打破可穿戴設(shè)計尺寸和功效不能兩全的困局

　　引言

　　可穿戴技術(shù)可謂是當(dāng)今世界的熱門話題，有關(guān)令人興奮激動的新設(shè)備即將上市的消息充斥著各大新聞頭條，吸人眼球。“可穿戴”一詞描述的是可穿戴在身上的各種技術(shù)，包括腕帶、手表、眼鏡、服裝、鞋類、珠寶等?？纱┐髟O(shè)備無邊無界，預(yù)計將成為智能便攜式設(shè)備的下一個高增長領(lǐng)域。

　　那么，為什么可穿戴設(shè)備如此有趣呢？它為何會贏得人們的普遍關(guān)注呢？穿在身上（不僅限于人類，還包括動物）的可穿戴設(shè)備能夠以完全不同于其他設(shè)備的方式整合到我們的日常生活中。智能手機已經(jīng)非常貼近我們的生活，我們大多數(shù)人不敢想象不帶手機出門會怎樣；但是，可穿戴設(shè)備則更加個性化，與我們的日常生活方式聯(lián)系也更加密切，它們能夠捕捉我們所處環(huán)境的背景數(shù)據(jù)?？纱┐髟O(shè)備不是放在口袋里或包里，而是依靠我們而存活，體驗我們所體驗的感受，悄悄地成為我們數(shù)字生活的伴侶。

　　設(shè)備自身只是其中的一個方面。真正強大的是這些可穿戴設(shè)備能夠連接到云，然后連接到與我們息息相關(guān)的應(yīng)用和服務(wù)。可穿戴設(shè)備的早期例子大致可分為三類：健身活動追蹤器、手表（智能手機的第二屏幕）和眼鏡（智能手機的第二屏幕和增強現(xiàn)實）。

　　所有這些設(shè)備都能夠通過傳感器收集數(shù)據(jù)，來了解您的日常活動，并連接到云，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。行為和健康狀況分析是改變或改善生活方式以及增強可穿戴設(shè)備“粘性”的關(guān)鍵。換言之，使可穿戴設(shè)備成為一個自動伴侶。許多現(xiàn)今的健身追蹤器通常被佩戴幾個月，然后被遺忘、丟棄在抽屜里。可穿戴設(shè)備制造商所面臨的挑戰(zhàn)和目標(biāo)是，創(chuàng)造能夠成為人們長期自動伴侶的東西。

　　本文概述了 ARM與飛思卡爾如何攜手合作，提供面向可穿戴設(shè)備市場的領(lǐng)先半導(dǎo)體解決方案。其中最重要的是能夠提供超級節(jié)能和體積小的解決方案，這些解決方案就是一次充電后能夠持續(xù)工作更長時間的小型設(shè)備。

　　本文還將詳細(xì)介紹可穿戴市場是如何發(fā)展的，列舉了目前市場中的一些示例，并討論滿足低功耗和特殊要求所需的技術(shù)。最后，我們將梳理一下推動可穿戴技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新的創(chuàng)新者、工具及平臺。

　　可穿戴技術(shù)市場概述

　　可穿戴設(shè)備通常被視為最激動人心和前途無量的新技術(shù)。盡管事實如此，但我們也需要牢記這樣一個事實，那就是目前已經(jīng)出現(xiàn)了可穿戴設(shè)備，市場上有多種令人興奮的產(chǎn)品，而且新設(shè)備正在不斷涌現(xiàn)。我們看到，可穿戴技術(shù)正在經(jīng)歷快速創(chuàng)新，其中一些新的、前所未聞的公司通常通過 Kickstarter 等眾籌平臺籌集資金，可在 12 至 18 個月內(nèi)交付產(chǎn)品。

