樓梯響了很久的＂智慧家庭＂(Smart Home)，為何這兩年突然見到勃發之象？意法半導體 (ST) 認為，低功耗廣域網 (LPWAN) 的普及與應用程序編程接口 (API) 的充沛，是主要催熟劑。然而，實現智慧家庭一個極關鍵的先決條件是：感應接口是否夠聰明且友善？太過繁瑣的操作，反會造成普羅大眾的麻煩，影響使用意愿。于是，語音輸入與利用光學原理賦予家用設備感知能力，成為不少制造商屬意的人機接口。ST 模擬／微機電與感測組件產品營銷經理陳建成分析，感測、連網與低功耗，將是建構智慧家庭的三大要素。
照片人物：ST 模擬／微機電與感測組件產品營銷經理陳建成
藍牙聲控，是最直覺的觸發方式
＂陀螺儀、加速度計、磁力計等運動傳感器 (Motion Sensor)，是居家防跌／防撞及姿態辨別的馬前卒，新興 SigFox 協議有擔當對外低功耗通信要角的潛力，而藍牙 (Bluetooth) 聲控是最直覺的觸發方式＂，陳建成分享他的觀點。運動傳感器除了早先介紹過能加載混合現實 (MR) 技術，通過事先匯入建筑管線圖資、結合熱像儀進行漏水檢測，陀螺儀、地磁計可維持移動式家電的方向性之外，加速度計更是慎防人、物發生意外的必要防護配備。關于＂發號施令＂的感應接口，陳建成認為麥克風語音識別的誤判率相對較低，適合隨興、愜意的居家生活氛圍。
＂陀螺儀、加速度計、磁力計等運動傳感器 (Motion Sensor)，是居家防跌／防撞及姿態辨別的馬前卒，新興 SigFox 協議有擔當對外低功耗通信要角的潛力，而藍牙 (Bluetooth) 聲控是最直覺的觸發方式＂，陳建成分享他的觀點。運動傳感器除了早先介紹過能加載混合現實 (MR) 技術，通過事先匯入建筑管線圖資、結合熱像儀進行漏水檢測，陀螺儀、地磁計可維持移動式家電的方向性之外，加速度計更是慎防人、物發生意外的必要防護配備。關于＂發號施令＂的感應接口，陳建成認為麥克風語音識別的誤判率相對較低，適合隨興、愜意的居家生活氛圍。
不過，他也強調，這必須建立在豐富的＂聲音數據庫＂以及傳感器出色的信噪比 (SNR) 的基礎上——麥克風收音器件常以＂聲學過載點＂(AOP) 來衡量敏感度，意指在不失真條件下所能接收到的最大信號，該數值越高越好。另機構設計與模擬／數字的封裝選擇也是焦點。不同的產品外型，麥克風開口朝上或朝下都會影響收音效果。此外，模擬麥克風雖然較沒有衰減問題，卻易受干擾；微機電 (MEMS) 數字封裝具有低噪聲、小尺寸的優勢，且加載精密算法、可直接算出數值回饋到系統中，效能較高；以往成本要貴上一成，但目前兩者已相去不遠。
SigFox 與 Bluetooth，交織家用低功耗網絡
特別一提的是，ST 在臺北辦公室設有實驗室，可幫客戶代測機構設計是否適當、波束成形 (Beamforming) 與降噪是否到位？并給予建議。連網傳輸部分，陳建成相當肯定 SigFox 覆蓋區域大，能突破地理疆界、跨國通信的優勢。他指出，不同于其他停車場重點在于＂現場＂調度／尋找車位或方便收費管理的要求，從法國起家的 SigFox 緣于上述特性，常被用于＂事先＂預知／預約空位。它還曾被裝設在滿街跑的公交車以偵測空氣質量，因為是移動式動態收集數據，比定點偵測站更有參考價值，可進一步做事件觸發的通知設定及后續應用。
特別一提的是，ST 在臺北辦公室設有實驗室，可幫客戶代測機構設計是否適當、波束成形 (Beamforming) 與降噪是否到位？并給予建議。連網傳輸部分，陳建成相當肯定 SigFox 覆蓋區域大，能突破地理疆界、跨國通信的優勢。他指出，不同于其他停車場重點在于＂現場＂調度／尋找車位或方便收費管理的要求，從法國起家的 SigFox 緣于上述特性，常被用于＂事先＂預知／預約空位。它還曾被裝設在滿街跑的公交車以偵測空氣質量，因為是移動式動態收集數據，比定點偵測站更有參考價值，可進一步做事件觸發的通知設定及后續應用。
