传感器:物联网时代的智能“感官”

标签:物联网移动互联网

访客:25343  发表于:2015-07-13 10:00:18


科技界普遍认为,移动互联网时代之后,将是物联网时代。物联网的英文缩写是IoT(Internet of Things),即万物相连的互联网。要建构这张变革人类生活的网络,至少需要三个领域的技术突破:传感器、大数据和人工智能。与后两个名词相比,传感器的公众知名度不算高,但事实上,传感器是物联网的基础,而且已大量安装在智能手机里,成为我们生活中不可或缺的电子器件。

上海科研人员在研制哪些传感器?为什么说它们是物联网时代的智能“感官”?记者采访了中科院上海微系统与信息技术研究所、上海矽睿科技有限公司的专家。

智能手机

传感器各显神通

传感器是一种检测装置,能感知各类信号,并将它们转化为电信号或其他形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。上海矽睿科技有限公司首席执行官谢志峰博士介绍,人们平时讲的传感器,其实是传感机系统,也称微机电系统(MEMS),因为它们虽然体积微小,但都是由传感器、集成电路芯片、算法等组成的系统。

如今的智能手机,传感器已是标配,如苹果iPhone6安装了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、指纹传感器、距离与环境光传感器、MEMS麦克风、图像传感器、气压传感器等8种传感器,三星Galaxy S4安装了12种传感器。

在嘉定区的上海物联网中心,谢志峰向记者展示了矽睿公司研制的全球首款单芯片三轴AMR磁传感器。磁传感器也叫磁力计、电子罗盘,具有指南针功能,封装后只有1.2毫米见方。与iPhone配备的AKM磁传感器相比,这款AMR磁传感器的误差更小,仅为正负1度;而与市场上采用3颗芯片的AMR磁传感器相比,它只用1颗芯片,集成度更好,成本更低。安装它的手机有能力进行室内导航,在GPS无法使用的情况下,为用户精确定位,每步行100米,误差仅2—3米。磁传感器还可应用于医疗检测。医学研究表明,人体癌变部位的微磁场会出现异常,而磁传感器能测出人体微磁场的强度和方向,因此有望应用于肿瘤早期筛查。

加速度计也是智能手机的标配。为了向记者介绍这种传感器,谢志峰请人用3D打印机制作了一个放大200倍的传感器模型。只见模型器件分为两部分,一部分固定,另一部分可振动。当安装这种传感器的手机和可穿戴设备运动时,振动部分能通过电容变化测出运动状态的改变。安全气囊能在汽车碰撞时及时弹出,就是因为装有加速度计。苹果公司把它装入手机,使手机拥有了转屏功能。

陀螺仪是测量角速度的传感器。许多人喜欢通过转动手机屏幕玩赛车、酷跑类游戏,正是得益于陀螺仪的功能。如今,手机拍照时即便抖动,照片往往也不会模糊。这也得益于陀螺仪,它在拍照时测出手机正在抖动后,会及时让相机软件予以纠正。

“仿生眼”

性能向人眼靠拢

加速度计和陀螺仪,其实在人体内也有。中科院上海微系统所研究员、中央“千人计划”专家张晓林博士介绍,耳朵里的前庭器有半规管,可以测旋转;有耳石,可以测出平移加速度。这些器官能确保人在各种状态下保持平衡,及时避险。

事实上,多种传感器的功能与人和动物的感官功能类似。鸟类体内,好比有磁传感器;“电子鼻”可用于食品质量检测、毒品搜查,与狗鼻相仿;味觉传感器将化学材料与微电子器件结合,能识别多种味道;听觉传感器与人工智能结合后,能判断各种声音源的方向和距离,并能与人对话。

在所有“感官”传感器中,视觉传感器的研发难度最大。张晓林告诉记者,国际上已研制出的视觉传感器包括:雷达式传感器、单摄像机传感器、双摄像机传感器等。雷达式传感器是一种主动式视觉传感技术,与被动式采光的摄像机相比,能耗比较大,“看”到的图像信息也不够多,未来不会是机器人的主流技术。摄像机则与人眼一样,都是被动式采光,但如果只用一台摄像机,就无法获取立体图像,所以双摄像机传感器是未来视觉的主流技术。

谷歌、奔驰、斯巴鲁正在研制的无人驾驶汽车,都采用双摄像机传感器。不过,这些公司研制的视觉传感器都是固定的双目,而不像人眼那样左右眼配合运动。张晓林在日本获得机器人博士学位后,做了8年人眼生理学研究,认为模仿人眼、双摄像机协调运作的视觉传感器才是最优技术方案。从日本归国的他,正在带领团队进行“仿生眼”研究,并组建了上海弼智仿生高科技有限公司,从事科技成果转化。

就像人的双眼一样,仿生眼的左右眼在观测时,能协调运动,保持一种基本固定的位置关系。这样一来,两台摄像机采集的图像就有了很高的匹配度,使计算机三维建模的精准度大幅上升。完成三维建模后,包括无人驾驶汽车在内的机器人可以准确识别外部世界,而不会像过去的机器人那样无法区分真实的人脸和人脸照片。

人眼还具有跟踪物体、跳跃性切换观测、防震动等优越性能,仿生眼团队经过多年研究,让机器人的双眼基本具备了这些能力。在实验录像中,记者看到,装有仿生眼的机器人能自行走出实验室,在大楼走廊里避开各种障碍物后返回;对准一只乒乓球的仿生眼,能一下子转变方向,对准另一只乒乓球;在防震实验中,放在马鞍上的仿生眼虽然上下振动,采集到的图像却很稳定。

上海要为

智能时代抢占先机

目前,上海市科委正在联合多家企业和高校院所,准备研发一款拥有智能“五官”的服务机器人。精准的三维视觉、智能的语音对话、灵巧的双手……是未来服务机器人的标配。许多专家预测,今后每家都会有智能机器人,成为每个人生活中不可或缺的助手。

近日,微信上流传一篇文章,称未来5—10年内,我们将进入“智能一切”时代。在这个时代,手表、项链、戒指、眼镜、桌子、汽车等几乎所有终端设备,都是智能化的。从早晨睁开眼的那一刻,你就置身于一个智能机器人充斥的环境中。房间本身就是智能机器人,智能卫浴会为你自动调整洗浴水温,智能厨房会自动烹饪早餐。出门上班时,交通工具是一辆无人驾驶汽车。走进办公室后,智能桌子会立刻感应到,为你打开电子邮箱和一天的工作日程表。你的手上戴着一枚具有感应和身份认证功能的戒指。走到冰箱前,用戒指敲一下冰箱,它会自动通过文字、图像或语音告诉你哪些水果没有了,你能在冰箱触摸屏上直接下单购买。走到衣橱前用戒指敲一下,它会自动告诉你哪几款适合搭配,你也可以通过衣橱直接进入电商页面,选购新款服装。

所谓的“智能一切”时代,就是物联网时代。这个时代很可能会到来,虽然未必是未来5—10年内。中科院上海微系统所所长王曦院士认为,万物互联是那个时代的特征,配备在各种物品上的传感器数量将达到千亿规模,上海应在传感器产业的国际竞争中加快布局,占得先机。

为此,中科院上海微系统所在政府的支持下组建了上海微技术工业研究院,已孵化出上海矽睿科技有限公司、上海弼智仿生高科技有限公司等一批研发各类传感器的企业。他们自主研发的产品已陆续进入市场,为各种智能终端提供“感官系统”。

来源:解放日报


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