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IoT从业者“首届中国创意设计大赛”十强项目回顾

  12月18日,全球技术解决方案公司艾睿电子举办的“中国创意设计大赛2017”隆重揭晓。本届大赛以"物联网(IoT)无处不在"为主题,自今年7月推出以来吸引了超过200项提交创意。

  对IoT参赛者来说,该大赛不仅仅是一场竞赛,而是主办方为众多参与者更好的理解/使用IoT技术框架中各个关键模块,而创建的一次学习和探索的旅程。

  在此次活动中,艾睿电子邀请了包括ADI、AMS、赛普拉斯半导体、Fingerprints、芯成半导体、MCC、Molex、Nexperia、Nordic、恩智浦半导体、安森美半导体、美国高通公司、意法半导体、泰科电子在内的14家元器件赞助商,为参赛者免费提供从处理器到传感器、连接、存储器、电源及外设、连接器等元器件及技术支持,甚至还邀请了IBM世界级人工智能云端计算能力及Indiegogo国际性众筹平台的支持。

  参赛者可以安心使用主办方提供的关键物联网技术专门知识和开发工具,甚至还包括技术支持,帮助他们把创意更快转化成具影响力的创新产品和商机。

  艾睿电子亚太区元器件业务总裁余敏宏先生在现场指出,“我们很荣幸的得到合作伙伴的大力支持,本次大赛最大的意义在于——把创意变成了具有社会影响力的物联网发明。未来艾睿电子会以此为愿景推动物联网行业的发展。”

  作为本次大赛的元器件赞助商之一,安森美半导体非常支持本次竞赛。“我们非常高兴地看到,参赛者们在其物联网产品上已经利用了我们最新的产品的创新设计。我们希望与Arrow合作,参与更多的市场活动,来推广物联网的创意性和实际的商业应用能力。”该公司亚太区市场营销渠道副总裁刘芳指出。

  组委会根据参赛者提交的作品和视频选出了前十名参赛队伍,在上海洲际酒店现场,主办方评审团,以及来自各大元器件赞助商的专业评审团也共同打分,与参赛者深入交流互动,并现场体验Demo,最终角逐出了大赛的冠亚季军。

  获得冠亚季军的项目分别是:

  ●视觉障碍语音辅助系统

  ●动脉硬化检测仪

  ●基于雷达水位计的城市内涝监测及预警设备

  获得优秀奖的项目是:(排名不分先后)

  ●输液滴数监测系统

  ●仿生机械手

  ●基于ZibBee协议的生命安全监测与报警系统

  ●多维度厘米级定位系统

  ●基于远近声场模型相关函数的机器人听觉定位单元

  ●酷尺

  ●基于物联网的隧道水平冻结施工监测系统

  回顾项目细节

  1、输液滴数监测系统

  “在输液治疗的过程中,滴速对疗效及安全性都至关重要。医务人员设置滴速时,需要在手动调节滴速的同时,看表计时,数滴数,心算滴速。很难保证准确性,效率也低。”参赛者罗昊表示。

  设置好滴速后在运行过程中,滴速仍有可能会变化,这种变化无法被监控到。

  “我设计的滴数传感器,可以在设置输液速度时直接读取瞬时及平均滴速。操作简单,快速且准确。”罗昊表示。在运行过程中,滴速可以通过网络上传到终端上,当出现异常时,可以报警。这样可以提高安全性,降低劳动强度。

  改进点包括:

  优化低功耗设计,延长电池使用时间。

  优化检测算法,使检测更准确,更可靠。

  开发合适的APP,拓展使用场景。

  “该设计不仅可以成为医护人员使用的随身工具,而且也可以用于工业滴数检测。”罗昊介绍道。

  2、联网仿生机械手

  基于物联网控制防生型机械手,实现在工业、生活、化学、特种装备等等各种应用,开展有关自动化控制、生活辅助、化学试剂、排爆等应用场景。有较大未来前景,较强的科学实践性。

  参赛者陈松健在介绍其设计背景时说道:”此防生机械的原设计初衷是用于危险工业、化工行业。在危险化工行业,以前很多操作都需要人工才能实现,有很有危险性并具有安全隐患。尽管后期到现在出现很多机械辅助,但并未能取代人工的需要,只是在危险系数上减少了不少。至此,提出防生机械手代替那些需要人工接触,或带防护接触危险物品的场景。”

  该项目的基本设计思路是由电机控制,位置反馈,主控系统,手部传感器四个主要部分构成。原理是由手部传感器产生信号,转换成主控制系统对电机进行控制信号,同时位置反馈系统,反馈实现位置回到主控制系统,通过算法计算后调整电机输出的转速,控制精确位置。

