心率監測傳感器的普及與多傳感器融合

　　在可穿戴市場(chǎng)中，我們發(fā)現主要有3類(lèi)傳感器：運動(dòng)傳感器、環(huán)境傳感器和生物計量傳感器(biometric sensors)。每類(lèi)傳感器都可對終端用戶(hù)的活動(dòng)、周?chē)h(huán)境和健康提供獨特的信息。當與可穿戴系統結合時(shí)，這些傳感器可能會(huì )變得更強大，以支持各種健康和健身應用場(chǎng)景。在可穿戴系統中添加和使用傳感器需要考慮許多設計權衡因素，包括系統性能與功耗比和解決方案的成本等。例如，一款光學(xué)傳感器要求使用可以傳輸光的專(zhuān)用封裝材料。某些傳感器的功耗可能需要被限定，以至于它們不會(huì )給電池帶來(lái)恒定負荷而限制了電池續航時(shí)間，但是該方法增加了設計復雜度和最終成本。

Silicon Labs物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應用工程總監 Colin Tompkins

心率監測(HRM)功能

　　越來(lái)越多的可穿戴設備制造商正在為其可穿戴產(chǎn)品增加心率監測(HRM)功能。高集成度有助于降低HRM應用中所用傳感器的成本。目前，HRM傳感器正將諸如模擬前端(AFE)、PD和LEDs等分立元器件整合到高度集成的模塊中。這些模塊降低了將HRM功能添加到可穿戴產(chǎn)品中時(shí)的成本和復雜度。

　　HRM算法正變得越來(lái)越精妙，同時(shí)還專(zhuān)為不同的使用場(chǎng)景、環(huán)境條件和活動(dòng)要求進(jìn)行了優(yōu)化。一些算法強調高性能，卻帶來(lái)了更高的功耗;而其它的算法通過(guò)提供功率效率，從而帶來(lái)更長(cháng)的電池續航時(shí)間。

　　可穿戴產(chǎn)品的外形設計也在穩步地發(fā)生變化。雖然胸帶產(chǎn)品已有效地服務(wù)于健康和健身市場(chǎng)，但目前HRM正在轉移到腕帶式的可穿戴產(chǎn)品中。光學(xué)感應技術(shù)和高性能且低功耗處理器方面的進(jìn)展使得腕帶式外形設計成為可能;HRM算法的精確度也已經(jīng)達到了腕帶式外形設計可接受的水準。其它新型可穿戴傳感設備的外形設計和使用位置也在不斷出現，如發(fā)帶、運動(dòng)和健身衣物以及耳塞式耳機等。然而，目前和近期的大多數可穿戴生物計量傳感應用還將會(huì )聚焦在腕帶式產(chǎn)品上，而固態(tài)傳感器將繼續為那些腕帶式可穿戴產(chǎn)品的用戶(hù)體驗提供基礎支持。

多傳感器融合

　　為了實(shí)現傳感器融合，開(kāi)發(fā)人員必須優(yōu)化其系統架構。例如，要在低功耗狀態(tài)下實(shí)現傳感器融合，就需要一種不同于為更高性能而進(jìn)行優(yōu)化的方法。如果功耗不是一項設計所關(guān)心的問(wèn)題，那么傳感器融合可以通過(guò)系統主處理器的持續運算來(lái)實(shí)現。

　　傳感器融合可以被運用于生物計量檢測可穿戴應用中，以說(shuō)明最終用戶(hù)的模式。例如，一款環(huán)境光傳感器可表明用戶(hù)是否處于黑暗的房間中;一款運動(dòng)傳感器可感知用戶(hù)靜止不動(dòng)而可能在睡覺(jué);然而一款HRM傳感器同時(shí)又提供了一種正常的心率，暗示用戶(hù)躺在床上，但不一定是睡著(zhù)了。在過(guò)去，睡眠監測往往由運動(dòng)傳感器單獨完成;而通過(guò)將環(huán)境光和HRM傳感器增加到系統中，可穿戴產(chǎn)品可對睡眠模式進(jìn)行更精密的分析。

　　另外，光學(xué)心率傳感器可為加速度計增加一個(gè)接口，來(lái)協(xié)助實(shí)現光學(xué)和加速計的同步采樣。這種硬件架構設計方式允許兩種不同類(lèi)型的傳感器互相協(xié)作，來(lái)提高心率生物監測的性能。

　　Silicon Labs為可穿戴應用提供多樣化的傳感器、低功耗Gecko MCU、Wireless Gecko片上系統(SoC)器件、無(wú)線(xiàn)模塊、軟件協(xié)議棧和開(kāi)發(fā)工具。Silicon Labs的多傳感器產(chǎn)品組合包括光學(xué)傳感器、生物監測/心率監測傳感器、I2C數字接口相對濕度和溫度傳感器芯片、以及電容式觸摸感應MCU器件。它們?yōu)楦鞣N應用提供了高可靠性、緊湊的面積、高集成度以及易用性。

Silicon Labs的應用方案

　　Silicon Labs的光學(xué)傳感器系列能夠感應紫外線(xiàn)(UV)指數、環(huán)境光、長(cháng)距離范圍內的接近、心率/脈搏血氧飽和度、以及2D或3D的手勢動(dòng)作。公司主要的光學(xué)傳感器產(chǎn)品包括：

　　Si1153傳感器是一款環(huán)境光、接近和手勢監測器件，它帶有I2C數字接口和可編程的事件中斷輸出。該傳感器具有以下特性：雙23位模數轉換器(ADC)，一個(gè)片上高靈敏度可見(jiàn)光和紅外光電二極管陣列、一個(gè)數字信號處理器(DSP)和3個(gè)集成化的、具有可編程驅動(dòng)等級的LED驅動(dòng)器。Si1153可在大動(dòng)態(tài)范圍內和包括直射陽(yáng)光在內的各種光源下提供優(yōu)異的性能，也可以在黑暗的玻璃罩下工作。

　　Si1133傳感器是一款UV指數和環(huán)境光感測器件，具有I2C數字接口和可編程事件中斷輸出功能。該傳感器包括雙23位ADC和一個(gè)片上高靈敏度UV、可見(jiàn)光和紅外光電二極管陣列。

　　Si1143/44 心率監測(HRM)解決方案結合了一個(gè)高精度光學(xué)傳感器、一個(gè)LED光源和一種專(zhuān)有HRM算法，以提供超低功耗、動(dòng)態(tài)化HRM解決方案。其目標市場(chǎng)包括：健身手環(huán)、智能手表和消費性健康應用。除了提供低功耗以實(shí)現更長(cháng)的電池續航時(shí)間外，Si1143/44解決方案還提供了可與傳統胸帶競爭的性能。Si1143/44僅使用了一個(gè)綠光LED，這使它能夠采用一個(gè)非常小型化的封裝(2.9 mm x 4.9 mm)。性能如此優(yōu)越的方案，其售價(jià)僅為市場(chǎng)上最好方案的零頭。

　　通過(guò)充分發(fā)揮我們經(jīng)過(guò)驗證的光學(xué)傳感器架構、軟件和系統專(zhuān)業(yè)知識，Silicon Labs正在不斷地推動(dòng)生物檢測傳感技術(shù)走向更加完美。我們的路線(xiàn)圖包括新一代光學(xué)傳感器產(chǎn)品，它們可提供更高的準確性、更高的精確度、更低的功耗和額外的感測技術(shù)。這些新一代光學(xué)傳感器都是專(zhuān)為應對可穿戴市場(chǎng)中面臨的性能、成本和功效等艱巨挑戰而設計。