心率監(jiān)測(cè)傳感器的普及與多傳感器融合

　　在可穿戴市場(chǎng)中，我們發(fā)現(xiàn)主要有3類傳感器：運(yùn)動(dòng)傳感器、環(huán)境傳感器和生物計(jì)量傳感器(biometric sensors)。每類傳感器都可對(duì)終端用戶的活動(dòng)、周圍環(huán)境和健康提供獨(dú)特的信息。當(dāng)與可穿戴系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，這些傳感器可能會(huì)變得更強(qiáng)大，以支持各種健康和健身應(yīng)用場(chǎng)景。在可穿戴系統(tǒng)中添加和使用傳感器需要考慮許多設(shè)計(jì)權(quán)衡因素，包括系統(tǒng)性能與功耗比和解決方案的成本等。例如，一款光學(xué)傳感器要求使用可以傳輸光的專用封裝材料。某些傳感器的功耗可能需要被限定，以至于它們不會(huì)給電池帶來恒定負(fù)荷而限制了電池續(xù)航時(shí)間，但是該方法增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和最終成本。

Silicon Labs物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用工程總監(jiān) Colin Tompkins

心率監(jiān)測(cè)(HRM)功能

　　越來越多的可穿戴設(shè)備制造商正在為其可穿戴產(chǎn)品增加心率監(jiān)測(cè)(HRM)功能。高集成度有助于降低HRM應(yīng)用中所用傳感器的成本。目前，HRM傳感器正將諸如模擬前端(AFE)、PD和LEDs等分立元器件整合到高度集成的模塊中。這些模塊降低了將HRM功能添加到可穿戴產(chǎn)品中時(shí)的成本和復(fù)雜度。

　　HRM算法正變得越來越精妙，同時(shí)還專為不同的使用場(chǎng)景、環(huán)境條件和活動(dòng)要求進(jìn)行了優(yōu)化。一些算法強(qiáng)調(diào)高性能，卻帶來了更高的功耗;而其它的算法通過提供功率效率，從而帶來更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。

　　可穿戴產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)也在穩(wěn)步地發(fā)生變化。雖然胸帶產(chǎn)品已有效地服務(wù)于健康和健身市場(chǎng)，但目前HRM正在轉(zhuǎn)移到腕帶式的可穿戴產(chǎn)品中。光學(xué)感應(yīng)技術(shù)和高性能且低功耗處理器方面的進(jìn)展使得腕帶式外形設(shè)計(jì)成為可能;HRM算法的精確度也已經(jīng)達(dá)到了腕帶式外形設(shè)計(jì)可接受的水準(zhǔn)。其它新型可穿戴傳感設(shè)備的外形設(shè)計(jì)和使用位置也在不斷出現(xiàn)，如發(fā)帶、運(yùn)動(dòng)和健身衣物以及耳塞式耳機(jī)等。然而，目前和近期的大多數(shù)可穿戴生物計(jì)量傳感應(yīng)用還將會(huì)聚焦在腕帶式產(chǎn)品上，而固態(tài)傳感器將繼續(xù)為那些腕帶式可穿戴產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)提供基礎(chǔ)支持。

多傳感器融合

　　為了實(shí)現(xiàn)傳感器融合，開發(fā)人員必須優(yōu)化其系統(tǒng)架構(gòu)。例如，要在低功耗狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)傳感器融合，就需要一種不同于為更高性能而進(jìn)行優(yōu)化的方法。如果功耗不是一項(xiàng)設(shè)計(jì)所關(guān)心的問題，那么傳感器融合可以通過系統(tǒng)主處理器的持續(xù)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。

　　傳感器融合可以被運(yùn)用于生物計(jì)量檢測(cè)可穿戴應(yīng)用中，以說明最終用戶的模式。例如，一款環(huán)境光傳感器可表明用戶是否處于黑暗的房間中;一款運(yùn)動(dòng)傳感器可感知用戶靜止不動(dòng)而可能在睡覺;然而一款HRM傳感器同時(shí)又提供了一種正常的心率，暗示用戶躺在床上，但不一定是睡著了。在過去，睡眠監(jiān)測(cè)往往由運(yùn)動(dòng)傳感器單獨(dú)完成;而通過將環(huán)境光和HRM傳感器增加到系統(tǒng)中，可穿戴產(chǎn)品可對(duì)睡眠模式進(jìn)行更精密的分析。

