有人說，在科技博客這個圈子里，可穿戴設(shè)備是個讓人聽了想睡覺的詞。嘰嘰喳喳吵了至少一年了，2014年或?qū)⒊蔀榭纱┐髟O(shè)備的突破年，在今年的CES上也有眾多的可穿戴設(shè)備展出。雖然業(yè)界大佬不爭相涌入這一市場就如同與行業(yè)脫節(jié)一樣，但問題是沒有哪款設(shè)備能夠說服多數(shù)人把它“戴”在身上。除了“體驗”這種虛無飄渺的說辭之外，技術(shù)上或許還要從長計議。
難關(guān)：尚需攻克
實現(xiàn)盡可能低的系統(tǒng)功耗是可穿戴設(shè)備主要技術(shù)挑戰(zhàn)，同時也需要使用創(chuàng)新的算法和傳感器。
目前可穿戴設(shè)備基本上通過各種傳感器進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測量，以MCU或AP作為主控，外加傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙或NFC等技術(shù)進(jìn)行無線通信。雖然這些技術(shù)分別相對成熟，但組合在一起適應(yīng)可穿戴設(shè)備的需求還遠(yuǎn)不像“搭積木”那么簡單。
德州儀器(TI)MSP430中國區(qū)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇對《中國電子報》記者介紹說，從技術(shù)層面上看主要面臨兩大難點：一是可穿戴設(shè)備是用電池供電的，需要較長的待機(jī)和使用時間，實現(xiàn)盡可能低的系統(tǒng)功耗是主要技術(shù)挑戰(zhàn)。二是要實現(xiàn)體征數(shù)據(jù)的測量比如心跳等，需要使用創(chuàng)新的算法和傳感器，這對開發(fā)人員而言是全新的領(lǐng)域。
恩智浦大中華區(qū)便攜設(shè)備及計算產(chǎn)品部高級市場總監(jiān)石敬巖表示，功耗、電池壽命以及傳感器都是阻礙可穿戴設(shè)備市場發(fā)展的因素，在將來這些領(lǐng)域會持續(xù)成為創(chuàng)新焦點。博通中國區(qū)銷售總監(jiān)錢志軍認(rèn)為，小巧以及便于攜帶是可穿戴設(shè)備的重要特性，來自功耗的挑戰(zhàn)令人關(guān)注。
而從實際設(shè)計來看，還有諸多細(xì)節(jié)有待斟酌。安森美半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)品部(醫(yī)療類)高級市場工程師席金苗指出，以可穿戴助聽器為例，在技術(shù)上沒有不可逾越的障礙，在設(shè)計方面仍然面臨一些挑戰(zhàn)，如在總體系統(tǒng)方面，怎樣提供優(yōu)異的聲音品質(zhì)和計算能力?怎樣在低供電電壓條件下(可能低至1.0V)將能耗降至最低?怎樣將物理尺寸減至最小?在信號處理硬件平臺方面，怎樣選擇適合的DSP 架構(gòu)及DSP?怎樣提高軟件靈活性?怎樣選擇適合的無線連接技術(shù)等。這些“細(xì)節(jié)”或?qū)Q定最終成敗。
而讓可穿戴設(shè)備“借力打力”更是兩全其美的選擇。博通總裁兼首席執(zhí)行官、董事會成員Scott A.McGregor說，可充分利用現(xiàn)有的智能手機(jī)和平板電腦的強(qiáng)大處理能力來處理可穿戴設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)，例如生命體征、運動指標(biāo)或睡眠質(zhì)量等，這樣既能減少對于可穿戴設(shè)備處理能力的要求，同時降低了功耗，進(jìn)而可穿戴設(shè)備的成本也會降低，消費者能以較低的價格購買。
MCU：Cortex-M系列占優(yōu)
超長電池壽命對于大多數(shù)可穿戴設(shè)備來說是一個關(guān)鍵設(shè)計因素，基于ARM Cortex-M處理器的MCU是最佳解決方案。
