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從智能手表到便攜式健康和健身追蹤器，可穿戴設備正在日益改變著我們日常生活的方方面面。20世紀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力大爆發(fā)。20世紀90年代便攜式計算機的出現，與互聯網的發(fā)展相一致，把我們從電源線和網線的束縛中解放出來。然后蜂窩電話和智能手機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。當今的“腕上革命”，連同物聯網(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品的設計歷史。在本文中，我們將重點研究隱藏在用戶-體驗-驅動(user-experience-driven)設計方法背后的設計思想。通過應用這些設計思想，多種成功的可穿戴產品已經面市。我們也將討論影響可穿戴產品能耗預算和計算需求的特性和功能，包括如何選擇適合產品設計需求的微控制器(MCU)。 腕上革命的現狀 智能手表、活動追蹤器、可穿戴GPS設備、心率監(jiān)視器和智能眼鏡是可穿戴產品的主要應用形態(tài)，根據Futuresource Consulting的統計，2013年可穿戴設備全球銷售額約為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，可穿戴設備正在成為全新的個人電子設備類別，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，雖然一些領先的智能手機制造商已經開始試驗性推出基于他們現有手機產品的腕上產品，但是它們相當笨重。直到2012年初，當新型公司(例如Pebble Smartwatch)繞過智能手機制造商而推出全新的輕量級腕上設備時，腕上革命才真正開始快速發(fā)展。這些產品使得最終用戶可以更充分的利用他們已有的智能手機。Garmin、Samsung、Sony、Fitbit、Magellan(見圖1)和其他消費類電子設備制造商也已經推出他們自己的智能手表、活動追蹤器和其他可穿戴產品，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智能運動腕表利用Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU實現電池壽命擴展到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是一款設計優(yōu)雅的健身追蹤器，它通過采用EFM32 Gecko MCU實現卓越的能效和很長的電池壽命 一個成功的可穿戴設備必須提供合適的價格、性能、功能和電池壽命，以及獨特的外觀、觸感和作用，以便從競爭對手產品中脫穎而出。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行周期。 用戶體驗驅動制勝設計 要把這些不同元素融入到獲得市場認可的產品中，需要一個復雜的設計去有所取舍的平衡功耗、性能、功能和外形尺寸等參數。通過采用所謂的“用戶體驗驅動”設計方法，一些制造商已經成功的度過難關，進入到這個不太熟悉的領域。盡管這些設計方法顛覆了許多嵌入式開發(fā)人員的傳統思維和實踐方法。 嵌入式系統的設計過程通常開始于功能和性能定義，這將作為項目的頂級驅動力。相反，設計一個可穿戴產品通常開始于需要獲得的最終“用戶體驗”定義。這些產品需求的定義體現在外觀、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。設計過程的下一個步驟是把用戶體驗轉化成“用例(use case)”—用于定義產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，并且一直處于領先地位。如果你對于精心設計用戶體驗的重要性還心存懷疑，仔細考慮一下Apple iPod獨特的控制滾輪、寶石般的機殼設計和易于使用的iTunes軟件是如何幫助公司轉變并且最終主宰了整個數字音樂播放器市場。 定義用戶體驗 定義可穿戴產品的用戶體驗需求可以歸為以下兩類： ●功能性--區(qū)別其他可穿戴產品的獨特外觀、觸感、特性和功能。 ●易用性--輕松設置、直觀操作和減小維護的一系列需求。長電池使用壽命在易用性中具有非常重要的作用，因為如果一個可穿戴設備每幾天就不得不重新充電，那將是一件令人沮喪的事情，并且容易導致用戶放棄該產品。 同時，定義用戶體驗的這些元素能夠容易的轉換成用例，從而構成產品設計的基礎。根據應用的不同，定義用戶體驗可能涉及到構造一個可穿戴產品實體，使之具有極具吸引力的質感、符合人體工程學的外形和傳達特定感覺的設計元素。其他產品可能需要為控制和顯示創(chuàng)建特別的視覺模型，使復雜的操作變得簡單和直觀。 