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：本專題邀請業(yè)內(nèi)權(quán)威人士介紹了智能可穿戴的技術(shù)動態(tài)及發(fā)展趨勢。

MCU與傳感器

可穿戴設(shè)備MCU的發(fā)展趨勢

　　隨著消費者生活水平的提高，大家對健康越來越重視。健康類的智能可穿戴產(chǎn)品正在慢慢成為消費需求的增長點，其中包括健康監(jiān)測類和運動協(xié)助類。健康監(jiān)測類包括心率、血糖、血樣、最大攝氧量等。運動協(xié)助類包括對各種運動的監(jiān)測，簡單如跑步、騎行、游泳等，更復(fù)雜的有高爾夫等球類運動的協(xié)助。目前市場上此類可穿戴產(chǎn)品功能還相對比較單一。隨著技術(shù)的發(fā)展，功能更全、更復(fù)雜的產(chǎn)品一定會成為消費者高度關(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。傳感器包含各種運動傳感器、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)展趨勢主要是低功耗、高集成度、無線連接、小封裝等。MCU的運算能力對可穿戴設(shè)備的智能實現(xiàn)非常關(guān)鍵。當(dāng)然可穿戴設(shè)備還需要先進的供電系統(tǒng)，包括電池或者太陽能供電系統(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、低功耗存儲器、BT/BLE/WiFi無線連接產(chǎn)品和能量收集方案等。其中PSoC微控制器是一個非常有競爭力的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。

未來可穿戴仍會保持高速增長

　　目前ROHM在市場上推廣的可穿戴產(chǎn)品終端主要還是以智能手表和運動手環(huán)為主，另外也有一些以它們?yōu)閰⒖级O(shè)計的衍生類產(chǎn)品，例如心跳監(jiān)測手環(huán)等。這些產(chǎn)品中的核心元器件主要是在這個過程中負責(zé)采集數(shù)據(jù)的傳感器、負責(zé)控制的MCU以及負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)的無線通信模塊這三塊，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，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，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)市場調(diào)查，未來幾年可穿戴仍會保持較高的市場增長率，相應(yīng)搭載在穿戴設(shè)備上的傳感器仍會存在很大發(fā)展空間。ROHM則會順應(yīng)這一趨勢，憑借多年來積累的技術(shù)經(jīng)驗，從芯片的生產(chǎn)、LSI設(shè)計到封裝，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在穿戴市場上推廣的一些主要的傳感器類產(chǎn)品包括用于運動檢測的加速度傳感器、檢測高度及計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”，而是對智能手機的擴展，用于輕松訪問副屏和/或進行低速和低功耗生理體征測量，如計步器和心率測量器等。隨著語音、AR和AI技術(shù)的發(fā)展，我們將會看到更多更加智能的可穿戴設(shè)備，涵蓋語音控制的智能耳機到可以進行空間、手勢和目標(biāo)識別的AR眼鏡。這些全新的應(yīng)用，特別是涉及到空間測量(例如音頻波束形成或AR手勢檢測)時，需要實時工作的低功耗傳感器中心來同時捕捉和處理來自傳感器陣列的數(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)品實現(xiàn)實時處理解決方案。

　　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：1)多個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)用的高級形式;2)環(huán)境感知應(yīng)用對于實時工作傳感器處理的需求不斷增長。

　　使用多個傳感器，系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的精度或獲取更多細節(jié)，如3D深度測繪、回聲和噪聲消除以及流體運動跟蹤等。然而，由于大多數(shù)MCU和處理器I/O數(shù)量有限并且無法捕獲和實現(xiàn)實時并行處理，因此不適用于實現(xiàn)上述功能。而FPGA則能夠提供更多I/O和獨立的傳感器接口，更適合上述需要高級并行處理能力的應(yīng)用。對于基于視覺的應(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;如果對于深度測繪等自主計算有需求的話，可以使用具有更強處理能力的ECP5。萊迪思的iCE40移動FPGA產(chǎn)品系列經(jīng)過優(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，可實現(xiàn)低功耗、實時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，但是從市場的成熟度和規(guī)模角度來看，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)就是整個行業(yè)的代表，以及前不久華米推出的Amazfit米動健康手環(huán)都是具有行業(yè)開創(chuàng)和引領(lǐng)效應(yīng)的產(chǎn)品。

