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[导读]短期三年新冠疫情影响、长期人口老龄化趋势,让健康监测变得尤为重要。健康监测也已经不仅仅局限于在可穿戴设备上人体接触式的单点健康监控,更多地是在一个物理空间中用无感的方式从多个角度监控人的体征变化。一系列的屋内智能健康看护的应用开始出现,这是一个起点,并且最终的发展可能会是一个全屋健康看护的场景,以至于将会和医诊体系、医保系统、生命等平台建立有互动的连接。有哪些应用会是最先有潜力爆发的?将物理世界信号转换成数字世界电信号的关键传感器是哪些?这样的趋势带来的机遇又在哪里?本文将就这些问题进行探讨。

短期三年新冠疫情影响、长期人口老龄化趋势,让健康监测变得尤为重要。健康监测也已经不仅仅局限于在可穿戴设备上人体接触式的单点健康监控,更多地是在一个物理空间中用无感的方式从多个角度监控人的体征变化。一系列的屋内智能健康看护的应用开始出现,这是一个起点,并且最终的发展可能会是一个全屋健康看护的场景,以至于将会和医诊体系、医保系统、生命等平台建立有互动的连接。有哪些应用会是最先有潜力爆发的?将物理世界信号转换成数字世界电信号的关键传感器是哪些?这样的趋势带来的机遇又在哪里?本文将就这些问题进行探讨。


Covid-19、银发经济和全屋健康看护的场景演进

与第四次工业革命的生产力增长伴随而来的,是社会超老龄化(Super-Aged Society);超老龄化的趋势下,银发经济(Silver Economy)产业规模也越来越大;叠加上新冠突然爆发给医疗体系带来的巨大冲击,人们对于个人健康关注度达到了顶峰,有关健康的智能化产业也进入加速上升的时期。

一个重要的趋势是,智能健康的场景中,不单单以某一个人为中心,而是以人存在的房屋空间作为一个中心,在整个的未来健康监护的大系统中房屋会成为中心,担任一个hub的角色。

在ReachGate上发表的一篇文中描述到,一个智能养老院的构成由可穿戴设备、活动监控、睡眠监控、环境监控、家庭安全系统、能源管理、家庭自动化和远程服务平台构成。以养老院作为一个健康监护的中心单位,其中包含了各种不同的传感器、不同的无线连接协议,具备终端的环境数据收集、基础的分析、学习能力。通过网路与云端连接可以调用更强的AI能力,连接到医疗系统的服务平台。同时也具备自身的必要的一些设备控制的能力。连通性、互操作性、不间断性以及隐私和数据安全,对于整个全屋智能系统提出了非常高的要求。

全屋智能健康看护,从这三类传感器开启

人们已经广泛接受和认可的可穿戴设备、智能家居、家庭安全监控等只是其中的一个组成部分。除此之外,一些无感的全天候监护功能——例如运动检测(Motion Detection),呼吸、心率、睡眠监测也开始在传统家电设备上集成。例如电视机集成运动检测功能,监测到人看电视睡着后自动关闭或调低音量;床头灯集成呼吸监测和运动检测,记录一整晚的睡眠数据,通过算法进行分析;摄像头集成跌倒监测,监测到跌倒后发送求助信号等等。这些非接触的应用发展,是向全屋智能健康看护的必经之路。据英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部应用市场总监李国豪分享,这些设备也不一定要与身体接触,某些只需放在室内空间或者智能家居中即可测量,所以载体的类型已经从穿戴式转移到家居或者室内空间中。

国内像清雷科技和英飞凌已经在室内场景的生命体征监测方案上联合耕耘了多年,发布了一系列基于毫米波雷达的睡觉检测、体征检测、跌倒监测等智能设备。

传感器是整个家庭健康看护系统最前端的接口,负责收集必要的数据信息。其中毫米波雷达传感器、高分辨率ToF传感器和CO2传感器将分别在体征检测、运动检测和环境检测中发挥巨大作用。下面我们一起来看下这三类传感器。


毫米波雷达传感器:高灵敏度和高可靠度实现全天候体征感知

毫米波雷达的工作原理是通过发射天线发射脉冲电磁波,电磁波碰到物体后反射回到接收天线,根据回波信号变化来实现环境感知,数据计算后获得距离、速度和方位角等信息。

据英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部高级市场经理吴柏毅分享,毫米波雷达可以感测任何微小的移动,包括呼吸时胸腔微小的位移,因此可以做一些生命体征的监测。甚至它也可以利用“存在感测”激发一些装置系统,去感知它的距离、位置、速度、角度等数据信息,之后进一步利用算法可以实现呼吸、心跳、手势、追踪人等各方面的应用。

