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可穿戴设备:“功耗”说了算

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   有人说,在科技博客这个圈子里,可穿戴设备是个让人听了想睡觉的词。叽叽喳喳吵了至少一年了,2014年或将成为可穿戴设备的突破年,在今年的CES上也有众多的可穿戴设备展出。虽然业界大佬不争相涌入这一市场就如同与行业脱节一样,但问题是没有哪款设备能够说服多数人把它“戴”在身上。除了“体验”这种虚无飘渺的说辞之外,技术上或许还要从长计议。

  难关:尚需攻克

  实现尽可能低的系统功耗是可穿戴设备主要技术挑战,同时也需要使用创新的算法和传感器。

  目前可穿戴设备基本上通过各种传感器进行相关指标的测量,以MCU或AP作为主控,外加传统蓝牙、低功耗蓝牙或NFC等技术进行无线通信。虽然这些技术分别相对成熟,但组合在一起适应可穿戴设备的需求还远不像“搭积木”那么简单。

  德州仪器(TI)MSP430中国区业务拓展经理刁勇对《中国电子报》记者介绍说,从技术层面上看主要面临两大难点:一是可穿戴设备是用电池供电的,需要较长的待机和使用时间,实现尽可能低的系统功耗是主要技术挑战。二是要实现体征数据的测量比如心跳等,需要使用创新的算法和传感器,这对开发人员而言是全新的领域。

  恩智浦大中华区便携设备及计算产品部高级市场总监石敬岩表示,功耗、电池寿命以及传感器都是阻碍可穿戴设备市场发展的因素,在将来这些领域会持续成为创新焦点。博通中国区销售总监钱志军认为,小巧以及便于携带是可穿戴设备的重要特性,来自功耗的挑战令人关注。

  而从实际设计来看,还有诸多细节有待斟酌。安森美半导体应用产品部(医疗类)高级市场工程师席金苗指出,以可穿戴助听器为例,在技术上没有不可逾越的障碍,在设计方面仍然面临一些挑战,如在总体系统方面,怎样提供优异的声音品质和计算能力?怎样在低供电电压条件下(可能低至1.0V)将能耗降至最低?怎样将物理尺寸减至最小?在信号处理硬件平台方面,怎样选择适合的DSP 架构及DSP?怎样提高软件灵活性?怎样选择适合的无线连接技术等。这些“细节”或将决定最终成败。

  而让可穿戴设备“借力打力”更是两全其美的选择。博通总裁兼首席执行官、董事会成员Scott A.McGregor说,可充分利用现有的智能手机和平板电脑的强大处理能力来处理可穿戴设备收集到的数据,例如生命体征、运动指标或睡眠质量等,这样既能减少对于可穿戴设备处理能力的要求,同时降低了功耗,进而可穿戴设备的成本也会降低,消费者能以较低的价格购买。

  MCU:Cortex-M系列占优

  超长电池寿命对于大多数可穿戴设备来说是一个关键设计因素,基于ARM Cortex-M处理器的MCU是最佳解决方案。

  MCU作为可穿戴设备的主控,实现低功耗可谓其最高“生存法则”。从市场来看,基于ARM的Cortex-M在低功耗应用中具备优势,但可穿戴设备市场上也出现了基于Cortex-A的MCU。

  Silicon Labs美洲区市场营销总监Raman Sharma认为,虽然基于Cortex-A的产品概念设计极具宣传噱头,但设计不切实际,难以满足当今大多数可穿戴设备对于超低功耗的需求。他进一步解释说,虽然ARM Cortex-A系列的MCU在基于Android的便携式设备上或是绝佳选择,但是这些设备是基于可频繁充电的情况而设计的。在可穿戴设备中实现Cortex-A的高性能是以很高的能耗为代价的,这使得一次充电仅仅能工作几天。因为超长电池寿命对于大多数可穿戴设备是一个关键设计因素,基于ARM Cortex-M的MCU是可穿戴设备设计的最佳解决方案。

  从市场来看,大多数厂商倾向于采用Cortex-M核。意法半导体(ST)高级市场工程师任远介绍说,目前可穿戴设备中的微控制器大部分以ARM核心为主,比如ST基于Cortex-M核心的STM32系列MCU,以其低功耗以及小封装得到业界的青睐。席金苗说,以安森美Ezairo 7100系统级芯片为例,该器件采用4核架构,包含完全可编程的双MAC 24位DSP内核、支持无线协定的ARM Cortex-M3处理器内核、高度灵活的HEAR可配置加速器引擎。

  无线技术:互为长短

  现有的无线技术各有其优缺点,业界目前仍然缺乏结合无线技术优点同时克服其缺点的无线通信标准。

  随着可穿戴设备日趋流行,利用无线技术实现互联将成为其潜力的关键所在。在各有所长的无线连接技术中,究竟谁能胜出?半导体厂商的选择或是单点开花,或是多路并进,但无论如何,都要“死磕”功耗这一难题。