　　現(xiàn)有的知名 OEM 正在通過其自創(chuàng)的可穿戴解決方案快速進(jìn)入可穿戴設(shè)備市場。

　　縱觀市場，我們發(fā)現(xiàn)有三類設(shè)備主導(dǎo)著可穿戴設(shè)備市場的格局：

　　• 健身/活動追蹤器——戴在手腕上或夾在身上、跟蹤活動如跑步、行走和睡眠模式的裝置

　　• 手表——用作第二屏幕，顯示智能手機信息

　　• 眼鏡和攝像頭——用作增強現(xiàn)實的智能手機、提供第二屏幕的眼鏡，以及可穿戴的攝像頭

　　除了這三大產(chǎn)品類別外，我們還看到涌現(xiàn)出一些面向可穿戴設(shè)備的、有趣的新領(lǐng)域，例如：

　　• 智能服裝—采用智能紡織品或 LED 照明制成的服裝，再延伸到智能鞋類和珠寶

　　• 醫(yī)療保健—遠(yuǎn)程病人監(jiān)測、生活輔導(dǎo)、ECG（心率監(jiān)測）、連續(xù)血糖監(jiān)測，以及用于診斷心律失常等情況的無線可穿戴小飾物

　　• 身份認(rèn)證—通過可穿戴設(shè)備進(jìn)行付款和銀行交易、啟動汽車、控制家居自動化

　　• 游戲耳機和耳塞—能夠提供豐富的音效和集成麥克風(fēng)的耳機

　　那么，這些對于可穿戴設(shè)備的未來意味著什么？單功能設(shè)備（如健身帶）將繼續(xù)流行。隨著時間的推移，我們預(yù)計將出現(xiàn)與智能手機領(lǐng)域類似的進(jìn)化，可穿戴設(shè)備將逐步把越來越多的功能集成到單一設(shè)備中，并打造出使可穿戴設(shè)備成為常態(tài)必要的“粘性”。那時候的情況會變成怎樣？這很難預(yù)測。我們期望看到上述類別整合在一起—例如，手表可作為您智能手機的第二屏幕，追蹤您的日?；顒樱O(jiān)測您的健康狀況，連接您和您的家人、朋友或護(hù)理人員，此外它還具有安全的綜合銀行功能，您可以通過其來驗證支付。這豈不是一個偉大的一體化可穿戴設(shè)備？

　　可穿戴的移動設(shè)備

　　借助市場上最廣泛、功能最多的解決方案組合，飛思卡爾基于 ARM 的 MCU 和處理器是各類可穿戴產(chǎn)品設(shè)計的理想選擇。可擴展的 MCU 和處理器家族范圍廣泛，從超低功耗Kinetis MCU（如 KL03 芯片級封裝 （CSP），全球最小基于 ARM®的MCU）到帶有硬件圖形加速功能的 i.MX 應(yīng)用處理器，應(yīng)有盡有，使設(shè)計能夠支持 Linux®和 Android™ 等較高級別的操作系統(tǒng)和更加豐富的用戶界面。

　　目前市場上的許多可穿戴設(shè)備都采用基于ARM架構(gòu)的飛思卡爾 MCU 和處理器。ARM 架構(gòu)提供低功耗、可擴展的處理引擎，使之成為可穿戴設(shè)備的理想解決方案。廣泛的可穿戴應(yīng)用多種多樣，從健身帶和智能手表到可安裝在頭上的攝像頭，甚至面向狗狗的活動追蹤器。

　　下面列舉了其中的一些應(yīng)用：

　　活動/健身追蹤器

　　Withings Pulse 活動追蹤器具有低功耗、高性能的特點，還能連接到云，對現(xiàn)在積極的、有健康意識的消費者極具吸引力，它外形小巧，易于佩戴。這款活動追蹤器有多種佩戴方式，可以夾，也可以戴在手腕上。飛思卡爾Kinetis 系列 MCU 具有強大的可擴展性，能夠幫助 Withings更高效（加快產(chǎn)品上市速度）、更具成本效益地設(shè)計新設(shè)備。

　　Thalmic Labs MYO 是一款臂帶，它的工作方式是通過肌肉運動產(chǎn)生電能來驅(qū)動設(shè)備，揮揮手就能對計算機、電話及其他喜愛的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行無線控制。這款臂帶通過藍(lán)牙連接您的計算機或其他智能設(shè)備，讓您能夠瀏覽網(wǎng)頁，調(diào)大音樂的音量，在演講過程中更換幻燈片，甚至打游戲。MYO 采用飛思卡爾 Kinetis K20 MCU。

