蓝牙智能可穿戴产品传感器在“主动虚拟现实”游戏平台...

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挪威奥斯陆 – 2016年3月24日 – Nordic Semiconductor宣布位于美国德克萨斯州奥斯汀的Virtuix公司已经选择Nordic屡获奖项的nRF51822 多协议系统级芯片（SoC）产品，用于新型Virtuix Omni虚拟现实（VR）运动游戏平台。nRF51822 SoC无线可连接多达16个可穿戴式传感器模块和传感器中枢，以及蓝牙智能（Bluetooth® Smart） Ready智能手机、平板电脑或个人计算机。

　　全方位运动平台允许实现“主动虚拟现实”，玩家可以通过全身来控制游戏角色的一举一动，包括跑步、走路、坐下和横向移动，而且具有360° 的动作自由度。

　　这个平台的底部是一个平滑的凹面圆盘，允许用户在穿戴具有专有低摩擦鞋底的Virtuix Omni鞋子时行走、跑步和自由地改变方向。在踏出一步之后，用户的脚滑回凹面圆盘的中心，允许重复运动，以模拟游戏中的行走或跑动。用户还可以利用装置上的腰带使身体保持在圆盘上的中心位置，而同时仍然拥有完整的动作自由度。

　　安装在Omni鞋子上面的Virtuix Omni Tracking Pod无线传感器可以捕获用户脚部的运动。Omni Pod是基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit， IMU）跟踪器件，使用Nordic SoC、加速计、陀螺仪，以及磁力计来准确地跟踪每只脚在任何方向的运动，甚至跳动。

　　Omni最多可配置18个nRF51822 SoC，具有多达16个可穿戴式传感器模块，每个模块均使用nRF51822 SoC器件助力，与装置中的传感器中枢进行无线通信。由于每个nRF51822 SoC能够连接最多8个通道，因而传感器中枢的SoC器件可与8个可穿戴式传感器进行通信。数据从那里传送到无线耳机，以及在蓝牙智能Ready设备上运行的主机应用程序，或者经由USB电缆传送到PC。

　　Nordic的nRF51822是功能强大的灵活的多协议SoC器件，适用于蓝牙智能和2.4GHz超低功耗无线应用。nRF51822围绕32位ARM® Cortex™ M0 CPU而构建，具有256kB/128kB闪存和32kB/16kB RAM，其嵌入式2.4GHz收发器完全符合最新蓝牙智能规范Bluetooth v4.2。

　　nRF51822 SoC的主要优势是使得Virtuix Omni能够同时支持专有2.4GHz和蓝牙智能无线连接的多协议功能，这款产品使用基于Nordic Gazell软件的专有2.4GHz协议，在传感器和中枢之间进行通信，同时，中枢使用蓝牙智能或蓝牙经典协议与移动设备驱动的主机应用程序进行通信。

　　nRF51822 SoC的高集成度水平使得Virtuix可以减小PCB尺寸，而且，功能强大的ARM处理器可让该公司在无线传送之前预先处理原始传感器数据，压缩从传感器到中枢的数据流以提升有效带宽。

　　Virtuix总裁David Allan表示：“低迟滞是我们面临的主要难题，在VR运动传感器这样的人/机系统中，必需将系统的迟滞降低到普通用户无法察觉的程度。在我们的案例中，我们发现系统必需在150ms或更短时间内做出响应。”

　　“虽然蓝牙智能具有我们所需的低功耗，但是不能满足我们的迟滞要求；所以我们使用基于Nordic的Gazell软件来设计自有2.4GHz协议，因为该软件具有低迟滞和可与蓝牙智能相媲美的低功耗。”

　　“与Nordic合作非常好，我们在定制自用Gazell协议方面获得了很好的建议，而且，在我们的电路板制成时，Nordic实验室可以为我们调整天线，提高信号强度，并且允许我们在保持传送距离不变的同时减小功耗。”

　　Nordic Semiconductor销售及营销总监Geir Langeland表示：“借助VR技术，游戏市场正在转型，而Virtuix 已经使用Nordic无线技术来充分利用nRF51822 SoC多协议功能优势，从而使得其VR体验脱颖而出，其成果是在游戏期间获得快速响应，结合基于蓝牙智能互用性的智能手机、平板电脑和PC的无缝连接。”

