設計出色的可穿戴產(chǎn)品應考慮的幾大因素

在當今群雄逐鹿、競爭激烈的可穿戴市場(chǎng)中，獲得成功的關(guān)鍵在于差異化的產(chǎn)品特性和服務(wù)。制造商和服務(wù)提供商競相爭奪同樣的可穿戴“市場(chǎng)大餅”。成功設計可穿戴式產(chǎn)品是一項復雜的工程。成功的產(chǎn)品需要成本、性能、功能、電池使用壽命的完美組合，必須具備引人注目的外觀(guān)、感受和表現以吸引消費者。我們需要通過(guò)關(guān)注最終用戶(hù)體驗和探索使用情形，以便在可穿戴產(chǎn)品中集成各種不同元素并完成復雜的權衡。

典型的嵌入式系統通常開(kāi)始于功能和能力定義，它們可說(shuō)是項目的首要驅動(dòng)關(guān)鍵。同樣，成功的可穿戴產(chǎn)品設計需求要關(guān)注于“用戶(hù)體驗”。這些需求包括可穿戴產(chǎn)品的外觀(guān)、感覺(jué)和與最終用戶(hù)的交互，以及它所引起的印象、感受和情緒。

當今有許多能夠監測健康和生物特征、跟蹤運動(dòng)距離、記錄移動(dòng)路線(xiàn)、估計能量消耗、以及來(lái)電和郵件通知的可穿戴產(chǎn)品，同時(shí)可以無(wú)縫的和我們的智能電話(huà)進(jìn)行整合和通信。這些可穿戴產(chǎn)品設計非常專(zhuān)注用戶(hù)體驗;它們時(shí)尚、特性豐富、易用、價(jià)格適中、并且可連接到物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

可穿戴市場(chǎng)能夠分成三種產(chǎn)品類(lèi)別，每一類(lèi)別需要的設計權衡，如圖1所示：

●活動(dòng)追蹤器：這些相對簡(jiǎn)單的產(chǎn)品往往不包括LCD顯示屏。如此簡(jiǎn)單的好處之一是這些產(chǎn)品是經(jīng)濟的、易用、并且往往有最長(cháng)的電池使用壽命。

●帶有小型或中型顯示器的健身帶和“超級手表”：這些可穿戴產(chǎn)品可能包括多種生物和環(huán)境傳感器，并且在特性/功能、電池使用壽命和成本之間選擇最佳平衡點(diǎn)。

●智能手表：這些手表大小的復雜設計占據高端市場(chǎng)，并且通常運行在操作系統(例如Android Wear)之上。智能手表提供特性豐富的用戶(hù)體驗，但是更多功能和處理能力消耗更多的電池電量，通常每天都需要進(jìn)行充電。

圖1：每種類(lèi)型的可穿戴產(chǎn)品都需要特有的設計權衡

可穿戴產(chǎn)品中的一個(gè)關(guān)鍵器件選擇是微控制器(MCU)。選擇具有出色低功耗操作的MCU是大多數可穿戴應用的關(guān)鍵所在。當今的32位架構中，ARM Cortex-M系列已成為領(lǐng)先的低功耗處理平臺。Cortex-M0+是2級流水線(xiàn)架構，在一些性能效率和低活動(dòng)模式電流消耗之間進(jìn)行了最佳權衡。Cortex-M3和M4處理器提供了3級流水線(xiàn)，具有良好的功耗和性能平衡。M4處理器的單精度浮點(diǎn)單元和DSP擴展能夠為軟件算法大大縮短了執行時(shí)間和能量消耗，例如常用于從噪聲傳感器數據中提取信息的Kalman濾波算法。智能手表需要更先進(jìn)的處理器(例如Cortex-M7)和專(zhuān)有內核，要為更高處理能力和高帶寬內存接口的一些功效進(jìn)行權衡。表1總結了主要可穿戴產(chǎn)品類(lèi)型所需的關(guān)鍵處理能力和特性需求。

表1：ARM Cortex-M系列滿(mǎn)足各類(lèi)可穿戴產(chǎn)品需求

選擇合適的電池技術(shù)也是重要的設計考慮。一次性電池具有不需要任何專(zhuān)門(mén)充電電路的優(yōu)勢;它們也有更好的能量密度并提供更多的能量容量。不足之處是它們使得機械設計變得更復雜并且限制了整體產(chǎn)品的易用性?？沙潆婋姵啬塬@得更輕薄的設計，但增加了成本和設計復雜性。無(wú)論如何選擇，可穿戴產(chǎn)品都需要小巧的外形，這就限制了電池的尺寸和提供的能量?？纱┐鳟a(chǎn)品需要一種系統級的方案，專(zhuān)注于盡可能的在包括硬件和軟件在內的所有級別上減少能耗。

