打破可穿戴設計尺寸和功效不能兩全的困局

　　引言

　　可穿戴技術(shù)可謂是當今世界的熱門(mén)話(huà)題，有關(guān)令人興奮激動(dòng)的新設備即將上市的消息充斥著(zhù)各大新聞頭條，吸人眼球。“可穿戴”一詞描述的是可穿戴在身上的各種技術(shù)，包括腕帶、手表、眼鏡、服裝、鞋類(lèi)、珠寶等?？纱┐髟O備無(wú)邊無(wú)界，預計將成為智能便攜式設備的下一個(gè)高增長(cháng)領(lǐng)域。

　　那么，為什么可穿戴設備如此有趣呢？它為何會(huì )贏(yíng)得人們的普遍關(guān)注呢？穿在身上（不僅限于人類(lèi)，還包括動(dòng)物）的可穿戴設備能夠以完全不同于其他設備的方式整合到我們的日常生活中。智能手機已經(jīng)非常貼近我們的生活，我們大多數人不敢想象不帶手機出門(mén)會(huì )怎樣；但是，可穿戴設備則更加個(gè)性化，與我們的日常生活方式聯(lián)系也更加密切，它們能夠捕捉我們所處環(huán)境的背景數據?？纱┐髟O備不是放在口袋里或包里，而是依靠我們而存活，體驗我們所體驗的感受，悄悄地成為我們數字生活的伴侶。

　　設備自身只是其中的一個(gè)方面。真正強大的是這些可穿戴設備能夠連接到云，然后連接到與我們息息相關(guān)的應用和服務(wù)?？纱┐髟O備的早期例子大致可分為三類(lèi)：健身活動(dòng)追蹤器、手表（智能手機的第二屏幕）和眼鏡（智能手機的第二屏幕和增強現實(shí)）。

　　所有這些設備都能夠通過(guò)傳感器收集數據，來(lái)了解您的日?；顒?dòng)，并連接到云，從而對數據進(jìn)行分析。行為和健康狀況分析是改變或改善生活方式以及增強可穿戴設備“粘性”的關(guān)鍵。換言之，使可穿戴設備成為一個(gè)自動(dòng)伴侶。許多現今的健身追蹤器通常被佩戴幾個(gè)月，然后被遺忘、丟棄在抽屜里?？纱┐髟O備制造商所面臨的挑戰和目標是，創(chuàng )造能夠成為人們長(cháng)期自動(dòng)伴侶的東西。

　　本文概述了 ARM與飛思卡爾如何攜手合作，提供面向可穿戴設備市場(chǎng)的領(lǐng)先半導體解決方案。其中最重要的是能夠提供超級節能和體積小的解決方案，這些解決方案就是一次充電后能夠持續工作更長(cháng)時(shí)間的小型設備。

　　本文還將詳細介紹可穿戴市場(chǎng)是如何發(fā)展的，列舉了目前市場(chǎng)中的一些示例，并討論滿(mǎn)足低功耗和特殊要求所需的技術(shù)。最后，我們將梳理一下推動(dòng)可穿戴技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng )新的創(chuàng )新者、工具及平臺。

　　可穿戴技術(shù)市場(chǎng)概述

　　可穿戴設備通常被視為最激動(dòng)人心和前途無(wú)量的新技術(shù)。盡管事實(shí)如此，但我們也需要牢記這樣一個(gè)事實(shí)，那就是目前已經(jīng)出現了可穿戴設備，市場(chǎng)上有多種令人興奮的產(chǎn)品，而且新設備正在不斷涌現。我們看到，可穿戴技術(shù)正在經(jīng)歷快速創(chuàng )新，其中一些新的、前所未聞的公司通常通過(guò) Kickstarter 等眾籌平臺籌集資金，可在 12 至 18 個(gè)月內交付產(chǎn)品。

