可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計思想及市場的制勝之道

從智能手表到便攜式健康和健身追蹤器，可穿戴設(shè)備正在日益改變著我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?0世紀(jì)80年代的臺式電腦革命為信息時代帶來了空前的個人生產(chǎn)力大爆發(fā)。20世紀(jì)90年代便攜式計算機(jī)的出現(xiàn)，與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展相一致，把我們從電源線和網(wǎng)線的束縛中解放出來。然后蜂窩電話和智能手機(jī)的爆炸式增長又為我們帶來了前所未有的移動性和無線連接能力。當(dāng)今的“腕上革命”，連同物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的異軍突起，正在把“移動”推向一個全新的高度：可穿戴計算。

腕上革命正在重寫便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計歷史。在本文中，我們將重點(diǎn)研究隱藏在用戶-體驗(yàn)-驅(qū)動(user-experience-driven)設(shè)計方法背后的設(shè)計思想。通過應(yīng)用這些設(shè)計思想，多種成功的可穿戴產(chǎn)品已經(jīng)面市。我們也將討論影響可穿戴產(chǎn)品能耗預(yù)算和計算需求的特性和功能，包括如何選擇適合產(chǎn)品設(shè)計需求的微控制器(MCU)。

腕上革命的現(xiàn)狀

智能手表、活動追蹤器、可穿戴GPS設(shè)備、心率監(jiān)視器和智能眼鏡是可穿戴產(chǎn)品的主要應(yīng)用形態(tài)，根據(jù)Futuresource Consulting的統(tǒng)計，2013年可穿戴設(shè)備全球銷售額約為80億美元。通過創(chuàng)新性的融合了成熟完善的功能性、簡單易用的連接性、緊湊的外形尺寸、超低功耗處理和無線連接性，可穿戴設(shè)備正在成為全新的個人電子設(shè)備類別，幫助我們變得更加健康，獲得更多的信息和更好的裝備。

幾年前，雖然一些領(lǐng)先的智能手機(jī)制造商已經(jīng)開始試驗(yàn)性推出基于他們現(xiàn)有手機(jī)產(chǎn)品的腕上產(chǎn)品，但是它們相當(dāng)笨重。直到2012年初，當(dāng)新型公司(例如Pebble Smartwatch)繞過智能手機(jī)制造商而推出全新的輕量級腕上設(shè)備時，腕上革命才真正開始快速發(fā)展。這些產(chǎn)品使得最終用戶可以更充分的利用他們已有的智能手機(jī)。Garmin、Samsung、Sony、Fitbit、Magellan(見圖1)和其他消費(fèi)類電子設(shè)備制造商也已經(jīng)推出他們自己的智能手表、活動追蹤器和其他可穿戴產(chǎn)品，從而成為腕上革命的有力競爭者。

圖1：在單塊CR2032紐扣電池供電條件下，Magellan Echo智能運(yùn)動腕表利用Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU實(shí)現(xiàn)電池壽命擴(kuò)展到11個月

這種充分競爭的市場環(huán)境也鼓勵小型化的靈敏型初創(chuàng)公司推出特色創(chuàng)新產(chǎn)品，例如Misfit Shine健身追蹤器(如圖2所示)正在不斷搶占競爭對手的市場份額。

圖2：Misfit Shine是一款設(shè)計優(yōu)雅的健身追蹤器，它通過采用EFM32 Gecko MCU實(shí)現(xiàn)卓越的能效和很長的電池壽命

一個成功的可穿戴設(shè)備必須提供合適的價格、性能、功能和電池壽命，以及獨(dú)特的外觀、觸感和作用，以便從競爭對手產(chǎn)品中脫穎而出。MCU、傳感器、無線電子器件和極具吸引力的用戶接口，這些都必須被裝進(jìn)一個小尺寸封裝中，從而可以舒適的佩戴在一個人的手腕或者其他地方。由于這種外形尺寸極大限制了留給供電的電池所占空間，因此可穿戴系統(tǒng)必須是非常節(jié)能的，以便盡可能使電池更換和充電的時間間隔維持最長的運(yùn)行周期。

