為什么可穿戴設(shè)備需要高集成的智能傳感器?

　　如今，隨著一些可穿戴產(chǎn)品的成功推出，如谷歌眼鏡和Fitbit個人活動追蹤器，“可穿戴電子產(chǎn)品”正成為另一個極具發(fā)展?jié)摿Φ氖袌觥Ｊ聦嵣?，“可穿戴電子產(chǎn)品”涵蓋的產(chǎn)品范圍非常廣，不僅包括已有的健康和娛樂產(chǎn)品，還包括一些尚未被證實的概念，如生物傳感器陣列、電子服裝，甚至是電子紋身。

　　和其它新興市場一樣，可穿戴電子產(chǎn)品的市場前景也遭受著質(zhì)疑。開發(fā)商和用戶不知道哪款產(chǎn)品能嘗到甜頭，哪款產(chǎn)品會前景慘敗;對于如今一些分類明確的產(chǎn)品，如健康監(jiān)控器和醫(yī)療設(shè)備，在將來可能會合并為一類產(chǎn)品。

　　但是，如今所有的可穿戴電子產(chǎn)品和發(fā)展中的可穿戴理念都有一些共同的特點：

　　1)可穿戴設(shè)備可以和人體直接接觸，因此，可以輔助監(jiān)控人體的健康狀況;

　　2)可穿戴設(shè)備可以和主機搭配使用，因為主機可為其提供運行應(yīng)用軟件的平臺和較大的顯示屏幕。

　　可穿戴設(shè)備對消費者來說非常實用，因為它體積小，可以貼近用戶的皮膚，并且它還可和iOS或安卓系統(tǒng)兼容。但正是因為具備這些特點，可穿戴設(shè)備的電路設(shè)計十分困難。很多可穿戴設(shè)計理念都把可穿戴設(shè)備的功能定義為檢測生理數(shù)據(jù)或者檢測和用戶十分貼近的環(huán)境數(shù)據(jù)，如用戶的心率和血壓，或者用戶附近的空氣質(zhì)量。

　　限制可穿戴傳感器運行的主要因素

　　顯然，理論上來說，傳感器在體表或皮膚附近的安放位置以及和移動計算設(shè)備的連接會給用戶提供非常實用和有趣的功能。上述所有案例的基礎(chǔ)技術(shù)也已經(jīng)存在：如今，實驗室已經(jīng)可以測量心率、血氧含量和空氣質(zhì)量等參數(shù)，或者通過LED和光傳感器實現(xiàn)接近檢測。

　　那么，如何在真實的環(huán)境下使這些功能有效發(fā)揮呢?這是我們面臨的主要挑戰(zhàn)。

　　主要的困難有如下三大類：

　　1)環(huán)境：可穿戴設(shè)備主要是供人們“穿”“戴”的，也就是說，他們將會附著或靠近人體皮膚，因此，難免會發(fā)熱或沾染灰塵，被汗?jié)n或油漬弄臟。因此，設(shè)備的功能難免會受到影響，因為用戶可能過度振動該設(shè)備，將其浸入水中，或者在具有嚴重電磁噪聲的環(huán)境下使用。

　　2)能耗：為了滿足用戶“穿”“戴”的要求，可穿戴設(shè)備必須體積足夠小，重量足夠輕。因此，可穿戴設(shè)備內(nèi)部供安裝電池的空間非常小。如果需頻繁地對電池進行充電或更換電池，無疑會讓用戶對設(shè)備的價值和功能倍加質(zhì)疑。因此，整個電路在設(shè)備運行時應(yīng)消耗盡可能少的電量，在非運行狀態(tài)時開啟省電模式。

　　3)質(zhì)量：第一代健康監(jiān)控器的參數(shù)檢測(如心率和運動)數(shù)據(jù)結(jié)果并非十分精確，因此，用戶可能并不會因為這些設(shè)備的新奇功能而對它們十分滿意。

　　若想更好地使用這些可穿戴生理傳感器，我們必須保證設(shè)備的準確性和可靠性。例如，可穿戴心率或血氧傳感器在未來可能會當(dāng)作醫(yī)療設(shè)備來使用，并且需要接受美國食品藥物管理局的嚴格審核。在具有大量干擾的環(huán)境中保證高精確性和可靠性對于傳感器制造商來說是極具挑戰(zhàn)的工作。

　　將傳感器輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸饬x的應(yīng)用

　　可穿戴傳感設(shè)備生產(chǎn)的挑戰(zhàn)在于在實驗室中驗證過的技術(shù)需在又小又熱、又臟又有很多電子噪聲的實際應(yīng)用環(huán)境中實現(xiàn)。這就考驗了模擬集成電路制造商的能力，并對他們提出了要求：

　　·更高的集成度和小型化

　　·更低的能耗

　　·更高的靈敏度

　　·更多的應(yīng)用專業(yè)知識

　　有一個例子可以說明情況：手勢感應(yīng)是可穿戴設(shè)備即將需要的一種常見功能，因為它無需在產(chǎn)品表面安裝按鈕。一個手勢控制電路可能包含兩個或兩個以上的紅外發(fā)光二極管和一個紅外光敏二極管。當(dāng)用戶的手經(jīng)過發(fā)光二極管上方，通過分析反射到光電二極管的紅外線就能識別手勢。

　　可穿戴手勢傳感器的應(yīng)用在環(huán)境上具有挑戰(zhàn)性，因為紅外光線傳感器受制于大量噪音。通?？纱┐髟O(shè)備會暴露于環(huán)境光下，這些光可能包含紅外線亮度。此外，設(shè)備表面上的傳感器窗口可能會因為用戶的汗液和油脂、灰塵、污垢等污染物而變得模糊不清。為了明確區(qū)分環(huán)境光中的紅外線和發(fā)光二極管反射的紅外線，光電傳感器必須非常敏感，這需要先進的模擬半導(dǎo)體技術(shù)。

　　同時，可穿戴設(shè)備具有小而輕的特點。高度集成半導(dǎo)體設(shè)計有助于實現(xiàn)小型化要求，以適應(yīng)可穿戴式設(shè)備的所需的規(guī)格。光電二極管、模擬前端和處理器核心可能合為一體，在單一芯片上實現(xiàn)完整的手勢控制系統(tǒng)。

　　換句話說，在可穿戴設(shè)備上實現(xiàn)手勢控制系統(tǒng)不能簡單地在設(shè)備的小型電路板上安裝紅外發(fā)光二極管和紅外光電二極管，而需要硬件和應(yīng)用軟件的結(jié)合。系統(tǒng)中的元素是相互影響的，例如，光電二極管的靈敏度影響LED的規(guī)格，同時影響解讀原始測量數(shù)據(jù)的軟件的運行。系統(tǒng)的質(zhì)量，也就是快速、可靠識別手勢的能力，依賴于應(yīng)用軟件，也同樣取決于傳感器硬件。

　　可穿戴設(shè)備制造商也越來越傾向于特定的傳感器系統(tǒng)而不是傳感器組件，要想在市場贏得競爭，模擬芯片制造商必須提供成熟的應(yīng)用算法和應(yīng)用軟件來支持傳感器硬件。

　　其它便攜式應(yīng)用也是如此。舉例來說，在脈搏血氧儀的應(yīng)用中，當(dāng)它壓住用戶的血管后，可以通過感應(yīng)LED光來測量血氧水平。在這里同樣需用軟件解讀原始測量數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為精確的血氧測量，即便傳感器被油脂、灰塵或汗水污染，或是周圍有環(huán)境光，最終結(jié)果也不會受到影響。