　　可穿戴產(chǎn)品的兩個趨勢或者特點將成為驅(qū)動產(chǎn)品和行業(yè)發(fā)展的推動力：一是健康保健功能不斷豐富和完善，包括運動監(jiān)測，體征信號檢測，甚至環(huán)境相關(guān)的監(jiān)測等;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，通過大數(shù)據(jù)的融合處理實現(xiàn)智能化的深度信息挖掘，進而解決用戶痛點，提高使用體驗。例如以上提到的兩種產(chǎn)品都可以印證這些特點。例如華米的米動健康手環(huán)，可以監(jiān)測心臟健康狀況，還實現(xiàn)了心電ID識別，從基本的測量原理角度分析，自然要用到心電(ECG)采集相關(guān)的核心專用元器件;同時連續(xù)運動心率的監(jiān)測會用到光電法心率測量的相關(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)備和遠程健康監(jiān)護設(shè)備的ECG信號調(diào)理要求而設(shè)計。與當(dāng)前很多集成解決方案中采用的拓撲結(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)和無使用約束運算(增益)放大器，支持用戶采用多極低通濾波技術(shù)來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)用場合。

可穿戴設(shè)備對數(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)備越來越受歡迎，這些設(shè)備不僅具有步進跟蹤功能，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 (hSensor平臺) 是一套支持ARM? mbed? 開發(fā)環(huán)境的超小尺寸解決方案，支持快速、簡便地設(shè)計可穿戴健康和健身應(yīng)用，可節(jié)省多達六個月的設(shè)計時間。該平臺作為MAXREFDES100# 參考設(shè)計提供，允許設(shè)計者加載適用不同用例的算法以及配置特定應(yīng)用。hSensor平臺可用于健康、保健及高端健身應(yīng)用的完整開發(fā)平臺，并支持如胸帶、心電圖計、腕戴式設(shè)備、體溫計、一次性溫度計、血氧測量、智能稱重儀以及生物識別等各種應(yīng)用場景。

　　另外，行業(yè)的總體趨勢是對于產(chǎn)品的數(shù)據(jù)安全有了更高的需求。在設(shè)計早期就考慮安全性的實現(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層面對設(shè)計進行部署。

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

TDK對可穿戴設(shè)備靜電防護的考慮

　　近年來，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)?？纱┐髟O(shè)備頻繁地和人體接觸，因而在設(shè)計時需要充分考慮靜電防護，以保證產(chǎn)品性能和長期使用的可靠性。

　　TDK的愛普科斯CeraDiodes?多層壓敏電阻在各類智能可穿戴設(shè)備和移動支付相關(guān)的應(yīng)用中，為NFC(近場通訊)系統(tǒng)提供卓越的靜電(ESD)解決方案，保護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性能高達30KV，并且可實現(xiàn)0402，0201及更小的封裝尺寸。該微核材料經(jīng)系統(tǒng)測試，其單位有效體積的靜電抗干擾性達到業(yè)內(nèi)頂尖水平，響應(yīng)時間極快，且鉗位電壓也極為可靠。并且， CeraDiodes?具有卓越的長期穩(wěn)定性、高溫性能以及高數(shù)據(jù)傳輸率。

低功耗、傳輸

待機時間是可穿戴設(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)備來看，小米手環(huán)2取得了非常不俗的成績，在剛剛過去的一個季度是可穿戴設(shè)備全球銷量最大的時期，其超長的待機時間和超高性價比受到了市場的青睞。除了手環(huán)以外，帶GPS的運動手表也有不俗的市場表現(xiàn)。

　　可穿戴設(shè)備的待機時間是衡量其性能的一個重要指標(biāo)。在未來的一段時間里仍將如此。單芯片藍牙和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)心率計的功耗也應(yīng)繼續(xù)降低。

　　除了待機時間外，可穿戴設(shè)備也需要更豐富的功能支撐，例如無線支付，更精確的運動識別(例如識別打網(wǎng)球和做俯臥撐)。隨著傳感器和算法的進一步發(fā)展，未來的可穿戴設(shè)備也會承載更多的健康功能，例如血壓監(jiān)控。

　　Dialog在過去的一兩年內(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。我們也在積極開發(fā)下一代芯片，在產(chǎn)品性能上會有內(nèi)存更大，處理能力更強，功耗更低等新的突破。

可穿戴設(shè)備為醫(yī)療市場帶來商機

　　醫(yī)療市場有著充分利用最新可穿戴技術(shù)而真正發(fā)展起來的商機。例如，簡稱為“mHealth”的移動醫(yī)療設(shè)備能以可靠的和不顯眼的設(shè)備監(jiān)測生命體征和藥物輸送，然后通過互聯(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)院進行例行檢查的需求，并讓他們在家中獲得實時高效的醫(yī)護。低成本、可自由支配、可穿戴的醫(yī)療技術(shù)，如采用濕度感測的敷料，也代表了創(chuàng)新的醫(yī)療保健方法，有利于促進病人的健康，為他們帶來舒適和方便。

　　傳感和測量、信號處理、超低功耗、備用電源和通信有助于可穿戴式醫(yī)療設(shè)計提供遠程監(jiān)控和護理所需的核心元器件能力。與心率和糖尿病(葡萄糖監(jiān)測)有關(guān)的數(shù)據(jù)監(jiān)測是像安森美半導(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，方案可能需要無電池，而采用能量收集。