МЭМС для Интернета вещей – решения от ST
Без датчиков движения, положения, ускорения, состояния окружающей среды, основанных на микроэлектромеханических системах (МЭМС), невозможно реализовать технологию Интернета вещей. Мировым лидером по производству датчиков этого типа, а также средств отладки и программного обеспечения для них является компания STMicroelectronics.
Благодаря Интернету вещей (Internet of Things, IoT) окружающий мир с каждым днем становится умнее. Браслет, бывший просто украшением, стал источником информации о состоянии организма. Наручные часы, чья функция – показывать время, напоминает о запланированной встрече или дне рождения. Даже привычная электрическая розетка собирает и передает информацию о подключенной нагрузке для оптимизации затрат на электроэнергию.
Технологии Интернета вещей обладают потенциалом, реализуя который, можно изменить образ жизни как каждого человека в отдельности, так и всего человечества. Развитие этой области способно устранить дорожные пробки, сделать вождение безопасным и экономичным. С Интернетом вещей эффективнее используется электроэнергия и природные ресурсы. «Умные дома» берут на себя заботу об интерактивном досуге и комфортном отдыхе, перекладывая повседневную рутину на автоматику. «Умная медицина» облегчает работу врачам, позволяя удаленно получать информацию о параметрах жизнедеятельности пациентов. Вариантов применения взаимодействия разнородных устройств, объединенных единой средой передачи данных, – множество.
Сотни производственных компаний участвуют в развитии Интернета вещей, предлагая как новые электронные компоненты, так и готовые устройства и решения для различных применений. Одним из лидеров этой сферы является компания STMicroelectronics (ST).
Как известно, «глаза и уши» устройств Интернета вещей – это датчики. И здесь у ST мало конкурентов. Компания производит сенсорные компоненты для тысяч различных применений – как узконаправленных, так и многофункциональных систем мониторинга. Например, микроэлектромеханические системы (МЭМС), без которых немыслимы современные IoT-устройства, отслеживающие перемещения в пространстве, температуру, влажность, давление и другие параметры.
Акселерометры
МЭМС-акселерометры производства компании STMicroelectronics выпускаются как с аналоговым, так и с цифровым выходом и обеспечивают измерение ускорений до ±400g (таблица 1).
Таблица 1. Акселерометры производства ST
Акселерометры ST оптимизированы для использования в портативных устройствах с питанием от батарей – у них низкое напряжение питания в активном режиме (1,62…3,6 В), имеются режимы энергосбережения и способность автоматического выхода из спящего режима. Наличие FIFO-буфера (First in, First out) в некоторых моделях позволяет снизить нагрузку на внешний процессор и общие энергозатраты системы. Также компания ST производит промышленные МЭМС-акселерометры и линейку устройств, соответствующих стандарту AEC-Q100, что позволяет использовать их в автомобильной электронике. Не оставлена в стороне и медицина – модель MIS2DН разработана специально для применения в кардиостимуляторах и дефибрилляторах (рисунок 1).
Рис. 1. Области применения МЭМС-датчиков
Гироскопы
Гироскопы ST, как и акселерометры, производятся и с аналоговыми, и с цифровыми выходами. Эти устройства способны обеспечить стабильную работу в течение длительного времени, мало подвержены влиянию изменений температуры окружающей среды и обладают низким уровнем шумов (до 0,006 dps/√Гц), что гарантирует высокий уровень точности (таблица 2).
Таблица 2. Гироскопы производства ST
| Наименование | Тип корпуса | Габаритные размеры, мм | Диапазон измерений, dps | Шум, dps/Гц | Отличительные черты |
| A3G4250D | LGA16 | 4x4x1,1 | ± 245 | 0,03 | Сертификат AEC-Q100, низкий уровень шумов и высокая устойчивость к температурным изменениям |
| L2G2IS | LGA | 2,3×2,3×0,7 | ±100/±200 | 0,06 | Система стабилизации изображения (OIS) |
| L3GD20H | LGA16 | 3x3x1,0 | ± 245/±500/±2000 | 0,011 | Встроенный FIFO-буфер |
| I3G4250D | LGA16 | 4x4x1,1 | ± 245/±500/±2000 | 0,03 | 10-летний срок службы, заводская калибровка |
Гироскопы производства компании STMicroelectronics определяют изменение наклона относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей одновременно. Аналогичные устройства других производителей используют для этого две или три независимые системы.
