強(qiáng)大的 SoC 為可穿戴設(shè)備的未來提供動力

作者：Lynnette Reese，貿(mào)澤電子

購買幾個(gè)月后，昨天的可穿戴設(shè)備很可能就放在一個(gè)布滿灰塵的抽屜里。然而，新芯片 承諾增強(qiáng)的連接性和引人注目的應(yīng)用，確保最新一代產(chǎn)品保持運(yùn)行 手腕。

關(guān)于可穿戴設(shè)備行業(yè)的報(bào)告帶來了喜憂參半的信息。一方面，分析師認(rèn)為其市場活躍 具有巨大潛力的嬰兒期，而其他批評者則表示，可穿戴設(shè)備是一種尋求 問題。例如，據(jù)《華爾街日報(bào)》報(bào)道，可穿戴設(shè)備將出貨約111.1億臺 今年，僅美國人在40年就穿了近2015萬套。不利的一面是，分析師 Endeavour Partners表示，可穿戴設(shè)備的購買者“隨后以比其他設(shè)備更高的價(jià)格放棄了它們 主流消費(fèi)產(chǎn)品。該公司繼續(xù)報(bào)告說，35%的美國消費(fèi)者停止使用 他們的可穿戴設(shè)備在六個(gè)月內(nèi)。此外，在擁有某種形式的活動的十分之一的美國成年人中 跟蹤器，其中一半不再使用它。

似乎，雖然計(jì)算步數(shù)和測量睡眠質(zhì)量對于想要下車的人來說可能是動力 沙發(fā)上再合適一點(diǎn)，如果不分析數(shù)據(jù)并用于制作，新奇感很快就會消失 關(guān)于用戶達(dá)到一定程度的適應(yīng)性后如何前進(jìn)的建議。《公約》面臨的主要挑戰(zhàn) 制造商認(rèn)為可穿戴技術(shù)是一個(gè)新興領(lǐng)域，仍在尋找“殺手級應(yīng)用” 這將使這些設(shè)備成為“必備”配件，而不是新奇事物。

我們以前來過這里。早期的 MP3 播放器顯然比便攜式 CD 播放器等產(chǎn)品更具優(yōu)勢 他們與之競爭。用戶可以慢跑，而玩家不會跳過初學(xué)者。然而，早期的設(shè)備 沒有流行起來，因?yàn)榧虞d音樂既困難又慢，而且內(nèi)存容量小，限制了 軌道。許多 Rio MP3 播放器與今天的可穿戴設(shè)備一樣，被扔到滿是灰塵的抽屜底部。MP3的 當(dāng)蘋果公司為iPod提供具有重要記憶和集成系統(tǒng)的iPod時(shí)，玩家終于實(shí)現(xiàn)了真正的承諾 （iTunes），允許有組織、輕松、快速地下載歌曲?，F(xiàn)在，集成已達(dá)到合乎邏輯的程度 結(jié)論是 MP3 播放器本身已與智能手機(jī)合并。

目前在商業(yè)上取得成功的可穿戴產(chǎn)品細(xì)分為具有功能性的健身手環(huán) 僅限于跟蹤活動和監(jiān)測睡眠等功能，而智能手表等設(shè)備可以做到這一點(diǎn) 健身手環(huán)提供但增加了智能手機(jī)的許多功能，例如發(fā)短信和通知以及 支持多個(gè)內(nèi)置應(yīng)用程序。兩者之間的比例大約是 50/50。

然而，所有可穿戴設(shè)備都具有共同的智能手機(jī)連接性，這幾乎完全由 節(jié)儉的藍(lán)牙無線連接形式。這種連接性允許智能手機(jī)分析 可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)，并使用應(yīng)用程序呈現(xiàn)信息。智能手機(jī)還可以作為通往 Internet，將用戶的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)以進(jìn)行進(jìn)一步的切片和切塊。之間的分界線 智能手表和健身手環(huán)這兩款設(shè)備正變得越來越模糊，因?yàn)榻∩硎汁h(huán)越來越大 計(jì)算能力和智能手表的電池容量縮小并運(yùn)行更長時(shí)間。

此外，市場領(lǐng)導(dǎo)者Fitbit等可穿戴設(shè)備制造商并沒有坐等殺手級應(yīng)用 不知從何而來。該公司打算改進(jìn)其產(chǎn)品，以提高其功能的“粘性” 例如持續(xù)的心率監(jiān)測和“引導(dǎo)式呼吸課程”，聲稱如果他們的 心率變得有點(diǎn)不穩(wěn)定。Fitbit和其他公司也在探索可穿戴設(shè)備如何幫助患者 慢性疾病，如2型糖尿病。無論引導(dǎo)式呼吸課程的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)如何，例如 事態(tài)發(fā)展表明，可穿戴設(shè)備正在開始取得進(jìn)步，這可能會反映出所取得的進(jìn)步 3 年代中期的 MP90 播放器從幾乎不使用的新奇事物到當(dāng)今單片閃亮黑色不可或缺的一部分 平板是全能的 Apple iPhone 和三星 Galaxy。這種發(fā)展很大程度上將受到以下因素的推動 新一代芯片，結(jié)合了強(qiáng)大而高效的嵌入式處理器和可互操作的無線技術(shù) 連接性、大量閃存和 RAM、更復(fù)雜的算法和復(fù)雜的射頻協(xié)議（“堆?！保┤谌肫渲?微小的硅片。