切換到智慧家庭場景，陳建成表示，隨著全球人口移動頻繁，一旦遠距醫療、居家照護／保全走進千家萬戶，產生跨國通信需求，例如：國際會診／收發生理數據或病歷、人在國外又惦念著家人或門戶安全……，都是 SigFox 可著力之處。＂目前已在 29 個國家部署的 SigFox，亦是跨國電網的骨干；許多歐洲家庭都有裝設 SigFox 協議的智能電表以監控用電狀況＂，陳建成補充。為此，ST 新近推出的 S2-LP Sub-1GHz 射頻收發器，可與 M-BUS、SigFox、6LowPAN 和 IEEE802.15.4g 等諸多協議兼容。
圖1：S2-LP 是免授權頻段的 sub-GHz 低功耗射頻收發器芯片，接收模式工作電流僅 6.7mA，睡眠和待機模式分別降到 600nA 和 350nA
資料來源：ST提供
SensorTile，易上手的 Bluetooth 語音感測模塊
至于家庭內部通信遙控，陳建成看好 Bluetooth 5.0 強大的 mesh 功能，讓建置工作更簡單、省電、便宜，預料 2018 年上半年可望看到市場甜蜜點。ST 推出 SensorTile 傳感器模塊，集 MEMS 加速度計、陀螺儀、壓力／溫濕度傳感器、MEMS 麥克風、STM32L4 微控制器 (MCU)，以及 micro-SD 卡插槽和鋰聚電池 (LiPo) 充電器于一身，可為穿戴設備、智能家居等物聯網 (IoT) 設備提供感知和互聯控制；模塊內建功能完整的 Bluetooth 低能耗藍牙收發器、單片平衡不平衡轉換器以及各種系統接口，可用作感測數據整合控制器或固件開發平臺。
至于家庭內部通信遙控，陳建成看好 Bluetooth 5.0 強大的 mesh 功能，讓建置工作更簡單、省電、便宜，預料 2018 年上半年可望看到市場甜蜜點。ST 推出 SensorTile 傳感器模塊，集 MEMS 加速度計、陀螺儀、壓力／溫濕度傳感器、MEMS 麥克風、STM32L4 微控制器 (MCU)，以及 micro-SD 卡插槽和鋰聚電池 (LiPo) 充電器于一身，可為穿戴設備、智能家居等物聯網 (IoT) 設備提供感知和互聯控制；模塊內建功能完整的 Bluetooth 低能耗藍牙收發器、單片平衡不平衡轉換器以及各種系統接口，可用作感測數據整合控制器或固件開發平臺。
它是十分容易上手的開發工具包，開放源碼可為評估和客制項目提供方便的切入點，包括位置感測和低功耗語音通信軟件。使用者只須將 SensorTile 接到主板，通電后，該模塊會立即向 ST BlueMS 智能手機應用軟件 (用戶可免費下載) 灌注慣性、音頻和環境數據。該模塊擁有基于 STM32Cube 硬件抽象層 (HAL)、中間件、STM32 開放式的開發環境，API 生態系統完善，且可與各種開放軟件擴展庫 (Open.MEMS / Open.RF / Open.AUDIO) 以及眾多第三方嵌入式感測和語音處理項目兼容。
圖2：SensorTile 開發工具包齊全
資料來源：ST提供
ToF 測距感測技術，探知具體數值才能定位
談完應用層的人機互動，接著探究更深層的＂存在偵側＂(Presence Detection)——只要一＂現身＂，就能自動捕捉、執行后續動作。ST 影像事業部技術營銷項目經理林國志表示，日常生活中最常接觸的光學感測接口就是紅外線 (IR)，但它只能通過光線強度辨識距離遠近，無法探知絕對距離、加以定位，更遑論擷取 3D 影像；而基于飛行時間 (Time-of-Flight, ToF) 技術的測距傳感器，只要將光速與 1/2 來回反射的時間相乘，就能得到具體距離數值。測距傳感器具有體積輕巧、功耗低、反應快等優點——以＂光速＂量測 1 厘米距離來回僅需 67 皮秒 (ps)。
談完應用層的人機互動，接著探究更深層的＂存在偵側＂(Presence Detection)——只要一＂現身＂，就能自動捕捉、執行后續動作。ST 影像事業部技術營銷項目經理林國志表示，日常生活中最常接觸的光學感測接口就是紅外線 (IR)，但它只能通過光線強度辨識距離遠近，無法探知絕對距離、加以定位，更遑論擷取 3D 影像；而基于飛行時間 (Time-of-Flight, ToF) 技術的測距傳感器，只要將光速與 1/2 來回反射的時間相乘，就能得到具體距離數值。測距傳感器具有體積輕巧、功耗低、反應快等優點——以＂光速＂量測 1 厘米距離來回僅需 67 皮秒 (ps)。