Гироскопы ST измеряют угловые скорости в широком диапазоне значений, что позволяет применять их в совершенно разных задачах: от распознавания жестов и стабилизации изображения до навигации. Датчики угловых перемещений ST уже широко применяются в мобильных телефонах, планшетах, игровых консолях, устройствах для автомобилей и промышленности (рисунок 2).
Рис. 2. Области применения МЭМС-гироскопов
Для устройств, требующих повышенной надежности при работе в неблагоприятных условиях, выпускаются модели гироскопов, сертифицированные по АЕC-Q100.
Цифровые компасы
Цифровой компас ST представляет собой акселерометр и магнитный датчик, совмещенные в одном корпусе. Устройство способно с высокой точностью определять направление независимо от положения и наклона измерительного устройства (например, мобильного телефона).
Новая модель МЭМС-компаса LSM303AGR содержит магнитометр с высоким динамическим диапазоном ±49 Гс. Особенностями этого устройства являются встроенные функции термокомпенсации и самотестирования. LSM303AGR обеспечивает низкий уровень шумов выходного сигнала и оптимальное энергопотребление при работе в различных условиях.
Инерциальные модули
Инерциальные модули iNEMO – семейство готовых решений, интегрирующих акселерометр, гироскоп и магнитометр (таблица 3). Эти компактные устройства, совмещающие все три датчика в едином корпусе – практически того же размера, что и обычный MEMS-чип. Модули iNEMO обеспечивают быструю разработку и высокую надежность в большинстве современных приложений, таких как улучшенное распознавание жестов в системах управления, игровое оборудование, беспилотные летательные аппараты, «дополненная реальность», навигация и другие.
Таблица 3. Инерциальные модули iNEMO
| Технические характеристики | Наименование | ||||
| LSM6DSM | LSM6DSL | LSM6DS3H | LSM6DS3 | ||
| Максимальный потребляемый ток, мА | 0,65 | 0,65 | 1,25 | 1,1 | |
| Номинальный потребляемый ток, мА | 0,45 | 0,45 | 0,9 | 0,9 | |
| Максимальный уровень шума акселерометра, мкg/√Гц | 90 | 90 | 90 | 90 | |
| Уровень шума гироскопа, dps/Hz | 3,8 | 4,5 | 6 | 7 | |
| ODR, Гц | Акселерометр 12,5…1666 | ||||
| FIFO-буфер, кбайт | до 4 | до 4 | до 8 | до 8 | |
| OIS/EIS | Есть/есть | Нет/есть | Есть/есть | Нет/есть | |
| Синхронизация датчиков | Есть | Есть | Есть | Есть | |
Датчики влажности, давления и температуры
Компания ST предлагает широкий спектр высокопроизводительных МЭМС-датчиков для измерения давления, влажности и температуры. Датчики оптимизированы для устройств отслеживания параметров организма, используемых в медицине и фитнес-приложениях. Они также могут быть применены в решении промышленных задач, при создании «умных домов» и производств, контролирующих состояние окружающей среды и соблюдение необходимых для оборудования эксплуатационных условий.
Новые датчики атмосферного давления ST представляют собой МЭМС-устройства с интегрированным прецизионным цифровым барометром. В отличие от устройств предыдущих поколений, новинки производятся в герметичном корпусе повышенной прочности и имеют более компактные размеры (таблица 4).
Таблица 4. Датчики давления ST
| Технические характеристики | Наименование | |
| LPS25HB | LPS22HB | |
| Тип корпуса | HLGA-10L, герметичный | HLGA-10L, герметичный |
| Габаритные размеры, мм | 2,5×2,5×0,76 | 2,5×2,5×0,76 |
| Измеряемое давление, кПа | 260…1260 | 260…1260 |
| Относительная погрешность, кПа | ±0,1 | ±0,05 |
| Абсолютная погрешность, кПа | ±0,2 | ±0,1 |
| Уровень шума, Па | 3 без фильтра, 1 со встроенным фильтром | 1 без фильтра, 0,5 со встроенным фильтром |
| ODR, Гц | 1, 10, 25 | 1, 10, 25, 50, 75 |
| Потребляемый ток, мкА | 25/4 при низком разрешении | 15/4 при низком разрешении |
Устройство HTS221 – компактный интегрированный датчик давления и температуры с интерфейсами SPI и I 2 C. Малое энергопотребление, возможность гибкой настройки, высокая точность измерений (±3,5% при 20…80% влажности, ± 0,5°C при температуре эксплуатации 5…40°C), надежный миниатюрный корпус HLGA (2х2х0,9 мм) делают эту модель прекрасным выбором для портативных устройств и измерительных приложений.
