解讀智能可穿戴的技術(shù)困境與重生之門　

作者/ 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：本專題邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)權(quán)威人士介紹了智能可穿戴的技術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)。

MCU與傳感器

可穿戴設(shè)備MCU的發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著消費(fèi)者生活水平的提高，大家對(duì)健康越來(lái)越重視。健康類的智能可穿戴產(chǎn)品正在慢慢成為消費(fèi)需求的增長(zhǎng)點(diǎn)，其中包括健康監(jiān)測(cè)類和運(yùn)動(dòng)協(xié)助類。健康監(jiān)測(cè)類包括心率、血糖、血樣、最大攝氧量等。運(yùn)動(dòng)協(xié)助類包括對(duì)各種運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)單如跑步、騎行、游泳等，更復(fù)雜的有高爾夫等球類運(yùn)動(dòng)的協(xié)助。目前市場(chǎng)上此類可穿戴產(chǎn)品功能還相對(duì)比較單一。隨著技術(shù)的發(fā)展，功能更全、更復(fù)雜的產(chǎn)品一定會(huì)成為消費(fèi)者高度關(guān)注的需求。

　　在這些智能可穿戴產(chǎn)品中，MCU和傳感器是兩大類核心器件。傳感器包含各種運(yùn)動(dòng)傳感器、位置傳感器、生物傳感器和環(huán)境傳感器等，其發(fā)展趨勢(shì)包括低功耗、高集成度、小體積、高精度等。MCU則包括廣泛的性能和集成度等不同類型的微控制器產(chǎn)品，從低端的8/16位MCU到32/64位高性能ARM處理器，其發(fā)展趨勢(shì)主要是低功耗、高集成度、無(wú)線連接、小封裝等。MCU的運(yùn)算能力對(duì)可穿戴設(shè)備的智能實(shí)現(xiàn)非常關(guān)鍵。當(dāng)然可穿戴設(shè)備還需要先進(jìn)的供電系統(tǒng)，包括電池或者太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等。

　　Cypress具有豐富的產(chǎn)品線支持智能可穿戴設(shè)備，包括PSoC微控制器、低功耗存儲(chǔ)器、BT/BLE/WiFi無(wú)線連接產(chǎn)品和能量收集方案等。其中PSoC微控制器是一個(gè)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的MCU系列，包括基于Cortex-M0+的PSoC 4系列和基于Cortex-M4/M0+雙核的專為可穿戴設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)打造的PSoC 6系列。

未來(lái)可穿戴仍會(huì)保持高速增長(zhǎng)

　　目前ROHM在市場(chǎng)上推廣的可穿戴產(chǎn)品終端主要還是以智能手表和運(yùn)動(dòng)手環(huán)為主，另外也有一些以它們?yōu)閰⒖级O(shè)計(jì)的衍生類產(chǎn)品，例如心跳監(jiān)測(cè)手環(huán)等。這些產(chǎn)品中的核心元器件主要是在這個(gè)過(guò)程中負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的傳感器、負(fù)責(zé)控制的MCU以及負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線通信模塊這三塊，ROHM在這三塊都有相應(yīng)的產(chǎn)品及解決方案，可最大程度提供與客戶需求高匹配度的解決方案。

　　由此可見(jiàn)，可穿戴設(shè)備和傳感器技術(shù)密切相關(guān)，傳感器在穿戴設(shè)備中扮演著重要角色。隨著穿戴設(shè)備靈活輕便的發(fā)展趨勢(shì)，可穿戴應(yīng)用中傳感器的整體發(fā)展也更趨向于智能化、小型化、低功耗及低成本化。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，未來(lái)幾年可穿戴仍會(huì)保持較高的市場(chǎng)增長(zhǎng)率，相應(yīng)搭載在穿戴設(shè)備上的傳感器仍會(huì)存在很大發(fā)展空間。ROHM則會(huì)順應(yīng)這一趨勢(shì)，憑借多年來(lái)積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，從芯片的生產(chǎn)、LSI設(shè)計(jì)到封裝，本著高精度、低功耗、小型化等原則致力于傳感器產(chǎn)品的研發(fā)，并提供使人們生活更加便利、舒適、安全的整體傳感器解決方案。

