通用智能传感集线器(Sensorhub)介绍

Posted 2023-03-31

参考技术A 摘要：   智能传感集线器，也称之为Sensor hub，是一种基于低功耗MCU和轻量级RTOS操作系统之上的软硬件结合的解决方案，其主要功能是连接并处理来自各种传感器设备的数据。

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1.通用智能传器集线器概要  

智能传感集线器，也称之为Sensor hub，是一种基于低功耗MCU和轻量级RTOS操作系统之上的软硬件结合的解决方案，其主要功能是连接并处理来自各种传感器设备的数据。诞生之初的目的主要是为了解决在移动设备端的功耗问题。现在随着业务的不断增加，其功能和性能都在不断迭代更新。

1.1 物理传感器  

在嵌入式移动设备中，比如智能手机，智能穿戴，家用医疗设备和其他一些智能硬件设备，所用到的物理传感器一般都是MEMS传感器即微机电系统（Microelectro Mechanical System）传感器。经过几十年的发展，已经成为了世界瞩目的重要科技之一，同时也涉及到了电子，机械，物理学等多学科的领域。和传统的传感器相比，MEMS传感器体积更小，重量轻，成本低，功耗低，可靠性高，易于集成开发等优势。目前，MEMS传感器主要有加速度计(Accelerometer)，磁力计(Magnetometer)，陀螺仪(Gyroscope)，光感计(Ambient light sensor)，接近光(Proximity)，气压计(Barometer/pressure)，湿度计(Humidometer)等等，按类型可以分为环境类传感器，运动类传感器，健康类传感器。

1.1.1 加速度传感器  

加速计（Accelerometer）也叫重力传感器，是可以感知任意方向上的加速度（重力加速度则只是地表垂直方向加速度），加速计通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向（X，Y，Z）。其原理是根据传感器内部的振动结构，由于外界加速度会影响到内部结构的振动特性，来测量到物体的加速度。加速度计的用途很多，只要跟智能硬件（比如手机）运动相关的几乎都与加速度计有关（计步、手机的姿态测量、相关的游戏等等） 。

1.1.2 陀螺仪传感器  

陀螺仪，在传感器内部有个三轴的陀螺。陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，然后来计算角速度，从而可以由夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。陀螺仪的用途也非常多，比如数码照相防抖，以及配合加速度计（有的还有磁传感器或者GPS等）形成的融合传感器来完成更高级的功能（如惯性导航）。

1.1.3 磁力计传感器  

磁力计（Magnetic）也叫地磁计、磁感器，可用于测试磁场强度和方向，磁力计的原理跟指南针原理类似，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

1.1.4 环境光感传感器  

环境光传感器可以感知周围光线强度。例如，在手机、笔记本、平板电脑等移动应用中，可以根据外界的亮度来实现自动调节背光亮度等，从而降低产品的功耗。

1.1.5 接近光传感器  

接近光传感器用于检测红外信号，其主要检测的是外部的红外线LED的信号。这个LED向外发出红外线，当有物体接近传感器的上方时，进入红外线的发射区域，有些红外线会被发射回传感器。现在还有基于激光的接近光传感器，比如ToF sensor等，可以测距范围在2-4米左右。

1.1.6 气压计传感器  

气压计主要是由一个真空盒式气压传感器，靠气压导致真空盒形变，上下两块电容板距离改变，电容改变来测量大气压值。

1.1.7 湿度计传感器  

主要原理是把空气中的温湿度通过一定检测装置，测量到温湿度后，按一定的规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，从而来检测出当时的温度值。

1.1.8 紫外线传感器  

紫外线传感器（UV）是利用光敏元件将紫外线信号转换为电信号的传感器。

1.1.9 PM2.5传感器  

PM2.5激光传感器是一款通用细微颗粒物浓度传感器，采用激光散射原理。即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度用探测器接收散射光，产生的光电流经放大后，得到电信号与颗粒物的对应曲线，经过一系列算法得出单位体积内不同粒径的颗粒物质量。从而获得空气中单 位体积内PM2.5的质量数据。PM2.5传感器主要用于嵌入各种细微颗粒物浓度相关的仪器仪表、环境改善设备，如空气净化器。