Таблица 5. Датчики температуры ST
| Наименование | Тип корпуса | Габаритные размеры, мм | Описание | Интерфейсы связи input/ouput | Диапазон рабочих напряжений, В |
| STCN75 | MSOP (TSSOP8) | 3×3 | Цифровой датчик | SMBus/I 2 C | 2,7…5,5 |
| STDS75 | MSOP (TSSOP8) | 3×3 | Цифровой датчик | SMBus/I 2 C | 2,7…5,5 |
| STLM75 | MSOP (TSSOP8); SO-8 | 3×3; 4,90×3,90 | Цифровой датчик | SMBus/I 2 C | 2,7…5,5 |
| STTS75 | MSOP (TSSOP8); SO-8 | 3×3; 4,90×3,90 | Цифровой датчик | SMBus/I 2 C | 2,7…5,5 |
| STTS751 | UDFN-6L | 2×2 | Цифровой датчик с минимальным напряжением питания 2,25 В | SMBus/I 2 C | 2,25…3,6 |
| STTS2002 | TDFN8 | 2×3 | Цифровой датчик с 2 кбит SPD EEPROM | SMBus/I 2 C | 2,3…3,6 |
| STTS2004 | TDFN8 | 2×3 | Цифровой датчик с 2 кбит SPD EEPROM | SMBus/I 2 C | 2,2…3,6 |
| STLM20 | UDFN-4L; SOT323-5L | 1×1,30; 2×1,25 | Аналоговый датчик | SMBus/I 2 C | 2,4…5,5 |
Модели с аналоговым выходом обладают малым энергопотреблением и одинаковой линейной температурной характеристикой во всем диапазоне измерений. Цифровые датчики обеспечивают высокое, до 12 бит, разрешение по температуре.
МЭМС-микрофоны
Микрофоны на базе МЭМС-технологии обеспечивают стабильно высокое качество звука, так как менее подвержены воздействию перепадов температуры и электромагнитных помех в сравнении с традиционными электретными микрофонами. Компания ST предлагает аналоговые и цифровые микрофоны в металлических и пластиковых корпусах, устойчивых к ударным нагрузкам (таблица 6).
Таблица 6. Микрофоны ST
| Наименование | Структура | Габаритные размеры, мм | Напряжение питания, В | SNR, дБ | Чувствительность, дБ*В | AoP, дБ spl | Ток, мкА |
| Цифровые микрофоны | |||||||
| MP45DT02-M | Top port | 4,72×3,76×1,25, металлический корпус | 1,64…3,6 | 61 | -26 | 120 | 650 |
| MP34DT01-M | Top port | 3x4x1, пластиковый корпус | 1,64…3,6 | 63 | -26 | 120 | 650 |
| MP34DT04 | Top port | 3x4x1,06, металлический корпус | 1,64…3,6 | 61 | -26 | 120 | 650 |
| MP34DB02 | Bottom port | 3x4x1, металлический корпус | 1,64…3,6 | 62.6 | -26 | 120 | 650 |
| Аналоговые микрофоны | |||||||
| MP23AB02B | Bottom port | 3,35×2,5×0,98, металлический корпус | 1,5…3,6 | 64 | -38 | 125 | 220 |
| MP33AB01 | Bottom port | 3,76×2,95×1, пластиковый корпус | 1,5…3,6 | 6 | -38 | 125 | 250 |
| MP33AB01H | Bottom port | 3,76×2,95×1, пластиковый корпус | 1.5…3,6 | 66 | -38 | 125 | 250 |
| MP23AB01DM | Bottom port | 3,35×2,5×0,98, металлический, корпус | 2,1…3,6 | 64 | -38 | 130 | 250 |
МЭМС-микрофоны ST применяются в ноутбуках, планшетах, смартфонах, hands-free и многих других устройствах.