　　另外，光學(xué)心率傳感器可為加速度計(jì)增加一個(gè)接口，來協(xié)助實(shí)現(xiàn)光學(xué)和加速計(jì)的同步采樣。這種硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)方式允許兩種不同類型的傳感器互相協(xié)作，來提高心率生物監(jiān)測(cè)的性能。

　　Silicon Labs為可穿戴應(yīng)用提供多樣化的傳感器、低功耗Gecko MCU、Wireless Gecko片上系統(tǒng)(SoC)器件、無線模塊、軟件協(xié)議棧和開發(fā)工具。Silicon Labs的多傳感器產(chǎn)品組合包括光學(xué)傳感器、生物監(jiān)測(cè)/心率監(jiān)測(cè)傳感器、I2C數(shù)字接口相對(duì)濕度和溫度傳感器芯片、以及電容式觸摸感應(yīng)MCU器件。它們?yōu)楦鞣N應(yīng)用提供了高可靠性、緊湊的面積、高集成度以及易用性。

Silicon Labs的應(yīng)用方案

　　Silicon Labs的光學(xué)傳感器系列能夠感應(yīng)紫外線(UV)指數(shù)、環(huán)境光、長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的接近、心率/脈搏血氧飽和度、以及2D或3D的手勢(shì)動(dòng)作。公司主要的光學(xué)傳感器產(chǎn)品包括：

　　Si1153傳感器是一款環(huán)境光、接近和手勢(shì)監(jiān)測(cè)器件，它帶有I2C數(shù)字接口和可編程的事件中斷輸出。該傳感器具有以下特性：雙23位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，一個(gè)片上高靈敏度可見光和紅外光電二極管陣列、一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和3個(gè)集成化的、具有可編程驅(qū)動(dòng)等級(jí)的LED驅(qū)動(dòng)器。Si1153可在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)和包括直射陽光在內(nèi)的各種光源下提供優(yōu)異的性能，也可以在黑暗的玻璃罩下工作。

　　Si1133傳感器是一款UV指數(shù)和環(huán)境光感測(cè)器件，具有I2C數(shù)字接口和可編程事件中斷輸出功能。該傳感器包括雙23位ADC和一個(gè)片上高靈敏度UV、可見光和紅外光電二極管陣列。

　　Si1143/44 心率監(jiān)測(cè)(HRM)解決方案結(jié)合了一個(gè)高精度光學(xué)傳感器、一個(gè)LED光源和一種專有HRM算法，以提供超低功耗、動(dòng)態(tài)化HRM解決方案。其目標(biāo)市場(chǎng)包括：健身手環(huán)、智能手表和消費(fèi)性健康應(yīng)用。除了提供低功耗以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間外，Si1143/44解決方案還提供了可與傳統(tǒng)胸帶競(jìng)爭(zhēng)的性能。Si1143/44僅使用了一個(gè)綠光LED，這使它能夠采用一個(gè)非常小型化的封裝(2.9 mm x 4.9 mm)。性能如此優(yōu)越的方案，其售價(jià)僅為市場(chǎng)上最好方案的零頭。

　　通過充分發(fā)揮我們經(jīng)過驗(yàn)證的光學(xué)傳感器架構(gòu)、軟件和系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)，Silicon Labs正在不斷地推動(dòng)生物檢測(cè)傳感技術(shù)走向更加完美。我們的路線圖包括新一代光學(xué)傳感器產(chǎn)品，它們可提供更高的準(zhǔn)確性、更高的精確度、更低的功耗和額外的感測(cè)技術(shù)。這些新一代光學(xué)傳感器都是專為應(yīng)對(duì)可穿戴市場(chǎng)中面臨的性能、成本和功效等艱巨挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。