低功耗與傳感技術(shù)為穿戴電子技術(shù)核心

　　穿戴式裝置搭配手持式裝置與網(wǎng)際網(wǎng)路的連結(jié)，構(gòu)建出包含生活、運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療…等各種領(lǐng)域等更多生活上的應(yīng)用。由于穿戴式裝置體積小巧且更貼近人體，其設(shè)計(jì)上對(duì)于體積重量、發(fā)熱、EMI、電源管理、防觸電、防濕防水防塵、舒適度甚至在時(shí)尚感有更嚴(yán)苛的要求，因此市場(chǎng)也針對(duì)穿戴式裝置，推出各式專用的微機(jī)電電子元件與感測(cè)技術(shù)…

　　穿戴式裝置專用之微機(jī)電元件

　　拜MEMS(微機(jī)電)元件技術(shù)的進(jìn)步，讓各式傳感器能輕松嵌入到手持式裝置、穿戴式裝置之中，使科技應(yīng)用無(wú)所不在。由于穿戴式裝置是穿戴于人體身上，故比手持式裝置更貼近人類，能夠延伸更多生活上應(yīng)用，或忠實(shí)偵測(cè)與紀(jì)錄人體生理機(jī)能的反應(yīng)。目前已知的穿戴式裝置，可提供人類在科技應(yīng)用(語(yǔ)音通訊/擴(kuò)增實(shí)境/個(gè)人助理)、生活品質(zhì)(食品熱量、睡眠提示、節(jié)食建議)、運(yùn)動(dòng)健身(比賽紀(jì)錄、訓(xùn)練健身、虛擬教練)、醫(yī)療輔助(心電圖、脈搏記錄、睡眠改善…等生理機(jī)能量測(cè)儀)、旅游輔助(路線建議、導(dǎo)航指示、旅程紀(jì)錄)、公益應(yīng)用(孩童/寵物/老人失蹤協(xié)尋)等各種貼心的應(yīng)用。

　　由于穿戴式裝置的體積更小，更貼近人體，且必須長(zhǎng)時(shí)間穿戴，因此這些裝置對(duì)于發(fā)熱、EMI(電磁干擾)、電源管理、防觸電、防汗/防水/防塵、舒適度、精準(zhǔn)度、體積重量，甚至?xí)r尚等要求，都比手持式裝置更為嚴(yán)格，因此各廠商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，就必須顧慮到這些課題。而MEMS微機(jī)電零件供應(yīng)商，也提供各種不同等級(jí)的產(chǎn)品，以符合系統(tǒng)廠商在設(shè)計(jì)穿戴式裝置時(shí)的需求。

　　穿戴式元件的市場(chǎng)與趨勢(shì)

　　因應(yīng)穿戴式裝置的市場(chǎng)起飛，讓物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings;IoT)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，不管在醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)健身、娛樂(lè)資訊、工業(yè)產(chǎn)品、國(guó)防安全等領(lǐng)域都將用得到，使得MEMS元件與感應(yīng)器的需求跟著水漲船高。據(jù)ResearchandMarkets研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，2013年全球消費(fèi)電子用的感測(cè)器市場(chǎng)規(guī)模為152.7億美元，并以9.7%的平均復(fù)合年增率，預(yù)計(jì)在2020年達(dá)到292.5億美元。

　　MarketsandMarkets的研究報(bào)告中說(shuō)明，醫(yī)學(xué)專用圖像感測(cè)器市場(chǎng)規(guī)模在2018年將達(dá)到107.5億美元，平均復(fù)合年增率為3.84%。出貨量部份，2013年達(dá)16億個(gè)，預(yù)計(jì)2018年將達(dá)到30億個(gè)。

　　至于ImageSensor(影像感測(cè)器)部份，依據(jù)GrandViewResearch研究機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，到2020年的全球出貨量可望達(dá)30.092億個(gè)，2014~2020年平均復(fù)合年增率為6.7%，到2020年將達(dá)到120億美元。

