可穿戴設備：“功耗”說了算

　　有人說，在科技博客這個圈子里，可穿戴設備是個讓人聽了想睡覺的詞。嘰嘰喳喳吵了至少一年了，2014年或將成為可穿戴設備的突破年，在今年的CES上也有眾多的可穿戴設備展出。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備能夠說服多數人把它“戴”在身上。除了“體驗”這種虛無飄渺的說辭之外，技術上或許還要從長計議。

　　難關：尚需攻克

　　實現盡可能低的系統(tǒng)功耗是可穿戴設備主要技術挑戰(zhàn)，同時也需要使用創(chuàng)新的算法和傳感器。

　　目前可穿戴設備基本上通過各種傳感器進行相關指標的測量，以MCU或AP作為主控，外加傳統(tǒng)藍牙、低功耗藍牙或NFC等技術進行無線通信。雖然這些技術分別相對成熟，但組合在一起適應可穿戴設備的需求還遠不像“搭積木”那么簡單。

　　德州儀器(TI)MSP430中國區(qū)業(yè)務拓展經理刁勇對記者介紹說，從技術層面上看主要面臨兩大難點：一是可穿戴設備是用電池供電的，需要較長的待機和使用時間，實現盡可能低的系統(tǒng)功耗是主要技術挑戰(zhàn)。二是要實現體征數據的測量比如心跳等，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域。

　　恩智浦大中華區(qū)便攜設備及計算產品部高級市場總監(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備市場發(fā)展的因素，在將來這些領域會持續(xù)成為創(chuàng)新焦點。博通中國區(qū)銷售總監(jiān)錢志軍認為，小巧以及便于攜帶是可穿戴設備的重要特性，來自功耗的挑戰(zhàn)令人關注。

　　而從實際設計來看，還有諸多細節(jié)有待斟酌。安森美半導體應用產品部(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，在技術上沒有不可逾越的障礙，在設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 架構及DSP?怎樣提高軟件靈活性?怎樣選擇適合的無線連接技術等。這些“細節(jié)”或將決定最終成敗。

　　而讓可穿戴設備“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，可充分利用現有的智能手機和平板電腦的強大處理能力來處理可穿戴設備收集到的數據，例如生命體征、運動指標或睡眠質量等，這樣既能減少對于可穿戴設備處理能力的要求，同時降低了功耗，進而可穿戴設備的成本也會降低，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可穿戴設備來說是一個關鍵設計因素，基于ARM Cortex-M處理器的MCU是最佳解決方案。

　　MCU作為可穿戴設備的主控，實現低功耗可謂其最高“生存法則”。從市場來看，基于ARM的Cortex-M在低功耗應用中具備優(yōu)勢，但可穿戴設備市場上也出現了基于Cortex-A的MCU。

　　Silicon Labs美洲區(qū)市場營銷總監(jiān)Raman Sharma認為，雖然基于Cortex-A的產品概念設計極具宣傳噱頭，但設計不切實際，難以滿足當今大多數可穿戴設備對于超低功耗的需求。他進一步解釋說，雖然ARM Cortex-A系列的MCU在基于Android的便攜式設備上或是絕佳選擇，但是這些設備是基于可頻繁充電的情況而設計的。在可穿戴設備中實現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可穿戴設備是一個關鍵設計因素，基于ARM Cortex-M的MCU是可穿戴設備設計的最佳解決方案。

　　從市場來看，大多數廠商傾向于采用Cortex-M核。意法半導體(ST)高級市場工程師任遠介紹說，目前可穿戴設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，包含完全可編程的雙MAC 24位DSP內核、支持無線協(xié)定的ARM Cortex-M3處理器內核、高度靈活的HEAR可配置加速器引擎。

　　無線技術：互為長短

　　現有的無線技術各有其優(yōu)缺點，業(yè)界目前仍然缺乏結合無線技術優(yōu)點同時克服其缺點的無線通信標準。

　　隨著可穿戴設備日趨流行，利用無線技術實現互聯(lián)將成為其潛力的關鍵所在。在各有所長的無線連接技術中，究竟誰能勝出?半導體廠商的選擇或是單點開花，或是多路并進，但無論如何，都要“死磕”功耗這一難題。

