Датчики STMicroelectronics – новые возможности систем умного дома

24 июня

системы безопасностиавтоматизацияинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьядатчикипассивные ЭК и электромеханикасредства разработки и материалы868 МГцSTM32Internet-of-ThingsBluetoothАСКУЭ2400 МГцwirelessУмный домСенсорДатчикToF

Софья Букреева (г. Протвино)

Согласно прогнозам аналитиков, в ближайшие пару лет будет наблюдаться заметный рост рынка датчиков движения и положения для умного дома. Компания STMicroelectronics предлагает одну из самых широких линеек MEMS-датчиков, включая акселерометры, гироскопы, цифровые компасы, модули IMU, микрофоны и датчики параметров окружающей среды.

Датчики как одна из составляющих умного дома

Система «умный дом» позволяет сделать жилое помещение более безопасным, комфортным и энергоэффективным, предоставляя жильцам доступ к управлению всеми интеллектуальными приборами и системами через смартфоны или другие устройства с подключением к сети. В настоящее время растет потребность в измерении все большего количества параметров среды жилых помещений, в детализации получаемой информации, а кроме этого – в необходимости совершенствовать интерфейсы для взаимодействия систем умного дома с людьми. Основу для текущих и будущих возможностей умного дома обеспечивают различные датчики и измерительные устройства, они дают динамичное понимание среды умного дома в режиме реального времени. Их главная задача – своевременно сообщать об изменениях, происходящих внутри и снаружи дома. Информация, получаемая от датчиков, важна для ряда систем — от охраны имущества до охраны здоровья жильцов, – и определяет множество настроек в доме, например, уровни освещения, количество тепла, работу вентиляции, а также их согласование. Датчики позволяют не только обнаружить присутствие конкретного человека, но и определить параметры помещения, в соответствии с предпочтениями этого человека. Несмотря на то, что датчики являются лишь частью развития рынка систем умного дома, а пристальное внимание в настоящее больше уделяется управляющим системам и приложениям, функциональность умного дома всегда будет сильно зависеть от способности контролировать изменения в среде жилых помещений, и именно возможности датчиков будут определять привлекательность, ценность и точность всей системы. 

Применение датчиков и тенденции их развития

В классическом понимании датчики – это устройства, которые измеряют физические параметры окружающей среды и выводят информацию таким образом, чтобы человека или управляющие системы могли их прочитать, количественно оценить и принять решение по управлению. Возможность собирать массивы измерений и внедрение вычислительных функций в устройства датчиков позволяют принимать более точные решения, основываясь на более детальной информации, что в свою очередь повышает производительность и обеспечивает автономность систем. Поэтому в последнее время отмечается интерес к интеллектуальным датчикам, которые оптимизируют множество операций и повышают безопасность и удобство систем.

Условно датчики умного дома можно разделить на четыре большие группы:

  • датчики движения и положения, обнаруживающие изменения в движении, ориентации и местоположении: гироскопы, акселерометры, а также датчики давления, которые способны определять высоту и положение объекта;
  • датчики окружающей среды, измеряющие параметры окружающей среды: датчики температуры, влажности, дыма и газа;
  • датчики взаимодействия с человеком и различными объектами: сенсорные датчики, датчики жестов, приближения, теплового изображения, видеокамеры, радиочастотные датчики, микрофоны, переключатели и прочие устройства. Кроме этого, в данную категорию можно включить датчики внешней освещенности, которые могут использоваться для распознавания приближения и жестов;
  • биометрические датчики, используемые для обеспечения безопасности в приложениях аутентификации и идентификации: датчики сканирования отпечатков пальцев и сетчатки глаза.

Все эти датчики могут применяться в разных системах умного дома. Биометрические и магнитные датчики используются в охранных системах для контроля состояния дверных замков и интегрируются с микрофонами и видеокамерами. Биометрия уже завоевала широкое признание благодаря встраиванию в смартфоны датчиков отпечатков пальцев для подтверждения личности и может быть полезной для предоставления доступа к системам умного дома.

