傳感器/藍(lán)牙低功耗添力　穿戴裝置開創(chuàng)智能聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用 —— 文章正文2015-05-28

    在晶片業(yè)者的努力下，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測器與藍(lán)牙低功耗方案，無論尺寸或耗電量皆已能符合穿戴式裝置應(yīng)用要求，并可提供常時運(yùn)作的情境感知和高相容性的無線連結(jié)能力，有助穿戴式裝置實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)新的智慧聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

    穿戴式電子裝置因小巧、輕便，用戶可隨身穿戴而得名。從產(chǎn)品類別來看，穿戴式裝置包括智慧手表、電腦手機(jī)的配件、健身追蹤器、人身安全裝置或?qū)ｉT的醫(yī)療裝置。以功能而言，穿戴式裝置可以是獨(dú)立的電子產(chǎn)品，也可以是平板電腦或智慧型手機(jī)的周邊設(shè)備配件，具有一定運(yùn)算能力，能夠充當(dāng)主設(shè)備的輸入輸出設(shè)備。

    穿戴式裝置具六大特點(diǎn)

    從歷史角度看，雖然手表和穿戴式計(jì)算機(jī)曾一度相當(dāng)熱門，但是直到低功耗藍(lán)牙(Bluetooth)通訊、低功耗制造技術(shù)和感測器(Sensor)上市，穿戴式裝置的種類才變得很多并不斷推陳出新，智慧手表、手環(huán)、珠寶、臂環(huán)、聯(lián)網(wǎng)服飾(ConnectedClothes)等等都是穿戴式裝置(圖1)。

    圖1各類穿戴式應(yīng)用與相關(guān)MEMS元件供應(yīng)商發(fā)展情形資料來源：ST

    顧名思義，穿戴式裝置是人們長期隨身配戴的電子產(chǎn)品，其特點(diǎn)是長時間開機(jī)聯(lián)網(wǎng)，而其相關(guān)特點(diǎn)描述如下：

    ．常時開啟

    穿戴式裝置必須連續(xù)工作，監(jiān)控或輸出對使用者至關(guān)重要的資料。穿戴式裝置可以有睡眠模式，但是決不能斷電關(guān)機(jī)。

    ．低功耗

    穿戴式裝置的尺寸都比較小，所用電源都是小尺寸電池，所以穿戴式裝置的工作電流應(yīng)非常低。如果須要經(jīng)常充電，穿戴式裝置就失去本身的意義。低功耗技術(shù)的問世，促成了這項(xiàng)產(chǎn)業(yè)革命。

    ．尺寸精巧

    穿戴式裝置是穿戴在使用者身上，所以產(chǎn)品尺寸必須小巧，外觀實(shí)用美觀。笨拙的穿戴式裝置對于使用者來說是額外的負(fù)擔(dān)，不會被市場接受。

    ．環(huán)境感測

    環(huán)境感測是穿戴式裝置贏得市場認(rèn)可的重要原因，現(xiàn)今穿戴式裝置不僅能監(jiān)測使用者活動資訊，還能監(jiān)測溫度、濕度、紫外光等環(huán)境參數(shù)。

    ．智慧功能

    穿戴式裝置的智慧化應(yīng)足以濾除真實(shí)資料內(nèi)的雜訊，當(dāng)重要資訊須要傳輸時，能夠向用戶發(fā)出通知，例如當(dāng)使用者巧遇意外或需要急救時，智慧手環(huán)應(yīng)能夠向急救中心發(fā)出通知。

    ．聯(lián)網(wǎng)功能

    聯(lián)網(wǎng)功能是穿戴式裝置問世并贏得市場認(rèn)可的重要因素。穿戴式裝置應(yīng)透過藍(lán)牙、Wi-Fi等無線通訊技術(shù)連接平板電腦或智慧型手機(jī)。此外，穿戴式裝置還能連接全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，監(jiān)控使用者所在方位。

    穿戴式裝置由七大單元組成

    典型的穿戴式裝置架構(gòu)包括下列單元：感測器(數(shù)位感測器和類比感測器)、類比前端、音效、電源管理、通訊介面、微控制器、液晶顯示(LCD)螢?zāi)?圖2)。這里將討論前五個穿戴式裝置單元。

    圖2典型的穿戴式裝置架構(gòu)

    感測器

    感測器是創(chuàng)新穿戴式裝置問世的主要推動力之一，以下是當(dāng)前市場最熱門的幾種感測器：

    ．加速度計(jì)

    加速度計(jì)又稱重力感測器，用于偵測線性加速度、振動、傾斜度、自由落體等物體動作。加速度感測器用于實(shí)現(xiàn)水平調(diào)整、防盜、震動通知、計(jì)步、成人及孩子遠(yuǎn)端監(jiān)控等功能。