物联网两个进化技术：无线连接+智能传感器

　　物联网对连接嵌入式系统，它汇集了两个进化技术，即无线连接和智能传感器。结合了最新进展在低功耗微控制器，这些新“东西”被连接到互联网容易和便宜，促使了人类进入了第二次工业革命。

　　连接嵌入式系统是小型microcontroller-based计算机，不需要接口接入，系统与人类交互使用传感器或其他先进的检测机制。传感器收集数据，并判断数据是有价值的，构成这个系统的主要部分，而“物联网”这个词意味着这些传感器网络，通过使用WiFi或以太网网络，也可以使用协议执行，如无线个域网或蓝牙没有一个IP地址。选择网络协议是基于节点的分布和收集的数据量，数据通过网络发送到主中心或计算机，然后计算机收集和分析数据，将其存储在内存中，甚至系统决策结果的基础上分析。

　　物联网传感器节点框图，包含802.15.4无线、A / D转换器、模拟前端、电池管理、蓝牙、云存储、自定义无线、直流/直流转换器、环境传感器、闪存、内存模块、单片机、RAM内存、RFID / NFC 、光电传感器、电源管理、智能传感器、视频、无线网络。

　　这些连接嵌入式系统是独立的microcontroller-based计算机使用传感器来收集数据，系统网络在一起通常通过一个无线协议如WiFi、蓝牙、802.11.4或一个自定义的通信系统，选择网络协议是基于节点的分布和收集的数据量。

　　现代物联网的关键节点需要与某种形式的数据安全加密，最常见的是AES256。这对于帮助破安全是至关重要的，需要指出的是，这个设计仅供参考设计以及产品的建议，目前没有测试兼容性和互操作性。

大数据时代 电能传感器将植入智能家电

　　所谓电能传感器（Electric Energy Sensor），是指可以测量电器的功率、电流、电压、电量等参数，对电特性进行感知的模块，可以监测电器的真实运行状态。随着智能家居的发展，电能传感器会发展为一种标准品嵌入到智能家电中，后续还会具备电器状态指示、自我学习等功能。那么，该如何理解电能传感器之于智能家居与大数据的重要性呢？

　　一、从智能家居的发展历程说起

　　随着各云平台的发布（如云栖大会上发布的阿里云）和五中全会上将大数据上升为国家战略，这些迹象都表明大数据技术（DT）时代即将到来，各大企业都在摩拳擦掌，要在DT时代成为弄潮者。智能家居是应物联网而生的庞大应用场合，随着大数据的发展，物联网系统需要各种各样的数据来支持智能家居的智能化。智能家电作为智能家电主体，不同的家电要求输出温湿度、或光线、或气体等传感数据，但所有家电最基本的数据是电能数据，因此电能传感器是当前获得电能数据的手段及未来的趋势。

　　值得一提的是，目前来说我国在电能传感器领域真正深入的企业并不多，而合力为科技是为数不多较早涉入且专注于此领域的公司之一，其推出或即将推出的传感器解决方案非常具备代表性和借鉴意义，本文会在后面详细分析。

　　关于为什么需要这些传感器，首先要从智能家居说起。智能家居的发展分为三阶段：

　　第一阶段：使用移动终端进行远程控制。此阶段，实现家电的控制主要依靠人为干涉，是一个开环系统，能远程控制，但不能获得家电的自身数据，不能自动控制等。

　　第二阶段：智能家电加入传感器，可以感觉环境及自身的状况。如光线、温湿度、空气质量、家电自身工作状态，数据上传到云平台，平台根据用户设置的条件自动触发控制。此阶段数据的流向可以形成一个闭环，但云平台还不够“智慧”，不能自我学习。

　　第三阶段：智能家电系统拥有“大脑”，具有思考能力、学习能力。云平台收集智能家电反馈回来的数据，随着采集到的数据越来越大，大数据分析技术的提高，云平台可以学习用户的使用习惯，“思考”用户在相应时空下的需求，进行自动控制。家电制造商可以分析不同区域用户使用喜好，设计更加多元化、更适合的产品。

　　现在智能家居发展处于第二阶段，随着各类云平台的发展，大数据提升到国家策略，大数据价值不断被挖掘，智能家居现正加速向第三阶段发展，若没有传感器，智能家居将止步第一阶段。

