短期三年新冠疫情影響、長期人口老齡化趨勢，讓健康監測變得尤為重要。健康監測也已經不僅僅局限于在可穿戴設備上人體接觸式的單點健康監控，更多地是在一個物理空間中用無感的方式從多個角度監控人的體征變化。一系列的屋內智能健康看護的應用開始出現，這是一個起點，并且最終的發展可能會是一個全屋健康看護的場景，以至于將會和醫診體系、醫保系統、生命等平臺建立有互動的連接。有哪些應用會是最先有潛力爆發的？將物理世界信號轉換成數字世界電信號的關鍵傳感器是哪些？這樣的趨勢帶來的機遇又在哪里？本文將就這些問題進行探討。
Covid-19、銀發經濟和全屋健康看護的場景演進
與第四次工業革命的生產力增長伴隨而來的，是社會超老齡化（Super-Aged Society）；超老齡化的趨勢下，銀發經濟（Silver Economy）產業規模也越來越大；疊加上新冠突然爆發給醫療體系帶來的巨大沖擊，人們對于個人健康關注度達到了頂峰，有關健康的智能化產業也進入加速上升的時期。
一個重要的趨勢是，智能健康的場景中，不單單以某一個人為中心，而是以人存在的房屋空間作為一個中心，在整個的未來健康監護的大系統中房屋會成為中心，擔任一個hub的角色。
在ReachGate上發表的一篇文中描述到，一個智能養老院的構成由可穿戴設備、活動監控、睡眠監控、環境監控、家庭安全系統、能源管理、家庭自動化和遠程服務平臺構成。以養老院作為一個健康監護的中心單位，其中包含了各種不同的傳感器、不同的無線連接協議，具備終端的環境數據收集、基礎的分析、學習能力。通過網路與云端連接可以調用更強的AI能力，連接到醫療系統的服務平臺。同時也具備自身的必要的一些設備控制的能力。連通性、互操作性、不間斷性以及隱私和數據安全，對于整個全屋智能系統提出了非常高的要求。
人們已經廣泛接受和認可的可穿戴設備、智能家居、家庭安全監控等只是其中的一個組成部分。除此之外，一些無感的全天候監護功能——例如運動檢測（Motion Detection），呼吸、心率、睡眠監測也開始在傳統家電設備上集成。例如電視機集成運動檢測功能，監測到人看電視睡著后自動關閉或調低音量；床頭燈集成呼吸監測和運動檢測，記錄一整晚的睡眠數據，通過算法進行分析；攝像頭集成跌倒監測，監測到跌倒后發送求助信號等等。這些非接觸的應用發展，是向全屋智能健康看護的必經之路。據英飛凌科技大中華區電源與傳感系統事業部應用市場總監李國豪分享，這些設備也不一定要與身體接觸，某些只需放在室內空間或者智能家居中即可測量，所以載體的類型已經從穿戴式轉移到家居或者室內空間中。
國內像清雷科技和英飛凌已經在室內場景的生命體征監測方案上聯合耕耘了多年，發布了一系列基于毫米波雷達的睡覺檢測、體征檢測、跌倒監測等智能設備。
傳感器是整個家庭健康看護系統最前端的接口，負責收集必要的數據信息。其中毫米波雷達傳感器、高分辨率ToF傳感器和CO2傳感器將分別在體征檢測、運動檢測和環境檢測中發揮巨大作用。下面我們一起來看下這三類傳感器。
毫米波雷達傳感器：高靈敏度和高可靠度實現全天候體征感知
毫米波雷達的工作原理是通過發射天線發射脈沖電磁波，電磁波碰到物體后反射回到接收天線，根據回波信號變化來實現環境感知，數據計算后獲得距離、速度和方位角等信息。
據英飛凌科技大中華區電源與傳感系統事業部高級市場經理吳柏毅分享，毫米波雷達可以感測任何微小的移動，包括呼吸時胸腔微小的位移，因此可以做一些生命體征的監測。甚至它也可以利用“存在感測”激發一些裝置系統，去感知它的距離、位置、速度、角度等數據信息，之后進一步利用算法可以實現呼吸、心跳、手勢、追蹤人等各方面的應用。
