打破可穿戴設(shè)計(jì)尺寸和功效不能兩全的困局

　　引言

　　可穿戴技術(shù)可謂是當(dāng)今世界的熱門話題，有關(guān)令人興奮激動(dòng)的新設(shè)備即將上市的消息充斥著各大新聞?lì)^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、珠寶等?？纱┐髟O(shè)備無邊無界，預(yù)計(jì)將成為智能便攜式設(shè)備的下一個(gè)高增長(zhǎng)領(lǐng)域。

　　那么，為什么可穿戴設(shè)備如此有趣呢？它為何會(huì)贏得人們的普遍關(guān)注呢？穿在身上（不僅限于人類，還包括動(dòng)物）的可穿戴設(shè)備能夠以完全不同于其他設(shè)備的方式整合到我們的日常生活中。智能手機(jī)已經(jīng)非常貼近我們的生活，我們大多數(shù)人不敢想象不帶手機(jī)出門會(huì)怎樣；但是，可穿戴設(shè)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(shù)據(jù)?？纱┐髟O(shè)備不是放在口袋里或包里，而是依靠我們而存活，體驗(yàn)我們所體驗(yàn)的感受，悄悄地成為我們數(shù)字生活的伴侶。

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

　　所有這些設(shè)備都能夠通過傳感器收集數(shù)據(jù)，來了解您的日?；顒?dòng)，并連接到云，從而對(duì)數(shù)據(jù)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(qiáng)可穿戴設(shè)備“粘性”的關(guān)鍵。換言之，使可穿戴設(shè)備成為一個(gè)自動(dòng)伴侶。許多現(xiàn)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(shè)備制造商所面臨的挑戰(zhàn)和目標(biāo)是，創(chuàng)造能夠成為人們長(zhǎng)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(shè)備市場(chǎng)的領(lǐng)先半導(dǎo)體解決方案。其中最重要的是能夠提供超級(jí)節(jié)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(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間的小型設(shè)備。

　　本文還將詳細(xì)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(tái)。

　　可穿戴技術(shù)市場(chǎng)概述

　　可穿戴設(shè)備通常被視為最激動(dòng)人心和前途無量的新技術(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(xiàn)了可穿戴設(shè)備，市場(chǎng)上有多種令人興奮的產(chǎn)品，而且新設(shè)備正在不斷涌現(xiàn)。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 Kickstarter 等眾籌平臺(tái)籌集資金，可在 12 至 18 個(gè)月內(nèi)交付產(chǎn)品。

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

　　縱觀市場(chǎng)，我們發(fā)現(xiàn)有三類設(shè)備主導(dǎo)著可穿戴設(shè)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(jī)信息

　　• 眼鏡和攝像頭——用作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能手機(jī)、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)品類別外，我們還看到涌現(xiàn)出一些面向可穿戴設(shè)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，再延伸到智能鞋類和珠寶

　　• 醫(yī)療保健—遠(yuǎn)程病人監(jiān)測(cè)、生活輔導(dǎo)、ECG（心率監(jiān)測(cè)）、連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)，以及用于診斷心律失常等情況的無線可穿戴小飾物

　　• 身份認(rèn)證—通過可穿戴設(shè)備進(jìn)行付款和銀行交易、啟動(dòng)汽車、控制家居自動(dòng)化

　　• 游戲耳機(jī)和耳塞—能夠提供豐富的音效和集成麥克風(fēng)的耳機(jī)

　　那么，這些對(duì)于可穿戴設(shè)備的未來意味著什么？單功能設(shè)備（如健身帶）將繼續(xù)流行。隨著時(shí)間的推移，我們預(yù)計(jì)將出現(xiàn)與智能手機(jī)領(lǐng)域類似的進(jìn)化，可穿戴設(shè)備將逐步把越來越多的功能集成到單一設(shè)備中，并打造出使可穿戴設(shè)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(yù)測(cè)。我們期望看到上述類別整合在一起—例如，手表可作為您智能手機(jī)的第二屏幕，追蹤您的日常活動(dòng)，監(jiān)測(cè)您的健康狀況，連接您和您的家人、朋友或護(hù)理人員，此外它還具有安全的綜合銀行功能，您可以通過其來驗(yàn)證支付。這豈不是一個(gè)偉大的一體化可穿戴設(shè)備？

