感知创新无限 智能应用升级——加速度计篇
2013-03-24 18:36:37   来源：微迷   评论：0   点击：

麦姆斯咨询 王懿

MEMS应用拓展的重要功臣当属MEMS加速度计，它是实现运动感知、智能应用的关键器件之一。从汽车电子的安全气囊、车身稳定系统到工业领域的振动监测、倾斜控制，从消费娱乐的智能手机、游戏手柄到家电领域的洗衣机、投影仪，从健康监测的计步器、睡眠仪到生物医疗的手术导航、血压计，无不展现出加速度计的神奇魅力。生命生生不息，创新永无止境。随着智能观念深入人心，各种创意想法层出不穷，本文主要介绍加速度计的十个创新应用，为中国MEMS产业发展建言献策，希望能开拓传感器从业人员的思路，利用MEMS技术开发智能应用，实现传统产业升级转型。

（1）乳牛颈圈

爱尔兰奶牛场设备制造商Dairymaster利用3轴MEMS加速度计为乳牛打造了一款名为MooMonitor的颈圈，见图1所示。MooMonitor利用加速度计监控乳牛的活动情况，通过RFID标签追踪乳牛的位置，还可以控制自动门让牛群进出牧场与挤奶厂，并通过智能手机及时将乳牛的排卵时间通知农场主，见图2所示。根据英国农业与园艺发展协会统计，全球有超过2.5亿头乳牛；而联合国粮食与农业组织指出全球分别有超过10亿只的羊与猪，因此这项针对畜牧业的智能养殖应用拥有巨大的市场商机，吸引越来越多的公司加入竞争行列，如瑞士初创公司ANEMON和美国公司Mini Mitter。

图1 佩戴蓝色MooMonitor的乳牛

图2 通过智能手机的应用程序了解乳牛的活动情况以及排卵时间

由于乳牛的排卵行为经常发生在夜晚，往往让农场主措手不及，无法立刻找到一头公牛进行交配。然而，MooMonitor可以进行夜晚监测，感知乳牛在排卵前的焦躁不安，并通过智能手机通知农场主提前准备好公牛。预计这项创新应用将为美国乳制品产业每年省下约3亿美元。MEMS技术咨询公司Fitzgerald & Associates创始人Alissa Fitzgerald认为：“MEMS传感器供应商应该密切关注智能农业的发展，因为其可能成为下一个MEMS增长引擎。”

（2）犬步计

日本山佐钟表计量仪器公司则采用3轴MEMS加速度计开发出新一代犬步计“WP-350”，如图3所示。原来的产品只能感知狗的上下运动，而新产品能够精确感知狗的六个方向运动，用户可由此掌握爱犬的运动量，有效地进行健康监测。例如：如果计步数量多，说明狗的心情好；如果计步数量少，预示狗可能生病了。这款智能犬步计获得了重视爱犬健康管理的消费者青睐，尤其是年轻爱犬女士，上市后仅1个月，销售量就达到8000个，销售额节节攀高。山佐公司说道：“有数据显示，近年来代谢综合征已成为犬类养殖的一大问题，约有四分之一的狗患此病。因此希望犬步计能够帮助用户消除这种烦恼。”此外，日本富士通也推出类似产品“Wandant”，其内置GPS卫星定位跟踪器，可用于找寻丢失的爱犬。如今，将宠物视为家庭一员的人越来越多，或许随处可见宠物狗佩戴犬步计的日子已不遥远。

图3 山佐公司的犬步计“WP-350”

（3）全景相机

全景照片通常是采用连续拍摄的照片拼接而成的，如果有物体快速移动的话，会产生虚影，另外装在三脚架上的相机是不能拍摄向下角度的照片。为了弥补这些缺憾，德国柏林理工大学毕业的工程师Jonas Pfeil设计和组装了一款360度全景球形可投掷相机，当相机被抛向空中后，通过内置的3轴MEMS加速度计预测相机的上升时间，达到最高点时众多镜头能够自动记录影像。这样，不需要任何事前准备即可拍下一张360度全景照片。这个富有创意的球形相机安装了36个200万像素的手机摄像头模块，并用泡沫材料保护起来，如图4所示。Jonas如此评价这款全景相机：“比起普通照片，大广角照片更接近人的视野。它带来的全景效果让人产生身临其境的感觉。”全景相机受到旅游和摄影爱好者的追捧，当您畅游世界之时，谁不愿意全面地记录和享受美景呢？

