解读智能可穿戴的技术困境与重生之门

摘要：本专题邀请业内权威人士介绍了智能可穿戴的技术动态及发展趋势。

关键词：可穿戴；智能手表：ARNR

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.002

MCU与传感器

可穿戴设备MCU的发展趋势

随着消费者生活水平的提高，大家对健康越来越重视。健康类的智能可穿戴产品正在慢慢成为消费需求的增长点，其中包括健康监测类和运动协助类。健康监测类包括心率、血糖、血样、最大摄氧量等。运动协助类包括对各种运动的监测，简单如跑步、骑行、游泳等，更复杂的有高尔夫等球类运动的协助。目前市场上此类可穿戴产品功能还相对比较单一。随着技术的发展，功能更全、更复杂的产品一定会成为消费者高度关注的需求。

在这些智能可穿戴产品中，MCU和传感器是两大类核心器件。传感器包含各种运动传感器、位置传感器、生物传感器和环境传感器等，其发展趋势包括低功耗、高集成度、小体积、高精度等。MCU则包括广泛的性能和集成度等不同类型的微控制器产品，从低端的8/16位MCU到32/64位高性能ARM处理器，其发展趋势主要是低功耗、高集成度、无线连接、小封装等。MCU的运算能力对可穿戴设备的智能实现非常关键。当然可穿戴设备还需要先进的供电系统，包括电池或者太阳能供电系统等。

Cypress具有丰富的产品线支持智能可穿戴设备，包括PSoC微控制器、低功耗存储器、BT/BL E/WiFi无线连接产品和能量收集方案等。其中PSoC微控制器是一个非常有竞争力的MCU系列，包括基于Cortex-M0+的PSoC 4系列和基于Cor[ex-M4/MO+双核的专为可穿戴设备及物联网打造的PSoC 6系列。

未来可穿戴仍会保持高速增长

目前ROHM在市场上推广的可穿戴产品终端主要还是以智能手表和运动手环为主，另外也有一些以它们为参考而设计的衍生类产品，例如心跳监测手环等。这些产品中的核心元器件主要是在这个过程中负责采集数据的传感器、负责控制的MCU以及负责传输数据的无线通信模块这三块，ROHM在这三块都有相应的产品及解决方案，可最大程度提供与客户需求高匹配度的解决方案。

由此可见，可穿戴设备和传感器技术密切相关，传感器在穿戴设备中扮演着重要角色。随着穿戴设备灵活轻便的发展趋势，可穿戴应用中传感器的整体发展也更趋向于智能化、小型化、低功耗及低成本化。据市场调查，未来几年可穿戴仍会保持较高的市场增长率，相应搭载在穿戴设备上的传感器仍会存在很大发展空间。ROHM则会顺应这一趋势，凭借多年来积累的技术经验，从芯片的生产、LSI设计到封装，本着高精度、低功耗、小型化等原则致力于传感器产品的研发，并提供使人们生活更加便利、舒适、安全的整体传感器解决方案。

ROHM在穿戴市场上推广的一些主要的传感器类产品包括用于运动检测的加速度传感器、检测高度及计算卡路里的气压传感器、用作电子罗盘的地磁传感器及高精度脉搏传感器。

FPGA满足可穿戴设备高级并行处理能力的需求

现有的可穿戴设备大部分都是智能手表或健康手环。这些应用本质上并不“智能”，而是对智能手机的扩展，用于轻松访问副屏和/或进行低速和低功耗生理体征测量，如计步器和心率测量器等。随着语音、AR和Al技术的发展，我们将会看到更多更加智能的可穿戴设备，涵盖语音控制的智能耳机到可以进行空间、手势和目标识别的AR眼镜。这些全新的应用，特别是涉及到空间测量（例如音频波束形成或AR手势检测）时，需要实时工作的低功耗传感器中心来同时捕捉和处理来自传感器阵列的数据。与其他应用处理器、MCU和DSP相比，莱迪思FPGA能够提供灵活的I/O和更高的能耗比，可为智能可穿戴产品实现实时处理解决方案。

与传感器相关的可穿戴应用有两种不同但互相依附且不断发展的趋势：1）多个传感器的并行连接以及数据捕获，如麦克风阵列、多摄像头应用、多IMU应用，这是传感器聚合应用的高级形式：2）环境感知应用对于实时工作传感器处理的需求不断增长。

