如今，我们已经过上了高度依赖传感器的日子，可以说衣食住行都有它们的身影，比如我们早期着装时的穿衣镜中，很可能就有ToF 传感器和光线强度传感器，在你靠近镜子的时候，镜子的照明会亮起来，并根据环境调节出合适的亮度；送到嘴边的食品，可能经过了复杂的生产和物流系统和高度智能化的加工和包装环节；出行自驾车辆中的 DMS( 驾驶员监控系统 )可以实时观察你的疲劳状态，或者注意力被分散的情况，车外的观察系统则观察交通状况及时提醒，避免可能发生的事故，这些都要仰仗各种传感器系统的交互。
在很多应用场景中，单以传感器已经无法胜任多样化的需求，比如当车辆行驶中，激光雷达(LiDAR)发现障碍物的时候，需要车载摄像头帮忙识别出，具体是人还是物，还要借助毫米波雷达观察出物体是运动还是静止，最后由系统做出决策或者告知驾驶员是否需要做出避障的动作等等;LiDAR 技术不断发展，最近，探测器技术以及用于创建3D 地图的方法都有了进步。它支持轻松地测距和创建精确而详细的 3D 图。即使功率和激光发射器功率受到安全限制，但通过精心选择波长和使用多射光脉冲，也可提高信噪比，实现长距测量。。再如 MEMS 运动传感器，就是将三轴加速器、三轴陀螺仪和三轴地磁传感器融合，获得准确的运动数据。
在高度数字化的世界中，无处不在的传感器成为我们与这个虚拟世界沟通的桥梁，借助这座桥梁，我们生活的方方面面、我们的喜怒哀乐在数字世界有了映射，让我们在数字世界中变得更加清晰和完整。同时，借助各式各样的传感器，我们也在扩大对周围，对世界的感知能力，察觉以往被忽视或者没有发现的信息，成为人类五感(听觉、触觉、视觉、味觉和嗅觉)能力的延伸。透过各种传感器的组合使用，人类的感知能力将会再度提升到一个新的高度，将感知延伸到五感之外。
我们也让传感器融入了我们的生活之中，透过它们默默无闻的工作，我们的健康状况得到改善，生活、工作娱乐的方式变得更加多样。即便是面对汹涌而来的COVID-19病毒，我们大部分人也能最大限度地面受其扰。医生借助多种传感器，无论是接触式还是非接触式，收集到大量有用信息，与疾病战斗能力还得了到加强。
从照明感知开始
出于绿能的考虑，在家居应用中，照明较早被赋予智能概念，从远程控制、声音控制到感应式照明，如今照明系统能够越来越精确地提供按需照明，感应式照明也从早期的小夜灯，安装到家中各个位置，包括厨房和卫生间都陆续出现了它们的身影，虽然是短短几步的路程，却是照明系统的感知一次大升级。
过去的感应式照明，在检测到有人靠近后灯会亮起，但以卫生间应用为例，当用户在卫生间坐下一段时间之后，或者洗澡一段时间后，灯光会自动关闭，因为照明系统已经感知不到有人在“活动“，就要为主人节约能源，。类似的情况在起居环境也有，这种尴尬的使用体验导致很多用户吐槽。
那么能否让照明系统能够感知静态状况的人，即人体存在感知能力？答案是毫米波技术
表：人 / 物体感知常见技术对比
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人/物体感知常见技术对比 |
超声波 |
红外/激光TOF |
毫米波（mmWave） |
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感测器位置 |
暴露在外 |
可安装在玻璃后面 |
可穿透塑料无需额外设计 |
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测量信号速度 |
音速 |
光速 |
光速 |
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监测距离 |
5米 |
8米 |
100米 |
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受到境干扰 |
烟雾/气体干扰 |
影响较大 |
影响严重 |
不受影响 |
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压力干扰 |
影响较大 |
略有影响 |
不受影响 |
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温度干扰 |
影响较大 |
影响较大/激光ToF不受影响 |
不受影响 |
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强光 |
不影响 |
影响严重 |
不受影响 |
