低功耗与传感技术为穿戴电子技术核心

2014-04-04 13:07:39来源: DIGITIMES 关键字:低功耗  传感技术
    穿戴式装置搭配手持式装置与网际网路的连结,构建出包含生活、运动、医疗…等各种领域等更多生活上的应用。由于穿戴式装置体积小巧且更贴近人体,其设计上对于体积重量、发热、EMI、电源管理、防触电、防湿防水防尘、舒适度甚至在时尚感有更严苛的要求,因此市场也针对穿戴式装置,推出各式专用的微机电电子元件与感测技术…

穿戴式装置专用之微机电元件

拜MEMS(微机电)元件技术的进步,让各式传感器能轻松嵌入到手持式装置、穿戴式装置之中,使科技应用无所不在。由于穿戴式装置是穿戴于人体身上,故比手持式装置更贴近人类,能够延伸更多生活上应用,或忠实侦测与纪录人体生理机能的反应。目前已知的穿戴式装置,可提供人类在科技应用(语音通讯/扩增实境/个人助理)、生活品质(食品热量、睡眠提示、节食建议)、运动健身(比赛纪录、训练健身、虚拟教练)、医疗辅助(心电图、脉搏记录、睡眠改善…等生理机能量测仪)、旅游辅助(路线建议、导航指示、旅程纪录)、公益应用(孩童/宠物/老人失踪协寻)等各种贴心的应用。


基本穿戴式装置的感应器系统架构图 (fp7-smac.org)

   
医疗穿戴式装置的资讯传递系统架构图 (Intersive)
由于穿戴式装置的体积更小,更贴近人体,且必须长时间穿戴,因此这些装置对于发热、EMI (电磁干扰)、电源管理、防触电、防汗/防水/防尘、舒适度、精准度、体积重量,甚至时尚等要求,都比手持式装置更为严格,因此各厂商在设计产品时,就必须顾虑到这些课题。而MEMS微机电零件供应商,也提供各种不同等级的产品,以符合系统厂商在设计穿戴式装置时的需求。

穿戴式元件的市场与趋势

因应穿戴式装置的市场起飞,让物联网(Internet of Things;IoT)的应用得以实现,不管在医疗保健、运动健身、娱乐资讯、工业产品、国防安全等领域都将用得到,使得MEMS元件与感应器的需求跟着水涨船高。据Research and Markets研究机构的数据,2013年全球消费电子用的感测器市场规模为152.7亿美元,并以9.7%的平均复合年增率,预计在2020年达到292.5亿美元。

MarketsandMarkets的研究报告中说明,医学专用图像感测器市场规模在2018年将达到107.5亿美元,平均复合年增率为3.84%。出货量部份,2013年达16亿个,预计2018年将达到30亿个。

至于Image Sensor(影像感测器)部份,依据Grand View Research研究机构的预测,到2020年的全球出货量可望达30.092亿个,2014~2020年平均复合年增率为6.7%,到2020年将达到120亿美元。

穿戴式装置的元件-CPU、MCU

当今高阶手持式装置的CPU(处理器),已经迈向八核心的里程碑,处理速度更快。然为了减少感测器在全天候侦测、搜集与处理上的电能消耗,许多产品已开始搭配MCU(微控制器),来担任动作感应专用的协同处理器(Motion Co-processor)。

以苹果iPhone 5s、iPad Air、iPad mini 2内建的M7为例,便是一款协同处理器,采用NXP LPC1800系列的客制化Cortex-M3微控制器,运作时脉为150MHz,可搜集、量测、储存感应到的资料(来自STM三轴陀螺仪、Bosch三轴加速器、AKM电子罗盘等感应器资讯),纵使手机在待机中亦能运作,继续将感测资料记录下来,待装置唤醒后就能够继续处理资料,这样的设计可让装置在长时间的运作下(例如运动),更为省电。

在穿戴式装置的应用上,大多采用Sensor Hub MCU,亦即采用ARM Cortex M系列的MCU来当主要控制器,以达到高效能、低耗电的目的。例如Fitbit智慧手环,便是采用ST的STM32L151C6 Cortex-M3低功耗16位元32MHz MCU、Jawbone UP智慧手环采用TI的MSP430F5528 16位元25MHz MCU。而Pebble智慧手表采用ST的STM32F205RE Cortex-M3架构的32位元120MHz MCU、Sony SmartWatch SW2也采用ST MCU,时脉为180MHz。

