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Sensor Hub啟動情境感知實現無限可能
實現功能差異化 首重排列組合

【作者: 陳韋哲】   2014年04月22日 星期二

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幾年以前,任誰也沒料想到智慧手機與平板電腦會掀起一波行動狂潮,使得威風已久的PC產業銷售量節節敗退。以往傳統的單純收發電話與SMS簡訊訴求對於現代人而言,不再是最重要的功能,取而代之的是數以萬計的行動App才最令使用者傾心。該如何提昇使用者使用體驗成為行動裝置設備設計的重要指標,為了讓行動裝置擁有更多的創新功能,MEMS技術與感測器扮演著舉足輕重的角色。


國外資深電子科技媒體記者Majeed Ahmad表示,MEMS微機電應用在智慧手機領域,進而獲得重大突破之時機點是在蘋果透過模仿人類在真實世界工作的形式,進一步將MEMS硬體導入動作元素到使用者介面之後的幾年才真正發揚光大。蘋果在iPhone裝設了加速度計,賦予觸控螢幕擁有自動切換橫、直向顯示的功能,造就了導入MEMS感測器的智慧手機開啟了新的應用平台並進一步強化連接的魔力。


截至目前,平均每一支行動裝置皆內建4~10個MEMS元件,隨著各家手機製造業者強推主打個人保健與環境檢測等功能的推波助瀾之下,市場普遍預測2014年推出的旗艦型機種內建的MEMS元件更將上看15顆以上。意法半導體類比與微機電元件資深技術行銷工程師李炯毅指出,隨著行動與穿戴式裝置相繼推出,預估出貨量將持續向上攀升,進而帶動感測元件供給需求暢旺。



圖一 : 市場普遍預測2014年推出的旗艦型機種內建的MEMS元件更將上看15顆以上,進而帶動感測元件供給需求暢旺。(圖/www.montaguebikes.com)
圖一 : 市場普遍預測2014年推出的旗艦型機種內建的MEMS元件更將上看15顆以上,進而帶動感測元件供給需求暢旺。(圖/www.montaguebikes.com)

高效能與低功耗拉鋸戰:


然而,智慧手機處理效能逐漸朝向PC等級前進的同時,該如何讓功耗降至最低,以便延長電池續航力仍是各大廠商最關注的課題之一。再加上,近幾年個人保健意識高漲,感測器已廣泛應用於人類日常生活,不難發現智慧手機感測功能已從簡易的監控功能應用晉升為即時檢測周圍環境和活動的複雜資訊功能需求,造就了智慧手機猶如一部具有即時感知功能的行動電腦,卻連帶著讓耗電問題再度拉起警報。


資策會MIC資深產業分析師林柏齊表示,智慧手機想要開啟情境感知功能應用無限可能,行動裝置就必須導入各式各樣的Sensor。隨著情境感知技術越來越智慧化,感測器不只能夠感測到使用者的腳步和方向,而是能夠更進一步計算出腳步距離或者判斷手機是握在使用者手上抑或是放置在使用者口袋中。



圖二 : 智慧手機想要開啟情境感知功能應用無限可能,行動裝置就必須導入各式各樣的Sensor。(圖/www.montaguebikes.com)
圖二 : 智慧手機想要開啟情境感知功能應用無限可能,行動裝置就必須導入各式各樣的Sensor。(圖/www.montaguebikes.com)

QuickLogic全球銷售暨行銷副總裁Brian Faith也表示,情境感知解決方案必須能夠達到不斷電的即時處理不斷來自感測器的訊息,且必須保持低功耗。截至目前,智慧手機能夠整合的感測器除了傳統的加速度計、陀螺儀以外,還包含磁力計、氣壓計等多元感測器。個別的感測器各司其職處理不同的資料數據,如果所有的感測器都要交由行動應用處理器負責啟動處理的話,往往會引發耗電過高問題。


感測器大小事通通交給Sensor Hub:


林柏齊指出,目前行動裝置應用處理器大多採用Cortex-A系列架構,光是啟動單一感測器,平均耗電量約落在100~200MHz,若是同時啟動多顆感測器,耗電量就會顯得更加可觀。因此,想要解決功耗過高的問題,將所有的感測器全部整合在同一顆Sensor Hub,便是最佳不二法門。


林柏齊解釋,Sensor Hub是一個能夠幫助擷取、整合與處理來自不同感測器的數據的微控制器,透過Sensor Hub能把減輕主應用處理器負擔,以節省電力進而提升效能。簡單來說,即是將多個感測器整合到同一個Hub上,由該Hub統一負責管理控制所有的感測器。