MCU作為可穿戴設(shè)備的主控，實現(xiàn)低功耗可謂其最高“生存法則”。從市場來看，基于ARM的Cortex-M在低功耗應(yīng)用中具備優(yōu)勢，但可穿戴設(shè)備市場上也出現(xiàn)了基于Cortex-A的MCU。
Silicon Labs美洲區(qū)市場營銷總監(jiān)Raman Sharma認(rèn)為，雖然基于Cortex-A的產(chǎn)品概念設(shè)計極具宣傳噱頭，但設(shè)計不切實際，難以滿足當(dāng)今大多數(shù)可穿戴設(shè)備對于超低功耗的需求。他進(jìn)一步解釋說，雖然ARM Cortex-A系列的MCU在基于Android的便攜式設(shè)備上或是絕佳選擇，但是這些設(shè)備是基于可頻繁充電的情況而設(shè)計的。在可穿戴設(shè)備中實現(xiàn)Cortex-A的高性能是以很高的能耗為代價的，這使得一次充電僅僅能工作幾天。因為超長電池壽命對于大多數(shù)可穿戴設(shè)備是一個關(guān)鍵設(shè)計因素，基于ARM Cortex-M的MCU是可穿戴設(shè)備設(shè)計的最佳解決方案。
從市場來看，大多數(shù)廠商傾向于采用Cortex-M核。意法半導(dǎo)體(ST)高級市場工程師任遠(yuǎn)介紹說，目前可穿戴設(shè)備中的微控制器大部分以ARM核心為主，比如ST基于Cortex-M核心的STM32系列MCU，以其低功耗以及小封裝得到業(yè)界的青睞。席金苗說，以安森美Ezairo 7100系統(tǒng)級芯片為例，該器件采用4核架構(gòu)，包含完全可編程的雙MAC 24位DSP內(nèi)核、支持無線協(xié)定的ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核、高度靈活的HEAR可配置加速器引擎。
無線技術(shù)：互為長短
現(xiàn)有的無線技術(shù)各有其優(yōu)缺點，業(yè)界目前仍然缺乏結(jié)合無線技術(shù)優(yōu)點同時克服其缺點的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。
隨著可穿戴設(shè)備日趨流行，利用無線技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)將成為其潛力的關(guān)鍵所在。在各有所長的無線連接技術(shù)中，究竟誰能勝出?半導(dǎo)體廠商的選擇或是單點開花，或是多路并進(jìn)，但無論如何，都要“死磕”功耗這一難題。
Raman Sharma表示，低功耗藍(lán)牙被視為在可穿戴產(chǎn)品中最理想的低功耗、點對點無線連接解決方案，可應(yīng)用于與智能手機(jī)連接的健身追蹤器、智能手表中。任遠(yuǎn)也介紹說，由于低功耗的需求，到目前為止還是藍(lán)牙比較適合可穿戴設(shè)備。羅姆方面也表示，目前藍(lán)牙和Wi-Fi都有應(yīng)用，由于連接的便捷性和低功耗，所以更看好藍(lán)牙特別是低功耗藍(lán)牙(BLE)技術(shù)在未來的應(yīng)用。
“藍(lán)牙、Wi-Fi擁有各自的優(yōu)勢，我們會根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計來選擇適用的通信技術(shù)。” 索尼移動通信大中華區(qū)副總裁兼市場部負(fù)責(zé)人鄭書仁表示，”目前來看，索尼的大部分硬件基本都實現(xiàn)了內(nèi)置NFC芯片，這樣可輕易實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的一觸連接，不需要繁瑣的配對過程。”
石敬巖也認(rèn)為，無線連接技術(shù)有多個選擇，包括BLE、Zigbee或其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及NFC。從低功耗通信和安全性方面來看，NFC將在可穿戴設(shè)備中起到關(guān)鍵作用。