　　ROHM在穿戴市場(chǎng)上推廣的一些主要的傳感器類產(chǎn)品包括用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的加速度傳感器、檢測(cè)高度及計(jì)算卡路里的氣壓傳感器、用作電子羅盤的地磁傳感器及高精度脈搏傳感器。

FPGA滿足可穿戴設(shè)備高級(jí)并行處理能力的需求

　　現(xiàn)有的可穿戴設(shè)備大部分都是智能手表或健康手環(huán)。這些應(yīng)用本質(zhì)上并不“智能”，而是對(duì)智能手機(jī)的擴(kuò)展，用于輕松訪問(wèn)副屏和/或進(jìn)行低速和低功耗生理體征測(cè)量，如計(jì)步器和心率測(cè)量器等。隨著語(yǔ)音、AR和AI技術(shù)的發(fā)展，我們將會(huì)看到更多更加智能的可穿戴設(shè)備，涵蓋語(yǔ)音控制的智能耳機(jī)到可以進(jìn)行空間、手勢(shì)和目標(biāo)識(shí)別的AR眼鏡。這些全新的應(yīng)用，特別是涉及到空間測(cè)量(例如音頻波束形成或AR手勢(shì)檢測(cè))時(shí)，需要實(shí)時(shí)工作的低功耗傳感器中心來(lái)同時(shí)捕捉和處理來(lái)自傳感器陣列的數(shù)據(jù)。與其他應(yīng)用處理器、MCU和DSP相比，萊迪思FPGA能夠提供靈活的I/O和更高的能耗比，可為智能可穿戴產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理解決方案。

　　與傳感器相關(guān)的可穿戴應(yīng)用有兩種不同但互相依附且不斷發(fā)展的趨勢(shì)：1)多個(gè)傳感器的并行連接以及數(shù)據(jù)捕獲，如麥克風(fēng)陣列、多攝像頭應(yīng)用、多IMU應(yīng)用，這是傳感器聚合應(yīng)用的高級(jí)形式;2)環(huán)境感知應(yīng)用對(duì)于實(shí)時(shí)工作傳感器處理的需求不斷增長(zhǎng)。

　　使用多個(gè)傳感器，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的精度或獲取更多細(xì)節(jié)，如3D深度測(cè)繪、回聲和噪聲消除以及流體運(yùn)動(dòng)跟蹤等。然而，由于大多數(shù)MCU和處理器I/O數(shù)量有限并且無(wú)法捕獲和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)并行處理，因此不適用于實(shí)現(xiàn)上述功能。而FPGA則能夠提供更多I/O和獨(dú)立的傳感器接口，更適合上述需要高級(jí)并行處理能力的應(yīng)用。對(duì)于基于視覺(jué)的應(yīng)用，如VR和AR的內(nèi)向外跟蹤或虹膜跟蹤，萊迪思的MachXO3和CrossLink可編程ASSP(pASSP)可用于執(zhí)行多攝像頭聚合;如果對(duì)于深度測(cè)繪等自主計(jì)算有需求的話，可以使用具有更強(qiáng)處理能力的ECP5。萊迪思的iCE40移動(dòng)FPGA產(chǎn)品系列經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提供功耗更低、尺寸更小和成本更低的特性。萊迪思最近推出的iCE40 UltraPlus增加了I3C支持，可實(shí)現(xiàn)低功耗、實(shí)時(shí)攝像頭連接以及低延遲的預(yù)處理應(yīng)用。

可穿戴兩大發(fā)展方向——健康保健及智能化

　　可穿戴產(chǎn)品種類眾多，但是從市場(chǎng)的成熟度和規(guī)模角度來(lái)看，智能手表和手環(huán)類仍為主流產(chǎn)品形態(tài)。例如，小米手環(huán)就是整個(gè)行業(yè)的代表，以及前不久華米推出的Amazfit米動(dòng)健康手環(huán)都是具有行業(yè)開(kāi)創(chuàng)和引領(lǐng)效應(yīng)的產(chǎn)品。

