解讀智能可穿戴的技術困境與重生之門

摘要：本專題邀請業內權威人士介紹了智能可穿戴的技術動態及發展趨勢。

關鍵詞：可穿戴；智能手表：ARNR

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.002

MCU與傳感器

可穿戴設備MCU的發展趨勢

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品正在慢慢成為消費需求的增長點，其中包括健康監測類和運動協助類。健康監測類包括心率、血糖、血樣、最大攝氧量等。運動協助類包括對各種運動的監測，簡單如跑步、騎行、游泳等，更復雜的有高爾夫等球類運動的協助。目前市場上此類可穿戴產品功能還相對比較單一。隨著技術的發展，功能更全、更復雜的產品一定會成為消費者高度關注的需求。

在這些智能可穿戴產品中，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、生物傳感器和環境傳感器等，其發展趨勢包括低功耗、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品，從低端的8/16位MCU到32/64位高性能ARM處理器，其發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備的智能實現非常關鍵。當然可穿戴設備還需要先進的供電系統，包括電池或者太陽能供電系統等。

Cypress具有豐富的產品線支持智能可穿戴設備，包括PSoC微控制器、低功耗存儲器、BT/BL E/WiFi無線連接產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Cor[ex-M4/MO+雙核的專為可穿戴設備及物聯網打造的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品終端主要還是以智能手表和運動手環為主，另外也有一些以它們為參考而設計的衍生類產品，例如心跳監測手環等。這些產品中的核心元器件主要是在這個過程中負責采集數據的傳感器、負責控制的MCU以及負責傳輸數據的無線通信模塊這三塊，ROHM在這三塊都有相應的產品及解決方案，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，可穿戴設備和傳感器技術密切相關，傳感器在穿戴設備中扮演著重要角色。隨著穿戴設備靈活輕便的發展趨勢，可穿戴應用中傳感器的整體發展也更趨向于智能化、小型化、低功耗及低成本化。據市場調查，未來幾年可穿戴仍會保持較高的市場增長率，相應搭載在穿戴設備上的傳感器仍會存在很大發展空間。ROHM則會順應這一趨勢，憑借多年來積累的技術經驗，從芯片的生產、LSI設計到封裝，本著高精度、低功耗、小型化等原則致力于傳感器產品的研發，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滿足可穿戴設備高級并行處理能力的需求

現有的可穿戴設備大部分都是智能手表或健康手環。這些應用本質上并不“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Al技術的發展，我們將會看到更多更加智能的可穿戴設備，涵蓋語音控制的智能耳機到可以進行空間、手勢和目標識別的AR眼鏡。這些全新的應用，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據。與其他應用處理器、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，可為智能可穿戴產品實現實時處理解決方案。

與傳感器相關的可穿戴應用有兩種不同但互相依附且不斷發展的趨勢：1）多個傳感器的并行連接以及數據捕獲，如麥克風陣列、多攝像頭應用、多IMU應用，這是傳感器聚合應用的高級形式：2）環境感知應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，系統可以實現更高的精度或獲取更多細節，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MCU和處理器I/O數量有限并且無法捕獲和實現實時并行處理，因此不適用于實現上述功能。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用。對于基于視覺的應用，如VR和AR的內向外跟蹤或虹膜跟蹤，萊迪思的MachX03和CrossLink可編程ASSP（pASSP）可用于執行多攝像頭聚合；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產品系列經過優化，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1℃支持，可實現低功耗、實時攝像頭連接以及低延遲的預處理應用。

可穿戴兩大發展方向——健康保健及智能化

可穿戴產品種類眾多，但是從市場的成熟度和規模角度來看，智能手表和手環類仍為主流產品形態。例如，小米手環就是整個行業的代表，以及前不久華米推出的Amazfit米動健康手環都是具有行業開創和引領效應的產品。

可穿戴產品的兩個趨勢或者特點將成為驅動盧品和行業發展的推動力：一是健康保健功能不斷豐富和完善，包括運動監測，體征信號檢測，甚至環境相關的監測等；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備，通過大數據的融合處理實現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品都可以印證這些特點。例如華米的米動健康手環，可以監測心臟健康狀況，還實現了心電ID識別，從基本的測量原理角度分析，自然要用到心電（ECG）采集相關的核心專用元器件；同時連續運動心率的監測會用到光電法心率測量的相關傳感器和電路等核心原器件。endprint