用戶體驗(yàn)驅(qū)動制勝設(shè)計

要把這些不同元素融入到獲得市場認(rèn)可的產(chǎn)品中，需要一個復(fù)雜的設(shè)計去有所取舍的平衡功耗、性能、功能和外形尺寸等參數(shù)。通過采用所謂的“用戶體驗(yàn)驅(qū)動”設(shè)計方法，一些制造商已經(jīng)成功的度過難關(guān)，進(jìn)入到這個不太熟悉的領(lǐng)域。盡管這些設(shè)計方法顛覆了許多嵌入式開發(fā)人員的傳統(tǒng)思維和實(shí)踐方法。

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程通常開始于功能和性能定義，這將作為項(xiàng)目的頂級驅(qū)動力。相反，設(shè)計一個可穿戴產(chǎn)品通常開始于需要獲得的最終“用戶體驗(yàn)”定義。這些產(chǎn)品需求的定義體現(xiàn)在外觀、觸感和與最終用戶的交互，也包括它帶來的印象、感覺和情緒。設(shè)計過程的下一個步驟是把用戶體驗(yàn)轉(zhuǎn)化成“用例(use case)”——用于定義產(chǎn)品硬件和軟件單元的一系列頂級功能需求。

Apple是這種戰(zhàn)略的早期實(shí)踐者之一。他們使用這種戰(zhàn)略成功的定義了全新市場，并且一直處于領(lǐng)先地位。如果你對于精心設(shè)計用戶體驗(yàn)的重要性還心存懷疑，仔細(xì)考慮一下Apple iPod獨(dú)特的控制滾輪、寶石般的機(jī)殼設(shè)計和易于使用的iTunes軟件是如何幫助公司轉(zhuǎn)變并且最終主宰了整個數(shù)字音樂播放器市場。

定義用戶體驗(yàn)

定義可穿戴產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)需求可以歸為以下兩類：

●功能性——區(qū)別其他可穿戴產(chǎn)品的獨(dú)特外觀、觸感、特性和功能。

●易用性——輕松設(shè)置、直觀操作和減小維護(hù)的一系列需求。長電池使用壽命在易用性中具有非常重要的作用，因?yàn)槿绻粋€可穿戴設(shè)備每幾天就不得不重新充電，那將是一件令人沮喪的事情，并且容易導(dǎo)致用戶放棄該產(chǎn)品。

同時，定義用戶體驗(yàn)的這些元素能夠容易的轉(zhuǎn)換成用例，從而構(gòu)成產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)。根據(jù)應(yīng)用的不同，定義用戶體驗(yàn)可能涉及到構(gòu)造一個可穿戴產(chǎn)品實(shí)體，使之具有極具吸引力的質(zhì)感、符合人體工程學(xué)的外形和傳達(dá)特定感覺的設(shè)計元素。其他產(chǎn)品可能需要為控制和顯示創(chuàng)建特別的視覺模型，使復(fù)雜的操作變得簡單和直觀。

定義用例

一旦產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)得到明確定義，它必須被轉(zhuǎn)換成一個用例，用例的功能性需求將驅(qū)動可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計。詳細(xì)的用例能夠提供重要信息，使得它能夠更容易的為可穿戴產(chǎn)品設(shè)計的各個方面進(jìn)行準(zhǔn)確的比較研究。

用例應(yīng)當(dāng)包含可穿戴設(shè)備預(yù)計要執(zhí)行的任務(wù)、需要的資源和執(zhí)行的環(huán)境。這些細(xì)節(jié)通常包括設(shè)備要收集的數(shù)據(jù)類型，如何與用戶或其他設(shè)備交互，預(yù)期的運(yùn)行環(huán)境(溫度、耐水性、耐沖擊性等)，操作模式(數(shù)據(jù)收集和分析、用戶交互、通信等)，以及與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的頻率。

有了這些指導(dǎo)方針，設(shè)計團(tuán)隊(duì)就可以開始確定滿足應(yīng)用需求的傳感、計算和通信組件。同時，物料清單(BOM)成本和功耗預(yù)算也可以與初步設(shè)計需求同時進(jìn)行，為團(tuán)隊(duì)提供必需的參數(shù)以便集中匯總成最佳設(shè)計方案。

用例輔助進(jìn)行能源管理

因?yàn)殡姵氐氖褂脡勖诳纱┐髟O(shè)計中起著如此重要的角色，因此這里我們有必要仔細(xì)分析一下用例驅(qū)動設(shè)計過程中與能源管理相關(guān)的部分。