定義用例 一旦產品的用戶體驗得到明確定義，它必須被轉換成一個用例，用例的功能性需求將驅動可穿戴產品的設計。詳細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品設計的各個方面進行準確的比較研究。 用例應當包含可穿戴設備預計要執(zhí)行的任務、需要的資源和執(zhí)行的環(huán)境。這些細節(jié)通常包括設備要收集的數據類型，如何與用戶或其他設備交互，預期的運行環(huán)境(溫度、耐水性、耐沖擊性等)，操作模式(數據收集和分析、用戶交互、通信等)，以及與其他設備進行數據同步的頻率。 有了這些指導方針，設計團隊就可以開始確定滿足應用需求的傳感、計算和通信組件。同時，物料清單(BOM)成本和功耗預算也可以與初步設計需求同時進行，為團隊提供必需的參數以便集中匯總成最佳設計方案。 用例輔助進行能源管理 因為電池的使用壽命在可穿戴設計中起著如此重要的角色，因此這里我們有必要仔細分析一下用例驅動設計過程中與能源管理相關的部分。 為了準確的模擬設計選擇如何影響可穿戴設備的電池壽命，用例應當包括影響能耗因素的詳細描述，例如： ●備必須從外部環(huán)境收集的數據類型和頻率。 ●用戶是否通過App、觸摸屏、按鍵或以上兩者與設備交互。如果是，那么通信的信息類型和使用的頻率如何。 ●設備如何同其他可穿戴設備、智能手機、本地網絡或互聯網進行通信。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)，這是如何實現的。 ●設備與他的同類或主機系統進行同步或交換數據的頻率如何。(與諸如智能手機的主機系統頻繁同步將顯著降低電池壽命。) 一旦信息收集完畢，用例應當提供系統各種操作模式的詳細描述和每種模式下的運行時間。這將成為系統能耗預算和為最大化電池壽命而進行任何設計折中的基礎。 用例輔助進行MCU選擇和優(yōu)化 用例與能耗相關的部分應當盡可能多的包括可穿戴設備執(zhí)行傳感、控制和計算任務的有關信息，也包括哪些任務由MCU執(zhí)行，哪些任務由外設執(zhí)行。這將有助于選擇最適合可穿戴應用需求和開發(fā)策略的MCU產品，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，你能夠構建出恰當的初始估算或者可穿戴應用的計算需求。假設有一個健身監(jiān)視器，它的MCU通過一個多軸加速計感應用戶的身體活動，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)強度(見圖3)。然后MCU必須在確定真實步數和頻率之前過濾掉摻雜在原始傳感器數據中的噪聲和干擾，或者結合心率數據以區(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照射強度 在用于現代MCU的幾個優(yōu)秀的32位處理器架構之中，ARM Cortex系列32位RISC CPU已經成為嵌入式設計中領先的處理器內核，這主要歸功于它高效的架構、易于擴展的指令集、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系列處理器內核是特別針對嵌入式MCU而開發(fā)的，在這些應用中性能需求必須與能耗和低成本解決方案相適應。Cortex-M系列提供內核選項，滿足各種可穿戴設備屬性需求，包括價格、電池壽命、處理要求和顯示類型等(見表1)。 表1:設計旨在滿足多樣性設計需求的ARM Cortex-M系列 在Cortex-M系列內，M3和M0+內核針對成本敏感的應用而設計，并且滿足這些應用同時所需的高性能計算、外界事件快速系統響應、以及低動態(tài)和靜態(tài)功耗。更復雜和功能強大的M4內核能夠快速完成生物監(jiān)視應用中常見的計算密集型算法。它的增強指令集包括功能強大的數字信號處理(DSP)功能庫。M4內核的單精度浮點數處理單元(FPU)能夠顯著的縮短運行時間、減少MCU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的執(zhí)行頻率和時間”最小化。因此用例應該包括MCU上各種任務的預期發(fā)生頻率，以及它們的執(zhí)行是否是事件或者計劃驅動的。 優(yōu)化低功耗嵌入式設計的主要方式之一是找到仍然能夠對外界事件進行足夠響應的最低休眠模式。大多數使用Cortex-M處理內核的MCU支持多種休眠模式。 Silicon Labs的EFM32 Gecko系列產品采用標準的32位ARM Cortex-M內核，結合了能耗優(yōu)化的多種外設和時鐘架構。EFM32架構特別針對功耗敏感型應用而設計。該架構利用各種功耗模式，使得開發(fā)人員能夠為可穿戴設備提供最佳的能源效率(見表2)。 