  主要解决了以下问题:

  A. 传感器的信号处理。

  B. 电机控制。

  C. 控制算法

  D. 机械手结构设计

  创新点在于:

  A. 实现单根手根多个自由度动作,真实模拟人手动作。

  B. 带记忆功能,实现动作重播功能。

  C. 设计目的完全替代人手精细操作。

  D. 物联网设备功能远程控制与监控

  3、测量和记录人体围长的智能尺子

  这款尺子在我看来最大的好处就是软性、数字化。可以轻松的测量一些不规则的物体。

  虽然看起来简单,但其实也是有一些技术含量在里面的。

  本项目可以分为电路板,尺体(测量电路的外延),外壳等三部分,电路板是安装于外壳之内,尺体则是透过外壳连接到电路板的。电路板是功能最多最复杂的部分,它是整个产品的电子主要部分,由蓝牙天线,屏幕,按键扫描,电源管理,测量电路等构成。

  也有一些类似的创意产品,拿出来做下对比:

  参赛者刘保健认为该尺子的优势包括一下几个方面:

  数据测量变得更加方便,与传统测量相比,测量结果不用读数,使用专门设计的长度传感器,可以将测量结果直接数字化存储于尺子当中

  数据存储更加方便,测量出结果以后,可以保存在本地,也可以保存到手机APP和云端,让用户的数据终身得到可靠的记录和维护

  该尺子在某些高频度测量长度的工作中,可以明显提高工作效率,比如裁缝使用本尺子以后,它的工作便不再需要为每一个顾客做表写记录,而是简单的测量即可。测量结果自动同步到手机。

  4、基于远近声场模型相关函数的仿生人耳机器人

  这个项目是来自北航的学生,他们制作了仿人耳声源定位模块,小体积、低功耗,可以实时定位且精度较高。

  “机器人与人类互动的时候,如果可以根据声音方向转动头部,会更加人性化,同时尽量让实现方法成本低廉,反应灵敏,可靠性高,为此我们设计了电路并使用与之配合的驱动模块带动舵机使之能够实现定位声源方向并转动头部的功能。”参赛者牛艺达表示。

  该项目的创新点如下:

  “为了使传感器阵列简单,我们选用两个麦克风传感器来实现对信号的采集;为了实现尽可能简单的信号处理算法,我们选择了目前使用最广的GCC(互相关函数)算法来实现对时间延迟信息的提取,基于时延信息,为了实现二维平面内的定位,我们提出了一种时延结合响度信息的近场定位算法。”参赛者郑文轩介绍道。

  和现有系统对比:

  该项目除了可以实现音源定位的功能,适用于机器人的人机交互功能,还可以用于战场的爆炸、枪击声音定位,可以极大的增加机器人的人性化程度或是战场中携带声源定位的人的生存能力。

  5、基于物联网的隧道水平冻结法施工监测系统

  这个项目是中国矿业大学的学生做的,很好的将物联网和他们的专业结合在一起。

  一般来说,地铁要经过城市繁华地段,这就要求施工要尽量避免打扰到周边居民,另外隧道所处的地质构造和地层岩性变化复杂,稳定性差,导水性强,施工难度高且风险大。传统的施工方法由于各种限制已经不能确保地层的加固效果。

  隧道水平冻结法可以较好的解决上述问题。

  它的原理如下左图所示,就是利用冷冻机对冷凝液进行降温,并通过循环管路输送至隧道周边布置的水平冻结孔,也就是左图数字标识的孔,从右边隧道剖面图我们可以看出,这些冻结孔贯穿整个隧道形成一个通道,当冷凝液注满这个通道的时候,就会使通道周边的土结冰,当冻土达到一定厚度和硬度后,就形成了一层坚实的冻结壁,在这层巨大的冻土帷帐的保护下,就可以自由对隧道进行开挖。——这就是隧道水平冻结法施工的原理概述。

  为解决上述问题,该团队设计并完成了基于物联网技术的监测系统,通过服务器和上位软件实现远程监控和操作,指导和保障施工安全有序进行。

  今年11月份还成功将系统部署于江苏省常州市地铁 1 号线常州站的施工现场。

  系统的硬件主要包括测温节点处的温度采集板,ARM主控板,以及所搭建的服务器,其中采集板是PCB打版。

  在工程应用中,数十米长的电缆线不可避免的会导致电源电压降低,造成传感器供电不足,因此,在采集板上特意设计了稳压限流电路。

  除了解决冻凝土温度的实时监测问题,该系统还可拓展多种传感器,譬如湿度、CO2、瓦斯等相关的应用型传感器,具有良好的产业价值和市场前景。

  6、基于Zigbee协议的生命安全监测与报警系统

  “基于Zigbee协议的生命安全监测与报警系统”这个项目入围前十强获得了杰出优秀奖。该项目参赛者冯坚栋和秦义,都有着医疗电子行业的从业经验,也是有着电子工程硕士学历的背景。这两人有着同样的跨界的工作背景是两人一起参赛的重要原因,这也是目前物联网创新者们,将电子技术优势应用到细分行业的通用之路。

