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解读智能可穿戴的技术困境与重生之门 

作者:王莹 王金旺时间:2017-08-29来源:电子产品世界
编者按: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。

作者/ 王莹 王金旺 《电子产品世界》编辑

本文引用地址:article/201708/363612.htm

摘要:本专题邀请业内权威人士介绍了智能的技术动态及发展趋势。

MCU与传感器

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/BLE/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Cortex-M4/M0+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AI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MachXO3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I3C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,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产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监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。

  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ADAS1000完全可以用于类似的应用场合。

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™ 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MAXREFDES100# 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,并让他们在家中获得实时高效的医护。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。



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