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作者：Lynnette Reese 貿澤電子 一款可穿戴設備在購買幾個月后用戶可能就失去興趣，被無期限的扔到抽屜的某個角落。然而新推出的芯片要能夠提供更好的互聯性能以及新穎的應用，才能夠保證新一代產品受到用戶的歡迎。 關于可穿戴設備市場的調研報告顯示了很多信息。一方面一部分分析師認為可穿戴市場正處于初期有巨大的發展潛力，而另一些反對者批評道可穿戴設備存在很多的問題。根據《華爾街日報》的報告顯示，今年美國市場會有1億1110萬件可穿戴設備，相比美國2015年的市場情況增加了將近4千萬件。但是暴露出來的問題是購買過可穿戴設備的用戶很大幾率不會購買新的可穿戴設備，與主流的電子消費產品形成強烈反差。報告繼續指出35%的美國消費者使用可穿戴設備的周期大概是六個月。此外盡管十分之一的美國成年人購買了某種款式的運動跟蹤設備，但是近一半的人不會再繼續使用它。 我們可以看出對于那些想運動調節身體健康的用戶來說，他們對計步器和睡眠質量監測儀是充滿興趣的，但是一旦用戶不在繼續調節身體狀態，這種對可穿戴設備的興趣和熱情就會大大降低。對于可穿戴設備制造商而言，可穿戴技術是一個新興的領域，關鍵是開發一款非常受歡迎的應用，也就是說讓用戶離不開它，而不是因為一時的好奇。 我們之前就遇到過類型的情形，早期的MP3播放器相比當時的競爭者CD播放器具有非常明顯的優勢，用戶在慢跑的同時能夠聽歌切歌。但是早期的設備并沒有流行起來，這是因為加載音樂比較困難也比較慢，有限的存儲空間限制了歌曲的數量。很多Rio MP3播放器也很現在的可穿戴設備一樣被用戶遺忘在抽屜的某個角落里。直到蘋果公司推出iPod產品，MP3播放器才取得了突破，iPod具有更大的存儲空間，并且搭配了iTunes應用，能夠幫助用戶組織、簡單快速的下載歌曲。現在得出一個合乎邏輯的結論就是MP3播放器與智能手機合并。 目前商業上比較成功的可穿戴產品有智能手環，功能比較有限包括運動追蹤和睡眠質量監測，此外還有智能手表，除了集成了智能手環的功能還提供了智能手機的功能，能夠發短信和通知，同時內置了幾款App應用，這兩款產品幾乎占據了可穿戴設備各一半的市場份額。 然而，通常所有可穿戴設備都能夠連接到智能手機，而且幾乎全部是采用藍牙無線連接方式。通過連接手機上的應用能夠分析可穿戴設備的數據并顯示信息。同時智能手機也是連接互聯網的一個途徑，將用戶的數據上傳到云服務器，用戶以后對數據的處理。兩款設備之間的界限（智能手表和手環）變得越來越模糊，因為手環獲得了更強勁的計算能力，而智能手表的續航時間變得更長。 
圖1：可穿戴設備一般會與智能手機一起使用，綁定app應用，支持互聯網連接 除此之外，可穿戴設備制造商如行業領導者Fitbit公司并沒有坐以待斃等著一款不可取代的app出現，這家公司也正在發展更豐富的產品功能，提高用戶的依賴性，例如心率監測，提示用戶調整呼吸節奏，如果用戶心率出現不穩定，這個功能能夠讓用戶平靜下來。Fitbit和其它功能也都在探索可穿戴設備怎樣能夠幫助慢性疾病患者例如二型糖尿病患者。除了幫助用戶調節呼吸節奏的實際價值外，這些功能的開發也展示出可穿戴設備發展動力，就像90年代MP3播放器的發展過程似的，從少有新奇到現在很多智能手機必備集成的功能，例如強大的蘋果iPhone和三星的Galaxy手機。這些發展都來自新一代智能芯片的推動，集成了強大高效的嵌入式處理器、可互操作的無線連接、豐富的Flash和RAM資源、甚至更復雜的算法和RF通信協議。 可穿戴設備的核心 可穿戴市場的發展很大一部分要歸功于藍牙技術聯盟組織的遠見卓識，2007該組織與諾基亞Wibree聯盟進行了合并。