可穿戴設(shè)備的未來：“功耗”說了算
[導讀]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
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。
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行相關(guān)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(shù)進行無線通信。雖然這些技術(shù)分別相對成熟，但組合在一起適應可穿戴設(shè)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(wù)拓展經(jīng)理刁勇對記者介紹說，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，還有諸多細節(jié)有待斟酌。安森美半導體應用產(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??？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)有的智能手機和平板電腦的強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，難以滿足當今大多數(shù)可穿戴設(shè)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(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。意法半導體（ST）高級市場工程師任遠介紹說，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準。
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(chǎn)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(shè)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(shù)在未來的應用。
“藍牙、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)?！彼髂嵋苿油ㄐ糯笾腥A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(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認為，現(xiàn)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ANTULP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（NFMI）、藍牙及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）之間的無線通信。藍牙通常用于中繼設(shè)備與兼容藍牙的音頻源之間的無線通信?！艾F(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準?！毕鹈缯f，“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)?！?BR>
從趨勢來看，Wi-Fi、藍牙、NFC和GPS等功能強大的無線技術(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。錢志軍認為，可穿戴設(shè)備需要一種方便易行但卻先進的技術(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)健康指標的測試。
在可穿戴設(shè)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(xiàn)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(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（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?BR>
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。
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行相關(guān)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(shù)進行無線通信。雖然這些技術(shù)分別相對成熟，但組合在一起適應可穿戴設(shè)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(wù)拓展經(jīng)理刁勇對記者介紹說，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，還有諸多細節(jié)有待斟酌。安森美半導體應用產(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??？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)有的智能手機和平板電腦的強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，難以滿足當今大多數(shù)可穿戴設(shè)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(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。意法半導體（ST）高級市場工程師任遠介紹說，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準。
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(chǎn)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(shè)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(shù)在未來的應用。
“藍牙、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)?！彼髂嵋苿油ㄐ糯笾腥A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(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認為，現(xiàn)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ANTULP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（NFMI）、藍牙及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）之間的無線通信。藍牙通常用于中繼設(shè)備與兼容藍牙的音頻源之間的無線通信?！艾F(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準?！毕鹈缯f，“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)?！?BR>
從趨勢來看，Wi-Fi、藍牙、NFC和GPS等功能強大的無線技術(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。錢志軍認為，可穿戴設(shè)備需要一種方便易行但卻先進的技術(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)健康指標的測試。
在可穿戴設(shè)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(xiàn)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(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（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?BR>
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。
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