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被测物特征影响 |
深色物体 |
不受影响 |
影响较大 |
不受影响 |
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透明介质 |
不受影响 |
不能工作 |
不受影响 |
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液体 |
略有影响 |
影响较大 |
不受影响 |
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软 |
影响严重 |
不受影响 |
影响较大 |
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可感知信息 |
距离 |
距离 |
距离、速度、运动防方向、角度 |
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数据源 :COMPOTECH 编辑部整里制作
常见的人体感应技术中，红外感应器是最早被广泛使用的技术，红外感应器通过收集红外能量变化触发感应器动作，使用成本低廉。但是缺点也非常明显，就是受环境温度影响，当夏天环境温度接近体温时，红外人体感应器就会变得不太灵敏。而采用毫米波技术的PCR（Pulsed Coherent Radar）雷达传感器，可以对察觉非常细微的运动，工作频段在61GHz，且提供高精度感知数据。比如人的呼吸状况，这样即便是看起来静止不动、或者处于熟睡状态的人，但仍然能够被PCR系统感知到，从而解决在卫生间尴尬的使用体验。
传统的红外式人体感测器 图片来源：panasonic.com
人体感应雷达模组可以识别有人/无人；不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光照等影响，适合恶劣环境；输出功率小，长时间照射对人体无伤害。来自瑞典的acconeer就是一家提供PCR雷达传感器的公司，他们的产品工作在60GHz ISM频段，照明设备商只要给设备配备上PCR雷达传感器，就可以解决识别处于静态的人或动物的问题。
PCR（Pulsed Coherent Radar）传感器 图片来源：www.acconeer.com
PCR雷达感应式照明 图片来源： www.ferry-semi.com
更为重要的是，PCR感应模组除了可以对静止、微运动还是运动人员实现准确检测，还没有隐私、敏感问题，感应器不要镜头，而且检测距离远，适配各种安装高度；可自由设定检测范围，适用于不同大小和形状的空间区域，而且不受环境障碍物影响，如烟雾，污垢遮挡、低光照，热源等；可隐藏在木材或塑料天花板等非金属材料后。
实际上PCR雷达传感器的适用范围远不止照明应用，由于其多种数据的感知能力，在包括健康监测、交通、楼宇以及工业部分都有广泛用途。
在COVID-19疫情大环境下，在包括工厂、学校、幼儿园在内的很多公共场合都配备了紫外消杀灯，在没有人员活动的区域定期进行紫外线消毒动作，但是由于管理和使用的疏忽，学生、老师被紫外线灯灼伤皮肤和眼睛的事情时有发生，这时借助感PCR雷达传感器，就能十分有效地及时发现消毒区域的状况，避免人伤事故发生。
穿戴式设备守护健康
“COVID-19疫情的发生，推动业界向监测临床级测量数据迈进，例血氧饱和度(SpO2)、呼吸与体温监测。”Maxim Integrated工业与医疗健康事业部总经理Andrew Baker表示：“开发人员不断推出创新方案，提供更深入的健康状况认知，打开改善人类健康的大门，并将人们到医疗机构就诊所需的时间降至最少，从而保持了远程病人监护的市场发展势头。”
越来越多的证据表明，低血氧饱和度（SpO2）是一些COVID-19高危患者出现呼吸困难之前的早期症状，而对COVID-19患者来说，越早发现和治疗，就离死神越远。因此，具有无创血氧检测功能的设备迅速成为市场新宠，包括智能手表，便携式血氧机在内设备被消费者热情地“请“回家中。
无创式血氧传感器的检测原理是分辨血液中的氧合红蛋白(Hb02)与还原血红蛋白(Hb)含量，利用其对红光和红外光的不同吸收率特性，计算得出血氧含量。供应商包括有TE、OSI、欧光、AMS这样的大型公司，也吸引了越来越多各地业者进入这一领域。
鱼跃指压式无创血氧测试仪器YX303 图片来源：yuyue.com.cn