另外值得關(guān)注的是超低功耗(ULP)連接的可用性。Nordic首席執(zhí)行官Svenn-Tore Larsen認(rèn)為，現(xiàn)今具備Bluetooth v4.0(或藍(lán)牙智能Ready)功能的智能手機(jī)和平板電腦，一般都通過含低功耗藍(lán)牙(BLE)或ANT+ULP技術(shù)的配件來實現(xiàn)無縫無線通信，這為新一代智能手表提供催化劑，而Nordic可提供同時用于這兩種RF軟件協(xié)議的解決方案。
從具體應(yīng)用來看，無線技術(shù)還需要“分門別類”。在用于助聽器的無線技術(shù)方面，包括近場磁感應(yīng)(NFMI)、藍(lán)牙及2.4GHz無線技術(shù)。席金苗指出，NFMI作用距離有限，但能耗極低，適合助聽器之間的無線通信。而2.4GHz無線技術(shù)作用距離更長(約7至9米)，但能耗更高，適合助聽器與其他電子設(shè)備(如智能手機(jī))之間的無線通信。藍(lán)牙通常用于中繼設(shè)備與兼容藍(lán)牙的音頻源之間的無線通信。“現(xiàn)有的這些無線技術(shù)各有其優(yōu)缺點，業(yè)界目前仍然缺乏結(jié)合上述無線技術(shù)優(yōu)點同時克服其缺點的助聽器用無線通信標(biāo)準(zhǔn)。”席金苗說，“目前一種可行的途徑就是采用‘雙無線’技術(shù)，如安森美的Ezario 7100同時兼容NFMI和2.4GHz射頻技術(shù)。”
從趨勢來看，Wi-Fi、藍(lán)牙、NFC和GPS等功能強(qiáng)大的無線技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，而無線組合芯片在這一領(lǐng)域也正飛速發(fā)展。錢志軍認(rèn)為，可穿戴設(shè)備需要一種方便易行但卻先進(jìn)的技術(shù)為其供電，無線組合解決方案不僅需高集成度，在功耗上也需大幅降低。
傳感器：風(fēng)頭猶勁
未來移動醫(yī)療會逐步集成到可穿戴設(shè)備中，越來越多的生物以及光傳感器會加入到可穿戴設(shè)備中，實現(xiàn)健康指標(biāo)的測試。
在可穿戴設(shè)備層面，傳感器絕對是“大頭”。任遠(yuǎn)表示，目前市面上比較多的傳感器包括加速度傳感器、陀螺儀、磁力計、氣壓計以及溫濕度計，利用這些傳感器可以完成各種運動識別以及手勢識別，幫助消費者實現(xiàn)健康應(yīng)用。他進(jìn)一步指出，未來移動醫(yī)療會逐步集成到可穿戴設(shè)備中，越來越多的生物以及光傳感器會加入到可穿戴設(shè)備中，實現(xiàn)例如血壓、血氧、心率等健康指標(biāo)的測試。
而隨著可穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展，那些能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)療指標(biāo)(如溫度、血糖等)監(jiān)測及健康監(jiān)控的傳感器將具備廣闊發(fā)展空間。石敬巖表示，目前對于MEM類動作和位置傳感器的需求占據(jù)著主導(dǎo)地位，但環(huán)境傳感器和生物傳感器在這一市場關(guān)鍵增長領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
此外，傳感器對接口電路也提出了新要求。席金苗說，傳感器趨向更小尺寸及更低能耗，同時需要采用定制的傳感器接口專用集成電路(ASIC)。例如，傳感器可能要求高壓偏置，同時產(chǎn)生極低電平的信號，傳感器接口ASIC能夠集成高壓及低壓電路，降低復(fù)雜度，優(yōu)于采用分立器件方案。同時，傳感器接口ASIC方案可提供高度的信號通道隔離及低噪聲，非常適合傳感器應(yīng)用需要。
廠商觀點
Nordic首席執(zhí)行官Svenn-Tore Larsen
無線連接技術(shù)推動新應(yīng)用開發(fā)