Программная и аппаратная поддержка разработчиков
Открытая среда разработки STM32 (STM32 ODE) – общедоступная, гибкая, простая среда для создания новых устройств и применений на базе семейства 32-битных микроконтроллеров STM32 и других компонентов производства компании ST.
Система STM32 ODE включает следующие основные элементы:
Открытая среда разработки STM32 совместима с различными интегрированными средами разработки: IAR EWARM, Keil MDK, mbed и другими.
Компания ST выпускает платы расширения X-NUCLEO-IKS01A1 с набором МЭМС-датчиков на борту. X-NUCLEO-IKS01A1 совместима с любыми платами Nucleo производства ST (соответствует стандарту Arduino UNO R3) На плате расположены трехосевой акселерометр и гироскоп LSM6DS0, трехосевой магнитометр LIS3MDL, датчик влажности HTS221 и датчик давления LPS25HB.
Взаимодействие датчиков платы расширения X-NUCLEO-IKS01A1 с микроконтроллером STM32 происходит по интерфейсу I 2 C.
Набор открытого программного обеспечения OpenSoftwareX объединяет драйверы, программное обеспечение промежуточного уровня и прикладное программное обеспечение для разработки устройств на базе микроконтроллеров STM32, где дополнительно используются МЭМС-датчики, Bluetooth-интерфейс и другие компоненты. Используемые в OpenSoftwareX программные модули позволяют легко собрать конечный продукт и дают возможность быстрого прототипирования.
Открытая среда разработки включает несколько свободных библиотек:
Библиотеки Open.MEMS обрабатывают объединенную информацию, что обеспечивает высокую точность вычислений, которая недостижима при отдельном использовании данных от каждого датчика.
Библиотека osxMotionFX – это доработанный алгоритм iNEMO Engine Pro и API, внедренный в открытую среду разработки STM32 ODE. Как и предшественник, библиотека osxMotionFX – это интеллектуальное программное обеспечение, которое использует передовые алгоритмы, чтобы объединять и считывать информацию в режиме реального времени с различных датчиков, корректируя данные в зависимости от условий их использования.
Общая библиотека датчиков osxMotionFX создана для использования совместно с платами разработки STM32F4 Nucleo. При установке библиотеки Open.MEMS на компьютер необходимо выполнить активацию посредством мастера активации, входящего в пакет программного обеспечения osxMotionFX.
Библиотека osxMotionAR в реальном времени предоставляет информацию об активности пользователя: неподвижен, прогуливается, бежит, едет на велосипеде или ведет машину. Программное обеспечение osxMotionCP позволяет собирать информацию о положении в пространстве, а osxMotionGR помогает распознавать жесты управления телефоном.
Готовые устройства
Пример реализации готового устройства на базе платы разработки STM32F4 Nucleo (NUCLEO-F401RE, NUCLE0-L476RG) предоставляет программная платформа BLUEMICROSYSTEM1 (2, 3), содержащая примеры программного кода для разных плат расширения: Bluetooth с малым энергопотреблением (X-NUCLEO-IDB04A1), инерциальные датчики движения, влажности, давления и температуры (X-NUCLEO-IKS01A1). Особенность платформы в том, что она позволяет в режиме реального времени собирать и передавать посредством Bluetooth информацию на Android- или iOS-смартфоны.
Примеры кода из BLUEMICROSYSTEM1 подходят для применения в самых разнообразных сферах, включая Интернет вещей и беспроводные устройства сбора, анализа и передачи информации. Помимо открытых сред разработки, компания ST предоставляет для проектирования полный набор технической документации по применяемым устройствам. С сайта www.st.com можно загрузить разнообразные пакеты бесплатного программного обеспечения. Каждая плата расширения сопровождается развернутой информацией по применению, включая принципиальную схему и перечень компонентов. Разработчики могут обсуждать идеи различных проектов и выяснять интересующие их вопросы на форуме официального сайта ST.