Датчики охранных систем часто имеют встроенные акселерометры и возможность беспроводного подключения для простоты установки в разных местах умного дома. Акселерометры позволяют определять перемещения объектов, например, движение дверей и открытие окон. Потенциал датчиков движения при использовании для вспомогательных функций довольно широк, например, в качестве датчика включения устройства, когда его берут в руки, или выбора режима работа путем поворота корпуса.

Камеры видеонаблюдения систем безопасности, работающие с потоком видеоданных, становятся все более интеллектуальными и содержат датчики, которые могут обнаруживать движение, распознавать лица и объекты с помощью алгоритмов обработки изображений. В последнее время изучается потенциал радиочастотного мониторинга для детального охвата дома. Например, томографические датчики способны обнаруживать присутствие людей по изменениям частоты, вызванным движущимся человеком или объектом. Однако использование томографических датчиков на рынке умного дома все еще находится в зачаточном состоянии. Другие методы обнаружения основаны на анализе радиочастотного спектра, излучаемого другими устройствами – движение в отслеживаемой области изменяет преломление радиочастотных сигналов, и датчик способен определить различные типы движений и движущихся объектов. С помощью программного анализа можно отличить домашних животных от людей, а также их движения от движений других объектов, таких как, например, портьеры, развеваемые ветром. Кроме этого, обнаруживать присутствие людей возможно с помощью технологи обнаружения объектов с помощью невидимого лазерного излучения. Законченный сенсор VL53L1CB производства STMicroelectronics позволяет измерять расстояние до объекта на дистанции в несколько метров за счет измерения времени пролета фотонов (технология Time-of-Flight, TOF). В настоящее время STMicroelectronics разрабатывает совершенно новую технологию обнаружения движения, основанную на регистрации кратковременных изменениях статического электрического поля.

Для обеспечения безопасности дома важно также отслеживать состояние инженерных коммуникаций. Для этой цели используются различные датчики газа, дыма и утечки воды. Интеллектуальные датчики утечки воды обычно представляют собой датчики влажности и могут иметь встроенные акселерометры для обнаружения перемещения самого датчика. Для повышения энергоэффективности умного дома внедряются датчики контроля потребления электроэнергии, в настоящее время такие датчики обычно встраиваются в «умные» розетки.

Детальный мониторинг параметров среды в доме является неотъемлемой частью умного дома. Датчики температуры и влажности являются основными устройствами для регулирования и контроля подачи тепла или охлаждения и вентиляции в конкретных помещениях и зонах дома. Интерес к контролю качества воздуха тоже растет. Чтобы расширить области мониторинга воздуха в разных помещениях, специальные детекторы дыма и качества воздуха часто встраиваются в другие устройства и могут быть привязаны к автоматизированному управлению окнами и очистителями воздуха. Такие датчики также встраиваются в интеллектуальные дверные звонки, размещаемые вне дома, для передачи данных о температуре и качестве воздуха снаружи.

Внедрение ряда новых датчиков открывает возможности для персонализации систем умного дома при обнаружении конкретных членов семьи, чтобы настраиваемые параметры соответствовали их индивидуальными предпочтениями. Способность умного дома обнаруживать конкретных людей может обеспечиваться за счет использования томографических или биометрических датчиков, а для взаимодействия с системами предусматриваются интерфейсы голосового управления. Внедрение голосовой активации и голосовых помощников на рынке умного дома за счет расширения голосовых платформ, таких как Amazon Alexa, Google Home, Siri, стимулирует разработку микрофонов в различных форм-факторах для возможности их установки там, где требуются дополнительные точки прослушивания. Микрофоны не только позволяют системам умного дома распознавать простые команды, такие как включение и выключение устройств, но и могут применяться в охранных системах, например, для распознавания звука разбитого стекла. Компания STMicroelectronics предлагает цифровые и аналоговые MEMS-микрофоны, которые способны регистрировать звуковые колебания даже в ультразвуковой области, например, IMP23ABSU улавливает колебания до 80 кГц. Встраивание микрофонов в ряд устройств повышает их ценность и потенциал для управления средой умного дома.

