全屋智能健康看護(hù)，從這三類傳感器開啟

短期三年新冠疫情影響、長期人口老齡化趨勢，讓健康監(jiān)測變得尤為重要。健康監(jiān)測也已經(jīng)不僅僅局限于在可穿戴設(shè)備上人體接觸式的單點(diǎn)健康監(jiān)控，更多地是在一個(gè)物理空間中用無感的方式從多個(gè)角度監(jiān)控人的體征變化。一系列的屋內(nèi)智能健康看護(hù)的應(yīng)用開始出現(xiàn)，這是一個(gè)起點(diǎn)，并且最終的發(fā)展可能會是一個(gè)全屋健康看護(hù)的場景，以至于將會和醫(yī)診體系、醫(yī)保系統(tǒng)、生命等平臺建立有互動的連接。有哪些應(yīng)用會是最先有潛力爆發(fā)的？將物理世界信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字世界電信號的關(guān)鍵傳感器是哪些？這樣的趨勢帶來的機(jī)遇又在哪里？本文將就這些問題進(jìn)行探討。

Covid-19、銀發(fā)經(jīng)濟(jì)和全屋健康看護(hù)的場景演進(jìn)

與第四次工業(yè)革命的生產(chǎn)力增長伴隨而來的，是社會超老齡化（Super-Aged Society）；超老齡化的趨勢下，銀發(fā)經(jīng)濟(jì)（Silver Economy）產(chǎn)業(yè)規(guī)模也越來越大；疊加上新冠突然爆發(fā)給醫(yī)療體系帶來的巨大沖擊，人們對于個(gè)人健康關(guān)注度達(dá)到了頂峰，有關(guān)健康的智能化產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入加速上升的時(shí)期。

一個(gè)重要的趨勢是，智能健康的場景中，不單單以某一個(gè)人為中心，而是以人存在的房屋空間作為一個(gè)中心，在整個(gè)的未來健康監(jiān)護(hù)的大系統(tǒng)中房屋會成為中心，擔(dān)任一個(gè)hub的角色。

在ReachGate上發(fā)表的一篇文中描述到，一個(gè)智能養(yǎng)老院的構(gòu)成由可穿戴設(shè)備、活動監(jiān)控、睡眠監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、家庭安全系統(tǒng)、能源管理、家庭自動化和遠(yuǎn)程服務(wù)平臺構(gòu)成。以養(yǎng)老院作為一個(gè)健康監(jiān)護(hù)的中心單位，其中包含了各種不同的傳感器、不同的無線連接協(xié)議，具備終端的環(huán)境數(shù)據(jù)收集、基礎(chǔ)的分析、學(xué)習(xí)能力。通過網(wǎng)路與云端連接可以調(diào)用更強(qiáng)的AI能力，連接到醫(yī)療系統(tǒng)的服務(wù)平臺。同時(shí)也具備自身的必要的一些設(shè)備控制的能力。連通性、互操作性、不間斷性以及隱私和數(shù)據(jù)安全，對于整個(gè)全屋智能系統(tǒng)提出了非常高的要求。

人們已經(jīng)廣泛接受和認(rèn)可的可穿戴設(shè)備、智能家居、家庭安全監(jiān)控等只是其中的一個(gè)組成部分。除此之外，一些無感的全天候監(jiān)護(hù)功能——例如運(yùn)動檢測（Motion Detection），呼吸、心率、睡眠監(jiān)測也開始在傳統(tǒng)家電設(shè)備上集成。例如電視機(jī)集成運(yùn)動檢測功能，監(jiān)測到人看電視睡著后自動關(guān)閉或調(diào)低音量；床頭燈集成呼吸監(jiān)測和運(yùn)動檢測，記錄一整晚的睡眠數(shù)據(jù)，通過算法進(jìn)行分析；攝像頭集成跌倒監(jiān)測，監(jiān)測到跌倒后發(fā)送求助信號等等。這些非接觸的應(yīng)用發(fā)展，是向全屋智能健康看護(hù)的必經(jīng)之路。據(jù)英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部應(yīng)用市場總監(jiān)李國豪分享，這些設(shè)備也不一定要與身體接觸，某些只需放在室內(nèi)空間或者智能家居中即可測量，所以載體的類型已經(jīng)從穿戴式轉(zhuǎn)移到家居或者室內(nèi)空間中。