　　另外一個例子是Whistle 活動監(jiān)測儀。它不是臂帶也不是腕帶，而是頸帶，目標(biāo)受眾是狗狗。Whistle 活動監(jiān)測儀采用飛思卡爾 Kinetis K60 MCU，是防水的頸帶設(shè)備，能夠測量狗狗的活動，包括散步、玩耍和休息，讓您以全新的視角觀看這個忠實朋友的行為和健康趨勢。通過智能手機查看，與親友分享值得紀(jì)念的時刻，當(dāng)狗狗的行為或健康狀況發(fā)生任何改變時，向獸醫(yī)發(fā)送報告。

　　手表

　　另一個備受歡迎的類別是手表。Garmin 的 Forerunner® 10 和 Forerunner 15 GPS 手表只需輕輕按下按鈕便能夠追蹤距離、步伐和卡路里，讓您能夠以更小的體積享用高級 GPS手表的優(yōu)勢。Forerunner 10 采用基于 Cortex-M4 的 Kinetis K20 MCU，F(xiàn)orerunner 15 使用基于Cortex-M0+ 內(nèi)核的 Kinetis KL26。Forerunner® 220 和Forerunner® 620具有高分辨率的彩色顯示屏，可接入培訓(xùn)計劃，還能夠測量您的跑步狀態(tài)，就像口袋里帶了一位私人教練。Forerunner 220 和 Forerunner 620 采用飛思卡爾 Kinetis K22 MCU。

　　飛思卡爾 i.MX233 應(yīng)用處理器支持基于 Android 的i’m Watch，將其連接到您的智能手機，使您可以用該手表處理來電和文本消息。Facebook、Twitter 和天氣預(yù)報等資訊可以完美地呈現(xiàn)在該手表的高分辨率屏幕以及友好的用戶界面上。

　　眼鏡和攝像頭

　　OrCam 為視障人士打造了一款安裝在眼鏡上的裝置，讓他們能夠參加大多數(shù)人認(rèn)為很平常但對他們而言卻極具挑戰(zhàn)性的活動，如乘坐公交車、買食品雜貨、讀報紙等。OrCam解決方案采用飛思卡爾高性能、高能效i.MX 6Quad處理器提供的高級視覺計算算法，解析視覺輸入并將解析結(jié)果實時地傳送給穿戴該設(shè)備的人士。該可穿戴設(shè)備真正能夠幫助殘障人士。

　　GoPro HERO3+ 攝像頭采用 Kinetis K20 MCU，可穿戴，可安裝在其他裝置上并可防水。這款攝像頭能夠以較高的分辨率捕捉專業(yè)品質(zhì)的視頻。HERO3+ 提高了圖像清晰度，改善了音質(zhì)，延長了電池壽命，還加快了 Wi-Fi®共享速度，使捕捉和分享生活趣事變得更加輕松。

　　醫(yī)療保健

　　Numera Libris 讓那些活躍的老年人及他們的家人能夠自由、安全地在家里或家外管控他們的健康狀況。Numera Libris 個人健康網(wǎng)關(guān)采用 Kinetis K70 MCU，在一個小型、易于佩戴的移動裝置中集成了遠(yuǎn)程醫(yī)療的優(yōu)勢和安全功能。

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　　設(shè)計可穿戴設(shè)備

　　可穿戴設(shè)備制造商面臨的重要設(shè)計挑戰(zhàn)包括尺寸、能耗和用戶體驗。當(dāng)涉及可穿戴技術(shù)領(lǐng)域時，我們需要遵循一套完全不同于手機的全新設(shè)計規(guī)則。目前典型的可穿戴設(shè)備大致分為兩類：