2020年9月，Apple发布的新款智能手表，Apple watch6 就推出了测量血氧的功能，苹果宣称仅需15秒就能够测出用户的血氧值，而最新发布的Apple watch 7将测试速度提升到10秒内。之后，包括三星，华为，vivo、华米等制造商也先后推出了具有血氧检测功能的可穿戴设备。这其中，华米科技的Amazfit Pop智能手表，售价不到300元人民币，将血氧功能带向更为广泛的中低端设备市场。
最新的Apple Watch 7 图片来源：apple.com
与传统的医用血氧测试设备不同，智能手表由于被用户长时间佩戴，因此可以提供更加完整的监测数据，为相关疾病的预防与诊断提供更具意义的数据。
SpO2（血氧饱和度）：是指血液中血红蛋白气(O2)占血液中血红蛋白(Hb)所能结合氧气的最大量的百分比。足够的氧是所有生命体的物质基础，SpO2是反应血液含氧量的重要参数。人体的血液通过心脏的收缩和处长脉动地流过肺部，一定含量的还原血红蛋白（Hb）与从肺泡摄取的氧气结合变成了氧合血红蛋白(Hb02)，这些氧通过动脉系统直达毛细血管，然后将氧释放，维持组织细胞的新陈代谢。能否充分吸人氧气，使动脉血液中溶人足够的氧，对维持生命是至关重要的。及时检测动脉中氧含量是否充分，又是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标。临床上一般通过测量血氧饱和度来判断人体血液中的含氧量。
与手表和智能手环类似，另一件人们长时间佩戴的设备----耳机，也正在被注入健康检测的能力。根据美国专利局的公开信息，苹果公司的Beats Earphones专利，将为耳机引入健康监测传感器。据悉，苹果公司正在开发Apple Watch 中使用过的PPG传感器和ECG心电传感器的更小尺寸版本，期望未来能够搭载在耳机上，为用户提供更多健康相关的监测数据。在检测血氧饱和度时，利用光电容积脉搏波描记法 (PPG)照亮一块皮肤，检测Hb02与Hb的数据，就能得出血氧饱和度参数。
健康监测的功能，可能会成为下一代TWS耳机的争夺重点，市场也需要更多更小尺寸的传感器产品。
例如，AMS的AS7038RB超薄传感器，就可集成到耳塞、智能手表和腕带等可穿戴消费类产品以及贴片和血氧测量器等医疗设备。将小尺寸、多功能和高性能信号链整合在一起，适合OEM在空间受限的消费产品和医疗产品中开发创新型健康监测应用。该传感器采用3.70 mm x 3.10 mm小型封装，厚度仅0.65 mm。其中集成了1个高灵敏度光电二极管、4个LED驱动器、1个模拟前端和1个程序发生器。此外，还随附提供SpO2和心率测量应用软件。模拟前端支持同时进行ECG测量，并且符合IEC 6060-2-47医学标准的要求。
AMS AS7038RB传感器 图片来源:ams.com
借助艾迈斯半导体独有的晶圆级干涉滤光片技术，AS7038RB测量SpO2的准确性与医院测试设施中使用医疗级脉搏血氧测量器的测量结果非常接近。该滤光片使AS7038RB能够捕获590nm-710nm信号和近红外（800nm-1050nm）波长频段以便进行SpO2测量，同时屏蔽其他波长的环境光干扰。
艾迈斯半导体副总裁、配件和可穿戴设备解决方案业务部门总经理Wim Renirie表示：“AS7038RB还提供附加诊断工具，无需医务人员就可利用可穿戴设备和一次性设备安全准确地监测血氧饱和度。目前，艾迈斯半导体正与众多合作伙伴共同努力开发用于测试和诊断COVID-19的创新型解决方案。”
毫米波雷达传感器进入生命体征监测
生命体征是一组个人健康状况和身体功能的医学参数，它们可为疾病恢复或及时诊断提供线索。目前主要并且便于获取的生命体征有四个：体温（BT）、血压（BP）、呼吸频率（BR）和心率（HR），生命体征因年龄、性别、体重和健康水平而异，同时也会一个人在特定情况下的身体或心理活动而有所不同。例如，人们在静止和运动时，动的人会表现出不同的体温、呼吸频率和心率。
在现有生命体征监测应用中，大多采用接触式方案，也就是用户需要佩戴各种设备，尽管可穿戴设备的用户体验已经非常好，但并非所有场合都适合佩戴各种检测设备，比如睡眠时。越来越多的医疗机构开始关注人们在睡眠状况下的生命体征状态，透过呼吸频率、体温、心率的检测，能够对一些重大疾病进行早期发现。比如人们睡眠时的呼吸暂停问题，传统的方法，需要患者在医院佩戴专用设备对睡眠状况进行监测，但由于患者并非在一个熟悉的环境下睡眠，而且身上的装置由异物感，会直接影响数据的准确性。在这些应用中，能否找到一种非接触的测量方法，隔空完成心率、呼吸、体温等生命体征参数的搜集呢？科技人员想到了雷达。