國內(nèi)像清雷科技和英飛凌已經(jīng)在室內(nèi)場景的生命體征監(jiān)測方案上聯(lián)合耕耘了多年，發(fā)布了一系列基于毫米波雷達(dá)的睡覺檢測、體征檢測、跌倒監(jiān)測等智能設(shè)備。

傳感器是整個(gè)家庭健康看護(hù)系統(tǒng)最前端的接口，負(fù)責(zé)收集必要的數(shù)據(jù)信息。其中毫米波雷達(dá)傳感器、高分辨率ToF傳感器和CO2傳感器將分別在體征檢測、運(yùn)動檢測和環(huán)境檢測中發(fā)揮巨大作用。下面我們一起來看下這三類傳感器。

毫米波雷達(dá)傳感器：高靈敏度和高可靠度實(shí)現(xiàn)全天候體征感知

毫米波雷達(dá)的工作原理是通過發(fā)射天線發(fā)射脈沖電磁波，電磁波碰到物體后反射回到接收天線，根據(jù)回波信號變化來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知，數(shù)據(jù)計(jì)算后獲得距離、速度和方位角等信息。

據(jù)英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部高級市場經(jīng)理吳柏毅分享，毫米波雷達(dá)可以感測任何微小的移動，包括呼吸時(shí)胸腔微小的位移，因此可以做一些生命體征的監(jiān)測。甚至它也可以利用“存在感測”激發(fā)一些裝置系統(tǒng)，去感知它的距離、位置、速度、角度等數(shù)據(jù)信息，之后進(jìn)一步利用算法可以實(shí)現(xiàn)呼吸、心跳、手勢、追蹤人等各方面的應(yīng)用。

雷達(dá)的優(yōu)勢在于耐用、可靠和功耗較低。雷達(dá)波可以穿透任何不具導(dǎo)電物質(zhì)的表面及外殼，所以傳感器的安裝布置受到設(shè)備外殼和位置的影響很小。因?yàn)殡姶挪ú皇艿焦饩€影響，所以在高溫、多霧、多灰塵的環(huán)境中，仍可以正常運(yùn)行，不會像紅外探測一樣出現(xiàn)誤報(bào)的情況。另外其在惡劣條件下工作運(yùn)行時(shí)，幾乎不需要維修，可靠性非常好。盡管功耗上依據(jù)不同的應(yīng)用探測距離和環(huán)境要求而不同，但整體功耗水平較低。

雷達(dá)的困難點(diǎn)在于算法。如下圖所示：橫軸的部分是針對雷達(dá)原始數(shù)據(jù)提取出的信息，縱軸的部分就是雷達(dá)工作原理以及它的算法。圖中由易到難，粗略地列出了市面上普及應(yīng)用的算法。多個(gè)不同的算法交叉使用，可以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者想實(shí)現(xiàn)的功能。算法的不同，對于傳感器后端的計(jì)算部分（MCU/MPU等）的計(jì)算資源要求也有所不同，因此成本和功耗也有一定的差異。

從簡單的移動偵測，到進(jìn)階的感測這兩種不同的需求維度，英飛凌提供了兩種不同的傳感器產(chǎn)品方案——高性價(jià)比BGT60LTR11AIP和高分辨率BGT60TR13C。

BGT60LTR11AIP上集成基帶，并且采用集成天線封裝技術(shù)（單收單發(fā)）。這樣一顆高集成度芯片就解決了客戶的天線設(shè)計(jì)、射頻及雷達(dá)訊號處理等復(fù)雜問題。并且英飛凌還提供了一套配置好的自動模式，提供距離5米探測距離，約80度水平視角，小于5 mW平均功耗的水平。通過四個(gè)配置引腳可以進(jìn)行狀態(tài)輸入輸出，在自動化配置的上面實(shí)現(xiàn)一定靈活度的開發(fā)。這種高集成度的設(shè)計(jì)和自動配置，極大地簡化了開發(fā)者的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，即插即用。對于一些進(jìn)階的應(yīng)用需求，開發(fā)者還可以通過SPI來讀取傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合一些復(fù)雜算法計(jì)算，實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)10公尺的探測距離。