　　• 基于低功耗、高性能 MCU 功能的設(shè)計

　　• 基于手機應(yīng)用處理功能的設(shè)計，類似于智能手機中的處理器

　　下表顯示了應(yīng)用的要求如何推動 MCU 或應(yīng)用處理器類型以及其所采用的 ARM Cortex®內(nèi)核的發(fā)展。

　　可穿戴應(yīng)用的要求

　　這兩類設(shè)備的性能和功能截然不同，與微控制器設(shè)計相比，基于手機應(yīng)用處理器的設(shè)計需要更高的操作點而且電池壽命也更短。

　　規(guī)格

　　如果我們仔細(xì)查看典型可穿戴設(shè)備并考慮設(shè)計限制因素，就會立刻發(fā)現(xiàn)面臨的第一個挑戰(zhàn)是規(guī)格。可穿戴設(shè)備需要外型小巧，不突兀。這對可用的 PCB 面積提出了嚴(yán)格的限制，要減少電池容量，功耗要求也非常有限。典型高端手機的電池容量大約為 3000 mAh，而手表的電池容量僅為 300 mAh。由于手表的電池容量是手機的十分之一，因此需要認(rèn)真考慮節(jié)能要求，以最大限度地減少充電周期。現(xiàn)在的消費者習(xí)慣每天給他們的智能手機充電一次，但是對于可穿戴設(shè)備，消費者期望充電周期是每周一次或更長時間，理想狀態(tài)下，應(yīng)達(dá)到每個月充電一次。事實上，電池容量減少和充電周期縮短意味著，我們期望智能手表的可用電量僅為智能手機的五十分之一。通過芯片集成和高級封裝技術(shù)可滿足對小型尺寸的需求。飛思卡爾 Kinetis Cortex-M 系列內(nèi)核集成了存儲器、USB 等外設(shè)，以及觸摸傳感和模擬組件，以減少整體系統(tǒng)的尺寸。Kinetis MCU提供多種封裝，包括晶圓級芯片封裝 （WLCSP），在最小的尺寸中提供最大的性能。

　　功耗

　　基于 Android 的可穿戴設(shè)備有硬件系統(tǒng)要求，限制了微控制器一些功能的使用。對于這些設(shè)備，設(shè)計人員需要的處理器要能夠支持存儲器可視化等功能、圖形支持，并增加 CPU 帶寬。調(diào)整基于 Cortex-A 的處理器（例如 i.MX 應(yīng)用處理器）使之適應(yīng)可穿戴設(shè)備的低功耗需求至關(guān)重要。比傳統(tǒng)的手機處理器更低的時鐘速率（例如500 MHz 對 1 GHz），可實現(xiàn)最佳的功耗/性能平衡，能夠根據(jù)應(yīng)用來優(yōu)化裝置的核心配置（例如更小的緩沖存儲器和低功耗處理節(jié)點）。

　　查看智能手表的使用情況時，我們知道80% 的時間里它都處于睡眠模式，僅僅監(jiān)測捕獲環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，偶爾刷新顯示屏。用戶查看屏幕獲取更新數(shù)據(jù)而不是像其與智能手機那樣互動，用戶與智能手表的交互通常較低。

　　用戶體驗

　　可穿戴設(shè)備的可用性高度依賴人與設(shè)備交互的方式，而交互界面決定了用戶體驗的階段。要提供這種體驗，需要考慮的設(shè)計要素包括：顯示或無顯示，連接類型、充電方法和頻率，以及整體風(fēng)格。

　　實現(xiàn)這些考慮要素的一個重要環(huán)節(jié)是軟件。設(shè)備應(yīng)運行哪類操作系統(tǒng)？Android 或 Linux 等完整的操作系統(tǒng)增強了圖形功能，提供了更廣泛的連接選項和更簡單的可擴展性，從而可提供更多功能。然而，這些功能還會影響規(guī)格、電池壽命和成本，因為它們需要應(yīng)用處理器級的設(shè)備來實現(xiàn)。實時操作系統(tǒng)能夠在更小的規(guī)格中實現(xiàn)，充分利用帶有嵌入式存儲器的微控制器來減小尺寸，延長電池壽命，并降低成本。要在圖形處理能力、整體性能和未來功能支持選項之間進(jìn)行權(quán)衡。可穿戴設(shè)備開發(fā)人員在決定最終產(chǎn)品的架構(gòu)之前需要詢問許多問題并進(jìn)行權(quán)衡分析。