　　穿戴式裝置的元件-CPU、MCU

　　當(dāng)今高階手持式裝置的CPU(處理器)，已經(jīng)邁向八核心的里程碑，處理速度更快。然為了減少感測(cè)器在全天候偵測(cè)、搜集與處理上的電能消耗，許多產(chǎn)品已開(kāi)始搭配MCU(微控制器)，來(lái)?yè)?dān)任動(dòng)作感應(yīng)專用的協(xié)同處理器(MotionCo-processor)。

　　以蘋(píng)果iPhone5s、iPadAir、iPadmini2內(nèi)建的M7為例，便是一款協(xié)同處理器，采用NXPLPC1800系列的客制化Cortex-M3微控制器，運(yùn)作時(shí)脈為150MHz，可搜集、量測(cè)、儲(chǔ)存感應(yīng)到的資料(來(lái)自STM三軸陀螺儀、Bosch三軸加速器、AKM電子羅盤(pán)等感應(yīng)器資訊)，縱使手機(jī)在待機(jī)中亦能運(yùn)作，繼續(xù)將感測(cè)資料記錄下來(lái)，待裝置喚醒后就能夠繼續(xù)處理資料，這樣的設(shè)計(jì)可讓裝置在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)作下(例如運(yùn)動(dòng))，更為省電。

　　在穿戴式裝置的應(yīng)用上，大多采用SensorHubMCU，亦即采用ARMCortexM系列的MCU來(lái)當(dāng)主要控制器，以達(dá)到高效能、低耗電的目的。例如Fitbit智慧手環(huán)，便是采用ST的STM32L151C6Cortex-M3低功耗16位元32MHzMCU、JawboneUP智慧手環(huán)采用TI的MSP430F552816位元25MHzMCU。而Pebble智慧手表采用ST的STM32F205RECortex-M3架構(gòu)的32位元120MHzMCU、SonySmartWatchSW2也采用STMCU，時(shí)脈為180MHz。

　　至于Samsung的GalaxyGear智慧手表，仍采用自家Exynos800MHz單核CPU來(lái)做感測(cè)運(yùn)算處理，可惜搭配的電池容量太小，連續(xù)使用25小時(shí)就要充電，雖效能強(qiáng)、但持續(xù)力不佳，市場(chǎng)反應(yīng)冷淡。因此，Samsung在MWC發(fā)表的Gear2家族，采用MCU設(shè)計(jì)，使用時(shí)間可達(dá)2~3天。由此可見(jiàn)，為了功耗與增加電池壽命，未來(lái)將會(huì)有更多穿戴式產(chǎn)品改用MCU來(lái)當(dāng)主要處理器。

　　穿戴式裝置的元件-MEMS、Sensor

　　在感測(cè)器方面，穿戴式裝置目前配置的基本三個(gè)體感/動(dòng)態(tài)感測(cè)元件，就是電子羅盤(pán)(magnetometer)、三軸陀螺儀(gyroscope)、三軸加速器(accelerometer)，可以用來(lái)計(jì)步、偵測(cè)心跳、生理追蹤等等。

　　至于在環(huán)境感應(yīng)器部份，則是依照產(chǎn)品的應(yīng)用需求再加入。例如接近感應(yīng)器(Proximitysensor)、溫度計(jì)(Thermometer)、濕度計(jì)(Hygrometer)或氣壓計(jì)(Barometer)等等。若有輔助操控部份，如手勢(shì)、語(yǔ)音等輸入，則會(huì)選擇將紅外線(Infrared)或相機(jī)模組(CameraModule)、麥克風(fēng)(Mic)等元件內(nèi)建，以做簡(jiǎn)單的手勢(shì)、語(yǔ)音辨識(shí)。例如GoogleGlass就包含了光度感應(yīng)器(AmbientLightSensor)、接近感應(yīng)器，做為調(diào)整亮度與物體偵測(cè)之用。