在追求更長(cháng)電池使用壽命的過(guò)程中，可穿戴產(chǎn)品的設計師不能為能效而犧牲良好的用戶(hù)體驗。幸運的是，MCU現在已經(jīng)為獲得更長(cháng)電池使用壽命而在最佳性能和低功耗優(yōu)化之間取得平衡。除了低功耗電流之外，快速喚醒時(shí)間也是關(guān)鍵特性之一。休眠到激活狀態(tài)的快速轉換能夠獲得更好的系統響應并減少能耗。具有靈活喚醒源、超低功耗定時(shí)器和串行接口的MCU也為設計者提供了強大的選項。更先進(jìn)的MCU即使在MCU處于休眠狀態(tài)也能夠提供有效運行的外設。這種自治外設技術(shù)的典型例子是Silicon Labs的外設反射系統(Peripheral Reflex System，PRS)，如圖2所示，在EFM32 Gecko MCU外設中，例如模數轉換器(ADC)和直接存儲器存取(DMA)引擎能夠自治的響應外部輸入或中斷觸發(fā)，而無(wú)需任何CPU參與。這種方法能夠設置MCU處于休眠狀態(tài)，可以在來(lái)自傳感器的輸入超過(guò)預設定的門(mén)限之后才醒來(lái)，而不是讓MCU在活動(dòng)、高功耗狀態(tài)下不停的查詢(xún)同一個(gè)傳感器。

圖2：通過(guò)使能MCU外設自治運行并且保持處理器內核處于休眠狀態(tài)，外設反射系統節省系統能耗

可穿戴產(chǎn)品上基于CMOS的傳感器為豐富用戶(hù)體驗提供了基礎，使能新應用和使用案例。有三種主要的可穿戴產(chǎn)品傳感器類(lèi)別：運動(dòng)傳感器、環(huán)境傳感器和生物傳感器。每種傳感器類(lèi)型提供了對于最終用戶(hù)活動(dòng)、環(huán)境和健康的特有的洞察。當組合起來(lái)，它們更加強大?？纱┐鳟a(chǎn)品中傳感器的組合和使用需要許多權衡。光學(xué)傳感器需要使用能夠穿透光線(xiàn)的材料。特定傳感器的電源可能需要門(mén)控，以至于它們不會(huì )成為電池的永久負載，但是這種方法增加了設計復雜性。預期的用戶(hù)體驗、成本和使用案例最終驅動(dòng)可穿戴產(chǎn)品中傳感器集成的最佳水平。

移動(dòng)app是所有可穿戴解決方案的重要組成部分，而B(niǎo)luetooth Smart已迅速成為連接可穿戴產(chǎn)品到基于iOS和Android的移動(dòng)設備時(shí)的主要無(wú)線(xiàn)解決方案。Bluetooth Smart具有優(yōu)化的低功耗運行模式。它非常適合于傳輸傳感器數據、同步用戶(hù)信息、提供空中更新支持。智能手機提供了非常靈活的用戶(hù)界面，app實(shí)現了豐富的個(gè)性化能力，這種能力無(wú)法簡(jiǎn)單的以其他方式通過(guò)可穿戴產(chǎn)品單獨實(shí)現。然而，添加和使用無(wú)線(xiàn)連接會(huì )增加設計成本。成功的可穿戴設計需要謹慎的平衡處理。無(wú)線(xiàn)傳輸通常是可穿戴系統中的最高耗能者。決定消息以多大數量和多大頻率進(jìn)行傳輸或者可穿戴產(chǎn)品與智能手機以多大頻率進(jìn)行同步，對于最終產(chǎn)品的電池使用壽命會(huì )產(chǎn)生巨大的影響。高數據量的使用能夠把電池使用壽命縮短到數小時(shí)或數天。而更保守的方法也許能夠使同樣產(chǎn)品的壽命延長(cháng)到幾個(gè)星期或幾個(gè)月。

可穿戴市場(chǎng)可能已不再處于起步階段，隨著(zhù)低功耗MCU、基于CMOS傳感器和無(wú)線(xiàn)SoC的不斷突破，我們現在正處于可穿戴產(chǎn)品創(chuàng )新的新時(shí)代前夕。隨著(zhù)可以更容易的訪(fǎng)問(wèn)更精確傳感器驅動(dòng)的最終用戶(hù)數據，可穿戴設備能夠可靠和唯一的識別用戶(hù)。從健康和活動(dòng)跟蹤到安全和可靠用戶(hù)識別的轉換能夠在醫療保健、安全、移動(dòng)支付和社交網(wǎng)絡(luò )開(kāi)辟更多新機會(huì )。第一個(gè)在這些領(lǐng)域以適當成本獲得引人注目用戶(hù)體驗的可穿戴式產(chǎn)品，將成為市場(chǎng)的下一個(gè)大贏(yíng)家。