　　可穿戴的移動(dòng)設(shè)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 和處理器是各類可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理想選擇。可擴(kuò)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(jí)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(yīng)用處理器，應(yīng)有盡有，使設(shè)計(jì)能夠支持 Linux®和 Android™ 等較高級(jí)別的操作系統(tǒng)和更加豐富的用戶界面。

　　目前市場(chǎng)上的許多可穿戴設(shè)備都采用基于ARM架構(gòu)的飛思卡爾 MCU 和處理器。ARM 架構(gòu)提供低功耗、可擴(kuò)展的處理引擎，使之成為可穿戴設(shè)備的理想解決方案。廣泛的可穿戴應(yīng)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(yīng)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(duì)現(xiàn)在積極的、有健康意識(shí)的消費(fèi)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，可以夾，也可以戴在手腕上。飛思卡爾Kinetis 系列 MCU 具有強(qiáng)大的可擴(kuò)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(shè)計(jì)新設(shè)備。

　　Thalmic Labs MYO 是一款臂帶，它的工作方式是通過肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能來驅(qū)動(dòng)設(shè)備，揮揮手就能對(duì)計(jì)算機(jī)、電話及其他喜愛的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行無線控制。這款臂帶通過藍(lán)牙連接您的計(jì)算機(jī)或其他智能設(shè)備，讓您能夠?yàn)g覽網(wǎng)頁，調(diào)大音樂的音量，在演講過程中更換幻燈片，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(jiān)測(cè)儀。它不是臂帶也不是腕帶，而是頸帶，目標(biāo)受眾是狗狗。Whistle 活動(dòng)監(jiān)測(cè)儀采用飛思卡爾 Kinetis K60 MCU，是防水的頸帶設(shè)備，能夠測(cè)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看這個(gè)忠實(shí)朋友的行為和健康趨勢(shì)。通過智能手機(jī)查看，與親友分享值得紀(jì)念的時(shí)刻，當(dāng)狗狗的行為或健康狀況發(fā)生任何改變時(shí)，向獸醫(yī)發(fā)送報(bào)告。

　　手表

　　另一個(gè)備受歡迎的類別是手表。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(jí) GPS手表的優(yōu)勢(shì)。Forerunner 10 采用基于 Cortex-M4 的 Kinetis K20 MCU，F(xiàn)orerunner 15 使用基于Cortex-M0+ 內(nèi)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(xùn)計(jì)劃，還能夠測(cè)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(yīng)用處理器支持基于 Android 的i’m Watch，將其連接到您的智能手機(jī)，使您可以用該手表處理來電和文本消息。Facebook、Twitter 和天氣預(yù)報(bào)等資訊可以完美地呈現(xiàn)在該手表的高分辨率屏幕以及友好的用戶界面上。

　　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(shù)人認(rèn)為很平常但對(duì)他們而言卻極具挑戰(zhàn)性的活動(dòng)，如乘坐公交車、買食品雜貨、讀報(bào)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(jí)視覺計(jì)算算法，解析視覺輸入并將解析結(jié)果實(shí)時(shí)地傳送給穿戴該設(shè)備的人士。該可穿戴設(shè)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(zhǎng)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(yī)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(yuǎn)程醫(yī)療的優(yōu)勢(shì)和安全功能。

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　　設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備

　　可穿戴設(shè)備制造商面臨的重要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括尺寸、能耗和用戶體驗(yàn)。當(dāng)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(jī)的全新設(shè)計(jì)規(guī)則。目前典型的可穿戴設(shè)備大致分為兩類：