雷达路径上的任何物体都会反射回信号，产生并通过发射器发送一个频率随时间逐渐增加的信号，当这个信号遇到物体之后会反射回来，其时延是距离/光速数值的2倍，而返回来的波形和发出的波形之间有个频率差，这个频率差和时延呈线性关系，将这两个频率做减法，就可以得到二者频率的差频（差拍频率），雷达系统通过捕获和处理反射信号，可以确定目标的距离、速度和角度。毫米波雷达在目标距离检测中提供毫米级精度的潜力使其成为检测人体生物信号的理想技术。
雷达起源与二战时期，被用于防空。后来在汽车领域成为自动驾驶的重要视觉功能，在目前的L2.5以上的自动驾驶系统中，毫米波雷达成为标准配置。毫米波雷达不容易受环境（温度光线等）的影响，能够穿透塑料、墙板和衣服等非金属材料，在安装和使用时限制较小；透过确定移动物体的方向、速度、距离，甚至可以根据天线配置确定移动物体的准确位置，高精度的数据和丰富的信息，将这些善加利用就能得到我们需要生命体征信息。
按照工作频段，民用市场的毫米波雷达可以分为三类：
24GHz毫米波雷达:波长为125mm，勉强够得上毫米波，由于频段的频率比较低，带宽比较窄（只有250MHz），因此24GHz毫米波雷达在测量精度上受限，这也在一定程度上限制了其应用范围的扩展。好在其技术成熟，成本低廉，在居家、办公还有工业的感应式照明以及早期的汽车应用中，这个频段的毫米波雷达被广泛使用。
77GHz毫米波雷达：波长只有3.9mm，频率比较高，带宽可达4GHz。目前主要集中在汽车领域，而且很多国家和地区也将这个频段分配为汽车的专用频段。
60GHz毫米波雷达：波长5mm，具有高达7GHz的可用于短程应用的免许可带宽，因此其可以提供更好的分辨率。它的出现主要应对24GHz雷达带宽受限、精度不足、对运用物体的感测有局限的问题。也为生命体征监测提供了技术基础。
米波雷达与智慧养老相结合，还可以演化出跌倒报警、睡眠监控等更多的新用例。这一领域未来的前景，也非常值得关注。比如，安富利就开发出了一款基于英飞凌BGT60TR1X系列毫米波雷达芯片的呼吸心跳检测解决方案，该方案利用一发一收两根天线即可工作，采集得到的数据通过基于Arm Cortex-M7的低成本MCU上进行处理，能够在大范围内自动检测并捕获呼吸和心跳引发的细微动作。
安富利毫米波雷达呼吸心跳检测方案实测图 左上和右上图显示的是随呼吸和心跳引发的胸部位移变化
英飞凌毫米波雷达传感器
英飞凌毫米波雷达在5mm*6.5mm的极小面积上集成了收发天线，并具备功耗低的特性。它可以感知封闭空间中物体的运动状态，甚至能以毫米级的精度对物体间的距离进行测量。该生命体征监测方案可以全天时全天候、非接触式地进行室内场景下的呼吸/心率等生命体征监测，其中呼吸监测最远距离达4米、心跳监测最远距离1.5米，具备实时监测、即时反馈的特性，最快数据刷新周期仅1秒。除了测得远，该方案更具有高精度与高准确度的优势，呼吸频率误差±1、心跳频率误差±2。完整方案还支持多种数据通信方式，支持长时间生命数据记录，日志数据可上云等等。
借助MEMS传感器实现无声语音传递
接触传感器“触摸”听不到的语言，是由东京大学和索尼计算机科学研究所（CSL）共同研发的人工智能（AI）系统“Derma”。透过Derma系统，只要在喉咙周围的皮肤上贴上MEMS惯性传感器，利用喉咙和下颚的皮肤震动，就能将口形转化为语音。
这项研究灵感最初来源于视听障碍者的触诊唇读法，人们用手指触摸说话者的嘴唇和下巴周围，以此读取说话内容。
研究人员将MEMS传感器和开发板接到身上进行测试
透过MEMS传感器识别不能发声者的声音
图说 :Derma：使用经皮运动感测的无声语音交互
无声言语互动(SSI)可以在不发出实际声音的情况下进行言语交流，并有可能在公共场所进行言语交流。然而，通常研究的基于图像的SSI唇读需要在脸部前面有一个摄像头，因此不适合移动使用。超声波成像需要昂贵而复杂的设备。相比之下，研究团队提出了一种简单得多的皮肤运动传感方法。两个小的六自由度加速度/角速度传感器安装在下巴下，获取无声发声引起的皮肤运动的12维多维信息。虽然之前的唇读研究通常是从带有语音的视频图像中推断出语音，但这项研究也提出了一种完全从非语音语言中学习的方法。
而这类无声语音方案，不仅可以帮助有语言听力障碍的人士，也可以在包括航天、水下、危险场所使用。
ToF从检测迈向感知
从 AR（增强现实）和 VR（虚拟现实）耳机到具有先进摄影和安全功能的智能手机，再到汽车和工业应用中，原本只是用来测距的ToF技术，在性能不断提升的同时，透过后端系统对数据的处理被赋予了更多的感知功能，在很多领域得到使用。