BGT60TR13C是一發(fā)三收架構(gòu)的MMIC，屬于超寬頻，可以提取到角度等信息，使用高級FMWC算法，分辨率更高，從而實(shí)現(xiàn)更多的高級功能。該芯片同樣采用了集成天線封裝技術(shù)，平均功耗約20～30mW。在使用頻寬大于5GHz以上時(shí)，解析度可以達(dá)到約3公分。結(jié)合高級的算法開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)手勢識別、人體感知追蹤、心跳檢測等等不同的功能。

除了兩款芯片外，Infineon也提供了配套的評估套件方便客戶進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)和評估。

高分辨率iToF：更精準(zhǔn)的帶深度信息的圖像探測

ToF傳感器的基本工作原理和雷達(dá)類似，只是將電磁波換成了光波。發(fā)射近紅外光波后計(jì)算反射回的光波的時(shí)間，通過相位差來測算出距離信息?；A(chǔ)的ToF傳感器實(shí)現(xiàn)的測距功能和超聲波測距類似。而英飛凌提供的是一種高分辨率的iToF方案，是一個(gè)面陣的ToF，每個(gè)像素都可以計(jì)算出待測物體的距離，然后形成一個(gè)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)圖，這個(gè)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一幅帶深度信息的完整圖像。

據(jù)英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部高級市場經(jīng)理張鐵虎分享，高分辨率ToF通過面陣像素所獲取到的數(shù)據(jù)，可以通過MIPI借口到出道后段的處理器上進(jìn)行計(jì)算。原始數(shù)據(jù)計(jì)算出可以同時(shí)得到一張深度圖和一張灰度圖。深度圖上的不同色彩僅僅用來表示不同的深度關(guān)系，并不包含RGB色彩信息。工程師將灰色和深度信息整合在一起后，還會進(jìn)行一些降噪、濾波、校準(zhǔn)等處理，將干凈的數(shù)據(jù)提供給上層應(yīng)用，上層應(yīng)用基于此分析后再反饋下一步行動的決策。

相比傳統(tǒng)CMOS，高分辨率iToF的好處不言而喻?？梢蕴峁?zhǔn)確的深度信息，物體之間的位置關(guān)系；沒有RGB信息收集，可以提供更好的隱私保護(hù)；后端的算法不同，計(jì)算資源需求量更小。

英飛凌的ToF方案來自于和pmd的緊密合作。pmd從2002年開始就專注于ToF的工業(yè)應(yīng)用，而英飛凌有著深厚的CMOS相關(guān)工藝積累。2013年中旬，英飛凌與pmd展開互補(bǔ)的合作，將原本工業(yè)應(yīng)用的ToF，通過對于成像器（imager）的改進(jìn)優(yōu)化，使其PPA達(dá)到消費(fèi)級的水準(zhǔn)。2015年就推出了第一代的ToF成像器——REAL 3；2016年推出第二代產(chǎn)品，在多款手機(jī)上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)搭載；2018年的時(shí)候英飛凌推出第三代ToF產(chǎn)品，在手機(jī)、智能家居等設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了更大范圍的應(yīng)用。

這種高分辨率的iToF已經(jīng)在智能家居、自動泊車、智能座艙等應(yīng)用中獲得了認(rèn)可，而在本文探討的主題——全屋健康看護(hù)場景中，也有著非常大的應(yīng)用前景。例如養(yǎng)老院的跌倒監(jiān)測功能，使用iToF的方案可以通過準(zhǔn)確的成像信息來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的跌倒檢測，同時(shí)又不會給被看護(hù)人造成隱私泄漏的困擾，可以說是這個(gè)場景下最完美的技術(shù)方案之一。

光聲光譜CO2傳感器：高精度、小尺寸、低成本

空氣質(zhì)量也關(guān)乎人們的健康，對于屋內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測同樣重要。對于日常生活而言，二氧化碳是一項(xiàng)關(guān)鍵空氣質(zhì)量指標(biāo)。因?yàn)镃O2無色無味，所以在日常生活中造成的影響往往容易被忽視，更需要傳感器的感知功能來進(jìn)行檢測。

據(jù)英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場經(jīng)理劉菊分享，在人多擁擠和通風(fēng)不良的環(huán)境下，二氧化碳濃度會快速上升。舉例來說，如果一個(gè)人在大約4平方米的空間中，二氧化碳濃度值會在45分鐘之內(nèi)從500PPM上升到1000PPM以上，室內(nèi)人員的舒適度會隨著CO2含量上升而降低。當(dāng)濃度達(dá)到1000PPM以上時(shí)，人們會感到困倦、難以集中注意力，生產(chǎn)力會下降。如果濃度達(dá)到2000PPM以上，認(rèn)知能力都會受到影響，高濃度會對人體健康造成重大風(fēng)險(xiǎn)。