图4 360度全景球形可投掷相机

（4）便携式相机

生命中总有很多珍贵的镜头难以捕捉，尤其是新晋爸妈既要照顾孩子，又要记录孩子成长中的第一次迈步、第一次讲话等。因此瑞典Memoto公司开发了一款500万像素的便携式相机，如图5所示，每30秒自动拍摄一张照片，并通过GPS芯片记录拍照位置，最后将一天的生活照片汇聚成一部视频。其内置充电电池，充满电后的续航时间可达两天。最值得一提的是：由于该相机内置3轴MEMS加速度计，所以不管你如何佩戴，拍摄的照片始终能保持正确的方向。此外，英国OMG Life公司也推出了名为“Autograph”的便携式智能相机。便携式相机将在移动视频录像市场带来新的革命，让消费者轻松捕捉生活中的美好时刻。

图5 Memoto的便携式相机

（5）电子标签

快递人员每天都要面对可堆积成山的包裹，或许刚开始的时候，会注意轻拿轻放包裹，但是工作时间一长，对待包裹的态度可就没那么认真了，有时候还会和其他快递人员玩起“你抛我接”的游戏，对包装上的“易碎”字样视而不见。因此，我们签单后常发现物品已经损坏，或者无法正常使用。究竟它是一出厂就如此，还是在运输过程中受损的呢？一款名叫“DropTag”的传感装置将会告诉你答案。DropTag是英国Cambridge Consultants公司研发的智能电子标签，如图6所示，由3轴MEMS加速度计、低功耗蓝牙发射器、存储器和电池组成。寄送前将DropTag贴在包裹上，利用内置的加速度计监控运输过程中包裹受到的冲击力，并记录下包裹“受虐”的详细情况。在客户签收交付前，开启智能手机上的应用程序，通过蓝牙扫描DropTag，即可获知包裹在运输过程中是否受损，详见图7。

图6 DropTag电子标签

图7 DropTag电子标签监控包裹的运输过程

（6）冰块灯

每逢佳节朋友聚会都不忘畅饮一番，然而大量饮酒不仅伤害身体健康，还带来了严重的社会问题。为此，美国麻省理工学院的研究人员Dhairya Dand发明了一款“冰块灯”，该灯由3轴MEMS加速度计、微控制器、红外收发器、电池和LED灯构成。整个装置外部采用可食用的明胶包裹，从而形成一个冰块状的醉酒提示灯，如图8所示。通过冰块灯内部的加速度计可以计算用户的喝酒频率，并显示相应的颜色（绿色、黄色和红色），一旦短时间内喝了很多杯，那么就亮红灯提醒用户不要继续喝酒。如果喝酒的情况失去控制，红外收发器就会发出信号，启动用户的手机将醉酒情况以短信形式发送给好友，避免用户酒后醉倒街头。不过，冰块灯的安全性还有疑问：第一，电池如果外露会污染酒精饮料；第二，用户微醺之时有可能将其误食。

图8 明胶包裹的冰块灯

（7）心肺复苏设备

根据美国心脏协会（AHA）的统计，超过95%的心脏骤停患者在到达医院之前已经死亡。通常发生心脏骤停的患者只有几分钟的存活时间，除非及时施行高质量的心肺复苏术（CPR）。而由Bio-Detek医疗公司（ZOLL全资子公司）开发的掌上型心肺复苏设备PocketCPR（见图9）可以帮助救援人员实施高质量的CPR胸外按压。PocketCPR采用美国ADI公司的MEMS加速度计，用于精确测量胸外按压的速率和深度。Bio-Detek总裁Mark表示：“由于未经训练或者缺乏信心，许多人不愿意执行CPR救生程序。在紧急情况下，PocketCPR能够确保人们有信心去执行CPR。”