從應(yīng)用來看，智能手表和緊湊型無線傳感器采用藍(lán)牙v4.0(最近升級為藍(lán)牙v4.1)提供無線連接，是目前在可穿戴設(shè)備技術(shù)中極具代表性的。同時，它們能夠利用ANT+ULP無線技術(shù)(這是藍(lán)牙低功耗技術(shù)的競爭技術(shù)，用于無線傳感器)。無論是藍(lán)牙或ANT技術(shù)，可穿戴設(shè)備和移動設(shè)備之間的連接性將會推動大量新應(yīng)用的開發(fā)。原生支持藍(lán)牙v4.0，并且在iOS、Windows 8或Android操作系統(tǒng)下運行的藍(lán)牙智能Ready設(shè)備現(xiàn)已廣泛使用，這些設(shè)備能與智能手表無縫配對，讓用戶閱讀文本、查看來電者，甚至可使用智能手機(jī)上的應(yīng)用程序。
Nordic最新產(chǎn)品nRF51系列是優(yōu)化了的2.4GHz ULP無線連接解決方案。nRF51系列系統(tǒng)級芯片(SoC)結(jié)合了創(chuàng)新的硬件，極大簡化和加快了代碼開發(fā)工作。
意法半導(dǎo)體(ST)高級市場工程師任遠(yuǎn)
要考慮數(shù)據(jù)安全性
可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)需要在云端進(jìn)行分析，開發(fā)者需要跟云端服務(wù)器提供商結(jié)合起來。目前越來越多的云端服務(wù)器提供商以及互聯(lián)網(wǎng)商也加入到可穿戴設(shè)備的開發(fā)中來，通過提供硬件來獲取客戶的基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行后端數(shù)據(jù)庫的建立，這些數(shù)據(jù)的安全性是互聯(lián)網(wǎng)公司需要考慮的問題。
意法半導(dǎo)體可以提供針對可穿戴設(shè)備需要的微控制器、傳感器、低功耗藍(lán)牙、電源管理芯片等模塊。通過跟業(yè)界主流廠家合作，成功將前沿技術(shù)與低功耗MCU相融合，并協(xié)助其完成整個生態(tài)系統(tǒng)的建立。ST可提供最適合可穿戴設(shè)備的低功耗MCU，比如STM32L系列，低功耗模式下開啟RTC，RAM數(shù)據(jù)保持最低僅需要800nA電流。
德州儀器(TI)MSP430中國區(qū)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇
完整系統(tǒng)級方案助力設(shè)計
針對可穿戴式設(shè)備設(shè)計的兩大挑戰(zhàn)，TI的產(chǎn)品和方案具有以下兩方面的優(yōu)勢，可幫助客戶輕松實現(xiàn)可穿戴設(shè)備的設(shè)計：第一是完整和高集成度低功耗硬件平臺。一是TI的MSP430單片機(jī)是業(yè)界功耗最低、系列化最全的超低功耗單片機(jī)系列。我們提供超過400個MSP430型號，超過25種的封裝模式(最小實現(xiàn)2mm×2mm尺寸)，最大支持512KB Flash/64KB RAM，可覆蓋大部分可穿戴式設(shè)備MCU需要。二是CC2541低功耗藍(lán)牙方案和全面NFC產(chǎn)品線，實現(xiàn)低功耗無線連接。三是高集成度模擬前端。第二是完整系統(tǒng)級方案。目前TI開發(fā)的可穿戴式設(shè)備以及Health Hub方面的演示產(chǎn)品可以實現(xiàn)測量心率、血氧等功能，適用于保健、運動相關(guān)的領(lǐng)域。
博通中國區(qū)銷售總監(jiān)錢志軍
無線充電技術(shù)加快行業(yè)變革
可穿戴市場要實現(xiàn)起飛，需要低功耗、具有位置感知能力以及無論何時何地都可以互聯(lián)的設(shè)備，將這些產(chǎn)品與智能設(shè)備連接起來的能力就非常關(guān)鍵，因為它不僅提供了收集數(shù)據(jù)的窗口，還同時起著將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到云端的中心樞紐作用。智能手機(jī)以及平板電腦采用無線技術(shù)來收發(fā)這些數(shù)據(jù)，能夠大大降低可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)處理需求以及功耗的需求。而反過來，又為制造商以及消費者降低了相應(yīng)的成本。
