物联网中的传感器、端点与电源系统

# 物联网中的传感器、端点与电源系统 ## 1. 传感器类型与原理 ### 1.1 陀螺仪与加速度计 陀螺仪和加速度计在物联网设备中应用广泛。加速度与系统旋转和旋转盘速度相关，也与 MEMS 设备的共振频率有关。给定直流电源时，力会改变间隙大小和电路总电容。外部电极检测环的偏转，内部电极提供电容测量。 这两种设备都需要电源和运算放大器进行信号调理，调理后的输出可由数字信号处理器采样。例如 Invensense MPU - 6050，它在 4 mm x 4 mm x 1 mm 的小封装中集成了 6 轴陀螺仪和加速度计，电流消耗仅 3.9 mA，适合低功耗传感。 ### 1.2 MEMS 麦克风 MEMS 设备可用于声音和振动检测，这类设备与加速度计相关。在工业物联网和预测性维护应用中，声音和振动测量很常见。例如，化工制造中的旋转或混合物料的工业机器，或用于分离混合物的离心机，需要精确的水平监测，MEMS 声音或振动单元可用于监测此类设备的健康和安全。 MEMS 麦克风需要足够采样频率的模数转换器，还需放大器增强信号。其阻抗约为几百欧姆，需谨慎选择放大器。MEMS 麦克风有模拟和数字两种类型： - 模拟麦克风：偏置到某个直流电压，并连接到编解码器进行模数转换。 - 数字麦克风：ADC 靠近麦克风源，在编解码器附近存在蜂窝或 Wi - Fi 信号干扰时很有用。 数字 MEMS 麦克风的输出可以是脉冲密度调制（PDM）或通过 I²S 格式传输： - PDM：高采样率协议，可对两个麦克风通道进行采样，通过共享时钟和数据线，在不同时钟周期对两个麦克风之一进行采样。 - I²S：采样率不高，在音频速率（Hz 到 kHz 范围）下抽取可得到中等质量的结果，可使用多个麦克风采样，且由于抽取在麦克风中进行，可能无需 ADC。PDM 由于采样率高，需要数字信号处理器进行抽取。 ### 1.3 MEMS 压力传感器 压力和应变计在物联网的各种应用中都有使用，从智慧城市的基础设施监测到工业制造，主要用于测量流体和气体压力。传感器的核心是压电电路，压电基板上或下会放置一个隔膜，基板具有柔韧性，可使压电晶体改变形状，从而导致材料电阻直接相关的变化。 这种基于激励电流的传感器依靠惠斯通电桥来测量变化，惠斯通电桥有两线、四线或六线组合，当压电基板弯曲并改变电阻时，通过电桥测量电压变化。 ### 传感器类型总结 | 传感器类型 | 应用场景 | 工作原理 | 输出处理 | | ---- | ---- | ---- | ---- | | 陀螺仪与加速度计 | 物联网设备运动检测 | 加速度与系统旋转、旋转盘速度及 MEMS 共振频率有关，力改变电容 | 电源和运放调理后由 DSP 采样 | | MEMS 麦克风 | 声音和振动检测，工业监测 | 检测声音和振动，模拟或数字输出 | 需 ADC 和放大器，数字输出有 PDM 和 I²S 格式 | | MEMS 压力传感器 | 压力测量，如流体和气体压力 | 压电晶体形状改变导致电阻变化 | 依靠惠斯通电桥测量电压变化 | ## 2. 智能 IoT 端点 - 视觉系统 ### 2.1 视觉系统组成 与简单传感器不同，视觉系统更为复杂，涉及大量硬件、光学和成像硅片。视觉系统从镜头开始，镜头用于观察场景，提供聚焦和更多的光饱和度到传感元件。现代视觉系统使用两种传感元件之一：电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物（CMOS）器件。 二者区别如下： - CCD：电荷从传感器传输到芯片边缘，通过模数转换器顺序采样，可创建高分辨率、低噪声图像，但功耗大（是 CMOS 的 100 倍），且需要独特的制造工艺。 - CMOS：每个像素包含晶体管来采样电荷，允许每个像素单独读取，更易受噪声影响，但功耗低。 如今市场上大多数传感器采用 CMOS。CMOS 传感器集成在硅芯片中，呈现为在硅基板上按行和列排列的二维晶体管阵列。一系列微透镜位于每个红、绿或蓝传感器上，将入射光线聚焦到晶体管元件上。但镜头并不完美，可能会引入色差（不同波长折射速率不同，导致不同焦距和模糊）和图像畸变（如枕形效应）。 ### 2.2 图像信号处理流程 图像信号处理器（ISP）将图像经过一系列步骤过滤、归一化和转换为可用的数字图像，具体步骤如下： 1. **模数转换**：放大传感器信号并转换为 10 位数字形式，从光电二极管传感器阵列以扁平的行/列系列读取数据，代表刚捕获的图像。 2. **光学钳位**：消除由于传感器黑电平引起的传感器偏置效应。 3. **白平衡**：模拟人眼对不同色温的色彩显示，使中性色调看起来中性，通过矩阵转换实现。 4. **死像素校正**：识别死像素，通过插值补偿其损失，用相邻像素的平均值替换死像素。 5. **去拜耳滤波和去马赛克**：排列 RGB 数据，使绿色在红色和蓝色内容上饱和，以调整亮度灵敏度，还从传感器交错内容创建图像的平面格式，更高级的算法可保留图像边缘。 6. **降噪**：所有传感器都会引入噪声，可通过 3 x 3 阵列的中值滤波器去除图像捕获过程中引入的白色和相干噪声，也可使用去斑滤波器等方法。 7. **锐化**：通过矩阵乘法对图像应用模糊，然后将模糊与内容区域的细节结合以创建锐化效果。 8. **色彩空间转换 3 x 3**：将色彩