ADI的系列低功耗、單導聯、心率監護儀模擬前端（AFE）AD8232以及最新的AD8233專為滿足新興的健身設備、便攜式/佩戴式監控設備和遠程健康監護設備的ECG信號調理要求而設計。與當前很多集成解決方案中采用的拓撲結構不同，AD8233高度靈活的模擬濾波配置采用雙極高通濾波器，結合芯片內部的儀表放大器架構和無使用約束運算（增益）放大器，支持用戶采用多極低通濾波技術來消除線路噪聲和其他干擾，并可提供在關斷模式下的導聯脫落監測功能。另外一款高集成度的ADASlOOO完全可以用于類做的應用場合。

可穿戴設備對數據安全要求更高

現如今，用于生命體征（vital singal）監測的可穿戴設備正在快速發展。包括智能手表在內的腕戴式健身和健康設備越來越受歡迎，這些設備不僅具有步進跟蹤功能，而且提供相關的健身/健康指標，包括受力分析參數以及基礎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^TM開發環境的超小尺寸解決方案，支持快速、簡便地設計可穿戴健康和健身應用，可節省多達六個月的設計時間。該平臺作為MAXREFDESlOO#參考設計提供，允許設計者加載適用不同用例的算法以及配置特定應用。hSensor平臺可用于健康、保健及高端健身應用的完整開發平臺，并支持如胸帶、心電圖計、腕戴式設備、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用場景。

另外，行業的總體趨勢是對于產品的數據安全有了更高的需求。在設計早期就考慮安全性的實現方式，并集成到產品中是至關重要的。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計進行部署。

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

TDK對可穿戴設備靜電防護的考慮

近年來，隨著芯片技術和傳感器技術的不斷發展，各類智能可穿戴設備也不斷涌現。可穿戴設備頻繁地和人體接觸，因而在設計時需要充分考慮靜電防護，以保證產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備和移動支付相關的應用中，為NFC（近場通訊）系統提供卓越的靜電（ ESD）解決方案，保護NFC系統的天線和NFC芯片免受EMI/ESD影響。CeraDiodes？采用的新型微核技術使得SMD或嵌入式解決方案靜電防護性能高達30KV，并且可實現0402，0201及更小的封裝尺寸。該微核材料經系統測試，其單位有效體積的靜電抗干擾性達到業內頂尖水平，響應時間極快，且鉗位電壓也極為可靠。并且，CeraDiodes？具有卓越的長期穩定性、高溫性能以及高數據傳輸率。

低功耗、傳輸

待機時間是可穿戴設備的重要指標

可穿戴產品范圍較廣，從手表、手環可以延伸到服飾、眼鏡。如果以腕上設備來看，小米手環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。除了手環以外，帶GPS的運動手表也有不俗的市場表現。

可穿戴設備的待機時間是衡量其性能的一個重要指標。在未來的一段時間里仍將如此。單芯片藍牙和MCU解決方案應該繼續優化系統功耗。除此之外，MEMS傳感器和光學心率計的功耗也應繼續降低。

除了待機時間外，可穿戴設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（例如識別打網球和做俯臥撐）。隨著傳感器和算法的進一步發展，未來的可穿戴設備也會承載更多的健康功能，例如血壓監控。

Dialog在過去的一兩年內陸續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被廣泛應用在各種可穿戴產品中。我們也在積極開發下一代芯片，在產品性能上會有內存更大，處理能力更強，功耗更低等新的突破。

可穿戴設備為醫療市場帶來商機

醫療市場有著充分利用最新可穿戴技術而真正發展起來的商機。例如，簡稱為“mHealth”的移動醫療設備能以可靠的和不顯眼的設備監測生命體征和藥物輸送，然后通過互聯網與醫療專業人員交流信息，可緩解患者前往醫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護。低成本、可自由支配、可穿戴的醫療技術，如采用濕度感測的敷料，也代表了創新的醫療保健方法，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療設計提供遠程監控和護理所需的核心元器件能力。與心率和糖尿病（葡萄糖監測）有關的數據監測是像安森美半導體這樣的公司可提供高度集成的系統單芯片器件的領域，這些器件含支持一個完整的方案所需的許多功能塊。考慮到所有類型的可穿戴設備都由電池供電，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。