В настоящее время различные типы датчиков интегрируются в одно устройство, и один и тот же датчик может использоваться в самых разных системах умного дома. Например, датчики освещенности используются не только в интеллектуальном освещении для управления светом в соответствии с количеством естественного освещения или с предпочтениями жильцов. Они также встраиваются в камеры видеонаблюдения для определения настроек видеозахвата с учетом уровня освещенности. Датчики движения и контактные датчики, помимо использования в охранных системах, могут быть основными датчиками для получения данных о поведении жильцов и применяться в системах мониторинга здоровья людей, в первую очередь – пожилых жильцов. Кроме этого, множество датчиков встраивается в умную технику и различные бытовые устройства, которые поддерживают взаимодействие и интеграцию со средой умного дома.

Устройство датчика

Для создания интеллектуального датчика и его подключения к системам умного дома требуется ряд компонентов. Сам сенсор внутри датчика интегрируется со схемами считывания и питания, вычислительным устройством и интерфейсом для подключения ко внутренней или внешней памяти. Блок-схема интеллектуального датчика показана на рисунке 1. 

Рис. 1. Блок-схема устройства датчика

Рис. 1. Блок-схема устройства датчика

Производители постоянно совершенствуют методы производства и конструкции сенсоров и предлагают множество вариантов для различных применений, учитывая такие параметры, как точность, надежность, долговечность, габариты, энергопотребление и выходной сигнал. Предлагаемые решения включают в себя как дискретные, так и встраиваемые сенсоры.

Микроконтроллер играет роль вычислительного узла, который занимается сбором и подготовкой данных с сенсора, а также служит для вспомогательных функций, например, может исполнять алгоритмы для защиты данных. Возможности встроенного программного обеспечения и функции безопасности повышают ценность датчиков для систем умного дома и становятся все более актуальными.

Интерфейсы для контроля и настройки датчиков позволяют управлять работой устройства. Производители уделяют все больше внимания программному обеспечению интерфейсов, не привязываясь к аппаратной части, и, по мере роста «интеллектуальности» датчика, все чаще закладывают возможность подключения к облачным сервисам.

Немаловажным компонентом датчика является схема питания. Для повышения автономности датчика могут использоваться как проводное питание, так и аккумуляторные батареи или конденсаторы.

Подключение к интернету или локальному серверу позволяет датчикам взаимодействовать с другими системами, пользователями и базой данных. Традиционно использовалась проводная связь, обладающая высокой устойчивостью к помехам. Однако беспроводные технологии обеспечивают простоту и более низкую стоимость установки, позволяют перемещать датчики без потери связи и устанавливать их в труднодоступных местах. Универсального решения для подключения датчиков не существует. Различные требования к полосе пропускания, дальности передачи, мощности, а также помехоустойчивость, частота опроса и стоимость подключения влияют на решение при выборе подключения. Отсутствие единого стандарта беспроводной связи в сочетании с проблемами функциональной совместимости являются важными факторами для продолжающегося внедрения проводных сетей датчиков. Одной из тенденций последнего десятилетия является создание микросхем, способных работать с разными беспроводными стандартами. Например, STMicroelectronics выпустил свой первый беспроводной микроконтроллер STM32WB, который позволяет реализовать в одном устройстве поддержку сразу трех беспроводных протоколов: ZigBee, Bluetooth Low Energy и Thread

Статистика рынка

Популярность и внедрение систем умного дома способствуют значительному развитию рынка интеллектуальных датчиков: за последние пять лет их поставки в среднем возросли более чем в пять раз. Этот рост в наибольшей степени касается таких датчиков, как интеллектуальные дверные замки, беспроводные камеры видеонаблюдения, системы управления освещением, интерфейсы голосового управления и устройства бытовой техники, например, посудомоечных и стиральных машин, холодильных камер. Особенно заметен спрос на системы голосового управления и интеллектуального освещения: за несколько лет поставки датчиков для этих систем выросли на порядок. Анализ рынка также показывает многократное увеличение спроса на биометрические датчики, их поставки с 2017 года увеличились на 680%.