　　在軟體技術(shù)方面，已有許多廠商開(kāi)發(fā)出自家專利的演算法，應(yīng)用在各穿戴式應(yīng)用的軟硬體產(chǎn)品。如Nike+RunningApp(跑步訓(xùn)練程式)、JawboneUp、Fitbit系列手環(huán)，便是采用FullPower公司的MotionX技術(shù)。

　　醫(yī)療、保健等感測(cè)器專用之穿戴式裝置的元件

　　消費(fèi)級(jí)的穿戴式裝置，可提供個(gè)人保健、節(jié)食塑身、手機(jī)延伸應(yīng)用等。至于專業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，則有不同的訴求。在醫(yī)療院所里，量測(cè)專用的穿戴式裝置其實(shí)早行之有年，近年來(lái)由于科的進(jìn)步，當(dāng)許多量測(cè)裝置的體積能夠縮小，且透過(guò)無(wú)線的方式將訊號(hào)傳遞出來(lái)，不需要再連接一堆電線，使病人能夠行動(dòng)自如。

　　醫(yī)學(xué)或健康產(chǎn)業(yè)所設(shè)計(jì)的穿戴式裝置，大多內(nèi)建上述的感應(yīng)器架構(gòu)，而醫(yī)學(xué)復(fù)健的感應(yīng)器，還會(huì)加上體感技術(shù)。這類產(chǎn)品的功能訴求單純，主要用于量測(cè)個(gè)人生理資訊，數(shù)值量測(cè)的要求上，則是必須非常精確，且裝置要能夠長(zhǎng)時(shí)間使用，并可透過(guò)內(nèi)建的GSM或Wi-Fi無(wú)線通訊，將身上的各種儀器串連起來(lái)，成為一個(gè)身體網(wǎng)路(BodyAreaNetwork;BAN)，同時(shí)也可以將資料回傳至醫(yī)療院所以利于后續(xù)追蹤，如此進(jìn)而達(dá)到居家照護(hù)、遠(yuǎn)距醫(yī)療之應(yīng)用。

　　醫(yī)學(xué)界所需要的穿戴式裝置種類繁多，如智慧衣、智慧夾克、智慧帽、智慧腰帶、智慧褲、智慧鞋、智慧鞋墊與智慧襪等，這些產(chǎn)品必須依照不同的個(gè)人Size去設(shè)計(jì)。此外，醫(yī)療照護(hù)是從醫(yī)院延伸到老人機(jī)構(gòu)，再?gòu)臋C(jī)構(gòu)再跨到一般社區(qū)。

　　長(zhǎng)庚醫(yī)院在2012年發(fā)表的「智慧型人體感測(cè)網(wǎng)絡(luò)衣」─簡(jiǎn)稱智慧衣(SmartClothes)，就具備了健康促進(jìn)、健康老化監(jiān)控與異常警示功能。其細(xì)節(jié)應(yīng)用上整合了心電圖訊號(hào)(ECG)、呼吸、體液、加速與溫度等感測(cè)功能，并可偵測(cè)到細(xì)微汗?jié)n，同時(shí)能夠做到24小時(shí)監(jiān)控照護(hù)，持續(xù)記錄。并可透過(guò)手機(jī)或資料上傳至云端，來(lái)提供運(yùn)動(dòng)健身、體態(tài)姿勢(shì)、體溫偵測(cè)、睡眠品質(zhì)、心肺功能等多種個(gè)人健康資訊。

　　至于智慧襪(SmartSock)部份，有一家叫Heapsylon的公司，推出了SenSoria智慧襪，將各式感應(yīng)器與傳輸元件直接織入襪子布料中，穿著舒適，洗曬都不怕。在功能上，可偵測(cè)心跳、脈搏、所受外力，并分析腳掌的著力點(diǎn)，可記錄站立、跑步、走路的時(shí)間，同時(shí)能透過(guò)手機(jī)App來(lái)自我檢測(cè)，在姿勢(shì)不對(duì)時(shí)，亦可適時(shí)提醒用戶以做改善。