    ．陀螺儀

    陀螺儀可測量角速率，用于實(shí)現(xiàn)電子游戲、三維(3D)滑鼠、體育訓(xùn)練等功能。

    ．羅盤

    羅盤可測量地環(huán)磁場方向，為設(shè)備提供指標(biāo)方向功能。羅盤廣泛用于室內(nèi)導(dǎo)航和手機(jī)地圖導(dǎo)航。

    ．氣壓感測器

    氣壓感測器可測量地球大氣壓，用于設(shè)計(jì)氣壓計(jì)和測高度計(jì)。例如意法半導(dǎo)體(ST)LPS25H氣壓感測器能夠精確辨別感測器所在位置是大樓的第幾層，可用于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航、擴(kuò)增實(shí)境和3DGPS(圖3)。

    ．溫度和濕度感測器

    溫度和濕度感測器可測量溫度和濕度，控制穿戴式裝置的性能。

    類比前端

    以下是目前最常見的幾種類比前端，分別加以說明：

    ．運(yùn)算放大器

    類比感測器(AnalogSensor)向微控制器(Microcontroller)傳送資訊須要使用訊號轉(zhuǎn)換器，訊號轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有下列重要特性：精確且穩(wěn)定，盡可能提高資訊準(zhǔn)確性；低功耗，使用時間更長；尺寸精巧，可整合到纖薄的時尚設(shè)計(jì)內(nèi)。運(yùn)算放大器(OperationalAmplifier)必須滿足低輸入失調(diào)電壓和零漂移率兩個要求，否則電極資訊的準(zhǔn)確性沒有保證。雖然訊號功率恢復(fù)如初，但是在訊號送入微控制器之前，需要一個高準(zhǔn)確度微功耗放大器。

    ．開關(guān)

    開關(guān)(Switch)采用多工或多路分配的方法傳輸各種訊號。智慧裝置內(nèi)的感測器數(shù)量越來越多，開關(guān)為輸入輸出訊號分配路由，還能選擇將音效訊號分配到喇叭還是耳機(jī)(圖4)。類比開關(guān)的目標(biāo)應(yīng)用若能覆蓋從音效到通用序列匯流排(USB)的所有訊號拓?fù)?，將能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。

    圖4開關(guān)運(yùn)作示意圖

    音效

    目前，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)(Microphone)與音效放大器是讓裝置音效運(yùn)作的主要元件。

    ．MEMS麥克風(fēng)

    MEMS麥克風(fēng)是將聲訊號轉(zhuǎn)化為電訊號的聲學(xué)感測器，因?yàn)橛嵦栐胍舯雀?、外觀尺寸更小、提供數(shù)位介面、抗射頻(RF)性能更高及防震能力更強(qiáng)，MEMS麥克風(fēng)比傳統(tǒng)麥克風(fēng)更受市場青睞。麥克風(fēng)使人機(jī)互動變得更加容易快捷，操作變得更加流暢。在外觀設(shè)計(jì)上，麥克風(fēng)的使用可以減少按鈕數(shù)量，讓設(shè)計(jì)人員可開發(fā)出時尚美觀的產(chǎn)品。此外，雙工作模式是下一代麥克風(fēng)的發(fā)展趨勢，在監(jiān)聽/低功耗模式下，若保證麥克風(fēng)偵測語音命令所需的基本性能條件，麥克風(fēng)功耗將降至最低水準(zhǔn)，而處于正常工作模式時，聲學(xué)參數(shù)設(shè)置為語音控制應(yīng)用所需的最佳參數(shù)(圖5)。

    圖5藉助類比開關(guān)，微控制器可將麥克風(fēng)設(shè)為監(jiān)聽或正常模式。

    ．音效放大器

    重現(xiàn)音樂、語音或有聲通知需要喇叭，而驅(qū)動喇叭則需要音效放大器。穿戴式裝置要求音效放大器具有很高的能效，能夠向小型低功耗設(shè)備輸出高品質(zhì)音效。

    電源管理

    在電源管理方面，可透過以下三個部分來加以探討：

    ．電池電量監(jiān)控

    穿戴式裝置的電源通常是一個小電池。精確的電池監(jiān)控功能可監(jiān)控電池電量，增加電源智慧管理功能。例如，當(dāng)電量降低時，及時通知用戶充電或自動關(guān)閉耗電模組。電源管理整體解決方案若能同時整合電壓電流對時間變化監(jiān)測功能，將可提供最準(zhǔn)確的電池電量監(jiān)測。

    ．智慧復(fù)位

    隨著穿戴式裝置的智慧化越來越高，為管理所有的感測器資訊，軟體復(fù)雜性呈指數(shù)成長。隨著功能數(shù)量增加，終端使用者誤操作的機(jī)率也相對增加，系統(tǒng)崩潰時有發(fā)生，為維護(hù)產(chǎn)品品質(zhì)和品牌名氣，需要跳佇列、重新開機(jī)應(yīng)用。