雷达的优势在于耐用、可靠和功耗较低。雷达波可以穿透任何不具导电物质的表面及外壳,所以传感器的安装布置受到设备外壳和位置的影响很小。因为电磁波不受到光线影响,所以在高温、多雾、多灰尘的环境中,仍可以正常运行,不会像红外探测一样出现误报的情况。另外其在恶劣条件下工作运行时,几乎不需要维修,可靠性非常好。尽管功耗上依据不同的应用探测距离和环境要求而不同,但整体功耗水平较低。

雷达的困难点在于算法。如下图所示:横轴的部分是针对雷达原始数据提取出的信息,纵轴的部分就是雷达工作原理以及它的算法。图中由易到难,粗略地列出了市面上普及应用的算法。多个不同的算法交叉使用,可以实现开发者想实现的功能。算法的不同,对于传感器后端的计算部分(MCU/MPU等)的计算资源要求也有所不同,因此成本和功耗也有一定的差异。

从简单的移动侦测,到进阶的感测这两种不同的需求维度,英飞凌提供了两种不同的传感器产品方案——高性价比BGT60LTR11AIP和高分辨率BGT60TR13C。

BGT60LTR11AIP上集成基带,并且采用集成天线封装技术(单收单发)。这样一颗高集成度芯片就解决了客户的天线设计、射频及雷达讯号处理等复杂问题。并且英飞凌还提供了一套配置好的自动模式,提供距离5米探测距离,约80度水平视角,小于5 mW平均功耗的水平。通过四个配置引脚可以进行状态输入输出,在自动化配置的上面实现一定灵活度的开发。这种高集成度的设计和自动配置,极大地简化了开发者的系统设计工作,即插即用。对于一些进阶的应用需求,开发者还可以通过SPI来读取传感器数据,结合一些复杂算法计算,实现最远10公尺的探测距离。

BGT60TR13C是一发三收架构的MMIC,属于超宽频,可以提取到角度等信息,使用高级FMWC算法,分辨率更高,从而实现更多的高级功能。该芯片同样采用了集成天线封装技术,平均功耗约20~30mW。在使用频宽大于5GHz以上时,解析度可以达到约3公分。结合高级的算法开发,可以实现手势识别、人体感知追踪、心跳检测等等不同的功能。

除了两款芯片外,Infineon也提供了配套的评估套件方便客户进行相应的开发和评估。


高分辨率iToF:更精准的带深度信息的图像探测

ToF传感器的基本工作原理和雷达类似,只是将电磁波换成了光波。发射近红外光波后计算反射回的光波的时间,通过相位差来测算出距离信息。基础的ToF传感器实现的测距功能和超声波测距类似。而英飞凌提供的是一种高分辨率的iToF方案,是一个面阵的ToF,每个像素都可以计算出待测物体的距离,然后形成一个点云的数据图,这个点云的数据转换为一幅带深度信息的完整图像。

据英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部高级市场经理张铁虎分享,高分辨率ToF通过面阵像素所获取到的数据,可以通过MIPI借口到出道后段的处理器上进行计算。原始数据计算出可以同时得到一张深度图和一张灰度图。深度图上的不同色彩仅仅用来表示不同的深度关系,并不包含RGB色彩信息。工程师将灰色和深度信息整合在一起后,还会进行一些降噪、滤波、校准等处理,将干净的数据提供给上层应用,上层应用基于此分析后再反馈下一步行动的决策。

相比传统CMOS,高分辨率iToF的好处不言而喻。可以提供准确的深度信息,物体之间的位置关系;没有RGB信息收集,可以提供更好的隐私保护;后端的算法不同,计算资源需求量更小。

英飞凌的ToF方案来自于和pmd的紧密合作。pmd从2002年开始就专注于ToF的工业应用,而英飞凌有着深厚的CMOS相关工艺积累。2013年中旬,英飞凌与pmd展开互补的合作,将原本工业应用的ToF,通过对于成像器(imager)的改进优化,使其PPA达到消费级的水准。2015年就推出了第一代的ToF成像器——REAL 3;2016年推出第二代产品,在多款手机上实现量产搭载;2018年的时候英飞凌推出第三代ToF产品,在手机、智能家居等设备上实现了更大范围的应用。