  Raman Sharma表示,低功耗蓝牙被视为在可穿戴产品中最理想的低功耗、点对点无线连接解决方案,可应用于与智能手机连接的健身追踪器、智能手表中。任远也介绍说,由于低功耗的需求,到目前为止还是蓝牙比较适合可穿戴设备。罗姆方面也表示,目前蓝牙和Wi-Fi都有应用,由于连接的便捷性和低功耗,所以更看好蓝牙特别是低功耗蓝牙(BLE)技术在未来的应用。

  “蓝牙、Wi-Fi拥有各自的优势,我们会根据产品的设计来选择适用的通信技术。” 索尼移动通信大中华区副总裁兼市场部负责人郑书仁表示,”目前来看,索尼的大部分硬件基本都实现了内置NFC芯片,这样可轻易实现设备与设备之间的一触连接,不需要繁琐的配对过程。”

  石敬岩也认为,无线连接技术有多个选择,包括BLE、Zigbee或其他网状网络协议以及NFC。从低功耗通信和安全性方面来看,NFC将在可穿戴设备中起到关键作用。

  另外值得关注的是超低功耗(ULP)连接的可用性。Nordic首席执行官Svenn-Tore Larsen认为,现今具备Bluetooth v4.0(或蓝牙智能Ready)功能的智能手机和平板电脑,一般都通过含低功耗蓝牙(BLE)或ANT+ULP技术的配件来实现无缝无线通信,这为新一代智能手表提供催化剂,而Nordic可提供同时用于这两种RF软件协议的解决方案。

  从具体应用来看,无线技术还需要“分门别类”。在用于助听器的无线技术方面,包括近场磁感应(NFMI)、蓝牙及2.4GHz无线技术。席金苗指出,NFMI作用距离有限,但能耗极低,适合助听器之间的无线通信。而2.4GHz无线技术作用距离更长(约7至9米),但能耗更高,适合助听器与其他电子设备(如智能手机)之间的无线通信。蓝牙通常用于中继设备与兼容蓝牙的音频源之间的无线通信。“现有的这些无线技术各有其优缺点,业界目前仍然缺乏结合上述无线技术优点同时克服其缺点的助听器用无线通信标准。”席金苗说,“目前一种可行的途径就是采用‘双无线’技术,如安森美的Ezario 7100同时兼容NFMI和2.4GHz射频技术。”

  从趋势来看,Wi-Fi、蓝牙、NFC和GPS等功能强大的无线技术奠定了基础,而无线组合芯片在这一领域也正飞速发展。钱志军认为,可穿戴设备需要一种方便易行但却先进的技术为其供电,无线组合解决方案不仅需高集成度,在功耗上也需大幅降低。

  传感器:风头犹劲

  未来移动医疗会逐步集成到可穿戴设备中,越来越多的生物以及光传感器会加入到可穿戴设备中,实现健康指标的测试。

  在可穿戴设备层面,传感器绝对是“大头”。任远表示,目前市面上比较多的传感器包括加速度传感器、陀螺仪、磁力计、气压计以及温湿度计,利用这些传感器可以完成各种运动识别以及手势识别,帮助消费者实现健康应用。他进一步指出,未来移动医疗会逐步集成到可穿戴设备中,越来越多的生物以及光传感器会加入到可穿戴设备中,实现例如血压、血氧、心率等健康指标的测试。

  而随着可穿戴医疗设备的发展,那些能够实现医疗指标(如温度、血糖等)监测及健康监控的传感器将具备广阔发展空间。石敬岩表示,目前对于MEM类动作和位置传感器的需求占据着主导地位,但环境传感器和生物传感器在这一市场关键增长领域具有很大的发展潜力。

  此外,传感器对接口电路也提出了新要求。席金苗说,传感器趋向更小尺寸及更低能耗,同时需要采用定制的传感器接口专用集成电路(ASIC)。例如,传感器可能要求高压偏置,同时产生极低电平的信号,传感器接口ASIC能够集成高压及低压电路,降低复杂度,优于采用分立器件方案。同时,传感器接口ASIC方案可提供高度的信号通道隔离及低噪声,非常适合传感器应用需要。

  厂商观点

  Nordic首席执行官Svenn-Tore Larsen

  无线连接技术推动新应用开发

  从应用来看,智能手表和紧凑型无线传感器采用蓝牙v4.0(最近升级为蓝牙v4.1)提供无线连接,是目前在可穿戴设备技术中极具代表性的。同时,它们能够利用ANT+ULP无线技术(这是蓝牙低功耗技术的竞争技术,用于无线传感器)。无论是蓝牙或ANT技术,可穿戴设备和移动设备之间的连接性将会推动大量新应用的开发。原生支持蓝牙v4.0,并且在iOS、Windows 8或Android操作系统下运行的蓝牙智能Ready设备现已广泛使用,这些设备能与智能手表无缝配对,让用户阅读文本、查看来电者,甚至可使用智能手机上的应用程序。

  Nordic最新产品nRF51系列是优化了的2.4GHz ULP无线连接解决方案。nRF51系列系统级芯片(SoC)结合了创新的硬件,极大简化和加快了代码开发工作。