為了準(zhǔn)確的模擬設(shè)計選擇如何影響可穿戴設(shè)備的電池壽命，用例應(yīng)當(dāng)包括影響能耗因素的詳細(xì)描述，例如：

●備必須從外部環(huán)境收集的數(shù)據(jù)類型和頻率。

●用戶是否通過App、觸摸屏、按鍵或以上兩者與設(shè)備交互。如果是，那么通信的信息類型和使用的頻率如何。

●設(shè)備如何同其他可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)、本地網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。電源需求的變化依賴于所采用的無線接口(例如Bluetooth、Wi-Fi或ZigBee)，這是如何實(shí)現(xiàn)的。

●設(shè)備與他的同類或主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行同步或交換數(shù)據(jù)的頻率如何。(與諸如智能手機(jī)的主機(jī)系統(tǒng)頻繁同步將顯著降低電池壽命。)

一旦信息收集完畢，用例應(yīng)當(dāng)提供系統(tǒng)各種操作模式的詳細(xì)描述和每種模式下的運(yùn)行時間。這將成為系統(tǒng)能耗預(yù)算和為最大化電池壽命而進(jìn)行任何設(shè)計折中的基礎(chǔ)。

用例輔助進(jìn)行MCU選擇和優(yōu)化

用例與能耗相關(guān)的部分應(yīng)當(dāng)盡可能多的包括可穿戴設(shè)備執(zhí)行傳感、控制和計算任務(wù)的有關(guān)信息，也包括哪些任務(wù)由MCU執(zhí)行，哪些任務(wù)由外設(shè)執(zhí)行。這將有助于選擇最適合可穿戴應(yīng)用需求和開發(fā)策略的MCU產(chǎn)品，充分利用MCU能源友好的特性。

通過識別必須執(zhí)行的軟件功能和邏輯算法，以及它們發(fā)生的頻率，你能夠構(gòu)建出恰當(dāng)?shù)某跏脊浪慊蛘呖纱┐鲬?yīng)用的計算需求。假設(shè)有一個健身監(jiān)視器，它的MCU通過一個多軸加速計感應(yīng)用戶的身體活動，使用一個IR接近傳感器監(jiān)視脈搏，使用其他傳感器檢測溫度、濕度、血氧等級，甚至紫外線(UV)強(qiáng)度(見圖3)。然后MCU必須在確定真實(shí)步數(shù)和頻率之前過濾掉摻雜在原始傳感器數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，或者結(jié)合心率數(shù)據(jù)以區(qū)別是特定活動類型還是其他生物特征輸入。

圖3：健康和健身追蹤器以及其他可穿戴設(shè)備包含各類傳感器，以測量身體活動和其他生物特征，例如UV照射強(qiáng)度

在用于現(xiàn)代MCU的幾個優(yōu)秀的32位處理器架構(gòu)之中，ARM Cortex系列32位RISC CPU已經(jīng)成為嵌入式設(shè)計中領(lǐng)先的處理器內(nèi)核，這主要?dú)w功于它高效的架構(gòu)、易于擴(kuò)展的指令集、大量開發(fā)工具和代碼庫。在過去的幾年中，ARM已經(jīng)創(chuàng)建了幾個系列的Cortex CPU，每一種都針對特殊的需求而優(yōu)化。ARM Cortex-M系列處理器內(nèi)核是特別針對嵌入式MCU而開發(fā)的，在這些應(yīng)用中性能需求必須與能耗和低成本解決方案相適應(yīng)。Cortex-M系列提供內(nèi)核選項(xiàng)，滿足各種可穿戴設(shè)備屬性需求，包括價格、電池壽命、處理要求和顯示類型等(見表1)。

表1：設(shè)計旨在滿足多樣性設(shè)計需求的ARM Cortex-M系列

在Cortex-M系列內(nèi)，M3和M0+內(nèi)核針對成本敏感的應(yīng)用而設(shè)計，并且滿足這些應(yīng)用同時所需的高性能計算、外界事件快速系統(tǒng)響應(yīng)、以及低動態(tài)和靜態(tài)功耗。更復(fù)雜和功能強(qiáng)大的M4內(nèi)核能夠快速完成生物監(jiān)視應(yīng)用中常見的計算密集型算法。它的增強(qiáng)指令集包括功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理(DSP)功能庫。M4內(nèi)核的單精度浮點(diǎn)數(shù)處理單元(FPU)能夠顯著的縮短運(yùn)行時間、減少M(fèi)CU處于活動狀態(tài)的時間，從而最大限度的降低整體能源消耗。