　　可穿戴產(chǎn)品的兩個(gè)趨勢(shì)或者特點(diǎn)將成為驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力：一是健康保健功能不斷豐富和完善，包括運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，體征信號(hào)檢測(cè)，甚至環(huán)境相關(guān)的監(jiān)測(cè)等;二是智能化，作為人工智能重要接入，甚至是人工智能的最終用戶的直接硬件設(shè)備，通過(guò)大數(shù)據(jù)的融合處理實(shí)現(xiàn)智能化的深度信息挖掘，進(jìn)而解決用戶痛點(diǎn)，提高使用體驗(yàn)。例如以上提到的兩種產(chǎn)品都可以印證這些特點(diǎn)。例如華米的米動(dòng)健康手環(huán)，可以監(jiān)測(cè)心臟健康狀況，還實(shí)現(xiàn)了心電ID識(shí)別，從基本的測(cè)量原理角度分析，自然要用到心電(ECG)采集相關(guān)的核心專用元器件;同時(shí)連續(xù)運(yùn)動(dòng)心率的監(jiān)測(cè)會(huì)用到光電法心率測(cè)量的相關(guān)傳感器和電路等核心原器件。

　　ADI的系列低功耗、單導(dǎo)聯(lián)、心率監(jiān)護(hù)儀模擬前端 (AFE) AD8232以及最新的AD8233專為滿足新興的健身設(shè)備、便攜式/佩戴式監(jiān)控設(shè)備和遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)設(shè)備的ECG信號(hào)調(diào)理要求而設(shè)計(jì)。與當(dāng)前很多集成解決方案中采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，AD8233高度靈活的模擬濾波配置采用雙極高通濾波器，結(jié)合芯片內(nèi)部的儀表放大器架構(gòu)和無(wú)使用約束運(yùn)算(增益)放大器，支持用戶采用多極低通濾波技術(shù)來(lái)消除線路噪聲和其他干擾，并可提供在關(guān)斷模式下的導(dǎo)聯(lián)脫落監(jiān)測(cè)功能。另外一款高集成度的ADAS1000完全可以用于類似的應(yīng)用場(chǎng)合。

可穿戴設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)安全要求更高

　　現(xiàn)如今，用于生命體征 (vital singal) 監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備正在快速發(fā)展。包括智能手表在內(nèi)的腕戴式健身和健康設(shè)備越來(lái)越受歡迎，這些設(shè)備不僅具有步進(jìn)跟蹤功能，而且提供相關(guān)的健身/健康指標(biāo)，包括受力分析參數(shù)以及基礎(chǔ)心率和心率變異分析等功能。

　　Maxim的新型健康傳感平臺(tái) (hSensor平臺(tái)) 是一套支持ARM? mbed? 開(kāi)發(fā)環(huán)境的超小尺寸解決方案，支持快速、簡(jiǎn)便地設(shè)計(jì)可穿戴健康和健身應(yīng)用，可節(jié)省多達(dá)六個(gè)月的設(shè)計(jì)時(shí)間。該平臺(tái)作為MAXREFDES100# 參考設(shè)計(jì)提供，允許設(shè)計(jì)者加載適用不同用例的算法以及配置特定應(yīng)用。hSensor平臺(tái)可用于健康、保健及高端健身應(yīng)用的完整開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并支持如胸帶、心電圖計(jì)、腕戴式設(shè)備、體溫計(jì)、一次性溫度計(jì)、血氧測(cè)量、智能稱重儀以及生物識(shí)別等各種應(yīng)用場(chǎng)景。

　　另外，行業(yè)的總體趨勢(shì)是對(duì)于產(chǎn)品的數(shù)據(jù)安全有了更高的需求。在設(shè)計(jì)早期就考慮安全性的實(shí)現(xiàn)方式，并集成到產(chǎn)品中是至關(guān)重要的。為有效地保證安全性，必須從傳感器到云端的多個(gè)層面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行部署。

　　Maxim 一直致力于其DeepCover?安全微控制器系列的研發(fā)。結(jié)合了先進(jìn)的加密技術(shù)和物理安全，從而提供高級(jí)別的物理篡改和反向工程保護(hù)。

TDK對(duì)可穿戴設(shè)備靜電防護(hù)的考慮

　　近年來(lái)，隨著芯片技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，各類智能可穿戴設(shè)備也不斷涌現(xiàn)。可穿戴設(shè)備頻繁地和人體接觸，因而在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮靜電防護(hù)，以保證產(chǎn)品性能和長(zhǎng)期使用的可靠性。