1.2 智能传感器硬件框架  

根据不同的终端设备和业务场景需求，当前的传感器硬件框架主要可以分为三种，MCU内置型，MCU外置型和MCU独立型。硬件组件主要有低功耗MCU，比如ARM7，ARM9和cortex M系列为主，外设主要是MEMS传感器，如加速度，陀螺仪等等。

1.2.1 MCU内置型  

目前主要是在智能手机中存在这样的硬件方案，SOC上运行安卓或者ios，MCU上运行轻量级的RTOS。 

1.2.2 MCU外置型  

在没有内置型硬件架构之前，市面上的很多智能设备都基于这样的硬件方案。当然，目前这样的硬件方案还有很大的市场。 

1.2.3 MCU独立型  

这种硬件方案主要是用于各种智能硬件设备，比如智能手环，扫地机器人等等。

1.3 智能传感器软件框架  

本章节主要是介绍智能传感器的软件部分，在此之后，也将称之为sensorhub。主要涉及通用软件方案的概要设计和各模块的功能职责，包括了功能模块，管理模块，驱动模块等。 

通用软件组件，按上图所示，主要有sensor framework和BSP两大部分。按模块分，可以分为如下模块： 

◆ Service Manager: 负责管理各种传感器相关的算法的注册，配置等，比如管理计步器。 

◆ Device Manager: 负责物理传感器的驱动管理、电源管理和配置管理。 

◆ Sensor Service: 各种机基于理传感器数据的应用算法，比如计步器，室内导航等。 

◆ Sensor Driver: 主要是指物理传感器驱动，有些也包含了轴向映射，静态校准等功能。

1.4 传感器数据类型  

传感器数据主要分两种类型，一种是物理传感器数据，两外一种是基于物理传感器数据基础上通过算法导出的数据，可以称之为虚拟数据或者软件数据。 

1.5 基于智能传感器框架的通用业务  

随着IoT物联网时代的到来，各种智能硬件设备越来越依赖于各种传感器来实现各种智能化业务。从个人消费产品的普及，到如今的智能家居，智能城市，智能工业等无不依赖于传感器来实现其智能化。感知，连接，应用，从模拟世界到数字世界，连接的桥梁基石就是传感器。

Sensor Hub

Sensor Hub，中文名：传感器控制中心。

       Sensor Hub主要有两个功能：

　　1. 在CPU休眠的情况下，实现对传感器的实时控制，从而达到降低功耗的功能。

　　2. 将不同类型Sensor的数据进行融合，实现多种sensor数据结合才能实现的功能。

　　

         而概括地看，Sensor Hub可以执行以下操作：

　　1. 手势识别：感测人的手势，如：翻转手机，敲打手机，摇晃手机，拿起手机等手势。

　　可实现案例：翻转静音，拒接电话，摇晃切换背景图片以及拿起接听电话等功能。

　　2. 设备状态识别：感测设备的状态，如：手机面朝上/朝下， 手机在桌子上，还是在口袋里，还是在人手里。

　　可实现案例：手机在口袋里时，自动将来电铃声放至最大；而在桌子上的时候，调至静音震动模式。

　　3.用户状态识别：感测用户的状态，如：跑步，走路，站立，坐下等。

　　实现功能： 在走路/跑步时，自动打开记步功能，而站立和坐下后，暂停相关功能

     4.用户交通行为判断：感测用户乘坐交通时的状态，如：开车，坐火车，坐电梯等。

　　实现功能： 在开车状态，自动蓝牙连接；而在火车上接电话，开启消噪功能。

　　5.室内定位/室内导航：室外定位目前主要是GPS+AGPS。AGPS是通过手机附近的基站获取GPS辅助信息（包含GPS的星历和方位俯仰角等），从而帮助GPS快速，准确定位。在GPS信号不强的情况下，手机也可以通过多个手机基站进行定位。

但GPS和AGPS无法解决室内的精确定位的问题。而目前普遍的室内定位方式，则是手机通过判断与周围的WiFi路由器或低功耗蓝牙BLE设备的距离，来判断手机的室内位置。Apple采用的iBeacon技术，则就是利用低功耗蓝牙BLE实现位置定位等各种应用。

不过无论通过GPS/AGPS定位，还是通过WiFi/蓝牙的定位，通过Sensor Hub，可以融合当前运动的加速度，角速度进行惯性导航，而有了地磁的数据，可以准确的判断运动的方向，并更准确的进行室内定位。