RSLIO無線電系統單芯片

安森美半導體的RSL10無線電系統單芯片系列為移動醫療和物聯網（IoT）提供藍牙低功耗技術。采用先進的封裝技術開發微型助聽器，RSLlO結合許多所需的功能塊到一個完整的、微型的、低功耗方案，用于可穿戴醫療應用。在傳感方面，安森美半導體的智能無源傳感器能夠測量參數如溫度和濕度，同時也有能量收集能力，在電源需求方面能自給自足。另外，安森美半導體的物聯網開發套件（IDK）提供一個易于使用的、可配置的、快速原型開發平臺，配以一個集成的開發環境，有助于開發人員迅速把移動醫療理念由概念落實。

Nordic低功耗監牙助力可穿戴設備實時交互

新興移動虛擬現實（VR）炙手可熱，用于這類應用的運動控制器也受到市場注目。例如Ximmerse廣東虛擬現實科技公司推出的兩款解決方案：三自由度（3DoF）運動控制器Xim們p和具有位置跟蹤功能的六自由度（6DoF）的移動VR套件Ximneon。Ximflip采用Nordic的nRF51822低功耗藍牙系統級SoC，Ximneon則由Nordic的nRF52832 SoC使能。endprint

Ximflip兼容大多數移動VR頭戴裝置，它與用戶的智能手機配對后，用戶便可在基于智能手機應用程序的VR游戲中進行各種操作，例如指向、選擇、抓取、劃槳和投擲。

此外，智能手表和手環也是很普及的多功能產品。例如Trasense Internati。nal推出的“H03 Pro-N”智能運動手表同時兼具智能手表和運動手表兩者的功能。該款手表能夠測定距離、步數和燃燒的卡路里，以及提供來電提醒、來電拒接、智能報警和遙控智能手機攝像頭：而上海智向科技公司的BeacooICarFit手環不僅可報告健康指標，而且集成了電子支付及多項汽車功能的遠程控制。兩款產品均選用了nRF52832 SoC以實現低功耗藍牙無線連接功能。

Nordic用于這類產品的解決方案包括nRF52832低功耗藍牙SoC，這是Nordic的第六代超低功耗無線連接解決方案。SoC配有Nordic的S132協議棧，它是支持藍牙4.2的射頻軟件協議棧，用于構建高級低能耗藍牙應用程序。S132協議棧可以同時運行中央、外圍、廣播和觀察者這幾個低功耗藍牙角色，最多可同時支持八個連接。

一款用于兒童的入耳式溫度計

德國Cosinuss，公司的degree產品是一款市場將會增長的可穿戴產品。degree是一款用于兒童的入耳式溫度計，在發燒期間可連續測量兒童的體溫。體溫數據記錄在設備上，并且在溫度過高或者溫度上升過快時向父母的智能手機發送通知。對于焦慮的父母，這項功能提供了高安全性，能夠在病癥初起時快速應對，并且，父母能夠在病癥形成期間做出反應，預防病癥加重。在治療之后，也可以監測和調整效果。

目前，這樣的技術還沒有提供給大眾市場，但在有了最新的低功耗藍牙技術以后，將很快面向普通消費者。degree將使用Nordic Semiconductor最新的NordicnRF52840 SoC器件。該系列芯片能夠使用藍牙5，允許高數據吞吐量和多個廣告擴展。由于僅有經過選擇的低功耗數據可以從溫度計向智能手機傳送，從而能夠很大限度地減少耗能，從而增加電池使用時間。蜂窩連接技術助穿戴設備成長

至今為止，智能手表功能有限，并且電池壽命短，主要原因是它們使用了設計用于智能手機而不是智能手表的處理器。隨著這些智能手表背后的技術得到改進，使用智能手表的總體體驗將會更好。一項重大進步是智能手表不必再依附智能手機，而蜂窩連接技術將是其中主要的推動力。全新LTE標準，例如Cat-M1將會在智能手表等智能設備中實現極低功耗盯E連接，可讓這些設備的電池壽命從數小時延長到數周。而且，語音控制位于智能手表上，而不用依賴云，這將極大地改善用戶體驗。因此，我們預計智能手表的使用在未來數年將顯著增加。

