在晶片业者的努力下,微机电系统(MEMS)感测器与蓝牙低功耗方案,无论尺寸或耗电量皆已能符合穿戴式装置应用要求,并可提供常时运作的情境感知和高相容性的无线连结能力,有助穿戴式装置实现更多创新的智慧联网应用。

穿戴式电子装置因小巧、轻便,用户可随身穿戴而得名。从产品类别来看,穿戴式装置包括智慧手表、电脑手机的配件、健身追踪器、人身安全装置或专门的医疗装置。以功能而言,穿戴式装置可以是独立的电子产品,也可以是平板电脑或智慧型手机的周边设备配件,具有一定运算能力,能够充当主设备的输入输出设备。

穿戴式装置具六大特点

从历史角度看,虽然手表和穿戴式计算机曾一度相当热门,但是直到低功耗蓝牙(Bluetooth)通讯、低功耗制造技术和感测器(Sensor)上市,穿戴式装置的种类才变得很多并不断推陈出新,智慧手表、手环、珠宝、臂环、联网服饰(Connected Clothes)等等都是穿戴式装置(图1)。

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图1 各类穿戴式应用与相关MEMS元件供应商发展情形

顾名思义,穿戴式装置是人们长期随身配戴的电子产品,其特点是长时间开机联网,而其相关特点描述如下: 

.常时开启    穿戴式装置必须连续工作,监控或输出对使用者至关重要的资料。穿戴式装置可以有睡眠模式,但是决不能断电关机。 

.低功耗       穿戴式装置的尺寸都比较小,所用电源都是小尺寸电池,所以穿戴式装置的工作电流应非常低。如果须要经常充电,穿戴式装置就失去本身的意义。低功耗技术的问世,促成了这项产业革命。 

 .尺寸精巧   穿戴式装置是穿戴在使用者身上,所以产品尺寸必须小巧,外观实用美观。笨拙的穿戴式装置对于使用者来说是额外的负担,不会被市场接受。 

.环境感测    环境感测是穿戴式装置赢得市场认可的重要原因,现今穿戴式装置不仅能监测使用者活动资讯,还能监测温度、湿度、紫外光等环境参数。 

.智慧功能    穿戴式装置的智慧化应足以滤除真实资料内的杂讯,当重要资讯须要传输时,能够向用户发出通知,例如当使用者巧遇意外或需要急救时,智慧手环应能够向急救中心发出通知。 

.联网功能    联网功能是穿戴式装置问世并赢得市场认可的重要因素。穿戴式装置应透过蓝牙、Wi-Fi等无线通讯技术连接平板电脑或智慧型手机。此外,穿戴式装置还能连接全球卫星定位系统(GPS),监控使用者所在方位。

穿戴式装置由七大单元组成

典型的穿戴式装置架构包括下列单元:感测器(数位感测器和类比感测器)、类比前端、音效、电源管理、通讯介面、微控制器、液晶显示(LCD)萤幕(图2)。这里将讨论前五个穿戴式装置单元。 

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图2 典型的穿戴式装置架构

. 感测器         感测器是创新穿戴式装置问世的主要推动力之一,以下是当前市场最热门的几种感测器:

.加速度计     加速度计又称重力感测器,用于侦测线性加速度、振动、倾斜度、自由落体等物体动作。加速度感测器用于实现水平调整、防盗、震动通知、计步、成人及孩子远端监控等功能。

.陀螺仪       陀螺仪可测量角速率,用于实现电子游戏、三维(3D)滑鼠、体育训练等功能。

 .罗盘         罗盘可测量地环磁场方向,为设备提供指标方向功能。罗盘广泛用于室内导航和手机地图导航。

.气压感测器       气压感测器可测量地球大气压,用于设计气压计和测高度计。例如意法半导体(ST)LPS25H气压感测器能够精确辨别感测器所在位置是大楼的第几层,可用于实现室内导航、扩增实境和3D GPS。

.温度和湿度感测器    温度和湿度感测器可测量温度和湿度,控制穿戴式装置的性能。

 . 类比前端          以下是目前最常见的几种类比前端,分别加以说明:

 .运算放大器            类比感测器(Analog Sensor)向微控制器(Microcontroller)传送资讯须要使用讯号转换器,讯号转换器应具有下列重要特性:精确且稳定,尽可能提高资讯准确性;低功耗,使用时间更长;尺寸精巧,可整合到纤薄的时尚设计内。运算放大器(Operational Amplifier)必须满足低输入失调电压和零漂移率两个要求,否则电极资讯的准确性没有保证。虽然讯号功率恢复如初,但是在讯号送入微控制器之前,需要一个高准确度微功耗放大器。

 .开关         开关(Switch)采用多工或多路分配的方法传输各种讯号。智慧装置内的感测器数量越来越多,开关为输入输出讯号分配路由,还能选择将音效讯号分配到喇叭还是耳机(图4)。类比开关的目标应用若能覆盖从音效到通用序列汇流排(USB)的所有讯号拓扑,将能够满足大多数应用需求。

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图3 开关运作示意图

 