　　TDK的愛(ài)普科斯CeraDiodes?多層壓敏電阻在各類智能可穿戴設(shè)備和移動(dòng)支付相關(guān)的應(yīng)用中，為NFC(近場(chǎng)通訊)系統(tǒng)提供卓越的靜電(ESD)解決方案，保護(hù)NFC系統(tǒng)的天線和NFC芯片免受EMI/ESD影響。CeraDiodes?采用的新型微核技術(shù)使得SMD或嵌入式解決方案靜電防護(hù)性能高達(dá)30KV，并且可實(shí)現(xiàn)0402，0201及更小的封裝尺寸。該微核材料經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，其單位有效體積的靜電抗干擾性達(dá)到業(yè)內(nèi)頂尖水平，響應(yīng)時(shí)間極快，且鉗位電壓也極為可靠。并且， CeraDiodes?具有卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、高溫性能以及高數(shù)據(jù)傳輸率。

低功耗、傳輸

待機(jī)時(shí)間是可穿戴設(shè)備的重要指標(biāo)

　　可穿戴產(chǎn)品范圍較廣，從手表、手環(huán)可以延伸到服飾、眼鏡。如果以腕上設(shè)備來(lái)看，小米手環(huán)2取得了非常不俗的成績(jī)，在剛剛過(guò)去的一個(gè)季度是可穿戴設(shè)備全球銷量最大的時(shí)期，其超長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間和超高性價(jià)比受到了市場(chǎng)的青睞。除了手環(huán)以外，帶GPS的運(yùn)動(dòng)手表也有不俗的市場(chǎng)表現(xiàn)。

　　可穿戴設(shè)備的待機(jī)時(shí)間是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在未來(lái)的一段時(shí)間里仍將如此。單芯片藍(lán)牙和MCU解決方案應(yīng)該繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)功耗。除此之外，MEMS傳感器和光學(xué)心率計(jì)的功耗也應(yīng)繼續(xù)降低。

　　除了待機(jī)時(shí)間外，可穿戴設(shè)備也需要更豐富的功能支撐，例如無(wú)線支付，更精確的運(yùn)動(dòng)識(shí)別(例如識(shí)別打網(wǎng)球和做俯臥撐)。隨著傳感器和算法的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)的可穿戴設(shè)備也會(huì)承載更多的健康功能，例如血壓監(jiān)控。

　　Dialog在過(guò)去的一兩年內(nèi)陸續(xù)推出了單芯片可穿戴解決方案DA1468x，以及藍(lán)牙5芯片DA14585/6。這兩款芯片目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各種可穿戴產(chǎn)品中。我們也在積極開(kāi)發(fā)下一代芯片，在產(chǎn)品性能上會(huì)有內(nèi)存更大，處理能力更強(qiáng)，功耗更低等新的突破。

可穿戴設(shè)備為醫(yī)療市場(chǎng)帶來(lái)商機(jī)

　　醫(yī)療市場(chǎng)有著充分利用最新可穿戴技術(shù)而真正發(fā)展起來(lái)的商機(jī)。例如，簡(jiǎn)稱為“mHealth”的移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備能以可靠的和不顯眼的設(shè)備監(jiān)測(cè)生命體征和藥物輸送，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與醫(yī)療專業(yè)人員交流信息，可緩解患者前往醫(yī)院進(jìn)行例行檢查的需求，并讓他們?cè)诩抑蝎@得實(shí)時(shí)高效的醫(yī)護(hù)。低成本、可自由支配、可穿戴的醫(yī)療技術(shù)，如采用濕度感測(cè)的敷料，也代表了創(chuàng)新的醫(yī)療保健方法，有利于促進(jìn)病人的健康，為他們帶來(lái)舒適和方便。

　　傳感和測(cè)量、信號(hào)處理、超低功耗、備用電源和通信有助于可穿戴式醫(yī)療設(shè)計(jì)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和護(hù)理所需的核心元器件能力。與心率和糖尿病(葡萄糖監(jiān)測(cè))有關(guān)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是像安森美半導(dǎo)體這樣的公司可提供高度集成的系統(tǒng)單芯片器件的領(lǐng)域，這些器件含支持一個(gè)完整的方案所需的許多功能塊?？紤]到所有類型的可穿戴設(shè)備都由電池供電，所以低功耗是個(gè)重要的因素。在某些情況下，由于各種條件所限，方案可能需要無(wú)電池，而采用能量收集。