諾基亞的期望是它的手機能夠成為個人局域網絡（PAN）無線連接的中心（盡管當時諾基亞公司具備最先進的無線連接技術，但是它也不完全清楚需要開發什么樣的外圍設備，不過它意識到無線傳感器例如心率監測應用會成為首個實現的例子）。無線藍牙技術集成到移動設備的方法已經很成熟，但是功耗有些高。因此諾基亞公司和它的合作伙伴開始著手開發“超低功耗”無線技術，采用小容量的電池同時保證與手機的可靠連接。 諾基亞愿景的一個不利因素是除了它自己其余手機制造商的賣點不會是一款無線芯片，除了GSM、Wi-Fi和藍牙這些必備標準。因此藍牙技術聯盟為了克服這些問題想到的方法就是在諾基亞的基礎上實現一種與標準藍牙保持互操作性的通信技術，這樣就會讓這項技術成為國際標準的一部分，同時不需要額外的芯片。就這樣經過一系列開發測試工作之后，藍牙4.0在2010年推出，超低功耗藍牙技術（簡稱BLE）構成了標準規范必不可少的一部分。 低功耗藍牙技術（BLE）支持1Mbit原始數據傳輸帶寬，采用小容量的紐扣電池就能夠驅動。更值得慶祝的是手機操作系統廠商如蘋果、安卓和微軟都開始鼓勵采用通過BLE技術實現互連，并且在不同的軟件開發包中提供了API接口，這給app開發者提供了很大便利。可能我們會對BLE技術的盛行感到一些驚喜，分析機構ABI Research指出在2016年到2020年這樣技術的應用會保持每年34%的復合增長，2020年會達到驚人的13.5億出貨量。 然而BLE僅僅是一項先進的無線連接技術，它集成了物理層，實現了2.4GHz無線通信協議棧，采用固件的方式管理通信過程。早期的芯片還需要一個獨立的低功耗微處理器例如TI公司的MSP432來監管RF收發器的工作過程。這一切都有點復雜和令人難以接受，更像是設計的藝術而不僅僅是一個工程。2012年挪威的Nordic半導體公司推出nRF51系列BLE SoC芯片，該款芯片首次集成了ARM Cortex-M0處理器、高速鏈接2.4GHz無線電、Flash和RAM、ADC和DAC轉換模塊、一定的I/O資源。這種設計使得工程師不需要采用兩塊芯片無線互連的解決方案，ARM處理器能夠同時運行應用也能實現無線互連。 兩個芯片的解決方案比較占用空間，功耗也相應的增加，因為處理器需要能夠運行應用代碼的同時保持無線互聯（這個特殊的功能采用傳統處理器來實現不是很理想）。此外工程師還必須使用兩種不同的開發環境，然后又要確保應用程序和BLE通信協議棧的高效結合（通常會存在一定的難度）。這不僅對運動手表廠商（如Suunto、Garmin）來時是一個挑戰，對于剛興起的可穿戴設備來說也是個非常大的疑問。我們還要面對更多的問題，如更大的復雜性、更大的PCB面積、以及更高的功耗問題。 這款基于ARM內核的BLE SoC器件對于可穿戴市場是一個非常大的推動力，選擇ARM處理器并非偶然，這款處理器內核的設計標準就是低功耗、移動類應用、以及全世界范圍內的廣泛采用能夠確保更好的支持度、更熟悉的開發環境以及開源擴展源代碼庫。另一個明智的選擇是Nordic半導體公司推出的開發環境能夠讓可穿戴設備開發者更加專注應用代碼的開發，不需要擔心軟件與BLE協議棧的集成問題，這部分工作已經有專業的工具來完成，大大降低了射頻（RF）工程方面的復雜性——讓可穿戴設備設計師專注于產品的差異化設計。 博通（Broadcom）公司緊跟Nordic半導體公司的市場腳步，現在Cypress半導體、Dialog半導體、NXP和STM微電子每家公司都推出了類似的高集成BLE SoC器件，采用ARM Cortex-M0或-M3嵌入式處理器、2.4GHz無線、Flash和RAM以及外圍設備。