雷達的優勢在于耐用、可靠和功耗較低。雷達波可以穿透任何不具導電物質的表面及外殼，所以傳感器的安裝布置受到設備外殼和位置的影響很小。因為電磁波不受到光線影響，所以在高溫、多霧、多灰塵的環境中，仍可以正常運行，不會像紅外探測一樣出現誤報的情況。另外其在惡劣條件下工作運行時，幾乎不需要維修，可靠性非常好。盡管功耗上依據不同的應用探測距離和環境要求而不同，但整體功耗水平較低。
雷達的困難點在于算法。如下圖所示：橫軸的部分是針對雷達原始數據提取出的信息，縱軸的部分就是雷達工作原理以及它的算法。圖中由易到難，粗略地列出了市面上普及應用的算法。多個不同的算法交叉使用，可以實現開發者想實現的功能。算法的不同，對于傳感器后端的計算部分（MCU/MPU等）的計算資源要求也有所不同，因此成本和功耗也有一定的差異。
從簡單的移動偵測，到進階的感測這兩種不同的需求維度，英飛凌提供了兩種不同的傳感器產品方案——高性價比BGT60LTR11AIP和高分辨率BGT60TR13C。
BGT60LTR11AIP上集成基帶，并且采用集成天線封裝技術（單收單發）。這樣一顆高集成度芯片就解決了客戶的天線設計、射頻及雷達訊號處理等復雜問題。并且英飛凌還提供了一套配置好的自動模式，提供距離5米探測距離，約80度水平視角，小于5 mW平均功耗的水平。通過四個配置引腳可以進行狀態輸入輸出，在自動化配置的上面實現一定靈活度的開發。這種高集成度的設計和自動配置，極大地簡化了開發者的系統設計工作，即插即用。對于一些進階的應用需求，開發者還可以通過SPI來讀取傳感器數據，結合一些復雜算法計算，實現最遠10公尺的探測距離。
BGT60TR13C是一發三收架構的MMIC，屬于超寬頻，可以提取到角度等信息，使用高級FMWC算法，分辨率更高，從而實現更多的高級功能。該芯片同樣采用了集成天線封裝技術，平均功耗約20～30mW。在使用頻寬大于5GHz以上時，解析度可以達到約3公分。結合高級的算法開發，可以實現手勢識別、人體感知追蹤、心跳檢測等等不同的功能。
除了兩款芯片外，Infineon也提供了配套的評估套件方便客戶進行相應的開發和評估。
高分辨率iToF：更精準的帶深度信息的圖像探測
ToF傳感器的基本工作原理和雷達類似，只是將電磁波換成了光波。發射近紅外光波后計算反射回的光波的時間，通過相位差來測算出距離信息。基礎的ToF傳感器實現的測距功能和超聲波測距類似。而英飛凌提供的是一種高分辨率的iToF方案，是一個面陣的ToF，每個像素都可以計算出待測物體的距離，然后形成一個點云的數據圖，這個點云的數據轉換為一幅帶深度信息的完整圖像。
據英飛凌科技大中華區電源與傳感系統事業部高級市場經理張鐵虎分享，高分辨率ToF通過面陣像素所獲取到的數據，可以通過MIPI借口到出道后段的處理器上進行計算。原始數據計算出可以同時得到一張深度圖和一張灰度圖。深度圖上的不同色彩僅僅用來表示不同的深度關系，并不包含RGB色彩信息。工程師將灰色和深度信息整合在一起后，還會進行一些降噪、濾波、校準等處理，將干凈的數據提供給上層應用，上層應用基于此分析后再反饋下一步行動的決策。
相比傳統CMOS，高分辨率iToF的好處不言而喻。可以提供準確的深度信息，物體之間的位置關系；沒有RGB信息收集，可以提供更好的隱私保護；后端的算法不同，計算資源需求量更小。
英飛凌的ToF方案來自于和pmd的緊密合作。pmd從2002年開始就專注于ToF的工業應用，而英飛凌有著深厚的CMOS相關工藝積累。2013年中旬，英飛凌與pmd展開互補的合作，將原本工業應用的ToF，通過對于成像器（imager）的改進優化，使其PPA達到消費級的水準。2015年就推出了第一代的ToF成像器——REAL 3；2016年推出第二代產品，在多款手機上實現量產搭載；2018年的時候英飛凌推出第三代ToF產品，在手機、智能家居等設備上實現了更大范圍的應用。
