低功耗與傳感技術(shù)為穿戴電子技術(shù)核心

　　穿戴式裝置搭配手持式裝置與網(wǎng)際網(wǎng)路的連結，構建出包含生活、運動(dòng)、醫療…等各種領(lǐng)域等更多生活上的應用。由于穿戴式裝置體積小巧且更貼近人體，其設計上對于體積重量、發(fā)熱、EMI、電源管理、防觸電、防濕防水防塵、舒適度甚至在時(shí)尚感有更嚴苛的要求，因此市場(chǎng)也針對穿戴式裝置，推出各式專(zhuān)用的微機電電子元件與感測技術(shù)…

　　穿戴式裝置專(zhuān)用之微機電元件

　　拜MEMS(微機電)元件技術(shù)的進(jìn)步，讓各式傳感器能輕松嵌入到手持式裝置、穿戴式裝置之中，使科技應用無(wú)所不在。由于穿戴式裝置是穿戴于人體身上，故比手持式裝置更貼近人類(lèi)，能夠延伸更多生活上應用，或忠實(shí)偵測與紀錄人體生理機能的反應。目前已知的穿戴式裝置，可提供人類(lèi)在科技應用(語(yǔ)音通訊/擴增實(shí)境/個(gè)人助理)、生活品質(zhì)(食品熱量、睡眠提示、節食建議)、運動(dòng)健身(比賽紀錄、訓練健身、虛擬教練)、醫療輔助(心電圖、脈搏記錄、睡眠改善…等生理機能量測儀)、旅游輔助(路線(xiàn)建議、導航指示、旅程紀錄)、公益應用(孩童/寵物/老人失蹤協(xié)尋)等各種貼心的應用。

　　由于穿戴式裝置的體積更小，更貼近人體，且必須長(cháng)時(shí)間穿戴，因此這些裝置對于發(fā)熱、EMI(電磁干擾)、電源管理、防觸電、防汗/防水/防塵、舒適度、精準度、體積重量，甚至時(shí)尚等要求，都比手持式裝置更為嚴格，因此各廠(chǎng)商在設計產(chǎn)品時(shí)，就必須顧慮到這些課題。而MEMS微機電零件供應商，也提供各種不同等級的產(chǎn)品，以符合系統廠(chǎng)商在設計穿戴式裝置時(shí)的需求。

　　穿戴式元件的市場(chǎng)與趨勢

　　因應穿戴式裝置的市場(chǎng)起飛，讓物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings;IoT)的應用得以實(shí)現，不管在醫療保健、運動(dòng)健身、娛樂(lè )資訊、工業(yè)產(chǎn)品、國防安全等領(lǐng)域都將用得到，使得MEMS元件與感應器的需求跟著(zhù)水漲船高。據ResearchandMarkets研究機構的數據，2013年全球消費電子用的感測器市場(chǎng)規模為152.7億美元，并以9.7%的平均復合年增率，預計在2020年達到292.5億美元。

　　MarketsandMarkets的研究報告中說(shuō)明，醫學(xué)專(zhuān)用圖像感測器市場(chǎng)規模在2018年將達到107.5億美元，平均復合年增率為3.84%。出貨量部份，2013年達16億個(gè)，預計2018年將達到30億個(gè)。

　　至于ImageSensor(影像感測器)部份，依據GrandViewResearch研究機構的預測，到2020年的全球出貨量可望達30.092億個(gè)，2014~2020年平均復合年增率為6.7%，到2020年將達到120億美元。

　　穿戴式裝置的元件-CPU、MCU

　　當今高階手持式裝置的CPU(處理器)，已經(jīng)邁向八核心的里程碑，處理速度更快。然為了減少感測器在全天候偵測、搜集與處理上的電能消耗，許多產(chǎn)品已開(kāi)始搭配MCU(微控制器)，來(lái)?yè)蝿?dòng)作感應專(zhuān)用的協(xié)同處理器(MotionCo-processor)。

　　以蘋(píng)果iPhone5s、iPadAir、iPadmini2內建的M7為例，便是一款協(xié)同處理器，采用NXPLPC1800系列的客制化Cortex-M3微控制器，運作時(shí)脈為150MHz，可搜集、量測、儲存感應到的資料(來(lái)自STM三軸陀螺儀、Bosch三軸加速器、AKM電子羅盤(pán)等感應器資訊)，縱使手機在待機中亦能運作，繼續將感測資料記錄下來(lái)，待裝置喚醒后就能夠繼續處理資料，這樣的設計可讓裝置在長(cháng)時(shí)間的運作下(例如運動(dòng))，更為省電。

　　在穿戴式裝置的應用上，大多采用SensorHubMCU，亦即采用ARMCortexM系列的MCU來(lái)當主要控制器，以達到高效能、低耗電的目的。例如Fitbit智慧手環(huán)，便是采用ST的STM32L151C6Cortex-M3低功耗16位元32MHzMCU、JawboneUP智慧手環(huán)采用TI的MSP430F552816位元25MHzMCU。而Pebble智慧手表采用ST的STM32F205RECortex-M3架構的32位元120MHzMCU、SonySmartWatchSW2也采用STMCU，時(shí)脈為180MHz。