　　現有的知名 OEM 正在通過(guò)其自創(chuàng )的可穿戴解決方案快速進(jìn)入可穿戴設備市場(chǎng)。

　　縱觀(guān)市場(chǎng)，我們發(fā)現有三類(lèi)設備主導著(zhù)可穿戴設備市場(chǎng)的格局：

　　• 健身/活動(dòng)追蹤器——戴在手腕上或夾在身上、跟蹤活動(dòng)如跑步、行走和睡眠模式的裝置

　　• 手表——用作第二屏幕，顯示智能手機信息

　　• 眼鏡和攝像頭——用作增強現實(shí)的智能手機、提供第二屏幕的眼鏡，以及可穿戴的攝像頭

　　除了這三大產(chǎn)品類(lèi)別外，我們還看到涌現出一些面向可穿戴設備的、有趣的新領(lǐng)域，例如：

　　• 智能服裝—采用智能紡織品或 LED 照明制成的服裝，再延伸到智能鞋類(lèi)和珠寶

　　• 醫療保健—遠程病人監測、生活輔導、ECG（心率監測）、連續血糖監測，以及用于診斷心律失常等情況的無(wú)線(xiàn)可穿戴小飾物

　　• 身份認證—通過(guò)可穿戴設備進(jìn)行付款和銀行交易、啟動(dòng)汽車(chē)、控制家居自動(dòng)化

　　• 游戲耳機和耳塞—能夠提供豐富的音效和集成麥克風(fēng)的耳機

　　那么，這些對于可穿戴設備的未來(lái)意味著(zhù)什么？單功能設備（如健身帶）將繼續流行。隨著(zhù)時(shí)間的推移，我們預計將出現與智能手機領(lǐng)域類(lèi)似的進(jìn)化，可穿戴設備將逐步把越來(lái)越多的功能集成到單一設備中，并打造出使可穿戴設備成為常態(tài)必要的“粘性”。那時(shí)候的情況會(huì )變成怎樣？這很難預測。我們期望看到上述類(lèi)別整合在一起—例如，手表可作為您智能手機的第二屏幕，追蹤您的日?；顒?dòng)，監測您的健康狀況，連接您和您的家人、朋友或護理人員，此外它還具有安全的綜合銀行功能，您可以通過(guò)其來(lái)驗證支付。這豈不是一個(gè)偉大的一體化可穿戴設備？

　　可穿戴的移動(dòng)設備

　　借助市場(chǎng)上最廣泛、功能最多的解決方案組合，飛思卡爾基于 ARM 的 MCU 和處理器是各類(lèi)可穿戴產(chǎn)品設計的理想選擇?？蓴U展的 MCU 和處理器家族范圍廣泛，從超低功耗Kinetis MCU（如 KL03 芯片級封裝 （CSP），全球最小基于 ARM®的MCU）到帶有硬件圖形加速功能的 i.MX 應用處理器，應有盡有，使設計能夠支持 Linux®和 Android™ 等較高級別的操作系統和更加豐富的用戶(hù)界面。

　　目前市場(chǎng)上的許多可穿戴設備都采用基于A(yíng)RM架構的飛思卡爾 MCU 和處理器。ARM 架構提供低功耗、可擴展的處理引擎，使之成為可穿戴設備的理想解決方案。廣泛的可穿戴應用多種多樣，從健身帶和智能手表到可安裝在頭上的攝像頭，甚至面向狗狗的活動(dòng)追蹤器。

　　下面列舉了其中的一些應用：

　　活動(dòng)/健身追蹤器

　　Withings Pulse 活動(dòng)追蹤器具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，還能連接到云，對現在積極的、有健康意識的消費者極具吸引力，它外形小巧，易于佩戴。這款活動(dòng)追蹤器有多種佩戴方式，可以?shī)A，也可以戴在手腕上。飛思卡爾Kinetis 系列 MCU 具有強大的可擴展性，能夠幫助 Withings更高效（加快產(chǎn)品上市速度）、更具成本效益地設計新設備。

　　Thalmic Labs MYO 是一款臂帶，它的工作方式是通過(guò)肌肉運動(dòng)產(chǎn)生電能來(lái)驅動(dòng)設備，揮揮手就能對計算機、電話(huà)及其他喜愛(ài)的數字技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制。這款臂帶通過(guò)藍牙連接您的計算機或其他智能設備，讓您能夠瀏覽網(wǎng)頁(yè)，調大音樂(lè )的音量，在演講過(guò)程中更換幻燈片，甚至打游戲。MYO 采用飛思卡爾 Kinetis K20 MCU。

