意法半导体KST测距传感器应用案例

KST3420 和 KST3220 是意法半导体（ST）合作伙伴计划授权成员 KS Technologies（又称：KST）公司开发的测距传感器，也是意法半导体飞行时间（ToF）传感器的一个应用研究案例。在过去的四年里，这家产品制造和工程服务公司在多个国家部署了数千个各种用途的测距传感器。

例如，有些传感器用于监测主题公园垃圾箱满溢度，从而优化垃圾收集效率；还有一些则用于农场或智慧城市。此外，许多工程师还会对 KST3420 和 KST3220 的45天原型开发周期给予好评，因为大多数原型开发通常需要几个月甚至几年的时间。下面，让我们来探讨KST的故事，并学习他们的经验。

第1章：具有挑战性的假设

破解难题—垃圾满溢度问题

KST的故事始于一个问题：“测量垃圾箱内的垃圾满溢度，哪种方法最好？” 这是一个棘手的问题，因为传感器必须在各种光照条件下和各种形状的容器内工作，同时必须有较长的电池续航时间。几年前，在KST开始研发时，许多人无法确定哪种方法是检测垃圾箱满溢程度的最佳手段。有一位客户因为现有设备的检测准确度低，电池续航时间不尽人意，而找到KST。此外，该客户使用 Sigfox技术连接当前传感器和云端，因此需要支持Sub-G网络。

使用KST3520测量垃圾箱内的垃圾满溢度

一决高下——光电二极管对决超声波阵列

当客户提出垃圾箱满溢度测量问题时，KST 的工程师正在用当时最小的飞行时间传感器 VL53L0X开发解决方案。因此，KST 找到一块 Nucleo 开发板和一个带有 MEMS传感器的 Nucleo Shield子板，向客户展示他们的解决方案。但是，客户还要求提供基于超声波传感器的原型方案，因为当时普遍的看法是超声波比SPAD(单光子雪崩二极管)的准确度更高。因此，KST对这两种产品进行大约两个月的对比测试。最终，VL53L0X以绝对优势胜出，客户毫不犹豫地选择了意法半导体。

一个崭新的世界——现场安装8,000个传感器

使用KST3320测量填充水平

在对决结束前，KST 得到了一个的产品原型，为产品开发打下了基础。事实上，该原型不仅有助于坐实 VL53L0X 的优势，还展示了 STM32的优势。客户看到定制设计与Nucleo 板使用相同的MCU，认为这样设计很有意义。这是一条明确的产业化路径，产生了 KST 的第一代测距传感器 KST3300。KST 将其部署在 8,000 个垃圾箱中，并管理这个知识产权。因此，这家意法半导体合作伙伴可以将该测距传感器技术授权给其他公司，并不断地改进技术。另一方面，KST为客户提供维护和供货保证。

第2章：创新兴起

工程界——新的行业需求

随着 KST 向更多客户和地区展示设计，工程师还发现了更广泛的需求。例如，一些人不想要 Sigfox，而想用其他协议，其中许多人倾向于 LoRaWAN、低功耗蓝牙和 Wi-Fi。许多公司已经有了Sub-G网络，所以KST 不得不用Sub-G。此外，KST 的设计团队还为 KST3300 编写了驱动程序。虽然驱动软件帮助他们更快地发售产品，但在阳光直射或非常近的距离（0 毫米到 100 毫米之间）时，测距器性能出现了问题。最后，KST 希望延长测距器的电池续航时间，使其更具吸引力。

揭开帷幕——采用 LoRa 和 Sigfox

KST 开发了第二代测距器来克服这些挑战。该公司改用了Murata 模块，该模块内置STM32 微控制器和 Semtech的支持 Sigfox 和 LoRa的调制模组。因此，KST 可以提供更大的灵活性并适应几乎所有的现有的客户基础设施。具体而言，这意味着可以留住从KST3300受益的客户，同时还能够将传感器部署到其他应用，例如，智慧城市。