Компания ST, заботясь о своих клиентах, обеспечивает им полную техническую поддержку и широкие возможности в реализации идей для Интернета вещей.
Заключение
Мировой лидер по производству МЭМС-компонентов компания STMicroelectronics предлагает широкую линейку различных приложений для IoT. Датчики движения, положения, состояния окружающей среды обеспечивают работоспособность «умных домов», производств и медицинского оборудования. Развитие Интернета вещей идет стремительно – ST ни на шаг не отстает, совершенствуя свою продукцию для решения различных задач.
Необычные уязвимости обычных датчиков
Голосовых помощников можно обмануть с помощью лазера, а датчик движения — с помощью музыки.
То, что теперь у каждого цифрового устройства есть куча «органов чувств», помогающих ему взаимодействовать с физическим миром, — это, с одной стороны, удобно. Но с другой — создает новые, порой весьма неожиданные угрозы. Дело в том, что эти «органы чувств» хоть и близки к человеческим функционально, но по конструкции и возможностям сильно от них отличаются. И об этом не всегда задумываются при разработке электроники.
Взять, к примеру, ультразвуковые команды: человек их не слышит, а голосовые помощники — не только слышат, но и исполняют. Впрочем, взлом ассистента с помощью звука, хоть и неуловимого для человеческого уха, — это хотя бы как-то можно понять и предугадать. А вот как насчет… света?
Как услышать свет: MEMS-микрофоны и их причуды
Оказывается, если преобразовать голосовую команду в мерцание лазера и направить луч на микрофон, то ассистент благополучно распознает и выполнит запрос. Это выяснили исследователи из Университета электрокоммуникаций японского города Тёфу и Мичиганского университета. Они смогли передать команды гаджетам на расстояние в несколько десятков метров. Единственное условие — между источником лазерного луча и микрофоном устройства должна быть прямая видимость.
Исследователи опробовали лазерную атаку на умных колонках, смартфонах, планшетах и других устройствах, работающих под управлением Amazon Alexa, Apple Siri и Ассистента Google. Везде трюк сработал, различалось лишь расстояние, на котором микрофон улавливал сигнал — от 5 до 110 метров. Теоретически дальность атаки может быть и больше, если мощность лазера и характеристики объектива позволяют.
В видео ниже (в качестве примера того, что можно сделать с помощью данного метода) исследователи, сидя в соседнем здании, заставляют умную колонку Google Home открыть гараж.
Почему MEMS-микрофоны реагируют на свет
Теперь немного о том, как это работает. Лазерная атака возможна из-за особенностей устройства микрофонов в гаджетах. Большинство современных микрофонов, встроенных в умную электронику, относится к микроэлектромеханическим системам (сокращенно — МЭМС или MEMS). Это миниатюрные устройства, в которых электронные и механические компоненты объединены в одну замысловатую конструкцию.
MEMS-устройства массово изготавливают по тем же технологиям, что и компьютерные чипы, в основном из того же материала — кремния, и с той же степенью миниатюризации: размеры отдельных деталей этих устройств измеряются в микрометрах или даже нанометрах. При этом стоят MEMS-устройства невероятно дешево, так что уже успели вытеснить большинство других вариантов конструкции датчиков и прочих миниатюрных приспособлений, которые работают на стыке электроники и физического мира.
Основная чувствительная часть MEMS-микрофона — это тончайшая мембрана, примерно в сто раз тоньше человеческого волоса. Эта мембрана колеблется под воздействием звуковых волн. В результате пространство между ней и неподвижной частью датчика то увеличивается, то уменьшается. При этом мембрана и неподвижное основание датчика вместе образуют конденсатор, так что при изменении расстояния между ними меняется емкость. Эти изменения несложно измерить и записать, а потом преобразовать в звукозапись.
Луч света тоже может создавать волны, вызывающие колебания чувствительной мембраны. Так называемый фотоакустический эффект известен еще с конца XIX века. Тогда шотландский ученый Александр Грейам Белл (да-да, тот самый, который запатентовал телефон) изобрел фотофон — прибор, позволяющий обмениваться звуковыми сообщениями с помощью луча света на расстоянии в несколько сотен метров.