　　另外一個(gè)例子是Whistle 活動(dòng)監測儀。它不是臂帶也不是腕帶，而是頸帶，目標受眾是狗狗。Whistle 活動(dòng)監測儀采用飛思卡爾 Kinetis K60 MCU，是防水的頸帶設備，能夠測量狗狗的活動(dòng)，包括散步、玩耍和休息，讓您以全新的視角觀(guān)看這個(gè)忠實(shí)朋友的行為和健康趨勢。通過(guò)智能手機查看，與親友分享值得紀念的時(shí)刻，當狗狗的行為或健康狀況發(fā)生任何改變時(shí)，向獸醫發(fā)送報告。

　　手表

　　另一個(gè)備受歡迎的類(lèi)別是手表。Garmin 的 Forerunner® 10 和 Forerunner 15 GPS 手表只需輕輕按下按鈕便能夠追蹤距離、步伐和卡路里，讓您能夠以更小的體積享用高級 GPS手表的優(yōu)勢。Forerunner 10 采用基于 Cortex-M4 的 Kinetis K20 MCU，Forerunner 15 使用基于Cortex-M0+ 內核的 Kinetis KL26。Forerunner® 220 和Forerunner® 620具有高分辨率的彩色顯示屏，可接入培訓計劃，還能夠測量您的跑步狀態(tài)，就像口袋里帶了一位私人教練。Forerunner 220 和 Forerunner 620 采用飛思卡爾 Kinetis K22 MCU。

　　飛思卡爾 i.MX233 應用處理器支持基于 Android 的i’m Watch，將其連接到您的智能手機，使您可以用該手表處理來(lái)電和文本消息。Facebook、Twitter 和天氣預報等資訊可以完美地呈現在該手表的高分辨率屏幕以及友好的用戶(hù)界面上。

　　眼鏡和攝像頭

　　OrCam 為視障人士打造了一款安裝在眼鏡上的裝置，讓他們能夠參加大多數人認為很平常但對他們而言卻極具挑戰性的活動(dòng)，如乘坐公交車(chē)、買(mǎi)食品雜貨、讀報紙等。OrCam解決方案采用飛思卡爾高性能、高能效i.MX 6Quad處理器提供的高級視覺(jué)計算算法，解析視覺(jué)輸入并將解析結果實(shí)時(shí)地傳送給穿戴該設備的人士。該可穿戴設備真正能夠幫助殘障人士。

　　GoPro HERO3+ 攝像頭采用 Kinetis K20 MCU，可穿戴，可安裝在其他裝置上并可防水。這款攝像頭能夠以較高的分辨率捕捉專(zhuān)業(yè)品質(zhì)的視頻。HERO3+ 提高了圖像清晰度，改善了音質(zhì)，延長(cháng)了電池壽命，還加快了 Wi-Fi®共享速度，使捕捉和分享生活趣事變得更加輕松。

　　醫療保健

　　Numera Libris 讓那些活躍的老年人及他們的家人能夠自由、安全地在家里或家外管控他們的健康狀況。Numera Libris 個(gè)人健康網(wǎng)關(guān)采用 Kinetis K70 MCU，在一個(gè)小型、易于佩戴的移動(dòng)裝置中集成了遠程醫療的優(yōu)勢和安全功能。

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　　設計可穿戴設備

　　可穿戴設備制造商面臨的重要設計挑戰包括尺寸、能耗和用戶(hù)體驗。當涉及可穿戴技術(shù)領(lǐng)域時(shí)，我們需要遵循一套完全不同于手機的全新設計規則。目前典型的可穿戴設備大致分為兩類(lèi)：