　　支持創(chuàng)新者

　　進(jìn)入可穿戴參考平臺，簡稱WaRP。該參考平臺采用混合方法推動可穿戴設(shè)備設(shè)計，幫助解決這些規(guī)格和功耗設(shè)計挑戰(zhàn)。通過加速和簡化開發(fā)，開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂诖蛟觳町惢奶匦?，并加快從原型到最終產(chǎn)品的過程。

　　該平臺包含一個主板和示例子板，能夠針對不同的使用模式添加額外的子板。該混合架構(gòu)將基于 Cortex-M 內(nèi)核的 Kinetis KL16 MCU 與基于 Cortex-A 內(nèi)核的 i.MX 6SoloLite 應(yīng)用處理器相結(jié)合。這樣，MCU 能夠管理傳感器數(shù)據(jù)，而應(yīng)用處理器能夠在省電模式下待機，從而實現(xiàn)省電和延長電池使用壽命的目的。Kinetis MCU 還被用作無線充電微控制器。WaRPboard 中的所有組件都根據(jù)低功耗、小規(guī)格和成本等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。

　　帶標(biāo)準(zhǔn)子板的可穿戴參考平臺（WaRP）

　　WaRPboard 是可穿戴市場各大擁有先進(jìn)技術(shù)和豐富經(jīng)驗的公司之間開展合作所產(chǎn)生的成果。飛思卡爾作為支持技術(shù)提供商，為 WaRPboard 提供微控制器、應(yīng)用處理器、傳感器和無線充電技術(shù)。幾家其他公司提供硬件和軟件開發(fā)以及制造專業(yè)知識。WaRP 上采用標(biāo)準(zhǔn)的 Android SDK 方法來進(jìn)行實施，讓軟件開發(fā)人員能夠更簡便、更快速地運行他們的應(yīng)用。

　　WaRPboard.org 是一個非營利性、以社區(qū)為主體的組織，提供 WaRP 服務(wù)和支持。該解決方案的硬件和軟件將是開源的，并由社區(qū)推動，因此當(dāng)與開源資源配套使用時無需封閉的開發(fā)工具或許可費。

　　WaRPboard 具有緊湊的設(shè)計、優(yōu)化的電池壽命和電池管理、可擴展的架構(gòu)、可產(chǎn)品化的設(shè)計，以及基于開源和社區(qū)的創(chuàng)新，這些優(yōu)勢使可穿戴設(shè)備設(shè)計人員自然而然地首先選擇WaRPboard。

　　總結(jié)

　　可穿戴設(shè)備的未來潛力無限。如果能將移動技術(shù)與以個人用戶為中心的體驗相結(jié)合，就將最終打開這個令人興奮且快速發(fā)展的市場。無論您使用可穿戴設(shè)備來監(jiān)測健身活動，獲得情境感知告警和提醒，還是監(jiān)測您的健康狀況，可穿戴技術(shù)都潛力無限。

　　如本文所述，能將超低功耗設(shè)計與一直開啟、一直連接的功能相結(jié)合是一個關(guān)鍵要求。延長可穿戴設(shè)備的電池壽命，減少充電需求，并盡量縮小其規(guī)格使其體積小巧、不突兀是目前業(yè)界面臨的主要設(shè)計挑戰(zhàn)。

　　ARM 和飛思卡爾正在攜手滿足這些市場需求，共同推動可穿戴技術(shù)革命。ARM Cortex 32位內(nèi)核能夠滿足可穿戴領(lǐng)域“眾口難調(diào)”的需求，帶來無與倫比的、廣泛的開發(fā)人員生態(tài)合作體系，這是推動創(chuàng)新的一個重要環(huán)節(jié)。飛思卡爾 Kinetis MCU 和 i.MX 應(yīng)用處理器是滿足可穿戴市場需求的理想選擇，現(xiàn)已有許多精彩設(shè)計應(yīng)運而生。

　　可以肯定的是，可穿戴設(shè)計領(lǐng)域?qū)⒂楷F(xiàn)出許多令人興奮的創(chuàng)新，ARM 和飛思卡爾正在孜孜不倦地合作，旨在實現(xiàn)更多、更新的可穿戴設(shè)備。

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