　　• 基于低功耗、高性能 MCU 功能的設(shè)計(jì)

　　• 基于手機(jī)應(yīng)用處理功能的設(shè)計(jì)，類似于智能手機(jī)中的處理器

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

　　可穿戴應(yīng)用的要求

　　這兩類設(shè)備的性能和功能截然不同，與微控制器設(shè)計(jì)相比，基于手機(jī)應(yīng)用處理器的設(shè)計(jì)需要更高的操作點(diǎn)而且電池壽命也更短。

　　規(guī)格

　　如果我們仔細(xì)查看典型可穿戴設(shè)備并考慮設(shè)計(jì)限制因素，就會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是規(guī)格。可穿戴設(shè)備需要外型小巧，不突兀。這對(duì)可用的 PCB 面積提出了嚴(yán)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(jī)的電池容量大約為 3000 mAh，而手表的電池容量?jī)H為 300 mAh。由于手表的電池容量是手機(jī)的十分之一，因此需要認(rèn)真考慮節(jié)能要求，以最大限度地減少充電周期?，F(xiàn)在的消費(fèi)者習(xí)慣每天給他們的智能手機(jī)充電一次，但是對(duì)于可穿戴設(shè)備，消費(fèi)者期望充電周期是每周一次或更長(zhǎng)時(shí)間，理想狀態(tài)下，應(yīng)達(dá)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，我們期望智能手表的可用電量?jī)H為智能手機(jī)的五十分之一。通過芯片集成和高級(jí)封裝技術(shù)可滿足對(duì)小型尺寸的需求。飛思卡爾 Kinetis Cortex-M 系列內(nèi)核集成了存儲(chǔ)器、USB 等外設(shè)，以及觸摸傳感和模擬組件，以減少整體系統(tǒng)的尺寸。Kinetis MCU提供多種封裝，包括晶圓級(jí)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(shè)備有硬件系統(tǒng)要求，限制了微控制器一些功能的使用。對(duì)于這些設(shè)備，設(shè)計(jì)人員需要的處理器要能夠支持存儲(chǔ)器可視化等功能、圖形支持，并增加 CPU 帶寬。調(diào)整基于 Cortex-A 的處理器（例如 i.MX 應(yīng)用處理器）使之適應(yīng)可穿戴設(shè)備的低功耗需求至關(guān)重要。比傳統(tǒng)的手機(jī)處理器更低的時(shí)鐘速率（例如500 MHz 對(duì) 1 GHz），可實(shí)現(xiàn)最佳的功耗/性能平衡，能夠根據(jù)應(yīng)用來優(yōu)化裝置的核心配置（例如更小的緩沖存儲(chǔ)器和低功耗處理節(jié)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(jiān)測(cè)捕獲環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，偶爾刷新顯示屏。用戶查看屏幕獲取更新數(shù)據(jù)而不是像其與智能手機(jī)那樣互動(dòng)，用戶與智能手表的交互通常較低。

　　用戶體驗(yàn)

　　可穿戴設(shè)備的可用性高度依賴人與設(shè)備交互的方式，而交互界面決定了用戶體驗(yàn)的階段。要提供這種體驗(yàn)，需要考慮的設(shè)計(jì)要素包括：顯示或無顯示，連接類型、充電方法和頻率，以及整體風(fēng)格。

　　實(shí)現(xiàn)這些考慮要素的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是軟件。設(shè)備應(yīng)運(yùn)行哪類操作系統(tǒng)？Android 或 Linux 等完整的操作系統(tǒng)增強(qiáng)了圖形功能，提供了更廣泛的連接選項(xiàng)和更簡(jiǎn)單的可擴(kuò)展性，從而可提供更多功能。然而，這些功能還會(huì)影響規(guī)格、電池壽命和成本，因?yàn)樗鼈冃枰獞?yīng)用處理器級(jí)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠在更小的規(guī)格中實(shí)現(xiàn)，充分利用帶有嵌入式存儲(chǔ)器的微控制器來減小尺寸，延長(zhǎng)電池壽命，并降低成本。要在圖形處理能力、整體性能和未來功能支持選項(xiàng)之間進(jìn)行權(quán)衡?？纱┐髟O(shè)備開發(fā)人員在決定最終產(chǎn)品的架構(gòu)之前需要詢問許多問題并進(jìn)行權(quán)衡分析。