深度睡眠延長電池壽命

為了降低可穿戴平臺能耗預(yù)算中MCU的影響，重要的是要將“需要把MCU從低功耗休眠模式中喚醒的任何任務(wù)的執(zhí)行頻率和時間”最小化。因此用例應(yīng)該包括MCU上各種任務(wù)的預(yù)期發(fā)生頻率，以及它們的執(zhí)行是否是事件或者計劃驅(qū)動的。

優(yōu)化低功耗嵌入式設(shè)計的主要方式之一是找到仍然能夠?qū)ν饨缡录M(jìn)行足夠響應(yīng)的最低休眠模式。大多數(shù)使用Cortex-M處理內(nèi)核的MCU支持多種休眠模式。

Silicon Labs的EFM32 Gecko系列產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)的32位ARM Cortex-M內(nèi)核，結(jié)合了能耗優(yōu)化的多種外設(shè)和時鐘架構(gòu)。EFM32架構(gòu)特別針對功耗敏感型應(yīng)用而設(shè)計。該架構(gòu)利用各種功耗模式，使得開發(fā)人員能夠?yàn)榭纱┐髟O(shè)備提供最佳的能源效率(見表2)。

休眠/待機(jī)(Sleep/Standby)(即EFM32 MCU的EM1模式)——能夠以稍高點(diǎn)的功耗代價快速返回到活動模式(通常通過中斷方式)。這種模式中，EFM32功耗為45μA/MHz;而其他32位MCU通常為200μA。

深度休眠(Deep Sleep)(EFM32的EM2模式)——保留MCU的關(guān)鍵單元處于活動模式，同時禁止高頻系統(tǒng)時鐘和其他非必要載荷。在這種模式下，EFM32功耗低至900nA;而其他32位MCU通常為10-50μA。

停機(jī)(Stop)(EFM32的EM3模式)——深度休眠模式的增強(qiáng)版本，能夠進(jìn)一步節(jié)省功耗，同時保持有限的自治性外設(shè)活動和快速喚醒能力。在這種模式下，EFM32功耗為0.59μA;而其他32位MCU通常為10-30μA。

關(guān)機(jī)(Off)(EFM32的EM4或者關(guān)斷模式)——這種“near-death”狀態(tài)保存最小的可被外界刺激觸發(fā)的喚醒功能。這種節(jié)能效率的代價是顯著增加喚醒時間。在這種模式下，EFM32功耗為20nA(RTC運(yùn)行時是420nA);而其他32位MCU通常為1.5μA。

后備電池模式(Backup Battery Mode)——EFM32的獨(dú)特特性，提供一個可替代關(guān)機(jī)模式的極具吸引力的替代模式，保留更多關(guān)鍵功能，并且支持更快的喚醒能力。

表2 ：EFM32 MCU為可穿戴應(yīng)用提供的一系列功耗模式

智能外設(shè)就是智能設(shè)計

許多MCU都至少擁有幾個外設(shè)用于執(zhí)行周期性任務(wù)、I/O和內(nèi)務(wù)處理任務(wù)，而同時CPU能夠保持在它的低功耗休眠模式之一。一些MCU也擁有自治性外設(shè)，用以執(zhí)行多種無需CPU干預(yù)的功能(例如計數(shù)器/定時器、ADC、DAC、GPIO、串行收發(fā)器等)。例如所有被EFM32 Gecko MCU支持的片上外設(shè)都擁有自治功能，可以在一個或多個設(shè)備休眠模式上保持活動狀態(tài)。這與那些在最低能耗模式下僅支持有限活動功能(例如GPIO喚醒和RTC操作)的MCU形成鮮明對比。

除了擁有其他MCU所提供的計數(shù)器/定時器、ADC、DAC、GPIO和串行通信單元之外，EFM32 MCU系列產(chǎn)品的外設(shè)集還包括：

●電容感應(yīng)控制器——感應(yīng)NxN網(wǎng)格(最大16點(diǎn))內(nèi)觸摸板觸點(diǎn)和坐標(biāo)，而無需CPU干預(yù)，并且CPU可以保持在EM2能耗模式。