　　Raman Sharma表示，低功耗藍牙被視為在可穿戴產品中最理想的低功耗、點對點無線連接解決方案，可應用于與智能手機連接的健身追蹤器、智能手表中。任遠也介紹說，由于低功耗的需求，到目前為止還是藍牙比較適合可穿戴設備。羅姆方面也表示，目前藍牙和Wi-Fi都有應用，由于連接的便捷性和低功耗，所以更看好藍牙特別是低功耗藍牙(BLE)技術在未來的應用。

　　“藍牙、Wi-Fi擁有各自的優(yōu)勢，我們會根據產品的設計來選擇適用的通信技術?！?索尼移動通信大中華區(qū)副總裁兼市場部負責人鄭書仁表示，”目前來看，索尼的大部分硬件基本都實現了內置NFC芯片，這樣可輕易實現設備與設備之間的一觸連接，不需要繁瑣的配對過程?！?/P>

　　石敬巖也認為，無線連接技術有多個選擇，包括BLE、Zigbee或其他網狀網絡協(xié)議以及NFC。從低功耗通信和安全性方面來看，NFC將在可穿戴設備中起到關鍵作用。

　　另外值得關注的是超低功耗(ULP)連接的可用性。Nordic首席執(zhí)行官Svenn-Tore Larsen認為，現今具備Bluetooth v4.0(或藍牙智能Ready)功能的智能手機和平板電腦，一般都通過含低功耗藍牙(BLE)或ANT+ULP技術的配件來實現無縫無線通信，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。

　　從具體應用來看，無線技術還需要“分門別類”。在用于助聽器的無線技術方面，包括近場磁感應(NFMI)、藍牙及2.4GHz無線技術。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備(如智能手機)之間的無線通信。藍牙通常用于中繼設備與兼容藍牙的音頻源之間的無線通信。“現有的這些無線技術各有其優(yōu)缺點，業(yè)界目前仍然缺乏結合上述無線技術優(yōu)點同時克服其缺點的助聽器用無線通信標準?！毕鹈缯f，“目前一種可行的途徑就是采用‘雙無線’技術，如安森美的Ezario 7100同時兼容NFMI和2.4GHz射頻技術?！?/P>

　　從趨勢來看，Wi-Fi、藍牙、NFC和GPS等功能強大的無線技術奠定了基礎，而無線組合芯片在這一領域也正飛速發(fā)展。錢志軍認為，可穿戴設備需要一種方便易行但卻先進的技術為其供電，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：風頭猶勁

　　未來移動醫(yī)療會逐步集成到可穿戴設備中，越來越多的生物以及光傳感器會加入到可穿戴設備中，實現健康指標的測試。

　　在可穿戴設備層面，傳感器絕對是“大頭”。任遠表示，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，幫助消費者實現健康應用。他進一步指出，未來移動醫(yī)療會逐步集成到可穿戴設備中，越來越多的生物以及光傳感器會加入到可穿戴設備中，實現例如血壓、血氧、心率等健康指標的測試。

　　而隨著可穿戴醫(yī)療設備的發(fā)展，那些能夠實現醫(yī)療指標(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著主導地位，但環(huán)境傳感器和生物傳感器在這一市場關鍵增長領域具有很大的發(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，非常適合傳感器應用需要。

　　廠商觀點

　　Nordic首席執(zhí)行官Svenn-Tore Larsen

　　無線連接技術推動新應用開發(fā)

　　從應用來看，智能手表和緊湊型無線傳感器采用藍牙v4.0(最近升級為藍牙v4.1)提供無線連接，是目前在可穿戴設備技術中極具代表性的。同時，它們能夠利用ANT+ULP無線技術(這是藍牙低功耗技術的競爭技術，用于無線傳感器)。無論是藍牙或ANT技術，可穿戴設備和移動設備之間的連接性將會推動大量新應用的開發(fā)。原生支持藍牙v4.0，并且在iOS、Windows 8或Android操作系統(tǒng)下運行的藍牙智能Ready設備現已廣泛使用，這些設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上的應用程序。