因此，在工業控制、物流倉管與消費電子距離警示應用甚廣；就連家用掃地機器人，也能看到它的蹤影，內置 1～8 顆不等的一維度測距傳感器。林國志指出，最早掃地機器人多用超音波作為感測接口，但因體積及價格限制，應用無法普及；改采 ToF 的機器，可設定確切數值實現＂沿邊＂行進模式，讓機器乖乖按既定軌跡運作、避免碰撞及墜落。ST 于 2015 年推出第一代 FlightSense 的 ToF 傳感器模塊——VL6180X，有效距離達 40 厘米，甫問市即因行動夠靈活，而深獲多家掃地機器人以及專門清潔玻璃用的＂玻妞＂制造商青睞。
此外，由于搭載環境光源傳感器 (Ambient Light Sensor, ALS)，門禁控制面板、智能家電運轉也在應用之列，用來感測環境光強度與辨別目標物是否在場，以便相關設備自動開關或發出警示。另一方面，人形機器人的進駐家庭，催生人機之間的安全防護需求。＂他們不像掃地機是貼著地面行走，有高度的機器人一旦撞到障礙物而倒下，可能危害到人身安全，尤其是有老人與孩童的居家環境，更須格外留意＂，林國志提醒。隨著時間推進，去年發布的第二代的 VL53L0X 已可偵測相距遠至 200 厘米的物體，不少國際一線手機大廠將它用于強化攝影功能。
圖3：FlightSense 廣泛應用于通信、智能家庭、消費、工業等領域
資料來源：ST提供
FlightSense，揭開測距感測新篇章
藉由精準的光學反應測定最佳拍攝距離，提高拍攝質量。林國志并透露，ST 正計劃將有效距離再倍增、延至 400 厘米以上，第三代產品擬于今年下半年登場，可供作居家保全等長距應用。例如，當外來者進入警戒區域，平時因省電考慮而休眠的攝影機會自動開啟工作。他剖析，FlightSense 特別適用于騰不出雙手、因手臟不便觸控或有安全意識的場合，其中＂衛浴＂也是智慧家庭極佳發揮舞臺，包括：馬桶蓋掀放、自動沖水、水龍頭、給皂機、烘手機等設備。當中有些設備可用紅外線實現，但低階產品常有感應不靈敏的問題。
藉由精準的光學反應測定最佳拍攝距離，提高拍攝質量。林國志并透露，ST 正計劃將有效距離再倍增、延至 400 厘米以上，第三代產品擬于今年下半年登場，可供作居家保全等長距應用。例如，當外來者進入警戒區域，平時因省電考慮而休眠的攝影機會自動開啟工作。他剖析，FlightSense 特別適用于騰不出雙手、因手臟不便觸控或有安全意識的場合，其中＂衛浴＂也是智慧家庭極佳發揮舞臺，包括：馬桶蓋掀放、自動沖水、水龍頭、給皂機、烘手機等設備。當中有些設備可用紅外線實現，但低階產品常有感應不靈敏的問題。
容易受使用者膚色或環境光源影響，即是其中一個致命傷；而高階 IR 產品又有體積大、安裝不便且成本高等缺點，讓 ToF 有了見縫插針的機會。＂大家或許曾有這種經驗：當我們在感應式洗手枱前，有時得來回晃動好幾次、水龍頭才得以順利出水＂，林國志喚起我們早已習以為常的記憶；而 ToF 傳感器有望在開創新市場之余，產生替代性需求。從產品開發的立場來看，相較于手勢辨識需要繁復的算法，FlightSense 內嵌一個 8 位 MCU、緩存器和必要主動組件，開發者只須外加電阻、電容即可依開發需求做分段控制。
照片人物：ST 影像事業部技術營銷項目經理林國志 (左) 與影像事業部資深專員吳芳雅 (右)
內置 MCU 會先行計算距離，再將數值傳送至后端系統控制器，降低主要 MCU 工作負擔。目前單顆 FlightSense 傳感器約可監控 25 度角的活動范圍，也可多顆一起使用以增加感測范圍；若后端搭配 ST MCU 產品，同樣能通過 ST 提供的原始碼做多種加值應用。另因其屬于低頻的光信號，即使設備空間有限，也不致干擾到其他通信模塊的運作，輕松晉身成為物聯網一員。隨著人們對手機越來越依賴，加上應用程序 (APPs) 百花齊放、感測定位越來越精準，智慧家庭頗有加速起飛之姿。