休眠/待機(Sleep/Standby)(即EFM32 MCU的EM1模式)—能夠以稍高點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的關鍵單元處于活動模式，同時禁止高頻系統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(Stop)(EFM32的EM3模式)--深度休眠模式的增強版本，能夠進一步節(jié)省功耗，同時保持有限的自治性外設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。 關機(Off)(EFM32的EM4或者關斷模式)—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的獨特特性，提供一個可替代關機模式的極具吸引力的替代模式，保留更多關鍵功能，并且支持更快的喚醒能力。 表2 :EFM32 MCU為可穿戴應用提供的一系列功耗模式 智能外設就是智能設計 許多MCU都至少擁有幾個外設用于執(zhí)行周期性任務、I/O和內務處理任務，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，用以執(zhí)行多種無需CPU干預的功能(例如計數器/定時器、ADC、DAC、GPIO、串行收發(fā)器等)。例如所有被EFM32 Gecko MCU支持的片上外設都擁有自治功能，可以在一個或多個設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所提供的計數器/定時器、ADC、DAC、GPIO和串行通信單元之外，EFM32 MCU系列產品的外設集還包括： ●電容感應控制器—感應NxN網格(最大16點)內觸摸板觸點和坐標，而無需CPU干預，并且CPU可以保持在EM2能耗模式。 ●LCD驅動程序—可以從內存通過DMA驅動段碼型LCD或TFT顯示屏，而無需CPU干預。 ●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。 ●帶有DMA功能的Low Energy UART(LEUART)—可以在CPU處于EM2功耗模式下保持數據接收能力，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)協同工作，構成一個自治狀態(tài)機。 大多數外設功能的活動，包括串口通信、計數器/定時器、模擬和數字比較器、高級I/O，都由專門的低功耗反射總線(稱為Peripheral Reflex System或者PRS)進行協調。來自一個外設的事件和信號能夠作為輸入信號，或者被其他外設作為觸發(fā)器，從而確保時序關鍵的操作并減少軟件負荷。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，同時使得可穿戴產品設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，可穿戴產品設計者必須考慮MCU供應商所提供的開發(fā)生態(tài)系統的有效性和易用性。為了使開發(fā)過程更加容易、快速和有效，開發(fā)人員應當使用完整、簡單易用的平臺，該平臺能夠為他們提供完成項目所需的一切資源，從初始概念設計到最終產品。同樣重要的是，生態(tài)系統應當提供可以使開發(fā)人員優(yōu)化產品能耗的輔助設計工具。 例如，Silicon Labs的Simplicity Studio開發(fā)平臺包括了實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)人員識別應當被優(yōu)化的代碼區(qū)域。 圖4:諸如Simplicity Studio energyAware Profiler的開發(fā)工具能夠幫助設計人員調整他們的可穿戴應用以優(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。要采取進一步措施，可以單擊圖表上一個點，選定應用并顯示與電流消耗相關的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值到特定代碼行，并進行優(yōu)化。最后，這種能耗感知能力對于電池供電的可穿戴應用來說特別關鍵，它能夠讓開發(fā)人員了解每個mA數(甚至μA數)消耗在何處。 結論 為了集成復雜技術和高性能組件到空間和能耗都受限的設計中，為腕上革命而設計的制勝產品需要對可穿戴應用需求的現狀以及最新的設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備正在改變著我們所知的與便攜式電子產品設計有關的一切事項。 可穿戴設備也正在改變著設計工程師的設計規(guī)則，他們必須完美的集成精密傳感、計算、顯示和無線技術到成本受限、引人入勝、超級緊湊的設計中，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月。新型的可穿戴計算產品正在以更快的速度出現在市場中，每一個設計創(chuàng)新都在打破著我們對最終用戶體驗的預期。腕上革命才剛剛開始! |
