物聯網(IoT)為我們帶來了更舒適，更方便，更安全的生活。適應我們需求的設備，電器甚至建築物的生活。目前，物聯網技術主要在消費市場取得進展，人們的智慧手機可作為用戶友好介面，用於智慧照明，家庭監控，智慧CO2/煙霧探測器，智慧加熱和通風，語音指揮助理等服務。
不過，物聯網的潛力遠遠超出了這些聰明的家用設備；隨著技術的成熟，人們開闢了無數新的可能性。除了嘗試以智慧家居為重點，以及打造以消費者為中心的物聯網應用之外，另一個更重要的步驟是創建更智慧的辦公樓，即不僅提供最高舒適度，而且提供最佳效能和安全性的建築。
使用物聯網技術監測建築物的使用方式，可以根據我們的確切需求設計辦公室，當房間裡沒有人時，直接自動停止空調運作及會議室使用。透過最新技術的物聯網感測器和雷達，建築物將能夠分辨出房間中有多少人，他們在哪里以及他們喜歡什麼樣的(工作)環境(溫度、照明等)。由於建築物占城市電力消耗的40%，安裝物聯網能力將有助於實現全球電力減少目標。
因此，多感測器環境監測平台相繼問世，結合了溫度、相對濕度、NO2、CO2、揮發性有機化合物(VOC)、顆粒物質、環境光、聲音、振動和存在檢測等感測器，適用於室內和室外空氣質量監測和控制，可用於智慧建築、智慧城市等。
實現智慧建築方案 硬軟結合勢在必行
因應上述趨勢，如今已能使用價格可負擔的技術，來檢測人們在房間中的情況，而不只是人們的確切數量，活動或確切位置。過去，感測器業者展示了基於雷達的各種人體運動分類，以及遠距呼吸和心跳檢測，這些監測仍然需要穿戴式設備，但未來雷達的技術可以從不同空間，並在距離數公尺處執行這些測量。
同時，該技術可以準確分析存在、移動和生命徵象，同時與當前搭配鏡頭配件的解決方案不同，更能保護個人隱私。然而，為了實現智慧建築，還需要更好的硬體來收集準確的數據，以及需要正確的演算法將數據轉化為知識。
如此便須要仰賴半導體業者或研究單位的內部專業知識，以做到上述兩點，進而支持整個智慧建築解決方案流程，例如從創建最佳感測器和雷達設計到開發最佳算法；同時還可在真實應用程序中使用真實的工件來證明設備功能。像是比利時微電子中心(imec)，其解決方案便結合了硬體和軟體功能，並在其HomeLab和OfficeLab等現實環境中進行測試，以在物聯網領域取得成功。
智慧建築技術可延伸至其他領域
事實上，用來實現未來智慧建築的大部分技術，在其他領域也很有用，以支持物聯網創新。例如因應5G通訊，半導體廠商開發了一些基本構建模組，包括類比數位轉換器(ADC)、可重配置的低噪聲頻率合成器、毫米波相控陣收發器，以及天線模組等。
此外，感測器供應商還開發用於在79GHz運行的自動駕駛汽車的雷達，例如適用於人和碰撞檢測。以imec為例，該單位旗下雷達提供的角分辨率增加10倍，而大批量生產的功耗卻降低了一半；imec還開發了新的物聯網通訊標準的知識產權，如NB-IoT和Cat-M1，支持廣域蜂窩物聯網；且對於短距離物聯網解決方案，其中許多無線電IC廣泛可用，該公司進一步將藍牙IC的面積以及成本減少了3倍，同時使用最小和最低成本的電池。
這個領域與其他imec研究的區別在於，物聯網項目具有極高的技術就緒指數(TRL)。例如，該公司的液體離子感測器目前作為開發套件進行採樣，以引導客戶，同時將製造知識轉移給工業合作夥伴。這種液體離子感測器特別有趣，因為它提供了許多不同的可能性。它可以同時檢測液體中的多種離子，使用壽命超過6個月。該感測器可用於許多不同領域，從監測水質到啤酒發酵過程的微調。總而言之。因應物聯網發展，這種以應用為導向的創新，成為半導體業者未來的主要發展方向。
智慧感測晶片三項新發展
未來環境將緩慢但漸進式地演變為「物聯網」，其中晶片和感測器無形地整合在環境中以承擔其多種任務。想像一下感測器可以檢測到個體的存在並相應地調整建築物中的光線，而節省大量能源；從某種意義上說，這些感測器將如同我們環境中的眼睛，耳朵和鼻子。
無處不在的感測器將在許多領域中脫穎而出。當然還有智慧建築、自動駕駛汽車、自動化工業和物流過程。感測器將有助於解決環境問題，如果能夠以細粒度的方式連續測量空氣和水的質量，並且可以集中收集數據，則可以採取更好的指導措施，並立即測量結果。