　　至于Samsung的GalaxyGear智慧手表，仍采用自家Exynos800MHz單核CPU來(lái)做感測運算處理，可惜搭配的電池容量太小，連續使用25小時(shí)就要充電，雖效能強、但持續力不佳，市場(chǎng)反應冷淡。因此，Samsung在MWC發(fā)表的Gear2家族，采用MCU設計，使用時(shí)間可達2~3天。由此可見(jiàn)，為了功耗與增加電池壽命，未來(lái)將會(huì )有更多穿戴式產(chǎn)品改用MCU來(lái)當主要處理器。

　　穿戴式裝置的元件-MEMS、Sensor

　　在感測器方面，穿戴式裝置目前配置的基本三個(gè)體感/動(dòng)態(tài)感測元件，就是電子羅盤(pán)(magnetometer)、三軸陀螺儀(gyroscope)、三軸加速器(accelerometer)，可以用來(lái)計步、偵測心跳、生理追蹤等等。

　　至于在環(huán)境感應器部份，則是依照產(chǎn)品的應用需求再加入。例如接近感應器(Proximitysensor)、溫度計(Thermometer)、濕度計(Hygrometer)或氣壓計(Barometer)等等。若有輔助操控部份，如手勢、語(yǔ)音等輸入，則會(huì )選擇將紅外線(xiàn)(Infrared)或相機模組(CameraModule)、麥克風(fēng)(Mic)等元件內建，以做簡(jiǎn)單的手勢、語(yǔ)音辨識。例如GoogleGlass就包含了光度感應器(AmbientLightSensor)、接近感應器，做為調整亮度與物體偵測之用。

　　在軟體技術(shù)方面，已有許多廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出自家專(zhuān)利的演算法，應用在各穿戴式應用的軟硬體產(chǎn)品。如Nike+RunningApp(跑步訓練程式)、JawboneUp、Fitbit系列手環(huán)，便是采用FullPower公司的MotionX技術(shù)。

　　醫療、保健等感測器專(zhuān)用之穿戴式裝置的元件

　　消費級的穿戴式裝置，可提供個(gè)人保健、節食塑身、手機延伸應用等。至于專(zhuān)業(yè)級的產(chǎn)品，則有不同的訴求。在醫療院所里，量測專(zhuān)用的穿戴式裝置其實(shí)早行之有年，近年來(lái)由于科的進(jìn)步，當許多量測裝置的體積能夠縮小，且透過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將訊號傳遞出來(lái)，不需要再連接一堆電線(xiàn)，使病人能夠行動(dòng)自如。

　　醫學(xué)或健康產(chǎn)業(yè)所設計的穿戴式裝置，大多內建上述的感應器架構，而醫學(xué)復健的感應器，還會(huì )加上體感技術(shù)。這類(lèi)產(chǎn)品的功能訴求單純，主要用于量測個(gè)人生理資訊，數值量測的要求上，則是必須非常精確，且裝置要能夠長(cháng)時(shí)間使用，并可透過(guò)內建的GSM或Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通訊，將身上的各種儀器串連起來(lái)，成為一個(gè)身體網(wǎng)路(BodyAreaNetwork;BAN)，同時(shí)也可以將資料回傳至醫療院所以利于后續追蹤，如此進(jìn)而達到居家照護、遠距醫療之應用。

　　醫學(xué)界所需要的穿戴式裝置種類(lèi)繁多，如智慧衣、智慧夾克、智慧帽、智慧腰帶、智慧褲、智慧鞋、智慧鞋墊與智慧襪等，這些產(chǎn)品必須依照不同的個(gè)人Size去設計。此外，醫療照護是從醫院延伸到老人機構，再從機構再跨到一般社區。

　　長(cháng)庚醫院在2012年發(fā)表的「智慧型人體感測網(wǎng)絡(luò )衣」─簡(jiǎn)稱(chēng)智慧衣(SmartClothes)，就具備了健康促進(jìn)、健康老化監控與異常警示功能。其細節應用上整合了心電圖訊號(ECG)、呼吸、體液、加速與溫度等感測功能，并可偵測到細微汗漬，同時(shí)能夠做到24小時(shí)監控照護，持續記錄。并可透過(guò)手機或資料上傳至云端，來(lái)提供運動(dòng)健身、體態(tài)姿勢、體溫偵測、睡眠品質(zhì)、心肺功能等多種個(gè)人健康資訊。

　　至于智慧襪(SmartSock)部份，有一家叫Heapsylon的公司，推出了SenSoria智慧襪，將各式感應器與傳輸元件直接織入襪子布料中，穿著(zhù)舒適，洗曬都不怕。在功能上，可偵測心跳、脈搏、所受外力，并分析腳掌的著(zhù)力點(diǎn)，可記錄站立、跑步、走路的時(shí)間，同時(shí)能透過(guò)手機App來(lái)自我檢測，在姿勢不對時(shí)，亦可適時(shí)提醒用戶(hù)以做改善。