. 音效           目前,微机电系统(MEMS)麦克风(Microphone)与音效放大器是让装置音效运作的主要元件。

.MEMS麦克风         MEMS麦克风是将声讯号转化为电讯号的声学感测器,因为讯号噪音比更高、外观尺寸更小、提供数位介面、抗射频(RF)性能更高及防震能力更强,MEMS麦克风比传统麦克风更受市场青睐。麦克风使人机互动变得更加容易快捷,操作变得更加流畅。在外观设计上,麦克风的使用可以减少按钮数量,让设计人员可开发出时尚美观的产品。此外,双工作模式是下一代麦克风的发展趋势,在监听/低功耗模式下,若保证麦克风侦测语音命令所需的基本性能条件,麦克风功耗将降至最低水准,而处于正常工作模式时,声学参数设置为语音控制应用所需的最佳参数(图5)。

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图4 藉助类比开关,微控制器可将麦克风设为监听或正常模式。

.音效放大器       重现音乐、语音或有声通知需要喇叭,而驱动喇叭则需要音效放大器。穿戴式装置要求音效放大器具有很高的能效,能够向小型低功耗设备输出高品质音效。 

电源管理       在电源管理方面,可透过以下三个部分来加以探讨: 

.电池电量监控    穿戴式装置的电源通常是一个小电池。精确的电池监控功能可监控电池电量,增加电源智慧管理功能。例如,当电量降低时,及时通知用户充电或自动关闭耗电模组。电源管理整体解决方案若能同时整合电压电流对时间变化监测功能,将可提供最准确的电池电量监测。 

.智慧复位    随着穿戴式装置的智慧化越来越高,为管理所有的感测器资讯,软体复杂性呈指数成长。随着功能数量增加,终端使用者误操作的机率也相对增加,系统崩溃时有发生,为维护产品品质和品牌名气,需要跳伫列、重新开机应用。 

 

.即时时钟     在穿戴式装置中,即时时钟(RTC)不仅用于计时,还让系统按时进入低功耗省电模式。电池供电的微型装置需要低功耗、微型封装的即时时钟,如意法半导体的M41T62 RTC就是一颗微型封装且内建晶体的350奈安培(nA)即时时钟。 

无线通讯技术--智慧蓝牙    智慧蓝牙(Bluetooth Smart)又称低功耗蓝牙(BLE),是一个可连接低功耗装置和感测器的蓝牙通讯标准。蓝牙技术采用2.4GHz的短波无线电传输资料。智慧蓝牙标准能够以极低的功耗在各种装置之间实现双向无线通讯,延长通讯装置的电池续航时间。具有低功耗蓝牙功能的装置还能与相容的智慧型手机无缝交换资料,透过智慧型手机功能丰富的使用者介面实现更大价值。智慧型手机还可透过行动网路例如通用封包无线电服务(GPRS)将感测器资料传送到云端(图6)。

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图5 蓝牙智慧晶片BlueNRG分层架构

低功耗蓝牙技术与传统蓝牙技术的载波频带相同,不同的是,低功耗蓝牙技术可为功耗受限的应用提供低功耗连接和基本资料传输功能。 

穿戴式装置应用广泛多元

穿戴式装置的主要目标应用,可以从健身养生、医疗保健、接近侦测和防盗配件、安全追踪四方面来加以说明。

.健身养生     智慧手表、运动监控器等智慧穿戴式装置让使用者能够在智慧型手机上监控自己的健身活动。穿戴式装置还可以充当运动监控器、智慧脚垫、睡眠感测器和心率监控器,并最佳化体育成绩、监控健身目标、控制体重,以及分享方位资料。

.医疗保健     心率监控器、血糖监控器、脉搏血氧仪等医疗装置现在可以透过低功耗蓝牙连到智慧型手机,甚至还可以透过智慧型手机连接到网际网路,将测量资讯保存到云端与医生和亲朋好友分享。低功耗蓝牙技术还准许将这些电子装置放在关键位置,例如鞋内或腕带内。低功耗蓝牙支援许多医疗保健设备,例如血糖计、心率监控器、温度计和血压表等。

 .接近侦测和防盗配件     当配戴低功耗蓝牙配件的宠物或儿童走出视线外,低功耗蓝牙穿戴式装置会向智慧型手机发出提醒通知。内建低功耗蓝牙的汽车钥匙如果不见了,可以借助相连的智慧型手机轻松找到钥匙。当钱包或行李包内建低功耗蓝牙配件时,如果有人想偷钱包或行李,智慧型手机也会提示用户注意。

.安全追踪     智慧手表或安全追踪器等穿戴式装置让家长能够连续不断地追踪孩子的位置,还能在孩子和女士用户遭遇危险时自动发送紧急求助讯号。工作原理是穿戴式装置先向所连结的智慧型手机发送急救讯号,然后智慧型手机透过简讯向相关救援机构和亲属发送用户所在位置。

结合智慧感测器/BLE 穿戴式装置前景看俏

穿戴式装置像网际网路一样有改变世界的潜力。智慧感测器和低功耗蓝牙使穿戴式装置具有感测能力和通讯功能,从而做出复杂的决策。穿戴式装置将会开创全新的应用实例,完成智慧型手机无法胜任的任务。医疗和健身有望成为穿戴式技术最大的应用类别。