Согласно прогнозам аналитиков, в ближайшие пару лет будет наблюдаться заметный рост рынка датчиков движения и положения. Кроме этого, значительное развертывание коснется систем взаимодействия с человеком и различными объектами. В эту категорию входят сенсорные датчики, датчики приближения, освещения, микрофоны и прочее. Их объемы поставок уже сейчас отражают ключевую способность умного дома своевременно обнаруживать изменения окружающей среды и реагировать на них.

Тренды в использовании датчиков

Простота установки датчиков является ключевым фактором для уменьшения габаритов устройств, возможности масштабирования систем умного дома и облегчения интеграции с существующими системами. В настоящее время беспроводным датчикам уделяется особое внимание, так как они позволяют сократить время развертывания и затраты на установку. Стандартизация подходов к подключению датчиков упростит использование и совместимость для OEM-производителей и конечных пользователей.

Для роста рынка дискретных датчиков важным моментом является малое энергопотребление. Автономность и способы питания играют одинаково важную роль при разработке устройства. В настоящее время набирают популярность технологии RFID и NFC, позволяющие передавать данные с пассивных устройств. В таких датчиках небольшой заряд генерируется внешним считывающим устройством. Кроме этого, коммерческий интерес вызывают устройства, использующие энергию из внешней среды (энергию солнца, вибрации, освещение, перепады температур), способную накапливаться в батарее или конденсаторе и использоваться при передаче данных. Ряд компаний занимаются решением проблемы питания беспроводных датчиков, разрабатывая варианты беспроводной зарядки.

Уменьшение размеров и стоимости сенсоров, в сочетании с увеличением чувствительности и долговечности, способствуют интеграции множества сенсоров в одном чипе или корпусе. Например, в датчиках движения и положения все чаще интегрируются 6- и 10-осевые датчики, состоящие из нескольких 3-осевых гироскопов и акселерометров, объединенных на одной микросхеме. То же касается и других устройств, позволяющих измерять сразу несколько параметров. Они получают все большее распространение, поскольку их использование обеспечивает больше возможностей, снижает вычислительную нагрузку, уменьшает задержки передачи, а также позволяет управлять несколькими процессами в реальном времени с одного устройства.

Объединяя данные измерений с разных датчиков, можно получать более подробную и точную информацию. Компании также работают над созданием виртуальных датчиков с использованием искусственного интеллекта – программного обеспечения, которое расширяет возможности установленных датчиков. Такой подход за счет простых программных вычислений снижает количество требуемых датчиков и обеспечивает более широкую функциональность без необходимости в дополнительном измерительном оборудовании, то есть уменьшает энергопотребление и площадь развертывания датчиков (например, можно обнаружить приближение с помощью микрофонов). Виртуальные датчики, объединяющие многочисленные источники данных, являются отличным способом для OEM-производителей выделиться на быстро развивающемся рынке, где все больше внимания уделяется уникальной функциональности устройств.

Кроме этого, возрастает значение вычислительной способности самого устройства. Встраивание вычислительного ядра и интеллектуальных функций непосредственно в микросхему сенсора снижает общее потребление устройства, так как уменьшается нагрузка на микроконтроллер. Подобный подход реализован в новейших MEMS-датчиках STMicroelectronics, которое оснащаются функциями машинного обучения и искусственного интеллекта: LSM6DSRX, IIS2ICLX и других. Возможность децентрализации управления, обработки и хранения данных повышает безопасность работы, а также автономность готового устройства.