圖2：Cypress半導體公司設計的BCM20732S芯片模塊圖，目前有多家半導體供應商都在生產這款高度集成的BLE SoC器件。這款SoC集成了ARM 處理器、2.4GHz無線、Flash、RAM、電源管理模塊、ADC和DAC以及I/O資源。（圖片來源：Cypress半導體） 到目前為止，自2015年Nordic半導體公司推出nRF52系列芯片，該公司已經在這方面處于領先地位，這個系列器件采用更強大的處理器，ARM Cortex-M4F結合2.4GHz無線電，以及Flash和RAM資源。這家公司聲稱“這款SoC給復雜的BLE應用設計提供了單芯片的解決方案”。更主要的是，除了增加的功能，這系列芯片的功耗是nRF51系列的一半，這無疑增加了最終產品電池的使用壽命。 然而這僅僅是開始，智能手機的互連推動了BLE的發展，可穿戴設備采用更先進的無線技術，這個市場有望每年擴大2.45億單元的出貨量，到2019年預計會達到250億美元的市場價值（根據CCS Insight機構的預測）。這個巨大的市場很多半導體公司都會參與進來，其他供應商對于Nordic半導體公司推出的基于ARM Cortex M4內核BLE SoC的反應勢必會加速推出更強大的產品。 發展及多樣性 有了最新一代的藍牙智能SoC器件，OEM廠商就可以按照之前開發運動手表的方式進一步提升可穿戴設備用戶的體驗感，比如帶有GPS功能即使價格昂貴也會受到業余和專業運動員的喜愛。運動手表設計的目的是統計速度、心率和功率數據，有助于提升運動效果。然而像Suunto、Polar的產品都很小巧，幾乎每天都需要充電，市場份額比較大的可穿戴設備必須要能夠再一次充滿電的情況下運行一周或者更長。 Fitbit公司最新推出的Charge 2產品展示了是如何從設備集成的監測器獲取心率數據并進行處理，給用戶提供更精確的卡路里消耗數據，以及有氧運動狀態時怎樣隨著時間變化而變化的（某個用戶的運動情況怎樣與同年齡的用戶進行對比），當壓力上升還會通知用戶的呼吸的節奏。盡管Fitbit公司不想公開產品設計的秘密，但是我們可以科學的猜測就是這些額外分析功能的算法都是在BLE SoC處理器上運行實現的。 這家公司以及競爭者同樣都在努力將它們的產品推廣給更多的用戶，包括一些慢性疾病患者，例如糖尿病患者。目前的可穿戴設備不能夠直接測量血糖——目前如果采用非侵入式傳感器來跟蹤糖尿病的健康狀態是相當難的——但是手環能夠有效的激勵糖尿病患者保持鍛煉。每天的運動既能夠降低血糖水平也能減輕長期疾病帶來的影響比如心血管疾病。例如研究人員發現每天保持1400步能夠使糖尿病死亡率下降21%。 基于BLE SoC的可穿戴設備目前正在引入額外的功能例如心率的變化和肌肉的氧含量。兩次心跳間隔周期的變化是心臟變化的重要指標。有相同心跳的兩個人他們的心臟狀況可能有很大不同，對于健康的人來說，根據英國一家醫療保健公司研究發現，較低的心率差異性則是過度鍛煉的表現，這時可穿戴設備能夠及時建議用戶重新安排運動計劃，對于那些做過心臟手術的人，較低的心率差異性則是恢復情況差或者可能是心臟病發作的表征。肌肉血氧含量表征的是血液中氧氣的含量，與傳統測量法師相比，比如手指的氧飽和度可能更高一些。肌肉血氧含量能夠很好的表示出用戶運動接近疲勞的程度，美國公司Moxy是這項技術的先驅者之一。 盡管外出鍛煉提高身體素質對每個人來說都是有好處的，但是這個事件本身可能沒有足夠的動力讓大多數用戶來購買一款可穿戴設備；OEM廠商認為保持一種“更加滿足”的生活狀態可能更具廣泛的吸引力。因此我們可以看到一些基于BLE的以“積極生活方式管理”為主要功能的可穿戴設備推向市場。這些產品正逐漸打破醫療設備與可穿戴設備之間的界限，美國食品與藥物管理局（FDA）給這些產品重新劃分了類別：“一般性健康設備”。這個類別的典型產品就是Vinaya公司設計的產品ZENTA，會在2017年春季上市。 