使用多个传感器，系统可以实现更高的精度或获取更多细节，如3D深度测绘、回声和噪声消除以及流体运动跟踪等。然而，由于大多数MCU和处理器I/O数量有限并且无法捕获和实现实时并行处理，因此不适用于实现上述功能。而FPGA则能够提供更多I/O和独立的传感器接口，更适合上述需要高级并行处理能力的应用。对于基于视觉的应用，如VR和AR的内向外跟踪或虹膜跟踪，莱迪思的MachX03和CrossLink可编程ASSP（pASSP）可用于执行多摄像头聚合；如果对于深度测绘等自主计算有需求的话，可以使用具有更强处理能力的ECP5。莱迪思的iCE40移动FPGA产品系列经过优化，可提供功耗更低、尺寸更小和成本更低的特性。莱迪思最近推出的iCE40 UltraPlus增加了1℃支持，可实现低功耗、实时摄像头连接以及低延迟的预处理应用。

可穿戴两大发展方向——健康保健及智能化

可穿戴产品种类众多，但是从市场的成熟度和规模角度来看，智能手表和手环类仍为主流产品形态。例如，小米手环就是整个行业的代表，以及前不久华米推出的Amazfit米动健康手环都是具有行业开创和引领效应的产品。

可穿戴产品的两个趋势或者特点将成为驱动卢品和行业发展的推动力：一是健康保健功能不断丰富和完善，包括运动监测，体征信号检测，甚至环境相关的监测等；二是智能化，作为人工智能重要接入，甚至是人工智能的最终用户的直接硬件设备，通过大数据的融合处理实现智能化的深度信息挖掘，进而解决用户痛点，提高使用体验。例如以上提到的两种产品都可以印证这些特点。例如华米的米动健康手环，可以监测心脏健康状况，还实现了心电ID识别，从基本的测量原理角度分析，自然要用到心电（ECG）采集相关的核心专用元器件；同时连续运动心率的監测会用到光电法心率测量的相关传感器和电路等核心原器件。endprint

ADI的系列低功耗、单导联、心率监护仪模拟前端（AFE）AD8232以及最新的AD8233专为满足新兴的健身设备、便携式/佩戴式监控设备和远程健康监护设备的ECG信号调理要求而设计。与当前很多集成解决方案中采用的拓扑结构不同，AD8233高度灵活的模拟滤波配置采用双极高通滤波器，结合芯片内部的仪表放大器架构和无使用约束运算（增益）放大器，支持用户采用多极低通滤波技术来消除线路噪声和其他干扰，并可提供在关断模式下的导联脱落监测功能。另外一款高集成度的ADASlOOO完全可以用于类做的应用场合。

可穿戴设备对数据安全要求更高

现如今，用于生命体征（vital singal）监测的可穿戴设备正在快速发展。包括智能手表在内的腕戴式健身和健康设备越来越受欢迎，这些设备不仅具有步进跟踪功能，而且提供相关的健身/健康指标，包括受力分析参数以及基础心率和心率变异分析等功能。

Maxim的新型健康传感平台（hSensor平台）是一套支持ARM？mbed^TM开发环境的超小尺寸解决方案，支持快速、简便地设计可穿戴健康和健身应用，可节省多达六个月的设计时间。该平台作为MAXREFDESlOO#参考设计提供，允许设计者加载适用不同用例的算法以及配置特定应用。hSensor平台可用于健康、保健及高端健身应用的完整开发平台，并支持如胸带、心电图计、腕戴式设备、体温计、一次性温度计、血氧测量、智能称重仪以及生物识别等各种应用场景。

另外，行业的总体趋势是对于产品的数据安全有了更高的需求。在设计早期就考虑安全性的实现方式，并集成到产品中是至关重要的。为有效地保证安全性，必须从传感器到云端的多个层面对设计进行部署。

Maxim一直致力于其DeepCover？安全微控制器系列的研发。结合了先进的加密技术和物理安全，从而提供高级别的物理篡改和反向工程保护。

TDK对可穿戴设备静电防护的考虑

近年来，随着芯片技术和传感器技术的不断发展，各类智能可穿戴设备也不断涌现。可穿戴设备频繁地和人体接触，因而在设计时需要充分考虑静电防护，以保证产品性能和长期使用的可靠性。

TDK的爱普科斯CeraDiodes？多层压敏电阻在各类智能可穿戴设备和移动支付相关的应用中，为NFC（近场通讯）系统提供卓越的静电（ ESD）解决方案，保护NFC系统的天线和NFC芯片免受EMI/ESD影响。CeraDiodes？采用的新型微核技术使得SMD或嵌入式解决方案静电防护性能高达30KV，并且可实现0402，0201及更小的封装尺寸。该微核材料经系统测试，其单位有效体积的静电抗干扰性达到业内顶尖水平，响应时间极快，且钳位电压也极为可靠。并且，CeraDiodes？具有卓越的长期稳定性、高温性能以及高数据传输率。