图9 掌上型心肺复苏设备PocketCPR

救援人员按压胸腔力度的微妙变化会导致不同的胸部运动量，而MEMS加速度计的运动检测功能可以准确测定这种变化。如果按压力度不能促使血液有效流动，PocketCPR将发出声音和视觉提示，要求CPR操作人员加大力量。如果按压力度适合，胸部产生至少1.5英寸的按压深度时，PocketCPR会发出“按压良好”的声音。MEMS技术与先进医疗设计的完美结合，确保训练有素和未经训练的CPR操作人员都能获得必要的指导和信心，以在第一时间成功挽救生命。

（8）游泳计圈表

英国Swimovate公司推出一款内置MEMS加速度计的PoolMate游泳计圈表，如图10所示，3伏钮扣锂电池供电，采用德州仪器的超低功耗微控制器，通过先进的数字信号处理技术和软件算法能够准确地判断各种游泳姿势，并自动计算游泳圈数。除了计圈，PoolMate还可以显示和存储游泳的速度和距离、人体消耗的卡路里、运动效率等，使您游泳时不需要再额外费心计算运动量，进而集中精力提升游泳技能。PoolMate的精确度超过99.7%，设定非常方便，无需校准，从专业游泳选手到一般休闲者的主要游泳姿势均可适用。另外，美国FINIS公司也发布了类似手表：Swimsense®。游泳计圈表为健身行业的游泳培训辅助设备实现了创新，把21世纪的最新科技带进了泳池。

图10 PoolMate游泳计圈表

（9）人体跌倒报警器

随着人口老龄化趋势的加剧，老年人的家庭护理成为社会各界关注的问题。加之现代年轻劳动人口的流动，老人与子女分开居住，削弱了家庭养老的功能，出现了“空巢老人”现象，这一现象使老龄化问题“雪上加霜”，已经引起了政府和社会各界的高度重视。为此，西安中星测控有限公司推出“孝为先”人体跌倒报警器，如图11所示，解决老年人出现意外情况时，无人看护的问题。人体跌倒报警器采用3轴MEMS加速度计监测老人身体的运动状态，通过GSM/GPRS自动发送报警短信，通知亲属或医院采取及时救援。该产品具有小巧、精致、便携、准确等特点，是老年人生活的贴心伴侣。人体跌倒报警器还可应用于贵重物品防盗、站岗哨兵遭遇紧急情况跌倒时的自动报警。

图11 “孝为先”人体跌倒报警器

人体跌倒报警器是物联网技术的典型应用，拥有广阔的市场前景。物联网主要包括三个部分：感知层、传输层和应用层。人体跌倒报警器的感知层为基于加速度计的感测系统，传输层为GSM/GPRS网络，应用层为接收报警信号的手机终端。

（10）手指佩戴型3D鼠标

您是否厌倦了传统鼠标的操作方式？是否患有有鼠标手或者关节疾病？现在不用担心了，Innovative Developments推出一款手指佩戴型3D鼠标：Mycestro，如图12所示。与传统的鼠标不同，Mycestro不需要将其保持在平坦的物体表面就能运行。这款鼠标内置3轴加速度计和3D手势识别技术，只需要在空气中划动，就能实现鼠标操作。除了完成普通鼠标的功能外，佩戴者还可以通过手势来完成一些特殊的功能。佩戴者可以在空气中画个“M”字来打开电子邮件，或者轻弹一下来删除文件。该鼠标外型轻巧，用户只需将其固定在食指上便能实现操作电脑的目的，因此拥有广阔的应用前景，比如开车时对导航仪或汽车控台菜单的控制，在家中的客厅里操控多媒体数码设备等。

图12 手指佩戴型3D鼠标

目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的迅速扩展，除了汽车和消费电子，开始向工业、农业和生物医疗等新领域进军。MEMS加速度计具有高灵敏度、小尺寸、低成本等优点，能够测量静态和动态加速度，因而使众多创新应用得以实现。除了上文介绍的应用案例，加速度计还可以实现仰卧起坐的自动计数、矫姿带的坐姿检测、保险箱的防盗报警、智能电表的篡改防护、乐器的声学拾音等。传感器将虚拟的电子世界和现实世界有机的结合起来，为我们开启了一个智能社会。感知无处不在，智能改变生活！MEMS带来一轮创新风暴，您准备好了吗？