(tan)濃(nong)度(du)越高，室內(nei)人(ren)員舒適度(du)越低(di)，當濃(nong)度(du)達(da)到1000PPM以(yi)上(shang)時，人(ren)們會(hui)感到困(kun)倦、難(nan)以(yi)集(ji)中注意力；濃(nong)度(du)達(da)到2000PPM以(yi)上(shang)，甚至認知(zhi)能力會(hui)受到影響(xiang)。高濃(nong)度(du)除了(le)會(hui)對人(ren)體(ti)健康造成風險之(zhi)外，在(zai)(zai)住宅(zhai)和商業建筑(zhu)采用(yong)有(you)效的空(kong)氣質量監控會(hui)有(you)助于節約(yue)能源(yuan)，同時降低(di)相應(ying)的成本。
英飛(fei)凌科技大中華(hua)區電源(yuan)與傳感系(xi)統事(shi)業部市場經(jing)理劉菊表示，通過對空氣中的(de)二(er)氧化碳濃度進行監測，能(neng)夠有針對性地對空氣質量進行控(kong)制(zhi)，有助于改善人們的(de)健康狀況(kuang)，提(ti)高生活(huo)的(de)舒適度和(he)提(ti)高工作(zuo)效率。另一方面，按照需要來(lai)控(kong)制(zhi)和(he)使用通風(feng)(feng)系(xi)統，可(ke)以節約能(neng)源(yuan)，降(jiang)低通風(feng)(feng)系(xi)統的(de)運行成(cheng)本。
憑借(jie)MEMS技(ji)術(shu)(shu)的經(jing)驗(yan)，英(ying)飛(fei)凌成功開發了(le)以(yi)光聲(sheng)光譜技(ji)術(shu)(shu)為(wei)基(ji)礎的新型(xing)XENSIVE PAS CO2 二氧(yang)化(hua)碳傳(chuan)感器(qi)，這款產品(pin)基(ji)于(yu)(yu)光聲(sheng)光譜(PAS)原(yuan)理，幾乎實現了(le)目前最小的封裝尺寸，包含紅(hong)外(wai)光源、光學濾波(bo)片、MEMS麥(mai)克風(feng)傳(chuan)感器(qi)和(he)MCU，相(xiang)當于(yu)(yu)一個小型(xing)系統，極(ji)大(da)幫(bang)助客戶加(jia)快了(le)產品(pin)上(shang)市(shi)時間。此外(wai)，SMD封裝支持(chi)大(da)批量、大(da)規(gui)模生產工序(xu)，基(ji)于(yu)(yu)光聲(sheng)光譜的XENSIVE PAS CO2 二氧(yang)化(hua)碳傳(chuan)感器(qi)是(shi)目前較好的選擇(ze)。
據劉菊(ju)介紹(shao)，與(yu)基于(yu)NDIR、EC和(he)(he)(he)eCO2原理的XENSIVE PAS CO2二氧(yang)化碳傳感器(qi)(qi)相比，PAS技術(shu)采用(yong)(yong)了(le)MEMS麥克風作為檢測器(qi)(qi)，靈敏(min)度高，減(jian)少了(le)器(qi)(qi)件和(he)(he)(he)設計的復雜性(xing)，比市場(chang)上現有的NDIR傳感器(qi)(qi)產品尺(chi)寸縮小了(le)4倍，重量減(jian)輕了(le)3倍，能夠節省75%以上的空間，同時(shi)自帶補償算法，非(fei)常適合大批(pi)量的工業應(ying)用(yong)(yong)和(he)(he)(he)消費類的應(ying)用(yong)(yong)。另(ling)一方面，EC和(he)(he)(he)eCO2的精(jing)度和(he)(he)(he)指向性(xing)比較弱，而且容易(yi)受到濕度的影(ying)響。
傳感器在智慧健康領域的發展趨勢？
相(xiang)較于(yu)汽車、工業(ye)等領域的(de)傳感器產品，家用智慧(hui)健康監測設(she)備(bei)在(zai)感應距離(li)和(he)(he)敏感度(du)方面(mian)都不一樣，并且，在(zai)室(shi)內的(de)小空間，存在(zai)很多反射和(he)(he)干擾。這些都是傳感器在(zai)家庭智慧(hui)健康監測領域的(de)現實問題。與此同時，應用場景和(he)(he)需求極度(du)的(de)碎(sui)片化、且對功耗要(yao)求更為嚴苛，這都給傳感器設(she)計帶來了更大挑戰(zhan)。
對此，李國豪表(biao)示(shi)，英飛凌(ling)在傳(chuan)感器(qi)的開發方面已(yi)有(you)多(duo)年積淀(dian)，形成了豐富的傳(chuan)感器(qi)產(chan)品(pin)線和(he)多(duo)種產(chan)品(pin)規格。結合傳(chuan)感器(qi)、處(chu)理器(qi)、安(an)全芯片等(deng)產(chan)品(pin)，除了傳(chuan)感功能，還可(ke)以加入(ru)更多(duo)的IoT、無(wu)線等(deng)功能，讓(rang)智慧健康監測變(bian)得更容易，走入(ru)更多(duo)家庭中得以應用。