低功耗、传输

待机时间是可穿戴设备的重要指标

可穿戴产品范围较广，从手表、手环可以延伸到服饰、眼镜。如果以腕上设备来看，小米手环2取得了非常不俗的成绩，在刚刚过去的一个季度是可穿戴设备全球销量最大的时期，其超长的待机时间和超高性价比受到了市场的青睐。除了手环以外，带GPS的运动手表也有不俗的市场表现。

可穿戴设备的待机时间是衡量其性能的一个重要指标。在未来的一段时间里仍将如此。单芯片蓝牙和MCU解决方案应该继续优化系统功耗。除此之外，MEMS传感器和光学心率计的功耗也应继续降低。

除了待机时间外，可穿戴设备也需要更丰富的功能支撑，例如无线支付，更精确的运动识别（例如识别打网球和做俯卧撑）。随着传感器和算法的进一步发展，未来的可穿戴设备也会承载更多的健康功能，例如血压监控。

Dialog在过去的一两年内陆续推出了单芯片可穿戴解决方案DA1468x，以及蓝牙5芯片DA14585/6。这两款芯片目前已经被广泛应用在各种可穿戴产品中。我们也在积极开发下一代芯片，在产品性能上会有内存更大，处理能力更强，功耗更低等新的突破。

可穿戴设备为医疗市场带来商机

医疗市场有着充分利用最新可穿戴技术而真正发展起来的商机。例如，简称为“mHealth”的移动医疗设备能以可靠的和不显眼的设备监测生命体征和药物输送，然后通过互联网与医疗专业人员交流信息，可缓解患者前往医院进行例行检查的需求，并让他们在家中獲得实时高效的医护。低成本、可自由支配、可穿戴的医疗技术，如采用湿度感测的敷料，也代表了创新的医疗保健方法，有利于促进病人的健康，为他们带来舒适和方便。

传感和测量、信号处理、超低功耗、备用电源和通信有助于可穿戴式医疗设计提供远程监控和护理所需的核心元器件能力。与心率和糖尿病（葡萄糖监测）有关的数据监测是像安森美半导体这样的公司可提供高度集成的系统单芯片器件的领域，这些器件含支持一个完整的方案所需的许多功能块。考虑到所有类型的可穿戴设备都由电池供电，所以低功耗是个重要的因素。在某些情况下，由于各种条件所限，方案可能需要无电池，而采用能量收集。

RSLIO无线电系统单芯片

安森美半导体的RSL10无线电系统单芯片系列为移动医疗和物联网（IoT）提供蓝牙低功耗技术。采用先进的封装技术开发微型助听器，RSLlO结合许多所需的功能块到一个完整的、微型的、低功耗方案，用于可穿戴医疗应用。在传感方面，安森美半导体的智能无源传感器能够测量参数如温度和湿度，同时也有能量收集能力，在电源需求方面能自给自足。另外，安森美半导体的物联网开发套件（IDK）提供一个易于使用的、可配置的、快速原型开发平台，配以一个集成的开发环境，有助于开发人员迅速把移动医疗理念由概念落实。

Nordic低功耗监牙助力可穿戴设备实时交互

新兴移动虚拟现实（VR）炙手可热，用于这类应用的运动控制器也受到市场注目。例如Ximmerse广东虚拟现实科技公司推出的两款解决方案：三自由度（3DoF）运动控制器Xim们p和具有位置跟踪功能的六自由度（6DoF）的移动VR套件Ximneon。Ximflip采用Nordic的nRF51822低功耗蓝牙系统级SoC，Ximneon则由Nordic的nRF52832 SoC使能。endprint

Ximflip兼容大多数移动VR头戴装置，它与用户的智能手机配对后，用户便可在基于智能手机应用程序的VR游戏中进行各种操作，例如指向、选择、抓取、划桨和投掷。

此外，智能手表和手环也是很普及的多功能产品。例如Trasense Internati。nal推出的“H03 Pro-N”智能运动手表同时兼具智能手表和运动手表两者的功能。该款手表能够测定距离、步数和燃烧的卡路里，以及提供来电提醒、来电拒接、智能报警和遥控智能手机摄像头：而上海智向科技公司的BeacooICarFit手环不仅可报告健康指标，而且集成了电子支付及多项汽车功能的远程控制。两款产品均选用了nRF52832 SoC以实现低功耗蓝牙无线连接功能。