在健康監測和診斷領域中，聯網的可穿戴設備能夠連續地監測健康狀況、身體表現和腦電波，與帶心率監測功能的健身腕帶和智能手表不同，這是另一種形態的產品，將會更加流行。在健康監測領域的新技術還包括智能服裝，上面的傳感器能夠監測出汗的鈉含量、身體脫水情況和其它關鍵生物特征指標。

CEVA可為智能可穿戴設備提供完整的調制解調器解決方案，為可穿戴設備帶來蜂窩連接，支持LTE CAT-M1和CAT-NB1等全新標準；提供藍牙5和Wi-Fi技術來相互連接可穿戴產品和傳感器，并且連接至智能手機：提供極低功耗語音生物識別、語音激活和語音控制DSP產品，能夠在任何可穿戴設備中實現先進的語音用戶界面。

可穿戴相機及病人健康監測將成焦點

有強烈的跡象表明，可穿戴相機和可穿戴病人健康監測裝置將會繼續顯著增長。健康和體質監測功能往往都會集成到智能手表當中，在總體上也將有助于推動下一代智能手表市場的增長。

對于運動相機來說，相機模塊本身將決定這臺相機是頂級產品還是僅僅一件主流產品。主流的運動相機一般仍會配備定焦廣角鏡頭，焦距通常在17毫米到20毫米的區間內（相當于35毫米單反相機）。根據傳感器的具體尺寸，視野約在140度左右，而某些型號更可達到170度。

傳感器技術和微型化電子組件的飛速發展，使得一系列新型的健康監測裝置成為了可能，不僅可以幫助挽救生命，而且可潛在地降低成本，這是因為醫院之外的準確遠程診斷也可以成為現實，而醫院內部連續的24小時監測也會變得愈發方便，所需的時間與開支也更少。有關設備包括血壓監護儀、動態血糖監測儀、脈搏血氧計，以及心電（ECG）監護儀。這些設備的外形尺寸可以各不相同，從腕帶和胸帶的形式，以至各種接插線與可吞入體內的設備等。而微型化是診斷用可穿戴設備的新興的趨勢之一。

這兩類產品都需要堅固而又節省空間的互連解決方案， “靈活”的性能可以成為一項主要優勢。Molex提供的Tem p-Flex⑩多芯線纜解決方案可以很好地滿足這一需求。該線纜采用了Temp-Flex以及Molex的核心能力，在一個高柔性線纜解決方案中將各種細線、同軸、雙股線纜、三同軸線纜、絞線對、線纜管和強力構件結合到一起，設計可滿足惡劣環境和臨界條件下對數據、信號和功率的需求。醫療應用則包括診斷、影像和外科設備。

AR/VR

可穿戴設備需要更低功耗和更小尺寸

隨著生活質量日漸提高，人們越發重視健康，智能可穿戴設備可以無縫連接健康監控指標和醫療檢測技術，有著廣闊的美好前景，目前比較火爆的4G智能運動手表，不僅具有運動監測提醒優化等各種功能，可以通過4G網絡實時傳送到云端，語音通話功能也不容忽視。智能醫療手環可以每天24小時對身體狀況監測，血糖、心率、血壓這些健康指數非常容易得到這些大數據分析。

小的體積優異的ESD性能對穿戴設備尤顯重要，穿戴設備和人體時刻不停地在接觸，靜電放電問題總會發生，所以靜電保護不可缺少，通常的要求都會高于20KV以上，而我們的器件在0201的尺寸里面可以滿足30KV的靜電測試要求，甚至更小的01 005的封裝產品也可以提供給客戶使用。endprint

可穿戴設備需要更低功耗、更小尺寸的產品，我們ESD的保護產品也就是順應了這些產品的需求，例如我們的01 005尺寸的SP3042系列產品靜電等級達到了30KV的接觸放電水平，對于快速脈沖的吸收能力達到了40A （IEC6100-4-4 EFT 5/50ns），漏電流卻小于0.1 μA。這些低功耗、高性能的產品確保了可穿戴設備的安全性和可靠性。