除了行動裝置導入越來越多感測器以外,被喻為是明日之星的穿戴式設備所搭載的MEMS感測器數量亦是如此,因此需要使用一個Sensor Hub來控制所有的感測器,將所有數據資料整合後,最後再交由AP進行運算,讓行動應用處理器無需「時時等候」處理所有來自感測器所收集的數據資料,進一步達到降低功耗與省電的效果。



圖三 : Sensor Hub能把減輕主應用處理器負擔,以節省電力進而提升效能。(圖/a.fastcompany.net)
圖三 : Sensor Hub能把減輕主應用處理器負擔,以節省電力進而提升效能。(圖/a.fastcompany.net)

Majeed Ahmad表示,目前除了蘋果為iOS加入自家M7 Processor動作協同處理器與三星在自家Android智慧手機與平板電腦導入使用Sensor hub技術之外,搭載Windows 8作業系統的筆記型電腦市場也開始應用Sensor hub技術,為筆記型電腦打造情境感知功能,提昇使用者使用體驗。


據了解,行動裝置感測器元件整合的需求不斷持續升溫,以加速度計與陀螺儀為例,開始出現將兩者整合到單一封裝中,其次,感測器與處理能力亦走向整合的趨勢。Majeed Ahmad表示,除了加速度計與陀螺儀之外,感測器與處理能力亦開始走向整合的設計趨勢,從蘋果近期推出的iPhone 5S便可窺知端倪,iPhone 5S內建的M7動作協同處理器便是為可攜式電子產品的MEMS創新技術開啟新的一扇門。



圖四 : M7動作協同處理器類似於Google Android智慧手機中採用的Sensor Hub,能夠用於集中控制多種動態感測資訊。(圖/www.ifjsl.blogspot.com)
圖四 : M7動作協同處理器類似於Google Android智慧手機中採用的Sensor Hub,能夠用於集中控制多種動態感測資訊。(圖/www.ifjsl.blogspot.com)

簡單來說,M7動作協同處理器類似於Google Android智慧手機中採用的Sensor Hub,能夠用於集中控制多種動態感測資訊,包括加速感應器、陀螺儀和羅盤,並能持續監控感測器的變化。Majeed Ahmad解釋,iPhone 5S採用的M7動作協同處理器的運行原理為在行動裝置上運行專屬的動作處理演算法,從應用處理器卸載感測器模組,不僅讓整個卸載過程消耗僅1%的電力,同時也減輕行動應用處理器的處理負擔。


Brian Faith表示,不論是M7動作協同處理器,抑或是Android智慧手機裡的Sensor Hub,其主要目的都是為了要將感測器的運作方式獨立出來,讓智慧手機能夠維持即時監控或是在背景模式持續運作的模式的同時,也能確保電池續航力表現,進而提昇使用者體驗。


低功耗Sensor Hub打造完美情境感知:


看好Sensor Hub的未來市場發展潛力,QuickLogic先前也推出第一款Sensor Hub-ArcticLink 3 S1解決方案平台,整合感測器管理功能,能夠對感測器變化持續監控,除了維持不斷電的情境感知功能,還可以針對應用處理器通訊執行最佳化。


而意法半導體也與消費性電子數據融合處理技術供應商Movea攜手發佈研發合作協議,將Movea的SmartMotion技術整合到STM32F401微控制器內,企圖打造一個低功耗的sensor-hub控制器。讓行動裝置廠商和應用開發商可以開發出令人期待的情境感知應用與服務。


結論


截至目前,國際感測大廠皆朝向整合多軸化的Sensor Fusion方向設計產品,而隨著室內導航應用逐漸受到市場重視,三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸電子羅盤及壓力感測器將扮演更重要的角色,預計明年起將會被大量導入中高階智慧型手機中,成為繼動作感測元件之外的另一熱門MEMS產品。


李炯毅強調,未來市場將會以6軸和9軸的組合式感測器產品最為大宗。使用智慧型九軸MEMS感測器將可大幅減低行動裝置的耗電量。在整合度上,為了要提高感測器的精準度,以及降低系統運算功耗,相關感測器廠商已經開始著手將MEMS與MCU整合,進而設計出Sensor Hub單晶片,並搭配Sensor Fusion軟體來為加速度計、陀螺儀、壓力計等相關MEMS元件進行資訊校正及轉換的動作。


據了解,無線藍牙市場可望躍進智慧手持裝置、醫療照護、家電控制、車載產品、安全監控及穿戴裝置等市場,預計2014年將會有更多行動裝置設備導入Sensor Hub。林柏齊表示,對於Sensor Hub供應商而言,雖然封裝技術是一項挑戰,但更重要的是該如何將感測器做好排列組合,開發出更有趣及更極具創意的差異化功能,進一步讓消費者的生活體驗能夠更加直覺,並將功耗減至最低,進一步帶動感測晶片的發展商機。


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