　　• 基于低功耗、高性能 MCU 功能的設計

　　• 基于手機應用處理功能的設計，類(lèi)似于智能手機中的處理器

　　下表顯示了應用的要求如何推動(dòng) MCU 或應用處理器類(lèi)型以及其所采用的 ARM Cortex®內核的發(fā)展。

　　可穿戴應用的要求

　　這兩類(lèi)設備的性能和功能截然不同，與微控制器設計相比，基于手機應用處理器的設計需要更高的操作點(diǎn)而且電池壽命也更短。

　　規格

　　如果我們仔細查看典型可穿戴設備并考慮設計限制因素，就會(huì )立刻發(fā)現面臨的第一個(gè)挑戰是規格?？纱┐髟O備需要外型小巧，不突兀。這對可用的 PCB 面積提出了嚴格的限制，要減少電池容量，功耗要求也非常有限。典型高端手機的電池容量大約為 3000 mAh，而手表的電池容量?jì)H為 300 mAh。由于手表的電池容量是手機的十分之一，因此需要認真考慮節能要求，以最大限度地減少充電周期?，F在的消費者習慣每天給他們的智能手機充電一次，但是對于可穿戴設備，消費者期望充電周期是每周一次或更長(cháng)時(shí)間，理想狀態(tài)下，應達到每個(gè)月充電一次。事實(shí)上，電池容量減少和充電周期縮短意味著(zhù)，我們期望智能手表的可用電量?jì)H為智能手機的五十分之一。通過(guò)芯片集成和高級封裝技術(shù)可滿(mǎn)足對小型尺寸的需求。飛思卡爾 Kinetis Cortex-M 系列內核集成了存儲器、USB 等外設，以及觸摸傳感和模擬組件，以減少整體系統的尺寸。Kinetis MCU提供多種封裝，包括晶圓級芯片封裝 （WLCSP），在最小的尺寸中提供最大的性能。

　　功耗

　　基于 Android 的可穿戴設備有硬件系統要求，限制了微控制器一些功能的使用。對于這些設備，設計人員需要的處理器要能夠支持存儲器可視化等功能、圖形支持，并增加 CPU 帶寬。調整基于 Cortex-A 的處理器（例如 i.MX 應用處理器）使之適應可穿戴設備的低功耗需求至關(guān)重要。比傳統的手機處理器更低的時(shí)鐘速率（例如500 MHz 對 1 GHz），可實(shí)現最佳的功耗/性能平衡，能夠根據應用來(lái)優(yōu)化裝置的核心配置（例如更小的緩沖存儲器和低功耗處理節點(diǎn)）。

　　查看智能手表的使用情況時(shí)，我們知道80% 的時(shí)間里它都處于睡眠模式，僅僅監測捕獲環(huán)境數據的傳感器，偶爾刷新顯示屏。用戶(hù)查看屏幕獲取更新數據而不是像其與智能手機那樣互動(dòng)，用戶(hù)與智能手表的交互通常較低。

　　用戶(hù)體驗

　　可穿戴設備的可用性高度依賴(lài)人與設備交互的方式，而交互界面決定了用戶(hù)體驗的階段。要提供這種體驗，需要考慮的設計要素包括：顯示或無(wú)顯示，連接類(lèi)型、充電方法和頻率，以及整體風(fēng)格。

　　實(shí)現這些考慮要素的一個(gè)重要環(huán)節是軟件。設備應運行哪類(lèi)操作系統？Android 或 Linux 等完整的操作系統增強了圖形功能，提供了更廣泛的連接選項和更簡(jiǎn)單的可擴展性，從而可提供更多功能。然而，這些功能還會(huì )影響規格、電池壽命和成本，因為它們需要應用處理器級的設備來(lái)實(shí)現。實(shí)時(shí)操作系統能夠在更小的規格中實(shí)現，充分利用帶有嵌入式存儲器的微控制器來(lái)減小尺寸，延長(cháng)電池壽命，并降低成本。要在圖形處理能力、整體性能和未來(lái)功能支持選項之間進(jìn)行權衡?？纱┐髟O備開(kāi)發(fā)人員在決定最終產(chǎn)品的架構之前需要詢(xún)問(wèn)許多問(wèn)題并進(jìn)行權衡分析。