●LCD驅(qū)動程序——可以從內(nèi)存通過DMA驅(qū)動段碼型LCD或TFT顯示屏，而無需CPU干預(yù)。

●模擬比較器——可以監(jiān)視警報/報警條件的門限電壓，而無需CPU干預(yù)。

●帶有DMA功能的Low Energy UART(LEUART)——可以在CPU處于EM2功耗模式下保持?jǐn)?shù)據(jù)接收能力，無需喚醒CPU。

●Low Energy Sensor(LESENSE)接口——可以與最大16個模擬傳感器(包括電阻型、電感型和電容型)協(xié)同工作，構(gòu)成一個自治狀態(tài)機(jī)。

大多數(shù)外設(shè)功能的活動，包括串口通信、計數(shù)器/定時器、模擬和數(shù)字比較器、高級I/O，都由專門的低功耗反射總線(稱為Peripheral Reflex System或者PRS)進(jìn)行協(xié)調(diào)。來自一個外設(shè)的事件和信號能夠作為輸入信號，或者被其他外設(shè)作為觸發(fā)器，從而確保時序關(guān)鍵的操作并減少軟件負(fù)荷。這些高級特性使得EFM32 Gecko MCU能夠提供優(yōu)秀的32位計算性能，同時使得可穿戴產(chǎn)品設(shè)計具有超低功耗和更長電池壽命。

最小化能耗中的軟件力量

為了簡化開發(fā)過程、縮短上市時間、獲得最佳能效，可穿戴產(chǎn)品設(shè)計者必須考慮MCU供應(yīng)商所提供的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的有效性和易用性。為了使開發(fā)過程更加容易、快速和有效，開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)使用完整、簡單易用的平臺，該平臺能夠?yàn)樗麄兲峁┩瓿身?xiàng)目所需的一切資源，從初始概念設(shè)計到最終產(chǎn)品。同樣重要的是，生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供可以使開發(fā)人員優(yōu)化產(chǎn)品能耗的輔助設(shè)計工具。

例如，Silicon Labs的Simplicity Studio開發(fā)平臺包括了實(shí)時能耗配置和分析工具，是為了估算能耗、平衡性能和能效。Simplicity Studio energyAware Battery Calculator幫助開發(fā)人員評估電流消耗和電池壽命。開發(fā)人員能夠選擇EFM32 MCU Energy Mode和電池配置，并且在編寫任何代碼之前評估功耗。energyAware Profiler(見圖4)實(shí)時分析電流消耗，如果電流消耗太高，可以幫助開發(fā)人員識別應(yīng)當(dāng)被優(yōu)化的代碼區(qū)域。

圖4：諸如Simplicity Studio energyAware Profiler的開發(fā)工具能夠幫助設(shè)計人員調(diào)整他們的可穿戴應(yīng)用以優(yōu)化能源效率

通過簡單的觀察電流消耗的圖形輸出，開發(fā)人員可以快速查看是否有任何功耗顯著增加。要采取進(jìn)一步措施，可以單擊圖表上一個點(diǎn)，選定應(yīng)用并顯示與電流消耗相關(guān)的C代碼行，這對于開發(fā)人員來說非常有價值。這種能力能夠幫助開發(fā)人員追蹤電流消耗中異常數(shù)值到特定代碼行，并進(jìn)行優(yōu)化。最后，這種能耗感知能力對于電池供電的可穿戴應(yīng)用來說特別關(guān)鍵，它能夠讓開發(fā)人員了解每個mA數(shù)(甚至μA數(shù))消耗在何處。

結(jié)論

為了集成復(fù)雜技術(shù)和高性能組件到空間和能耗都受限的設(shè)計中，為腕上革命而設(shè)計的制勝產(chǎn)品需要對可穿戴應(yīng)用需求的現(xiàn)狀以及最新的設(shè)計方法有深度的理解。智能手表、便攜式健身追蹤器、智能眼鏡和其他可穿戴計算設(shè)備正在改變著我們所知的與便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)的一切事項(xiàng)。

可穿戴設(shè)備也正在改變著設(shè)計工程師的設(shè)計規(guī)則，他們必須完美的集成精密傳感、計算、顯示和無線技術(shù)到成本受限、引人入勝、超級緊湊的設(shè)計中，并且能夠在單一可替換電池或其他受限電源供電下工作數(shù)月。新型的可穿戴計算產(chǎn)品正在以更快的速度出現(xiàn)在市場中，每一個設(shè)計創(chuàng)新都在打破著我們對最終用戶體驗(yàn)的預(yù)期。腕上革命才剛剛開始!