在 AR/VR 耳机中，ToF 系统获取的深度信息实际上为用户提供了一个额外的现实维度。在智慧手机中，该技术将使相机能够开发出单反质量的摄影效果，实现更逼真的 AR/VR 功能，并提供额外的保护，防止不必要的外部访问。
工业4.0应用中，智能传感器的使用，尤其是深度传感器，在制造业以及运输和物流中变得越来越普遍。从用于质量检测的工业机器视觉，到用于资产管理的体积检测，再到用于自主制造的导航，制造业正在采用这些传感技术，并朝着为恶劣工业环境设计的最高分辨率系统迈进。
为提升汽车行驶的安全性，在下一代汽车中，机舱内的 ToF 系统将能够监控驾驶员及其乘客的位置和状态，在驾驶员丧失行动能力的情况下接管控制并将汽车操纵到安全的地方。手势识别是一种新的车内交互方式，通过 ToF 技术实现的手势控制系统允许驾驶员接听来电、更改音讯输入源，甚至通过简单的手势调整气候控制手或手指。
在COVID-19大流行期间，ToF更是在保持社交距离的应用场景下得到广泛使用。通过手势进行非接触式控制操作、婴儿呼吸的远程监控以及各种环境中的社交距离监控只是 ADI 飞行时间技术可以使用的少数应用中的一部分。
ADI 的高分辨率深度传感技术与传统的 2D 图像传感技术相比具有显著优势。高分辨率深度可以更轻松地以更高的置信度对人和物体进行分类。这可以用于许多应用用例，从商业/零售入口/出口（用于安全和监视）到检测人跌倒或受伤，在安防和监控领域有广阔的应用前景。
ADI高分辨率感知系统使用飞行时间测量进行人员分类和范围检测的示例图像
图片来源：adi.com
而在众多针对COVID-19疫情的防控手段中，保持社交安全距离是降低新冠病毒感染的最佳方法之一。
由大联大友尚基于ST推出的VL53L1CX 飞行时间传感器的社交距离传感器解决方案，能够精准测量距离，从而协助客户开发创新的传染病防护装置，以应对疫情所带来的挑战。
大联大控股宣布在不久前推出基于意法半导体（ST）飞行时间传感器的社交距离传感器解决方案。
ST最新发布的8x8 多点ToF传感器 VL53L5CX 图片来源:st.com
这一方案的核心器件使用了ST旗下低功耗VL53L1CX高功率密度ToF传感器，该传感器最大检测距离为4米，并且内置了讯号处理功能和串扰补偿功能，这不仅简化了设计，而且提高了测量性能，即使在传感器窗口被异物遮挡的情况下，也能保持正常的测量精度。此外，VL53L1CX的测距精度不受对象表面特性影响，例如测距对象的衣服颜色或皮肤反射率。这使得其成为社交距离传感器方案的理想选择。
社交距离传感器解决方案适用于零售柜台和销售点，安装非常简单且易于使用。正常情况下，该设备的讯号灯会亮起绿色，如果有人越过最小安全距离，讯号灯则由绿色变为红色，发出警报。此外，本方案还为用户提供了P-NUCLEO-53L1A1评估套件，这可以让任何人都可以轻松使用VL53L1X ToF长距离测距传感器技术来学习和开发终端应用。
传感器的融合
如今，我们已经过上了高度依赖传感器的日子，可以说衣食住行都有它们的身影，比如我们早期着装时的穿衣镜中，很可能就有ToF传感器和光线强度传感器，在你靠近镜子的时候，镜子的照明会亮起来，并根据环境调节出合适的亮度；送到嘴边的食品，可能经过了复杂的生产和物流系统和高度智能化的加工和包装环节；出行自驾车辆中的DMS（驾驶员监控系统）可以实时观察你的疲劳状态，或者注意力被分散的情况，车外的观察系统则观察交通状况及时提醒，避免可能发生的事故，这些都要仰仗各种传感器系统的交互。
在很多应用场景中，单以传感器已经无法胜任多样化的需求，比如当车辆行驶中，激光雷达发现障碍物的时候，需要车载摄像头帮忙识别出，具体是人还是物，还要借助毫米波雷达观察出物体是运动还是静止，最后由系统做出决策或者告知驾驶员是否需要做出避障的动作等等。再如MEMS运动传感器，就是将三轴加速器、三轴陀螺仪和三轴地磁传感器融合，获得准确的运动数据。
对传感器系统融合，综合各种数据，进行处理，最后得出全局的认知，就是传感器的融合，也是传感器系统未来的发展方向。有关数据显示，传感器系统融合的需求将以19.4%的年复合增长率成长，到2年后将会超过75亿美元的规模。透过各种传感器的组合使用，人类的感知能力将会再度提升到一个新的高度，将感知延伸到五感之外。
参考资料：
安富利：不断“出圈”的毫米波雷达传感器，市场前景可期
Mistral Solutions：使用毫米波雷达监测各项生命体征信息