在(zai)持續開(kai)(kai)(kai)拓(tuo)新應用方(fang)面，將(jiang)(jiang)會通(tong)過不同(tong)商業模(mo)式(shi)、不同(tong)合作(zuo)方(fang)式(shi)，與不同(tong)生態圈的合作(zuo)伙(huo)伴(ban)，通(tong)過多種模(mo)式(shi)進(jin)一步觸達新的應用藍海。目(mu)前(qian)，英飛凌正在(zai)開(kai)(kai)(kai)啟智慧健康監測(ce)領域的更多新應用，通(tong)過與合作(zuo)伙(huo)伴(ban)進(jin)行算法(fa)提升，未來將(jiang)(jiang)在(zai)健康管(guan)理方(fang)面發揮重(zhong)大功效，開(kai)(kai)(kai)拓(tuo)更多的新機(ji)遇。
以(yi)智慧養老(lao)(lao)(lao)為例，通過毫米波雷(lei)達、ToF等(deng)(deng)設備無(wu)接觸偵(zhen)測老(lao)(lao)(lao)年人(ren)生(sheng)(sheng)活狀(zhuang)態的應(ying)用需求已(yi)(yi)經比較明確，例如偵(zhen)測靜坐(zuo)及(ji)睡眠時的呼(hu)吸、心率(lv)狀(zhuang)況；或是偵(zhen)測在(zai)屋內行(xing)走有(you)無(wu)跌(die)倒(dao)等(deng)(deng)狀(zhuang)況。再結合(he)市(shi)場上(shang)已(yi)(yi)有(you)的線上(shang)醫(yi)生(sheng)(sheng)、甚至是保險服務等(deng)(deng)，能夠(gou)形成智慧醫(yi)療、智慧養老(lao)(lao)(lao)生(sheng)(sheng)態圈的聯動(dong)發展(zhan)。
此外，一(yi)些智(zhi)慧康養(yang)生命(ming)支持系統可面向(xiang)康養(yang)機構(gou)、社區養(yang)老(lao)、居家養(yang)老(lao)、醫療機構(gou)等多種應(ying)用場(chang)景，提供(gong)危(wei)險信息及(ji)時(shi)告(gao)(gao)警，包括(kuo)離床告(gao)(gao)警、跌倒告(gao)(gao)警、呼吸(xi)急促或心(xin)跳過(guo)緩告(gao)(gao)警、呼吸(xi)暫停(ting)告(gao)(gao)警等。同時(shi)，它還能實現(xian)潛在(zai)風險提前(qian)預測(ce)，包括(kuo)睡眠質量分析、跌倒風險預測(ce)、生命(ming)活力評估、呼吸(xi)慢病AI輔助診(zhen)療等功能。
“不過，由于場景多、需求復雜，因此多傳感器融合方案目前面臨的最大挑戰仍是算法，尤其是在算法的相互配合和可靠性方面”，李國豪補充，“通過引入人工智能和機(ji)器學(xue)習，補充更多邏輯功能來強化數(shu)據的(de)分析和處理，將成(cheng)為下一步(bu)的(de)重要趨勢。”
近(jin)年來，英飛凌致力于發(fa)展“感知、計(ji)算、執行、連(lian)接、安(an)全”五大方向的(de)物聯網(wang)能力，這些技術能力相互配合(he)，有利(li)于提供更為(wei)完整的(de)傳感器(qi)解決方案。
李國豪表(biao)示，除了應(ying)用(yong)于智慧(hui)健康(kang)領域(yu)的(de)多種傳感(gan)器，英飛凌還有用(yong)于安(an)防的(de)傳感(gan)器，通(tong)(tong)過網絡通(tong)(tong)知入侵狀況。在(zai)智能音(yin)箱這(zhe)個(ge)典型(xing)的(de)應(ying)用(yong)中，通(tong)(tong)過硅麥克風、雷達，再加上(shang)軟件(jian)算法，能夠(gou)判斷(duan)用(yong)戶是否(fou)靠近智能音(yin)箱，以此來控(kong)制屏幕亮度。
“各(ge)類傳感器可以(yi)收集到不(bu)同類型的(de)數(shu)據(ju)(ju)(ju)，不(bu)論是聲音(yin)、感應還是其他可以(yi)量化的(de)數(shu)據(ju)(ju)(ju)，這些(xie)數(shu)據(ju)(ju)(ju)在(zai)數(shu)字化生活中越(yue)來(lai)越(yue)重要”，李(li)國豪說，“用戶通過(guo)傳感器采(cai)集到的(de)這些(xie)數(shu)據(ju)(ju)(ju)，再加上合適(shi)的(de)算法、邏輯，能夠開發出更(geng)多、更(geng)豐富的(de)應用方(fang)案，未來(lai)的(de)落地點(dian)非常廣泛，機遇也多種多樣。”