機器學習使AR需要更高效的存儲技術

早期問世的一些AR頭顯（如Google Glass）的目標是投射數字信息，幫助用戶制定更好的決策，而之后問世的一些更高級的AR頭顯（如Microsoft HoIoLens）則擁有更強大的處理能力、更好的光學和電源管理，使用戶能夠與這些數字對象交互。這些高級頭顯的所有功能無一例外，都讓用戶能夠以3D形式觀看虛擬對象并與之交互，就像這些對象位于真實環境中一樣。

AR的進步與機器學習的進步同時發生，機器學習與AR頭顯的功能可以完美合作。隨著機器學習的不斷發展，AR頭顯有可能會成為智能端點設備，用于訓練這些機器學習的算法。算法的智能程度提高后，反過來又有助于向AR眼鏡提供最相關的信息，使其成為必不可少的設備。

從架構的角度來說，很多早期設計的頭顯都基于智能手機，但搭載了新應用并引入了機器學習，我們可能會看到為了增強用戶體驗而開發的專用硬件（CPU、GPU、FPGA、傳感器、加速器）和軟件。現如今的頭顯設計使用了廣泛應用于智能手機的標準存儲密度和封裝。隨著人們開始想要更省電、更輕便且功能更強大的頭顯，這些傳統存儲有時可能無法滿足需求。更加高效的存儲以及硅光子領域的進步，可讓電源、性能和吞吐量等實現巨大改進。此外，還可能會有各種封裝選項可供選擇。如果半導體芯片可以與高速互聯技術相結合，就能縮短信號的傳輸距離、拓寬信號路徑，從而提升性能。美光科技專注于存儲技術領域，不僅出色地打造出了當今先進的內存和存儲技術，還不斷對面向未來的新技術進行投資和研究。

VR/AR設備需要更好的抗干擾能力

隨著VR和AR技術的提升和普及，VR和AR極有潛力成為下一代大型數碼平臺載體，在可預見的不遠將來，VR和AR體驗設備將會越來越流行。

VR/AR頭戴設備結合了仿真模擬和計算機圖形、多媒體、傳感和網絡技術等多種技術。它是現代顯示技術下的創新型設備，對于增強顯示、虛擬現實和立體顯示體驗而言，是非常重要的硬件部分。

由于VR/AR設備是多種技術結合的產品，在各個電子元器件之間，存在著電磁場感應，電源饋線和地線傳輸的干擾。因此，如何有效地屏蔽電磁波則成為實現VR/AR性能的重中之重。CABLINE@-CA II極細同軸線連接器

愛沛電子（l-PEX）提供各種規格的極細線同軸線連接器，板對板（FPC）和FPC/FFC連接器，超小型RF同軸連接器和電纜組件，以滿足VR/AR頭戴設備對高速傳輸和電磁波屏蔽的要求。

CABUNE⑩-CA真真極細同軸線連接器采用360度全屏蔽防EMI結構，能夠傳輸20Gbps的高速數據。可以應用于顯示屏，攝像模組以及存儲設備等電子設備。

隨著物聯網設備上高速應用的發展.使高速數據總線免于受到設備內外不同射頻信號的影響是一項挑戰。可以考慮使用額外的組件，如屏蔽帶和屏蔽罩等，但這些可能需要額外的空間和時間來實現。l-PEX的CABLINE-CA II極細同軸線連接器提供全屏蔽構造，使空間和時間大大節省。另外，機械式鎖扣可防止連接器脫落。

參考文獻：

[1]迎九，全旺移動支付：從手機到可穿戴的安全策略初探[J]電子產品世界，2016（4）：18-20

[2]Mark de Clercq傳感器、集成和電源管理的進步推動可穿戴技術的發展[J]電子產品世界.2016（5）：21-23

[3]Dave Moon滿足穿戴式產品對于超小型環境光傳感器的需求[J]電子產品世界，2016（7）：22-24

[4]王瑩，王金旺眾廠商熱議可穿戴設備的技術發展[J]電子產品世界，2016（9）：7-14

[5] Roberta Cozza，Michele Reitz，Annette Zimmermann，等2017年至2018年十大可穿戴技術與功能展望[J]電子產品世界，2016（9）：4-5endprint