    ．即時時鐘

    在穿戴式裝置中，即時時鐘(RTC)不僅用于計(jì)時，還讓系統(tǒng)按時進(jìn)入低功耗省電模式。電池供電的微型裝置需要低功耗、微型封裝的即時時鐘，如意法半導(dǎo)體的M41T62RTC就是一顆微型封裝且內(nèi)建晶體的350奈安培(nA)即時時鐘。

    無線通訊技術(shù)--智慧藍(lán)牙

    智慧藍(lán)牙(BluetoothSmart)又稱低功耗藍(lán)牙(BLE)，是一個可連接低功耗裝置和感測器的藍(lán)牙通訊標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙技術(shù)采用2.4GHz的短波無線電傳輸資料。智慧藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)能夠以極低的功耗在各種裝置之間實(shí)現(xiàn)雙向無線通訊，延長通訊裝置的電池續(xù)航時間。具有低功耗藍(lán)牙功能的裝置還能與相容的智慧型手機(jī)無縫交換資料，透過智慧型手機(jī)功能豐富的使用者介面實(shí)現(xiàn)更大價值。智慧型手機(jī)還可透過行動網(wǎng)路例如通用封包無線電服務(wù)(GPRS)將感測器資料傳送到云端(圖6)。

    圖6藍(lán)牙智慧晶片BlueNRG分層架構(gòu)

    低功耗藍(lán)牙技術(shù)與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)的載波頻帶相同，不同的是，低功耗藍(lán)牙技術(shù)可為功耗受限的應(yīng)用提供低功耗連接和基本資料傳輸功能。

    穿戴式裝置應(yīng)用廣泛多元

    穿戴式裝置的主要目標(biāo)應(yīng)用，可以從健身養(yǎng)生、醫(yī)療保健、接近偵測和防盜配件、安全追蹤四方面來加以說明。

    ．健身養(yǎng)生

    智慧手表、運(yùn)動監(jiān)控器等智慧穿戴式裝置讓使用者能夠在智慧型手機(jī)上監(jiān)控自己的健身活動。穿戴式裝置還可以充當(dāng)運(yùn)動監(jiān)控器、智慧腳墊、睡眠感測器和心率監(jiān)控器，并最佳化體育成績、監(jiān)控健身目標(biāo)、控制體重，以及分享方位資料。

    ．醫(yī)療保健

    心率監(jiān)控器、血糖監(jiān)控器、脈搏血氧儀等醫(yī)療裝置現(xiàn)在可以透過低功耗藍(lán)牙連到智慧型手機(jī)，甚至還可以透過智慧型手機(jī)連接到網(wǎng)際網(wǎng)路，將測量資訊保存到云端與醫(yī)生和親朋好友分享。低功耗藍(lán)牙技術(shù)還準(zhǔn)許將這些電子裝置放在關(guān)鍵位置，例如鞋內(nèi)或腕帶內(nèi)。低功耗藍(lán)牙支援許多醫(yī)療保健設(shè)備，例如血糖計(jì)、心率監(jiān)控器、溫度計(jì)和血壓表等。

    ．接近偵測和防盜配件

    當(dāng)配戴低功耗藍(lán)牙配件的寵物或兒童走出視線外，低功耗藍(lán)牙穿戴式裝置會向智慧型手機(jī)發(fā)出提醒通知。內(nèi)建低功耗藍(lán)牙的汽車鑰匙如果不見了，可以借助相連的智慧型手機(jī)輕松找到鑰匙。當(dāng)錢包或行李包內(nèi)建低功耗藍(lán)牙配件時，如果有人想偷錢包或行李，智慧型手機(jī)也會提示用戶注意。

    ．安全追蹤

    智慧手表或安全追蹤器等穿戴式裝置讓家長能夠連續(xù)不斷地追蹤孩子的位置，還能在孩子和女士用戶遭遇危險(xiǎn)時自動發(fā)送緊急求助訊號。工作原理是穿戴式裝置先向所連結(jié)的智慧型手機(jī)發(fā)送急救訊號，然后智慧型手機(jī)透過簡訊向相關(guān)救援機(jī)構(gòu)和親屬發(fā)送用戶所在位置。

    結(jié)合智慧感測器/BLE穿戴式裝置前景看俏

    穿戴式裝置像網(wǎng)際網(wǎng)路一樣有改變世界的潛力。智慧感測器和低功耗藍(lán)牙使穿戴式裝置具有感測能力和通訊功能，從而做出復(fù)雜的決策。穿戴式裝置將會開創(chuàng)全新的應(yīng)用實(shí)例，完成智慧型手機(jī)無法勝任的任務(wù)。醫(yī)療和健身有望成為穿戴式技術(shù)最大的應(yīng)用類別。

責(zé)任編輯：蔡亞微