  意法半导体(ST)高级市场工程师任远

  要考虑数据安全性

  可穿戴设备的数据需要在云端进行分析,开发者需要跟云端服务器提供商结合起来。目前越来越多的云端服务器提供商以及互联网商也加入到可穿戴设备的开发中来,通过提供硬件来获取客户的基本数据,进行后端数据库的建立,这些数据的安全性是互联网公司需要考虑的问题。

  意法半导体可以提供针对可穿戴设备需要的微控制器、传感器、低功耗蓝牙、电源管理芯片等模块。通过跟业界主流厂家合作,成功将前沿技术与低功耗MCU相融合,并协助其完成整个生态系统的建立。ST可提供最适合可穿戴设备的低功耗MCU,比如STM32L系列,低功耗模式下开启RTC,RAM数据保持最低仅需要800nA电流。

  德州仪器(TI)MSP430中国区业务拓展经理刁勇

  完整系统级方案助力设计

  针对可穿戴式设备设计的两大挑战,TI的产品和方案具有以下两方面的优势,可帮助客户轻松实现可穿戴设备的设计:第一是完整和高集成度低功耗硬件平台。一是TI的MSP430单片机是业界功耗最低、系列化最全的超低功耗单片机系列。我们提供超过400个MSP430型号,超过25种的封装模式(最小实现2mm×2mm尺寸),最大支持512KB Flash/64KB RAM,可覆盖大部分可穿戴式设备MCU需要。二是CC2541低功耗蓝牙方案和全面NFC产品线,实现低功耗无线连接。三是高集成度模拟前端。第二是完整系统级方案。目前TI开发的可穿戴式设备以及Health Hub方面的演示产品可以实现测量心率、血氧等功能,适用于保健、运动相关的领域。

  博通中国区销售总监钱志军

  无线充电技术加快行业变革

  可穿戴市场要实现起飞,需要低功耗、具有位置感知能力以及无论何时何地都可以互联的设备,将这些产品与智能设备连接起来的能力就非常关键,因为它不仅提供了收集数据的窗口,还同时起着将这些数据发送到云端的中心枢纽作用。智能手机以及平板电脑采用无线技术来收发这些数据,能够大大降低可穿戴设备数据处理需求以及功耗的需求。而反过来,又为制造商以及消费者降低了相应的成本。

  此外,无线充电技术对于可穿戴设备来说,也代表着一个巨大的机会。无论是将设备放置在一个充电托盘,还是收集射频能量,能够快速地从周边环境中为设备充电将为这些设备的发展带来重大的正面效应。无线电力传输、能量采集都将推动整个行业变革。

  恩智浦半导体大中华区便携设备及计算产品部高级市场总监石敬岩

  NFC将起到关键作用

  功耗、电池寿命、用于连接的超低功耗半导体以及传感器都是阻碍可穿戴设备市场发展的因素。这些领域将成为创新的焦点。

  由于其高级处理能力、低功耗和易用性,ARM内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。对于无线连接我们可见多个选择,包括BTLE、Zigbee或其它网状网络协议以及NFC。从低功耗通信和安全性方面看,我们认为NFC将在可穿戴设备中起到关键作用。一般而言,连接性与应用相关。但对于可穿戴设备实现安全互动而言,我们预见NFC和安全元件具有极大的潜力。目前,对于MEM类动作和位置传感器的需求占据着主导地位。

  罗姆半导体(上海)有限公司高级经理王华

  致力于一站式方案

  针对可穿戴设备,ROHM(罗姆)提供了多种解决方案。以智能手表(手环)为例,ROHM可以提供业界顶级低功耗的MCU和蓝牙低功耗(BLE)方案,配以在智能手机上已广泛使用的Kionix(ROHM子公司)MEMS传感器,以及ROHM的红外、可见光传感器等。ROHM可以提供整体的Turn-key方案,目前在业界已推出的品牌手表/手环中取得了非常好的应用。另外,以新工艺新技术实现世界最小尺寸的RASMIDTM系列为首,ROHM拥有的超小型分立器件将为不断增长的可穿戴式设备市场作出较大贡献。

  LAPIS(ROHM的子公司)推出了基于独有的U8内核或ARM内核的超低功耗MCU,并提供基于多种传感器的数据融合算法,给客户提供整套的应用方案。

  Silicon Labs美洲区市场营销总监Raman Sharma

  节能32位MCU满足需求

  Silicon Labs提供业界最节能的32位MCU,非常适用于对功耗敏感、电池供电的可穿戴应用。Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU能提供业内领先的能源效率、超长的电池寿命,外加优秀的处理性能以及高集成度的小尺寸封装。Gecko MCU的低功耗传感器接口(LESENSE)和外设反射系统(PRS)对于超低功耗负载的可穿戴设备来说极具吸引力。LESENSE接口即使在MCU处于深度休眠模式下也能够收集和处理传感器数据,这使得MCU可以长时间保持在低功耗模式下,同时跟踪传感器状态和事件。PRS监视复杂的系统级事件,而且允许不同的MCU外设之间进行自治通信,同时尽可能长地保持CPU处于节能休眠模式。

 

来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:张汝娟

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