至于Samsung的Galaxy Gear智慧手表,仍采用自家Exynos 800MHz单核CPU来做感测运算处理,可惜搭配的电池容量太小,连续使用25小时就要充电,虽效能强、但持续力不佳,市场反应冷淡。因此,Samsung在MWC发表的Gear 2家族,采用MCU设计,使用时间可达2~3天。由此可见,为了功耗与增加电池寿命,未来将会有更多穿戴式产品改用MCU来当主要处理器。

穿戴式装置的元件-MEMS、Sensor

在感测器方面,穿戴式装置目前配置的基本三个体感/动态感测元件,就是电子罗盘(magnetometer)、三轴陀螺仪(gyroscope)、三轴加速器(accelerometer),可以用来计步、侦测心跳、生理追踪等等。

至于在环境感应器部份,则是依照产品的应用需求再加入。例如接近感应器(Proximity sensor)、温度计(Thermometer)、湿度计(Hygrometer)或气压计(Barometer)等等。若有辅助操控部份,如手势、语音等输入,则会选择将红外线(Infrared)或相机模组(Camera Module)、麦克风(Mic)等元件内建,以做简单的手势、语音辨识。例如Google Glass就包含了光度感应器(Ambient Light Sensor)、接近感应器,做为调整亮度与物体侦测之用。

在软体技术方面,已有许多厂商开发出自家专利的演算法,应用在各穿戴式应用的软硬体产品。如Nike+ Running App(跑步训练程式)、Jawbone Up、Fitbit系列手环,便是采用FullPower公司的MotionX技术。

医疗、保健等感测器专用之穿戴式装置的元件

消费级的穿戴式装置,可提供个人保健、节食塑身、手机延伸应用等。至于专业级的产品,则有不同的诉求。在医疗院所里,量测专用的穿戴式装置其实早行之有年,近年来由于科的进步,当许多量测装置的体积能够缩小,且透过无线的方式将讯号传递出来,不需要再连接一堆电线,使病人能够行动自如。

医学或健康产业所设计的穿戴式装置,大多内建上述的感应器架构,而医学复健的感应器,还会加上体感技术。这类产品的功能诉求单纯,主要用于量测个人生理资讯,数值量测的要求上,则是必须非常精确,且装置要能够长时间使用,并可透过内建的GSM或Wi-Fi无线通讯,将身上的各种仪器串连起来,成为一个身体网路(Body Area Network;BAN),同时也可以将资料回传至医疗院所以利于后续追踪,如此进而达到居家照护、远距医疗之应用。

医学界所需要的穿戴式装置种类繁多,如智慧衣、智慧夹克、智慧帽、智慧腰带、智慧裤、智慧鞋、智慧鞋垫与智慧袜等,这些产品必须依照不同的个人Size去设计。此外,医疗照护是从医院延伸到老人机构,再从机构再跨到一般社区。

长庚医院在2012年发表的「智慧型人体感测网络衣」─简称智慧衣(Smart Clothes),就具备了健康促进、健康老化监控与异常警示功能。其细节应用上整合了心电图讯号(ECG)、呼吸、体液、加速与温度等感测功能,并可侦测到细微汗渍,同时能够做到24小时监控照护,持续记录。并可透过手机或资料上传至云端,来提供运动健身、体态姿势、体温侦测、睡眠品质、心肺功能等多种个人健康资讯。

至于智慧袜(Smart Sock)部份,有一家叫Heapsylon的公司,推出了SenSoria智慧袜,将各式感应器与传输元件直接织入袜子布料中,穿着舒适,洗晒都不怕。在功能上,可侦测心跳、脉搏、所受外力,并分析脚掌的着力点,可记录站立、跑步、走路的时间,同时能透过手机App来自我检测,在姿势不对时,亦可适时提醒用户以做改善。


关键字:低功耗  传感技术

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0404/article_32085.html
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