　　二、电能传感器在智能家电中的应用

　　智能家电身穿许多传感器，电能传感器是智能家电最基本的传感器之一，它能检测智能家电运行的电气数据，如功率、电压、电流、电量、功率因素等，云平台通过这些数据可以监测智能家电运行真实状态。

　　（1）电能传感器应用实例

　　•家电处于待机时，电流、功率值很低，云平台自动执行节能操作；

　　•家电工作正常时，功率、电流、电压等参数处于正常范围之内；

　　•家电出故障时，功率、电压、电流不匹配，云平台提醒用户，通知维修人员上门服务；

　　•家电超负荷工作时，功率、电流参数超出正常工作范围，云平台自动关闭家电。

　　云平台收集电能数据，可以通过数据分析，智能执行自动节能、安全用电、故障排查等操作；家电制造商拿到数据，进行相关的数据分析，可以监测产品故障率、维修情况、耗电量、用户使用喜好，监控产品质量问题，分析潜在市场需求；政府部门拿到数据，可以分析各种家电的能源消耗量，协助制定相关的政策，监督各品牌的产品质量等。

　　（2）电能传感器结构介绍

　　电能测量的主流方法是使用专业电能计量芯片，芯片内部包含高精度ADC、滤波器、陷波，集成专业的电能计量算法，对采样信号进行处理，通过接口输出电流、电压、功率等数据。电能传感器主要包含：电能计量芯片、采样电路、工作电源、隔离电路、单片机（可选）。

　　电能传感器工作原理：采样电路对电流、电压信号进行采样；电能计量芯片将信号转化为数字信号，内部计算功率值、电压值、电流值等；单片机对电能计量芯片的输出进行读取，并对电能参数进行初始处理；再通过隔离电路与外部的控制器进行通讯，将电能参数传送到主控制器中。电能传感器的关键器件是电能计量芯片，负责将家电用电模拟信息转化为数字信息。电能计量芯片决定电能传感器的关键参数，如测量参数、精度、体积等。

　　（3）电能传感器对电能计量芯片有哪些要求？

　　智能家电功能模块越来越多，预留空间越来越小，电能传感器应具备体积小、**电路简单、接口简单的特点；电能传感器传输数据要达到有效价值，必须要求能够测量多种参数（功率、电流、电压、电量），精度较高。作为关键器件的电能计量芯片，有如下要求：

　　•体积小，**电路简单。电能计量部分占PCB板很大一部分，电能计量芯片体积小、**电路简单是非常重要，可以减少PCB板面积，降低传感器的故障率；

　　•接口简单。部分家电主控制器预留的接口资源不多，简单的接口更容易进行通讯。若电能传感器带单片机，简单的芯片接口，设计者可以选择更具性价比的单片机；

　　•可测量多种参数，功率、电流、电压、电量。电能计量芯片若能测量这些参数，电能传感器提供的数据才有前文提到的用途，否则这些数据的价值会大打折扣；

　　•校准方便。由于采样电路存在比较大的误差，尤其是电流采样电阻，所以电能计量类产品都需要进行校准，才能达到满意的精度。考虑到成本问题，电能传感器中若不带单片机，校准时必须与主控制板连接之后进行整机校准，增加了生产的步骤及复杂度，也会一定程度上降低生产效率。

　　针对电能传感器的要求，这里选择一款在智能插座方面用得比较多的电能计量芯片（HLW8012）作为一个参考。HLW8012是合力为科技的电能计量芯片，专门应用于智能家居、智能路灯、充电桩等场合，已有许多知名厂家用在智能家居方面，可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值，SOP8封装，体积比较小，**电路简单，接口1~3线。有功功率，在1000：1范围内达到±0.3%的精度；电流或电压有效值，在500：1范围内达到±0.5%的精度，完全满足现在的需求。

　　三、展望

　　物联网的发展对大数据的需求越来越大。智能家电必然是集各类传感器于一身，而电能传感器作为最基本的传感器，也将会变成一种标准品，更趋于体积小型化、接口简单化、多功能化、智能化。作为电能传感器的关键器件，电能计量芯片将会体积更小、功能更强、精度更高、集成度更高，并具有简单自我学习能力。