Nordic用于这类产品的解决方案包括nRF52832低功耗蓝牙SoC，这是Nordic的第六代超低功耗无线连接解决方案。SoC配有Nordic的S132协议栈，它是支持蓝牙4.2的射频软件协议栈，用于构建高级低能耗蓝牙应用程序。S132协议栈可以同时运行中央、外围、广播和观察者这几个低功耗蓝牙角色，最多可同时支持八个连接。

一款用于儿童的入耳式温度计

德国Cosinuss，公司的degree产品是一款市场将会增长的可穿戴产品。degree是一款用于儿童的入耳式温度计，在发烧期间可连续测量儿童的体温。体温数据记录在设备上，并且在温度过高或者温度上升过快时向父母的智能手机发送通知。对于焦虑的父母，这项功能提供了高安全性，能够在病症初起时快速应对，并且，父母能够在病症形成期间做出反应，预防病症加重。在治疗之后，也可以监测和调整效果。

目前，这样的技术还没有提供给大众市场，但在有了最新的低功耗蓝牙技术以后，将很快面向普通消费者。degree将使用Nordic Semiconductor最新的NordicnRF52840 SoC器件。该系列芯片能够使用蓝牙5，允许高数据吞吐量和多个广告扩展。由于仅有经过选择的低功耗数据可以从温度计向智能手机传送，从而能够很大限度地减少耗能，从而增加电池使用时间。蜂窝连接技术助穿戴设备成长

至今为止，智能手表功能有限，并且电池寿命短，主要原因是它们使用了设计用于智能手机而不是智能手表的处理器。随着这些智能手表背后的技术得到改进，使用智能手表的总体体验将会更好。一项重大进步是智能手表不必再依附智能手机，而蜂窝连接技术将是其中主要的推动力。全新LTE标准，例如Cat-M1将会在智能手表等智能设备中实现极低功耗盯E连接，可让这些设备的电池寿命从数小时延长到数周。而且，语音控制位于智能手表上，而不用依赖云，这将极大地改善用户体验。因此，我们预计智能手表的使用在未来数年将显著增加。

在健康监测和诊断领域中，联网的可穿戴设备能够连续地监测健康状况、身体表现和脑电波，与带心率监测功能的健身腕带和智能手表不同，这是另一种形态的产品，将会更加流行。在健康监测领域的新技术还包括智能服装，上面的传感器能够监测出汗的钠含量、身体脱水情况和其它关键生物特征指标。

CEVA可为智能可穿戴设备提供完整的调制解调器解决方案，为可穿戴设备带来蜂窝连接，支持LTE CAT-M1和CAT-NB1等全新標准；提供蓝牙5和Wi-Fi技术来相互连接可穿戴产品和传感器，并且连接至智能手机：提供极低功耗语音生物识别、语音激活和语音控制DSP产品，能够在任何可穿戴设备中实现先进的语音用户界面。

可穿戴相机及病人健康监测将成焦点

有强烈的迹象表明，可穿戴相机和可穿戴病人健康监测装置将会继续显着增长。健康和体质监测功能往往都会集成到智能手表当中，在总体上也将有助于推动下一代智能手表市场的增长。

对于运动相机来说，相机模块本身将决定这台相机是顶级产品还是仅仅一件主流产品。主流的运动相机一般仍会配备定焦广角镜头，焦距通常在17毫米到20毫米的区间内（相当于35毫米单反相机）。根据传感器的具体尺寸，视野约在140度左右，而某些型号更可达到170度。

传感器技术和微型化电子组件的飞速发展，使得一系列新型的健康监测装置成为了可能，不仅可以帮助挽救生命，而且可潜在地降低成本，这是因为医院之外的准确远程诊断也可以成为现实，而医院内部连续的24小时监测也会变得愈发方便，所需的时间与开支也更少。有关设备包括血压监护仪、动态血糖监测仪、脉搏血氧计，以及心电（ECG）监护仪。这些设备的外形尺寸可以各不相同，从腕带和胸带的形式，以至各种接插线与可吞入体内的设备等。而微型化是诊断用可穿戴设备的新兴的趋势之一。

这两类产品都需要坚固而又节省空间的互连解决方案， “灵活”的性能可以成为一项主要优势。Molex提供的Tem p-Flex⑩多芯线缆解决方案可以很好地满足这一需求。该线缆采用了Temp-Flex以及Molex的核心能力，在一个高柔性线缆解决方案中将各种细线、同轴、双股线缆、三同轴线缆、绞线对、线缆管和强力构件结合到一起，设计可满足恶劣环境和临界条件下对数据、信号和功率的需求。医疗应用则包括诊断、影像和外科设备。