  可能“的生命安全监测与报警系统”项目的名称名字取得有点大,其实这也是一套输液滴数监测系统,与另一个十强参赛项目不同的是,这个采用Zigbee协议实现数据传输与监测的通信功能,主控芯片也是STM32 Arm MCU。

  通过光学的方式实现输液的监测,这种方式较为简单,但是采用Zigbee的方式建网,也受到了现场专家的质疑。

  来自芯片赞助商的现场评委提醒说,这种方案用于医疗设备中,可能会有两方面的问题。一是这种方式的功耗并不低,以一颗钮扣电池来供电会不会续航时间太短,造成用户维护与操作上太麻烦;二是Zigbee网络的可靠性问题,毕竟是用来监测病人输液的情况,如果网络信号不好或是中断,从而造成监测结果延迟甚至中断,可能导致较严重的后果。

  医疗电子方面也是物联网创新团队们主攻的方向,随着中国社会逐渐进入老龄化,医疗服务需要更好的创新与提升,我们期待这样的项目可以获得更多的关注,同时也期待有更多的意见和建议,来完善医疗电子产品的设计与体验。

  7、多维度厘米级定位系统

  传统的定位技术如美国的GPS系统、欧盟的Galileo系统、中国的北斗和俄罗斯的GLONASS可以满足大多数室外应用场合,但是在信号无法覆盖的室内或存在干扰源的区域是无法正常使用的。

  现阶段所采用的一些室内定位技术如RFID、WIFI、蓝牙、计算机视觉等,普遍存在着定位误差大、系统容量低、覆盖范围小等问题。获得艾睿“中国创意设计大赛2017”优秀奖的项目“多维度厘米级定位系统”,则有以下创新点:

  产品创新点

  •定位精度达到15-30厘米,在特殊场景下定位精度可达到10厘米;

  •系统使用TDOA定位技术,时钟同步精度达到20纳秒量级;

  •便捷组网,可采用POE组网和WIFI无线组网方式,降低部署难度;

  •提供多种封装形式的标签,提供多种接口和业务逻辑;

  •根据应用需求可提供1D、2D、3D定位;

  •集精确位置数据的采集、整理、分析于一体,发掘大数据价值,建立以数据为核心的运营模式。

  该项目实现方式是通过给需要被定位的人或者物体佩戴定位标签,在需要定位的场所部署定位基站,标签与基站之间采用UWB通信技术传输数据,基站将处理过的数据通过WiFi或有线网络同步数据至云端服务器,由云端定位引擎计算实现定位计算并执行各种业务逻辑,通常三台基站即可实现300平米范围的二维定位,通过增加第四台基站即可实现精确的三维定位,理论上定位精度可达到10厘米。

  整个系统分为四个部分,定位标签通过UWB技术实现与定位基站的通讯,经过定位基站处理的数据将通过WIFI同步到云端,使用分布式MongoDB数据库存储定位数据、MySQL存储业务逻辑数据,定位引擎进行位置计算及业务逻辑的执行,前端使用PHP及NodeJS进行位置实时展示,用户可以通过多种终端设备使用基于精确定位的服务。

  目前实现了两种定位方式,基于TWR和TDOA,在基于TWR的定位算法中可以直接获取到标签与基站间的距离,这里使用了三边定位来估计标签的坐标位置;基于TDOA的定位算法中,获取到两部分数据,一部分为标签到基站的时间戳,一部分是基站之间的同步时间戳,通过特定算法可以得到标签到每两个基站的时间差,乘以光速即为距离差,即可以得到每两个基站与标签的双曲线方程,通过解方程组即可得到标签的位置信息。

  达到精准定位需要采用很高的定位数据采样率,基站和标签之间的通讯将产生巨大的数据量,这就需设备具有强大的性能。

  “我们采用ST的高效能、低功耗MCU来保证运算能力;此外,通过采用ADI的微功耗3轴加速度计,实现了基于物体的运动状态能够智能调整定位采样频率,从而使设备达到最佳性能功耗比;基站的主体功能采用高通骁龙410c来实现,应用Linux嵌入式操作系统对定位数据进行处理,并与云端服务器建立连接,从而保证了高效稳定的数据计算和传输。”孙旭表示。

  该产品的众多潜在应用领域还包括:

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