明星诞生——全面改进

为了提高性能和电池续航时间，KST 采用了刚刚上市的 VL53L1X，并使用意法半导体的驱动程序。新传感器具有多区监测能力，这为他们的测距器打开了新的应用机会，例如，人数统计。改用ST 驱动器还能实现新的低功耗模式，改进校准过程，并减少串扰噪声。此外，KST采用意法半导体镜头，结合其他措施，确保在极短距离内具有更好的性能。新的 MEMS 也集成到Nucleo产品系列，可以加快原型设计速度。这就是 KST3320如何在 KST 实验室中诞生的。

第3章：原型开发速度实现飞跃

不是我的地盘——物联网面临更严酷的现实

在发布 KST3320 之后，KST公司开始收到新的需求建议：将 RF部分与产品的其余部分分开。这种需求背后的原因是确保系统的应用范围更广阔。例如，一位客户要求测量大型混凝土构件下的水位，在这种情况下，将 RF 模块放在槽外可以大大提高射频的能效。此外，市场对 KST 传感器的新需求通常是要在更恶劣的环境中使用该产品。无论是在酷热的美国南部还是冬季寒冷的加拿大，传感器都必须在极端条件下工作。最后，KST 希望提高产品的电池续航时间。

分而治之——模块化的到来  

在第一代和第二代产品之后，KST 另辟蹊径，采用了快速开发原型方法。该公司开发了一款位于 STM32 Nucleo 板和 Murata Shield板之间的转接板。因此，KST 现在的传感器原型板可以用 Arduino 连接器中断所有信号或重置设备。整个装置采用IP67 防水等级外壳，可以与传感器分开使用。

为了连接两个模块，KST 用容易买到的螺纹连接器，因此不会推高成本。这就是该公司开始在KST3320 中使用 STM32WL的原因。通过采用快速原型开发方法，该公司改用新的MCU，以满足新的无线连接需求。

为了进一步促进模块化，KST 还提供配置和应用服务软件。他们的目标是提供可以发挥传感器性能的软件工具。因此，KST 开发了云端仪表板和通知系统。随着 KST3420 和KST3220 的问世，该公司还开发了一个完整的基础设施，将数据从现场推送给决策者。简而言之，KST 开发的是功能完整的产品原型，而不是只有基本功能的概念验证。

最后的边界——渗透新兴市场和地区

KST3420 和 KST3220 的模块化意味着 KST 开发出了基于VL53L3CX的产品，设计团队已经在考虑使用VL53L5CX 开发新产品。因此，虽然大多数原型开发需要数月甚至数年时间，但 KST 在 45 天内完成了新一代产品的原型开发。改用模块化方法还让系统适应更恶劣的环境。因此，该服务公司在得克萨斯州和卡尔加里的一个牧场部署了 KST3420。

结语

出色的工程团队作品

关于KST的各代测距传感器：KST3300、KST3320、KST3220、KST3520和KST3420

回顾过去，有很多经验教训值得工程师和设计公司学习。首先，与其等到洞悉一切后出货，不如边出货边学习。因为KST 发现了一个创新的解决方案，KST3300 的用户在短短四个月内就看到了投资回报。KST坦承其定制驱动程序或第一代产品性能存在一定的缺陷。但是，如果没有 KST3300，就没有 KST3320、KST3420 或 KST3220，不能实现最终只有45天的快速原型开发周期。

聪明的工程师擅长旧物利用

如今，KST 传感器用三节 AA 电池可以续航约一年，测量准确度媲美工业设备。他们率先推荐使用 Nucleo 板，而不是什么都定制。他们立即采用了ST驱动程序，而没有更新自己的驱动程序。他们采用意法半导体的工作原理图，并参加ST 网络研讨会，了解低功耗模式和其他功能。太多的工程师忽视了这一点——重新发明车轮无助于设计出更快的汽车。

有意义的创新是解决之道

因为 KST 使用了所有可用的工具，所以它可以进行有意义的创新。例如，工程团队从 ST 原理图开始优化ST的解决方案，舍弃LDO稳压器，以获得能效更高的解决方案。KST还学会了如何通过了解客户的需求来提高能效。该公司就是这样学会使用污迹校准或改进校准。最终，创新是开发解决方案，而不是开发产品。创新是倾听和理解问题，以及客户将如何获得投资回报。

‍‍

审核编辑：刘清