　　支持創(chuàng )新者

　　進(jìn)入可穿戴參考平臺，簡(jiǎn)稱(chēng)WaRP。該參考平臺采用混合方法推動(dòng)可穿戴設備設計，幫助解決這些規格和功耗設計挑戰。通過(guò)加速和簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)人員能夠專(zhuān)注于打造差異化的特性，并加快從原型到最終產(chǎn)品的過(guò)程。

　　該平臺包含一個(gè)主板和示例子板，能夠針對不同的使用模式添加額外的子板。該混合架構將基于 Cortex-M 內核的 Kinetis KL16 MCU 與基于 Cortex-A 內核的 i.MX 6SoloLite 應用處理器相結合。這樣，MCU 能夠管理傳感器數據，而應用處理器能夠在省電模式下待機，從而實(shí)現省電和延長(cháng)電池使用壽命的目的。Kinetis MCU 還被用作無(wú)線(xiàn)充電微控制器。WaRPboard 中的所有組件都根據低功耗、小規格和成本等標準進(jìn)行選擇。

　　帶標準子板的可穿戴參考平臺（WaRP）

　　WaRPboard 是可穿戴市場(chǎng)各大擁有先進(jìn)技術(shù)和豐富經(jīng)驗的公司之間開(kāi)展合作所產(chǎn)生的成果。飛思卡爾作為支持技術(shù)提供商，為 WaRPboard 提供微控制器、應用處理器、傳感器和無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。幾家其他公司提供硬件和軟件開(kāi)發(fā)以及制造專(zhuān)業(yè)知識。WaRP 上采用標準的 Android SDK 方法來(lái)進(jìn)行實(shí)施，讓軟件開(kāi)發(fā)人員能夠更簡(jiǎn)便、更快速地運行他們的應用。

　　WaRPboard.org 是一個(gè)非營(yíng)利性、以社區為主體的組織，提供 WaRP 服務(wù)和支持。該解決方案的硬件和軟件將是開(kāi)源的，并由社區推動(dòng)，因此當與開(kāi)源資源配套使用時(shí)無(wú)需封閉的開(kāi)發(fā)工具或許可費。

　　WaRPboard 具有緊湊的設計、優(yōu)化的電池壽命和電池管理、可擴展的架構、可產(chǎn)品化的設計，以及基于開(kāi)源和社區的創(chuàng )新，這些優(yōu)勢使可穿戴設備設計人員自然而然地首先選擇WaRPboard。

　　總結

　　可穿戴設備的未來(lái)潛力無(wú)限。如果能將移動(dòng)技術(shù)與以個(gè)人用戶(hù)為中心的體驗相結合，就將最終打開(kāi)這個(gè)令人興奮且快速發(fā)展的市場(chǎng)。無(wú)論您使用可穿戴設備來(lái)監測健身活動(dòng)，獲得情境感知告警和提醒，還是監測您的健康狀況，可穿戴技術(shù)都潛力無(wú)限。

　　如本文所述，能將超低功耗設計與一直開(kāi)啟、一直連接的功能相結合是一個(gè)關(guān)鍵要求。延長(cháng)可穿戴設備的電池壽命，減少充電需求，并盡量縮小其規格使其體積小巧、不突兀是目前業(yè)界面臨的主要設計挑戰。

　　ARM 和飛思卡爾正在攜手滿(mǎn)足這些市場(chǎng)需求，共同推動(dòng)可穿戴技術(shù)革命。ARM Cortex 32位內核能夠滿(mǎn)足可穿戴領(lǐng)域“眾口難調”的需求，帶來(lái)無(wú)與倫比的、廣泛的開(kāi)發(fā)人員生態(tài)合作體系，這是推動(dòng)創(chuàng )新的一個(gè)重要環(huán)節。飛思卡爾 Kinetis MCU 和 i.MX 應用處理器是滿(mǎn)足可穿戴市場(chǎng)需求的理想選擇，現已有許多精彩設計應運而生。

　　可以肯定的是，可穿戴設計領(lǐng)域將涌現出許多令人興奮的創(chuàng )新，ARM 和飛思卡爾正在孜孜不倦地合作，旨在實(shí)現更多、更新的可穿戴設備。

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