這款產品集成了加速度計、麥克風、生物測量傳感器和觸覺引擎，能夠采集噪聲、運動和生物信號包括心率、心率變化率、呼吸方式、皮膚電活動情況、皮膚溫度、脈搏傳輸時間、脈搏速度以及血氧飽和度等。ZENTA收集這些信息并有學習算法進行處理，為用戶生成一個文檔幫助他們保持更平衡的生活方式。關于Vinaya對于ZENTA的產品功能介紹是否具有科學依據還需要更多的人參與討論，但是這款設備展示Nodrdic半導體公司的nRF52832 BLE SoC能夠處理多個傳感器連續的數據輸入、復雜的算法以及保持與智能手機的無縫連接。
圖3：Vinaya公司出品的ZENTA可穿戴設備是新一代具有代表性的產品，集成了多個傳感器、復雜算法處理，為用戶提供更多的產品價值。（來源：Nordic半導體公司） 可穿戴設備的巨大前景不僅僅局限在消費電力領域，例如美國的自動化控制公司Honeywell（霍尼韋爾）就在這方面下起了功夫。該公司與芯片制造商TI（德州儀器）聯合為消防員開發了一款監測產品。消防員佩戴BEL SoC的可穿戴設備能夠監測消防員的心率、呼吸、活動和手勢等，然后將信息傳輸給移動端設備（類似于智能手機但是采用了更強大的Intel Quark SE 微控制器），然后通過WiFi或者蜂窩網絡將數據進一步傳輸給云服務器。這種采用多個傳感器采集不同信號的好處在于能夠更好的反應出消防員是否處于良好的身體狀態。
圖4:Honeywell和TI這兩家公司正在密切合作將可穿戴設備擴展到其他領域。例如他們聯合開發了一款移動終端手機可穿戴設備的數據并進一步傳輸到云服務（來源：Intel） 關鍵在于集成 第一代可穿戴設備與第一代移動手機類似——在自己應用領域非常好用但是局限性很大。隨著BLE SoC、電池、固件以及硬件平臺的提升，產品的功能也隨之有了較大的改變。 然而仍然存在的問題是除非用戶進行專業的運動訓練否則功能再多的產品也不能夠保持長久的吸引力。盡管如此，可穿戴設備為了體現價值至少能夠為用戶提供有用的數據分析和指導，這樣用戶才會慢慢欣賞這類產品而不僅僅是一個新奇的事物，后續的產品可以集成更多有價值的功能來鼓勵潛在用戶購買。根據Forbes機構調查，美國超過50%的iPhone用戶在新品推出時都會升級他們的手機，盡管他們現在的手機用的很合適，為什么可穿戴設備不能夠這樣呢？ 然而可穿戴設備市場的長期繁榮的真正關鍵在于不斷的集成。文本、互聯網連接、MP3播放器、攝像機，更不要說藍牙無線連接了都已經作為是當今智能手機的基本功能，這樣智能手機就具備了一定的不可獲取屬性。同樣的健康跟蹤、壓力管理、慢性疾病緩解、工作效率和安全功能（可能還有更多）都可以集成到可穿戴設備中，讓它成為一款非常重要的消費電子產品。也就是說可穿戴設備未來的發展變得越來越難預測，根據Endeavour Partner機構的研究表示很多的創新都是來自于技術與人類生理和生物學特征上的一些聯系，Endeavour Partner機構指出這個方面很少的人能夠理解，我們不能夠明顯的看出在大眾市場上什么產品是不需要的或者是不切實際的。 然而不論最終可穿戴設備開發者會推出什么樣的商業應用，芯片供應商都會繼續努力提升BLE SoC性能，讓它能夠勝任可穿戴設備不斷增長的計算和通信性能需求。 作者簡介： Lynnette Reese是貿澤電子的一名技術工程師，畢業于路易斯安那州立大學電子工程學專業，學士學位。加入貿澤電子之前，她已經在嵌入式硬件和軟件方面有15年的工作經驗，任職過的公司有TI（德州儀器）、Freescale（飛思卡爾）以及Cypress（賽普拉斯）半導體。當然她的職業生涯是在Johnson Controls公司做一名應用工程師開始的。
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