В системах безопасности и мониторинга все чаще используются датчики технического зрения, в частности LiDAR и датчики изображения. Возможность отображать и визуализировать элементы в 3D на расстоянии десятков метров, а также способность анализировать изображения с высокой точностью являются ключевым фактором роста данного сегмента рынка. Уменьшение форм-фактора таких датчиков продолжает стимулировать распространение датчиков технического зрения, а машинное обучение и искусственный интеллект увеличивают количество их возможных применений.

Печать датчиков МЭМС, схем и радиопередатчиков на тонкой гибкой подложке открывает широкий спектр применений для массового развертывания дискретных датчиков. Несмотря на доступность этой технологии, рынок данных решений сдерживается высокой ценой из-за проблем с массовой печатью датчиков. Пока вне конкуренции остаются более дешевые датчики с жесткой конструкцией. Тем не менее, меньший форм-фактор датчиков на гибкой подложке, простота установки и возможность печати радиоантенн вызывают большой интерес и повышают ценность таких решений.

Совершенствование датчиков и появление новых способов точного измерения с меньшими физическими размерами являются для производителей важными направлениями разработки. В долгосрочной перспективе технология NEMS (наноэлектромеханических сенсоров) будет набирать популярность. В особенности это касается микрофонов и датчиков движения. Для измерения положения можно использовать отклики микропроводов на магнитные поля. Простота и чувствительность микропроводов позволяют широко использовать их также для измерения температуры и давления. Для газового и химического зондирования широкое применение могут найти углеродные нанотрубки, электропроводность которых изменяется за счет перетекания зарядов между трубкой и измеряемым веществом.

Wi-Fi-сети можно использовать как новый метод обнаружения движения за счет изменения волн Wi-Fi в пространстве при движении человека или объекта. Области применения такого метода – уход за пожилыми людьми, охранные системы, системы распознавания жестов и так далее. Детектирование с помощью Wi-Fi можно развернуть на уже установленных маршрутизаторах, для этого достаточно обновить их программное обеспечение, то есть нет необходимости в установке дополнительного оборудования. Такая технология находится на ранних стадиях разработки, но некоторые компании уже провели испытания и разработали ряд систем с обнаружением по Wi-Fi.

Несмотря на то, что аппаратная поддержка датчика по-прежнему играет решающее значение для обеспечения точности измерений, производители электроники все больше внимания уделяют программным и интерфейсным возможностям датчиков, что позволит использовать любые стандартные датчики и настраивать их для конкретных применений, что приведет к распространению недорогих датчиков с добавленной стоимостью на программное обеспечение для пользователя.

По мере того, как размеры и цена сенсоров уменьшаются, а вычислительные возможности готовых устройств увеличиваются, стремительно возрастает количество вариантов использования датчиков для мониторинга.

Компания STMicroelectronics является мировым лидером в области производства полупроводников и предлагает одну из самых широких линеек MEMS-датчиков, включая акселерометры, гироскопы, цифровые компасы, модули IMU, микрофоны и датчики параметров окружающей среды, включая датчики давления, температуры и влажности. По данным на 2020 год, компания поставила более 9 миллиардов MEMS-датчиков. Производственные мощности компании обеспечивают низкую стоимость предлагаемых решений и гарантируют надежные поставки, а всесторонняя клиентская поддержка в разработке способствует быстрому выходу новых продуктов на рынок.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
LSM6DSOXTR (ST)
LSM6DSOTR (ST)
LSM6DSO32TR (ST)
LIS2DW12TR (ST)
LIS2DWLTR (ST)
LIS2DWTR (ST)
LIS2DTW12TR (ST)
MP23DB02MMTR (ST)
MP23ABS1TR (ST)
MP23DB01HPTR (ST)
VL53L1CXV0FY/1 (ST)
VL53L0CXV0DH/1 (ST)
VL53L1CBV0FY/1 (ST)