AR/VR

可穿戴设备需要更低功耗和更小尺寸

随着生活质量日渐提高，人们越发重视健康，智能可穿戴设备可以无缝连接健康监控指标和医疗检测技术，有着广阔的美好前景，目前比较火爆的4G智能运动手表，不仅具有运动监测提醒优化等各种功能，可以通过4G网络实时传送到云端，语音通话功能也不容忽视。智能医疗手环可以每天24小时对身体状况监测，血糖、心率、血压这些健康指数非常容易得到这些大数据分析。

小的体积优异的ESD性能对穿戴设备尤显重要，穿戴设备和人体时刻不停地在接触，静电放电问题总会发生，所以静电保护不可缺少，通常的要求都会高于20KV以上，而我们的器件在0201的尺寸里面可以满足30KV的静电测试要求，甚至更小的01 005的封装产品也可以提供给客户使用。endprint

可穿戴设备需要更低功耗、更小尺寸的产品，我们ESD的保护产品也就是顺应了这些产品的需求，例如我们的01 005尺寸的SP3042系列产品静电等级达到了30KV的接触放电水平，对于快速脉冲的吸收能力达到了40A （IEC6100-4-4 EFT 5/50ns），漏电流却小于0.1 μA。这些低功耗、高性能的产品确保了可穿戴设备的安全性和可靠性。

机器学习使AR需要更高效的存储技术

早期问世的一些AR头显（如Google Glass）的目标是投射数字信息，帮助用户制定更好的决策，而之后问世的一些更高级的AR头显（如Microsoft HoIoLens）则拥有更强大的处理能力、更好的光学和电源管理，使用户能够与这些数字对象交互。这些高级头显的所有功能无一例外，都让用户能够以3D形式观看虚拟对象并与之交互，就像这些对象位于真实环境中一样。

AR的进步与机器学习的进步同时发生，机器学习与AR头显的功能可以完美合作。随着机器学习的不断发展，AR头显有可能会成为智能端点设备，用于训练这些机器学习的算法。算法的智能程度提高后，反过来又有助于向AR眼镜提供最相关的信息，使其成为必不可少的设备。

从架构的角度来说，很多早期设计的头显都基于智能手机，但搭载了新应用并引入了机器学习，我们可能会看到为了增强用户体验而开发的专用硬件（CPU、GPU、FPGA、传感器、加速器）和软件。现如今的头显设计使用了广泛应用于智能手机的标准存储密度和封装。随着人们开始想要更省电、更轻便且功能更强大的头显，这些传统存储有时可能无法满足需求。更加高效的存储以及硅光子领域的进步，可让电源、性能和吞吐量等实现巨大改进。此外，还可能会有各种封装选项可供选择。如果半导体芯片可以与高速互联技术相结合，就能缩短信号的传输距离、拓宽信号路径，从而提升性能。美光科技专注于存储技术领域，不仅出色地打造出了当今先进的内存和存储技术，还不断对面向未来的新技术进行投资和研究。

VR/AR设备需要更好的抗干扰能力

随着VR和AR技术的提升和普及，VR和AR极有潜力成为下一代大型数码平台载体，在可预见的不远将来，VR和AR体验设备将会越来越流行。

VR/AR头戴设备结合了仿真模拟和计算机图形、多媒体、传感和网络技术等多种技术。它是现代显示技术下的创新型设备，对于增强显示、虚拟现实和立体显示体验而言，是非常重要的硬件部分。

由于VR/AR设备是多种技术结合的产品，在各个电子元器件之间，存在着电磁场感应，电源馈线和地线传输的干扰。因此，如何有效地屏蔽电磁波则成为实现VR/AR性能的重中之重。CABLINE@-CA II极细同轴线连接器

爱沛电子（l-PEX）提供各种规格的极细线同轴线连接器，板对板（FPC）和FPC/FFC连接器，超小型RF同轴连接器和电缆组件，以满足VR/AR头戴设备对高速传输和电磁波屏蔽的要求。

CABUNE⑩-CA真真极细同轴线连接器采用360度全屏蔽防EMI结构，能够传输20Gbps的高速数据。可以应用于显示屏，摄像模组以及存储设备等电子设备。

随着物联网设备上高速应用的发展.使高速数据总线免于受到设备内外不同射频信号的影响是一项挑战。可以考虑使用额外的组件，如屏蔽带和屏蔽罩等，但这些可能需要额外的空间和时间来实现。l-PEX的CABLINE-CA II极细同轴线连接器提供全屏蔽构造，使空间和时间大大节省。另外，机械式锁扣可防止连接器脱落。

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