另外在醫療保健領域，也有很多機會。想像一下簡單的工具，如加權秤，血壓監測器，以及將數據安全地發送到雲端的心臟和活動監視器。在那裡，可以分析數據並成為指導患者過上更健康生活的新服務基礎；這種類型的連接醫療保健已經小規模應用於高風險患者，但隨著技術變得更加智慧和便宜，它可以提供更多服務。綜上所述，為實現更加智慧及萬物聯網的環境，感測器將會有三項發展趨勢。
感測器融合以獲得精細數據
首先一種可能性是感測器融合。運用許多不同的感測器測量相同的物理參數，例如人的心跳可用電、光學甚至聲學監測。透過組合感測器的結果並解釋結果，可以獲得穩健可靠的結果，還可以添加上下文感知。像是打造一個可「感覺」人已經開始睡覺的感測器，將這個結果傳達給第二個感測器，該感測器的任務是監視休息時的心臟；因此，一個感測器標誌著另一個感測器開始工作的理想時刻。
在ISSCC，Holst Center/imec的研究員Mario Konijnenburg提出了一些非凡的成果。他與同事開發了一種能夠同時測量多個身體參數的晶片，包含心電圖(ECG)、生物阻抗(BIO-Z，身體的電導率，揭示身體組織的成分)、電流皮膚反應(GSR，由於例如壓力引起的皮膚電性質的變化)和光電容積描記圖(PPG，由於光吸收變化導致的組織中血液循環的變化)。因為這些數據是在一個晶片上收集的，所以完全可以同步它們並尋找相關性。測量組合允許例如推斷心跳和心率變異的可靠方法，並且(相對)血壓可以通過解釋ECG和PPG測量來推斷。
晶片開始具備現場運算能力
來自感測器晶片的數據被無線發送到雲端(例如通過智慧手機或筆記型電腦)。在雲端中，數據被處理和分析。目前，無線鏈路使用感測器消耗80%的能量。因此，如果感測器必需更節能，應該發送更少的數據。這可以透過部分在地感測器上處理和解釋數據來完成，僅將結果發送到雲端。當然，晶片上的處理也會消耗能量，因此研究人員的部分任務是在晶片上處理和向雲端發送數據之間找到最佳平衡點。
同時，若是感測器必須進行更多的現場處理，則需要一個或多個額外的處理核心。先進晶片技術非常適合在非常小的晶片上整合更強大的處理能力。然而，要實現此一目標，需要為感測器增加模擬介面，但目前這些模擬介面並不能很好地擴展到最新的技術節點。
為此，imec研究員Rachit Mohan描述了一種用40nm CMOS製造的感測器讀出晶片。新晶片採用基於時間的技術，而不是傳統的基於電壓或功率的技術。這種基於時間的電路可以在較低的電源電壓下操作；此外，放大器鏈中向數位域的轉換要快得多，並且可以數位化進行濾波，這使得該技術在深度擴展的技術中實現具有吸引力，該技術還允許實現更強大的數據處理。
具自適應和壓縮採樣 感測晶片僅在需要時進行監控
另一種透過感測器的無線鏈路節省能量，並儘可能少地發送數據的技術是自適應和壓縮採樣。利用這種技術，訊號不會以固定的時間間隔進行測量和發送，而是根據被監測訊號的特性進行測量。
例如心電圖心臟監測，在ECG峰值時刻，要測量的訊息比峰值之間的間隔期間要多得多；結果，感測器可以在峰值期間以較短間隔對心臟訊號進行採樣，並且在其間以較長間隔對心臟訊號進行採樣。總而言之，將有一個可靠的ECG監測，測量點更少，發送的數據更少。
在ISSCC，imec研究員Pamela Venkata Rajesh展示了基於LED光和使用壓縮採樣的光電容積描記圖測量(PPG)的讀出晶片。PPG結果可以推斷心跳和心率變異性，它們是ECG監測的不錯選擇，因為其不需要在患者胸部使用電極。缺點是，感測器的LED燈照射在皮膚上需要額外的能量，這是小感測器晶片能量預算的嚴重消耗。因此，重要的是可以使用壓縮採樣進行測量，測量較少但更智慧的數據點。
物聯網技術前景佳 2030年布建成本將顯著降低
物聯網技術具有很大的前景，這一領域的研究正以驚人的速度發展。到2030年，智慧物聯網節點的成本可能會降至0.5美元以下。新的感測器將充斥市場，並將監控我們生活的各方面，從而產生大量新的應用和服務。
總結來說，透過感測器和聯網技術，建築物產生更多有用的數據，進而使半導體、系統整合業者可創建滿足各種需求的高度客製化空間。我們無法預測物聯網革命將改變哪個領域，但很難想像任何領域都不會受到影響。對於感測器供應業者而言，將會處於創新的最前線，而最初的重點是透過相關和領先的創新擴展智慧建築、智慧物聯網等戰略。