　　而且融合了Sensor Hub的数据，可以实现更多的功能，尤其在室内室外切换。

　　常见实现功能：

　　1. 车辆突然行驶至隧道或者高架下方后，突然失去了GPS的信号，这时手机只需要通过判断当前运动的加速度和角速度，就可以准确判断车辆的运动方向。

　　2. 结合气压传感器后，可以迅速定位用户所在的楼层，帮助用户找到想去的商家店铺，或者寻车。

　　3. 若再结合摄像头， 还可以在当前拍摄画面上，进行导航。（如告知店铺位置，告知方向）

6. 在可穿戴/VR上的应用：

　　由于Sensor Hub 可以实现精准的设备状态识别和用户状态识别，所以Sensor Hub可以在可穿戴和VR上发挥很大的作用。比如抬起手，手环显示时间。比如打VR游戏的时候，VR设备通过Sensor Hub数据判断用户的状态，从而显示不同的场景。

如何实现Sensor Hub？

　　一个具有如此强悍能力的辅助，那么Sensor Hub是怎么工作的呢？据了解，它主要是需要一个MCU或DSP去处理相关的Sensor数据。

　　而在手机上，实现Sensor Hub，共有三种方式：

　　1. 将Sensor Hub 做为单独芯片，放置在CPU与各类MEMS之间。

　　优势： Sensor Hub芯片和MEMS都可以灵活切换。可选性多样化。

　　劣势： 需要支持种类多，调试难。

2. 将Sensor Hub与MEMS合二为一，接收不同sensor给来的信号进行融合，再将融合后的信号提供给AP。

　　优势： 由于sensor已经选好，调试相对简单。

　　缺点： sensor基本固定，客户不能自行选择

3. 由AP来集成Sensor Hub，sensor先将数据提供给AP内部的Sensor Hub，Senor Hub融合后再将数据提供给AP。

　　优点：sensor选择自由，有机会降低成本。

　　缺点：对AP算法难度大，AP需要与各sensor协调作战

关于sensor hub的一些看法

　　从成本来看，如果将sensor放在外面，无论是独立的还是与sensor放在一起都会增加额外的成本。而AP一方面可以通过低制程来降低MCU的成本，另一方面也可以与其他功能共同分享一个MCU，从而达到降低成本的目的。

　　从手机生态链来看，第一种是有MCU的公司希望看到的局面，不过除了像ST这种既有MCU技术又有Sensor技术的公司才有能力去做大这件事。之前Apple，Samsung用的就是这种方案。但Apple最新方案用的是第三种。而Sensor公司肯定希望做第二种，因为这样一方面可以打包销售自己所有的Sensor，另外一方面也可以提升自己的Revenue。但是多数Sensor公司在MCU领域并没有太多的耕耘。第三种则是AP供应商希望实现的方式。而目前来看，也是客户最想看到的方式。虽然这样会要求AP厂商实现相关的算法，但对终端客户来看，这样也能更方便选择不同类型的sensor，从而获得更好的性价比。

　　从智能穿戴生态链来看，第一种有着一定的优势。比如智能手环就可以通过Sensor Hub的MCU完成对Sensor数据的融合，并实现部分控制，而不需要再加入主控芯片。所以做独立Sensor Hub的公司目标市场除了手机，也会把更多的精力放在智能穿戴上。

　　Sensor Hub的产业链

　　如前面介绍的虹膜识别一样，Sensor Hub也会给产业链带来一个新机会，这些产业链厂商包括了：

　　（1）Sensor类供应商：

　　Accelerometer 加速度传感器： 主要的供应商有ST，Bosch，Freescale，ADI，美新等；

　　Gyro Sensor 角速度传感器： 主要的供应商有Invensesne，ST，Bosch，Panasonic等；

　　GeomagneTIc 地磁传感器：主要的供应商有AKM，Yamaha，ST，QST，爱盛等；

Barometer 气压传感器：Bosch，Sensata，Infineon，Denso等。

　　具体的Sensor供应链，小编将单独写一篇文章介绍，就不再此敖述了。

　　（2）算法类供应商：

　　速位科技成立于2007年。主要致力于体感互动遥控、无线高清传输、影像脸部/物体追踪、云端处理引擎。目前是主要的Sensor Hub 算法提供商。