此外，無線充電技術(shù)對于可穿戴設(shè)備來說，也代表著一個巨大的機(jī)會。無論是將設(shè)備放置在一個充電托盤，還是收集射頻能量，能夠快速地從周邊環(huán)境中為設(shè)備充電將為這些設(shè)備的發(fā)展帶來重大的正面效應(yīng)。無線電力傳輸、能量采集都將推動整個行業(yè)變革。
恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)便攜設(shè)備及計算產(chǎn)品部高級市場總監(jiān)石敬巖
NFC將起到關(guān)鍵作用
功耗、電池壽命、用于連接的超低功耗半導(dǎo)體以及傳感器都是阻礙可穿戴設(shè)備市場發(fā)展的因素。這些領(lǐng)域?qū)⒊蔀閯?chuàng)新的焦點。
由于其高級處理能力、低功耗和易用性，ARM內(nèi)核的微控制器似乎是可穿戴革命的核心，而且是可以使用的唯一核心。對于無線連接我們可見多個選擇，包括BTLE、Zigbee或其它網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及NFC。從低功耗通信和安全性方面看，我們認(rèn)為NFC將在可穿戴設(shè)備中起到關(guān)鍵作用。一般而言，連接性與應(yīng)用相關(guān)。但對于可穿戴設(shè)備實現(xiàn)安全互動而言，我們預(yù)見NFC和安全元件具有極大的潛力。目前，對于MEM類動作和位置傳感器的需求占據(jù)著主導(dǎo)地位。
羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司高級經(jīng)理王華
致力于一站式方案
針對可穿戴設(shè)備，ROHM(羅姆)提供了多種解決方案。以智能手表(手環(huán))為例，ROHM可以提供業(yè)界頂級低功耗的MCU和藍(lán)牙低功耗(BLE)方案，配以在智能手機(jī)上已廣泛使用的Kionix(ROHM子公司)MEMS傳感器，以及ROHM的紅外、可見光傳感器等。ROHM可以提供整體的Turn-key方案，目前在業(yè)界已推出的品牌手表/手環(huán)中取得了非常好的應(yīng)用。另外，以新工藝新技術(shù)實現(xiàn)世界最小尺寸的RASMIDTM系列為首，ROHM擁有的超小型分立器件將為不斷增長的可穿戴式設(shè)備市場作出較大貢獻(xiàn)。
LAPIS(ROHM的子公司)推出了基于獨有的U8內(nèi)核或ARM內(nèi)核的超低功耗MCU，并提供基于多種傳感器的數(shù)據(jù)融合算法，給客戶提供整套的應(yīng)用方案。
Silicon Labs美洲區(qū)市場營銷總監(jiān)Raman Sharma
節(jié)能32位MCU滿足需求
Silicon Labs提供業(yè)界最節(jié)能的32位MCU，非常適用于對功耗敏感、電池供電的可穿戴應(yīng)用。Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU能提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的能源效率、超長的電池壽命，外加優(yōu)秀的處理性能以及高集成度的小尺寸封裝。Gecko MCU的低功耗傳感器接口(LESENSE)和外設(shè)反射系統(tǒng)(PRS)對于超低功耗負(fù)載的可穿戴設(shè)備來說極具吸引力。LESENSE接口即使在MCU處于深度休眠模式下也能夠收集和處理傳感器數(shù)據(jù)，這使得MCU可以長時間保持在低功耗模式下，同時跟蹤傳感器狀態(tài)和事件。PRS監(jiān)視復(fù)雜的系統(tǒng)級事件，而且允許不同的MCU外設(shè)之間進(jìn)行自治通信，同時盡可能長地保持CPU處于節(jié)能休眠模式。