这种高分辨率的iToF已经在智能家居、自动泊车、智能座舱等应用中获得了认可,而在本文探讨的主题——全屋健康看护场景中,也有着非常大的应用前景。例如养老院的跌倒监测功能,使用iToF的方案可以通过准确的成像信息来实现精准的跌倒检测,同时又不会给被看护人造成隐私泄漏的困扰,可以说是这个场景下最完美的技术方案之一。


光声光谱CO2传感器:高精度、小尺寸、低成本

空气质量也关乎人们的健康,对于屋内空气质量的检测同样重要。对于日常生活而言,二氧化碳是一项关键空气质量指标。因为CO2无色无味,所以在日常生活中造成的影响往往容易被忽视,更需要传感器的感知功能来进行检测。

据英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部市场经理刘菊分享,在人多拥挤和通风不良的环境下,二氧化碳浓度会快速上升。举例来说,如果一个人在大约4平方米的空间中,二氧化碳浓度值会在45分钟之内从500PPM上升到1000PPM以上,室内人员的舒适度会随着CO2含量上升而降低。当浓度达到1000PPM以上时,人们会感到困倦、难以集中注意力,生产力会下降。如果浓度达到2000PPM以上,认知能力都会受到影响,高浓度会对人体健康造成重大风险。

凭借着MEMS的丰富技术积累,英飞凌创新地提供了一种基于“光声光谱技术”的CO2传感器——XENSIVTM PAS CO2,提供正负30PPM和正负3%的精度。传统CO2感知技术有NDIR、EC和eCO2技术,其中EC和eCO2的精度和选择性都不如NDIR,而且容易受到湿度的影响。光声光谱的CO2传感器可以提供与NDIR相同的精度和选择性,同时因为采用MEMS技术,所以在尺寸上和成本上具有优势,可以减少客户整体的设计复杂度。如下图所示,光声光谱的二氧化碳传感器,双通道的NDIR传感器和参考用的传感器对比,它们的测量曲线是非常接近的,但是eCO2的偏差就非常大。

如下图所示,该传感器斜上方的是腔室,里面有红外光源、光学滤波片和MEMS麦克风,其中高灵敏度的MEMS麦克风用于探测腔室里面CO2分子产生的压力变化。因为MEMS的灵敏度极高,所以可以检测到非常微小的压力变化,仅需很少量的气体就可以做出准确的参数探测,因此这个腔室就可以采用更小尺寸的设计规格。另外该传感器集成了一个MCU,可以将检测到的二氧化碳浓度值直接转换为PPM值,通过三种接口传输给后端系统。

另外值得一提的是,此款CO2传感器是采用SMD封装的CO2传感器,对于有着大批量生产需求的客户而言,可以与其他贴片元件一起,直接使用回流焊的方式制板,缩短了整个设计的大规模生产时间,非常适合工业和消费类应用。


在传感器之上的方案、产业能力

以上提到的三款传感器都具备小尺寸、低功耗、高精度的技术领先优势,而除了这些传感器本身之外,英飞凌展现出了更多的在这之上的方案的能力、生态融合的能力、产业促进力。

英飞凌提供了全套的产品组合,无线传输、MCU、传感器等,所以自身就具备完整的方案能力。而且英飞凌非常积极在行业前沿的应用方向开展合作和技术投资,实现前沿应用与技术的结合,与客户一起,自己实现芯片产品定义和规模化生产能力;同时为客户实现产品idea的技术实现可行性,和规模化量产可能。

凭借着诸多的技术积累、产线能力,英飞凌可以将工业应用的IP进行升级开发和转化到消费市场。这种类似能力和做法,经常可以在领先的芯片厂商中看到。例如高通快速在汽车市场占据领先地位,也是凭借着这种打法。

据李国豪分享,凭借电源与传感系统事业部在传感器方面多年的开发经验,英飞凌不仅可将其应用在工业领域中,还可以通过与客户的合作,把一些方案应用于消费类的健康监测设备中。由于英飞凌传感器在封装、尺寸、成本,以及技术上的优势,可将其在工业上的应用拓展到消费类电子产品,给到客户用于新产品并进行生产。


总结

未来全屋智能健康监护的完整场景,距我们尚有一段距离。而在朝那里行进的路上,空间意义上的非接触式的全天候的健康监测应用会率先实现爆发。

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