Чаще всего фотоакустический эффект возникает из-за того, что свет нагревает то, на что попадает. При нагревании предметы расширяются и становятся больше, а когда остывают — уменьшаются до исходных размеров. То есть под воздействием мерцающего лазерного луча они будут меняться в размере. Вы, скорее всего, этого не заметите, но MEMS-датчик — микроскопический и восприимчив даже к микроскопическому воздействию. Поэтому подобные колебания он почувствует и честно преобразует в звукозапись, которая потом будет распознана как голосовая команда.
Музыка движения: чувствительность MEMS-акселерометра к звуку
Технология MEMS используется не только в микрофонах, но и во множестве других датчиков. Взять, к примеру, датчики движения — гироскопы и акселерометры. Они есть в кардиостимуляторах, подушках безопасности в автомобилях и много где еще. Именно они отвечают за поворот экрана в смартфонах и планшетах, и их тоже можно обмануть необычным способом.
Пару лет назад исследователи из университетов Мичигана и Южной Каролины провели эксперимент, подчинив акселерометры, которые в норме должны реагировать на движение… звуку.
Почему MEMS-акселерометры реагируют на звук
А дело тут вот в чем. Датчик определяет, что устройство движется, по смещению микроскопического груза. Звуковые волны могут вызывать колебания груза, заставляя акселерометр думать, что он перемещается в пространстве. Исследователи испытали два десятка распространенных моделей акселерометров, и три четверти из них оказались восприимчивы к звуку.
Так, в рамках исследования ученые заставили фитнес-браслет Fitbit считать липовые шаги, а смартфон — рулить радиоуправляемой машинкой, лежа на столе. Обычно игрушка реагирует на наклон гаджета, но исследователи обманули датчик смартфона при помощи музыки, которую включили на нем же.
Надышались гелием: iPhone в отключке
Не все причуды MEMS находят в лабораторных условиях. Сисадмины одной из американских клиник столкнулись со странным явлением во время установки нового аппарата МРТ: сотрудники медцентра начали жаловаться на неработающие телефоны. Расследование показало, что из строя вышли только устройства Apple, в то время как гаджеты других производителей (а также компьютеры и медицинские аппараты) работали как ни в чем не бывало.
Виновником происшествия оказался сжиженный гелий, который применяется для охлаждения рабочих узлов томографа. При монтаже аппарата часть гелия вытекла, испарилась и распространилась по клинике — и даже малой концентрации газа хватило для того, чтобы айфоны начали впадать в летаргический сон.
Почему iPhone перестают работать из-за гелия
В отличие от прочей техники в клинике, в которой микроэлектромеханические устройства тоже используются, но не критичны для системы, в Apple Watch и айфонах начиная с шестого они отвечают за работу тактового генератора — по сути, часов, которыми пользуется вся более умная электроника. А без точного времени устройства жить не могут.
Внутри MEMS-генераторов, которые оказались виновниками отказа айфонов, создается вакуум, необходимый для их нормальной работы. Чтобы этот вакуум ничто не заполнило, при производстве чипы наглухо «запечатывают» тонким слоем кремния. Однако молекулы гелия настолько малы, что проникают сквозь кристаллическую решетку кремния и мешают нормальной работе содержащегося внутри чипа микроскопического резонатора. В результате электроника сходит с ума, айфон выключается и перестает на что-либо реагировать.
О том, что гаджеты Apple не переносят гелий, в компании знают и даже предупреждают в руководстве пользователя: «Если iPhone находится в условиях с высокой концентрацией промышленных химикатов, в том числе вблизи испарившихся сжиженных газов, таких как гелий, возможно повреждение iPhone или нарушение его функциональности». Однако подобные ситуации так редки, что о них мало кто задумывается.
Впрочем, «продышавшись», большинство пострадавших устройств пришло в норму (правда, на это требуется довольно много времени — до нескольких дней). А производитель MEMS-датчиков, которые используются в iPhone, уверяет, что более новые поколения устройств невосприимчивы к подобным газам.
Берегите свои устройства
Пока инциденты с датчиками — скорее исключение, чем правило. Более того, производители постоянно улучшают свои продукты, а исследователи предлагают варианты защиты от смоделированных атак. Но на всякий случай рекомендуем вам держать свои гаджеты подальше от окон, баллонов с гелием и прочей химией.