　　支持創(chuàng)新者

　　進(jìn)入可穿戴參考平臺(tái)，簡(jiǎn)稱WaRP。該參考平臺(tái)采用混合方法推動(dòng)可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)，幫助解決這些規(guī)格和功耗設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。通過加速和簡(jiǎn)化開發(fā)，開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂诖蛟觳町惢奶匦裕⒓涌鞆脑偷阶罱K產(chǎn)品的過程。

　　該平臺(tái)包含一個(gè)主板和示例子板，能夠針對(duì)不同的使用模式添加額外的子板。該混合架構(gòu)將基于 Cortex-M 內(nèi)核的 Kinetis KL16 MCU 與基于 Cortex-A 內(nèi)核的 i.MX 6SoloLite 應(yīng)用處理器相結(jié)合。這樣，MCU 能夠管理傳感器數(shù)據(jù)，而應(yīng)用處理器能夠在省電模式下待機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)省電和延長(zhǎng)電池使用壽命的目的。Kinetis MCU 還被用作無線充電微控制器。WaRPboard 中的所有組件都根據(jù)低功耗、小規(guī)格和成本等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。

　　帶標(biāo)準(zhǔn)子板的可穿戴參考平臺(tái)（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(yàn)的公司之間開展合作所產(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(yīng)用處理器、傳感器和無線充電技術(shù)。幾家其他公司提供硬件和軟件開發(fā)以及制造專業(yè)知識(shí)。WaRP 上采用標(biāo)準(zhǔn)的 Android SDK 方法來進(jìn)行實(shí)施，讓軟件開發(fā)人員能夠更簡(jiǎn)便、更快速地運(yùn)行他們的應(yīng)用。

　　WaRPboard.org 是一個(gè)非營利性、以社區(qū)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源的，并由社區(qū)推動(dòng)，因此當(dāng)與開源資源配套使用時(shí)無需封閉的開發(fā)工具或許可費(fèi)。

　　WaRPboard 具有緊湊的設(shè)計(jì)、優(yōu)化的電池壽命和電池管理、可擴(kuò)展的架構(gòu)、可產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)，以及基于開源和社區(qū)的創(chuàng)新，這些優(yōu)勢(shì)使可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員自然而然地首先選擇WaRPboard。

　　總結(jié)

　　可穿戴設(shè)備的未來潛力無限。如果能將移動(dòng)技術(shù)與以個(gè)人用戶為中心的體驗(yàn)相結(jié)合，就將最終打開這個(gè)令人興奮且快速發(fā)展的市場(chǎng)。無論您使用可穿戴設(shè)備來監(jiān)測(cè)健身活動(dòng)，獲得情境感知告警和提醒，還是監(jiān)測(cè)您的健康狀況，可穿戴技術(shù)都潛力無限。

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

　　ARM 和飛思卡爾正在攜手滿足這些市場(chǎng)需求，共同推動(dòng)可穿戴技術(shù)革命。ARM Cortex 32位內(nèi)核能夠滿足可穿戴領(lǐng)域“眾口難調(diào)”的需求，帶來無與倫比的、廣泛的開發(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(jié)。飛思卡爾 Kinetis MCU 和 i.MX 應(yīng)用處理器是滿足可穿戴市場(chǎng)需求的理想選擇，現(xiàn)已有許多精彩設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

　　可以肯定的是，可穿戴設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)⒂楷F(xiàn)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(xiàn)更多、更新的可穿戴設(shè)備。

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