　　Nordic最新產品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。

　　意法半導體(ST)高級市場工程師任遠

　　要考慮數據安全性

　　可穿戴設備的數據需要在云端進行分析，開發(fā)者需要跟云端服務器提供商結合起來。目前越來越多的云端服務器提供商以及互聯(lián)網商也加入到可穿戴設備的開發(fā)中來，通過提供硬件來獲取客戶的基本數據，進行后端數據庫的建立，這些數據的安全性是互聯(lián)網公司需要考慮的問題。

　　意法半導體可以提供針對可穿戴設備需要的微控制器、傳感器、低功耗藍牙、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備的低功耗MCU，比如STM32L系列，低功耗模式下開啟RTC，RAM數據保持最低僅需要800nA電流。

　　德州儀器(TI)MSP430中國區(qū)業(yè)務拓展經理刁勇

　　完整系統(tǒng)級方案助力設計

　　針對可穿戴式設備設計的兩大挑戰(zhàn)，TI的產品和方案具有以下兩方面的優(yōu)勢，可幫助客戶輕松實現可穿戴設備的設計：第一是完整和高集成度低功耗硬件平臺。一是TI的MSP430單片機是業(yè)界功耗最低、系列化最全的超低功耗單片機系列。我們提供超過400個MSP430型號，超過25種的封裝模式(最小實現2mm×2mm尺寸)，最大支持512KB Flash/64KB RAM，可覆蓋大部分可穿戴式設備MCU需要。二是CC2541低功耗藍牙方案和全面NFC產品線，實現低功耗無線連接。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)的可穿戴式設備以及Health Hub方面的演示產品可以實現測量心率、血氧等功能，適用于保健、運動相關的領域。

　　博通中國區(qū)銷售總監(jiān)錢志軍 無線充電技術加快行業(yè)變革

　　可穿戴市場要實現起飛，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)的設備，將這些產品與智能設備連接起來的能力就非常關鍵，因為它不僅提供了收集數據的窗口，還同時起著將這些數據發(fā)送到云端的中心樞紐作用。智能手機以及平板電腦采用無線技術來收發(fā)這些數據，能夠大大降低可穿戴設備數據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的成本。

　　此外，無線充電技術對于可穿戴設備來說，也代表著一個巨大的機會。無論是將設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)境中為設備充電將為這些設備的發(fā)展帶來重大的正面效應。無線電力傳輸、能量采集都將推動整個行業(yè)變革。

　　恩智浦半導體大中華區(qū)便攜設備及計算產品部高級市場總監(jiān)石敬巖

　　NFC將起到關鍵作用

　　功耗、電池壽命、用于連接的超低功耗半導體以及傳感器都是阻礙可穿戴設備市場發(fā)展的因素。這些領域將成為創(chuàng)新的焦點。

　　由于其高級處理能力、低功耗和易用性，ARM內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或其它網狀網絡協(xié)議以及NFC。從低功耗通信和安全性方面看，我們認為NFC將在可穿戴設備中起到關鍵作用。一般而言，連接性與應用相關。但對于可穿戴設備實現安全互動而言，我們預見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著主導地位。

　　羅姆半導體(上海)有限公司高級經理王華

　　致力于一站式方案

　　針對可穿戴設備，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和藍牙低功耗(BLE)方案，配以在智能手機上已廣泛使用的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用。另外，以新工藝新技術實現世界最小尺寸的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備市場作出較大貢獻。

　　LAPIS(ROHM的子公司)推出了基于獨有的U8內核或ARM內核的超低功耗MCU，并提供基于多種傳感器的數據融合算法，給客戶提供整套的應用方案。

　　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用。Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU能提供業(yè)內領先的能源效率、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)和外設反射系統(tǒng)(PRS)對于超低功耗負載的可穿戴設備來說極具吸引力。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據，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)視復雜的系統(tǒng)級事件，而且允許不同的MCU外設之間進行自治通信，同時盡可能長地保持CPU處于節(jié)能休眠模式。