這種高分辨率的iToF已經在智能家居、自動泊車、智能座艙等應用中獲得了認可，而在本文探討的主題——全屋健康看護場景中，也有著非常大的應用前景。例如養老院的跌倒監測功能，使用iToF的方案可以通過準確的成像信息來實現精準的跌倒檢測，同時又不會給被看護人造成隱私泄漏的困擾，可以說是這個場景下最完美的技術方案之一。
光聲光譜CO2傳感器：高精度、小尺寸、低成本
空氣質量也關乎人們的健康，對于屋內空氣質量的檢測同樣重要。對于日常生活而言，二氧化碳是一項關鍵空氣質量指標。因為CO2無色無味，所以在日常生活中造成的影響往往容易被忽視，更需要傳感器的感知功能來進行檢測。
據英飛凌科技大中華區電源與傳感系統事業部市場經理劉菊分享，在人多擁擠和通風不良的環境下，二氧化碳濃度會快速上升。舉例來說，如果一個人在大約4平方米的空間中，二氧化碳濃度值會在45分鐘之內從500PPM上升到1000PPM以上，室內人員的舒適度會隨著CO2含量上升而降低。當濃度達到1000PPM以上時，人們會感到困倦、難以集中注意力，生產力會下降。如果濃度達到2000PPM以上，認知能力都會受到影響，高濃度會對人體健康造成重大風險。
憑借著MEMS的豐富技術積累，英飛凌創新地提供了一種基于“光聲光譜技術”的CO2傳感器——XENSIVTM PAS CO2，提供正負30PPM和正負3%的精度。傳統CO2感知技術有NDIR、EC和eCO2技術，其中EC和eCO2的精度和選擇性都不如NDIR，而且容易受到濕度的影響。光聲光譜的CO2傳感器可以提供與NDIR相同的精度和選擇性，同時因為采用MEMS技術，所以在尺寸上和成本上具有優勢，可以減少客戶整體的設計復雜度。如下圖所示，光聲光譜的二氧化碳傳感器，雙通道的NDIR傳感器和參考用的傳感器對比，它們的測量曲線是非常接近的，但是eCO2的偏差就非常大。
如下圖所示，該傳感器斜上方的是腔室，里面有紅外光源、光學濾波片和MEMS麥克風，其中高靈敏度的MEMS麥克風用于探測腔室里面CO2分子產生的壓力變化。因為MEMS的靈敏度極高，所以可以檢測到非常微小的壓力變化，僅需很少量的氣體就可以做出準確的參數探測，因此這個腔室就可以采用更小尺寸的設計規格。另外該傳感器集成了一個MCU，可以將檢測到的二氧化碳濃度值直接轉換為PPM值，通過三種接口傳輸給后端系統。
另外值得一提的是，此款CO2傳感器是采用SMD封裝的CO2傳感器，對于有著大批量生產需求的客戶而言，可以與其他貼片元件一起，直接使用回流焊的方式制板，縮短了整個設計的大規模生產時間，非常適合工業和消費類應用。
在傳感器之上的方案、產業能力
以上提到的三款傳感器都具備小尺寸、低功耗、高精度的技術領先優勢，而除了這些傳感器本身之外，英飛凌展現出了更多的在這之上的方案的能力、生態融合的能力、產業促進力。
英飛凌提供了全套的產品組合，無線傳輸、MCU、傳感器等，所以自身就具備完整的方案能力。而且英飛凌非常積極在行業前沿的應用方向開展合作和技術投資，實現前沿應用與技術的結合，與客戶一起，自己實現芯片產品定義和規模化生產能力；同時為客戶實現產品idea的技術實現可行性，和規模化量產可能。
憑借著諸多的技術積累、產線能力，英飛凌可以將工業應用的IP進行升級開發和轉化到消費市場。這種類似能力和做法，經常可以在領先的芯片廠商中看到。例如高通快速在汽車市場占據領先地位，也是憑借著這種打法。
據李國豪分享，憑借電源與傳感系統事業部在傳感器方面多年的開發經驗，英飛凌不僅可將其應用在工業領域中，還可以通過與客戶的合作，把一些方案應用于消費類的健康監測設備中。由于英飛凌傳感器在封裝、尺寸、成本，以及技術上的優勢，可將其在工業上的應用拓展到消費類電子產品，給到客戶用于新產品并進行生產。
總結
未來全屋智能健康監護的完整場景，距我們尚有一段距離。而在朝那里行進的路上，空間意義上的非接觸式的全天候的健康監測應用會率先實現爆發。