憑借著MEMS的豐富技術(shù)積累，英飛凌創(chuàng)新地提供了一種基于“光聲光譜技術(shù)”的CO2傳感器——XENSIVTM PAS CO2，提供正負(fù)30PPM和正負(fù)3%的精度。傳統(tǒng)CO2感知技術(shù)有NDIR、EC和eCO2技術(shù)，其中EC和eCO2的精度和選擇性都不如NDIR，而且容易受到濕度的影響。光聲光譜的CO2傳感器可以提供與NDIR相同的精度和選擇性，同時(shí)因?yàn)椴捎肕EMS技術(shù)，所以在尺寸上和成本上具有優(yōu)勢，可以減少客戶整體的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。如下圖所示，光聲光譜的二氧化碳傳感器，雙通道的NDIR傳感器和參考用的傳感器對比，它們的測量曲線是非常接近的，但是eCO2的偏差就非常大。

如下圖所示，該傳感器斜上方的是腔室，里面有紅外光源、光學(xué)濾波片和MEMS麥克風(fēng)，其中高靈敏度的MEMS麥克風(fēng)用于探測腔室里面CO2分子產(chǎn)生的壓力變化。因?yàn)镸EMS的靈敏度極高，所以可以檢測到非常微小的壓力變化，僅需很少量的氣體就可以做出準(zhǔn)確的參數(shù)探測，因此這個(gè)腔室就可以采用更小尺寸的設(shè)計(jì)規(guī)格。另外該傳感器集成了一個(gè)MCU，可以將檢測到的二氧化碳濃度值直接轉(zhuǎn)換為PPM值，通過三種接口傳輸給后端系統(tǒng)。

另外值得一提的是，此款CO2傳感器是采用SMD封裝的CO2傳感器，對于有著大批量生產(chǎn)需求的客戶而言，可以與其他貼片元件一起，直接使用回流焊的方式制板，縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)的大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)間，非常適合工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用。

在傳感器之上的方案、產(chǎn)業(yè)能力

以上提到的三款傳感器都具備小尺寸、低功耗、高精度的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，而除了這些傳感器本身之外，英飛凌展現(xiàn)出了更多的在這之上的方案的能力、生態(tài)融合的能力、產(chǎn)業(yè)促進(jìn)力。

英飛凌提供了全套的產(chǎn)品組合，無線傳輸、MCU、傳感器等，所以自身就具備完整的方案能力。而且英飛凌非常積極在行業(yè)前沿的應(yīng)用方向開展合作和技術(shù)投資，實(shí)現(xiàn)前沿應(yīng)用與技術(shù)的結(jié)合，與客戶一起，自己實(shí)現(xiàn)芯片產(chǎn)品定義和規(guī)?；a(chǎn)能力；同時(shí)為客戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品idea的技術(shù)實(shí)現(xiàn)可行性，和規(guī)模化量產(chǎn)可能。

憑借著諸多的技術(shù)積累、產(chǎn)線能力，英飛凌可以將工業(yè)應(yīng)用的IP進(jìn)行升級開發(fā)和轉(zhuǎn)化到消費(fèi)市場。這種類似能力和做法，經(jīng)常可以在領(lǐng)先的芯片廠商中看到。例如高通快速在汽車市場占據(jù)領(lǐng)先地位，也是憑借著這種打法。

據(jù)李國豪分享，憑借電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部在傳感器方面多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，英飛凌不僅可將其應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，還可以通過與客戶的合作，把一些方案應(yīng)用于消費(fèi)類的健康監(jiān)測設(shè)備中。由于英飛凌傳感器在封裝、尺寸、成本，以及技術(shù)上的優(yōu)勢，可將其在工業(yè)上的應(yīng)用拓展到消費(fèi)類電子產(chǎn)品，給到客戶用于新產(chǎn)品并進(jìn)行生產(chǎn)。

總結(jié)

未來全屋智能健康監(jiān)護(hù)的完整場景，距我們尚有一段距離。而在朝那里行進(jìn)的路上，空間意義上的非接觸式的全天候的健康監(jiān)測應(yīng)用會率先實(shí)現(xiàn)爆發(fā)。