可穿戴設(shè)備的核心

可穿戴設(shè)備市場應(yīng)該非常感謝藍(lán)牙特別興趣小組的 早在 2007 年，諾基亞的 Wibree 聯(lián)盟就已并入其組織。諾基亞的愿景是 手機(jī)將成為無線連接“外圍設(shè)備”的個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）的中心。（公司 不過，目前還不完全清楚這些外圍設(shè)備會做什么——從無線連接的運(yùn)動中脫穎而出 那個(gè)時(shí)代的手表，它確實(shí)認(rèn)識到心率監(jiān)測器等無線傳感器可能會提供 先例。藍(lán)牙無線技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了手機(jī)領(lǐng)域，但太過 貪婪地嵌入到這些外圍設(shè)備中。因此，諾基亞及其聯(lián)盟合作伙伴開始致力于 “超低功耗”無線技術(shù)，可以使用小型電池運(yùn)行，同時(shí)將外圍設(shè)備與 移動。??

諾基亞愿景的缺點(diǎn)是，除了它自己之外，手機(jī)制造商還沒有被出售 除了 GSM、Wi-Fi 和藍(lán)牙之外，他們手機(jī)中的另一個(gè)無線電芯片。這 Bluetooth SIG 發(fā)現(xiàn)了一個(gè)機(jī)會，通過在諾基亞與 一種可與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙互操作的技術(shù)形式，從而使其成為既定藍(lán)牙的一部分 國際標(biāo)準(zhǔn)，并消除了手機(jī)中對額外芯片的需求。因此，在相當(dāng)大的 在幕后工程努力下，藍(lán)牙 4.0 誕生于 2010 年。低功耗藍(lán)牙（通常，但不是正式縮寫為“BLE”）——該技術(shù)的超低功耗形式——形成了 規(guī)范的重要組成部分。????

低功耗藍(lán)牙 （BLE） 支持有用的 34 兆位原始數(shù)據(jù)帶寬，但可以通過 像紐扣電池一樣小的電池。更好的是，移動操作系統(tǒng)供應(yīng)商，如 Apple、Android 和 Microsoft 通過提供應(yīng)用程序編程來鼓勵(lì) BLE 設(shè)備連接 接口 （API），使應(yīng)用程序開發(fā)人員的生活更輕松一些。是的 BLE組件的銷量猛增也就不足為奇了。例如，分析師 ABI Research， 報(bào)告稱，該技術(shù)在2016年至2021年間將實(shí)現(xiàn)1%的復(fù)合年增長率（CAGR）。 35 年出貨量將達(dá)到驚人的 <>.<> 億。?

然而，就其本身而言，BLE只是一種無線連接技術(shù)——盡管令人印象深刻。它結(jié)合了 物理層包括一個(gè)2.4GHz硅無線電和一個(gè)固件堆棧，用于管理通信。早期芯片 需要一個(gè)單獨(dú)的低功耗微處理器，如德州儀器 （TI） 的 MSP432 來監(jiān)控操作 射頻收發(fā)器。開始工作有點(diǎn)復(fù)雜和繁瑣，更多的是黑色藝術(shù)而不是工程。 隨著挪威公司 Nordic Semiconductor 的 nRF51 系列 BLE 的推出，一切都發(fā)生了變化 2012 年的片上系統(tǒng) （SoC）。SoC 是第一個(gè)集成 ARM Cortex 的 SoC??-M0 處理器，以及高鏈路預(yù)算的 2.4GHz 無線電，以及相當(dāng)數(shù)量的 閃存和RAM、電源管理、ADC和DAC，以及少量I/O。這樣的設(shè)計(jì)允許可穿戴 開發(fā)人員通過使用 ARM 設(shè)備來運(yùn)行兩個(gè)應(yīng)用程序，從而避免使用雙芯片無線解決方案。 以及無線連接。

雙芯片解決方案不適合空間和功率受限的可穿戴設(shè)備，因?yàn)榇祟愒O(shè)計(jì)需要 處理器同時(shí)運(yùn)行應(yīng)用程序代碼和無線連接（一種專用功能，其中 通用處理器并不理想）。此外，開發(fā)人員被迫與兩個(gè)相互排斥的 開發(fā)環(huán)境，然后希望應(yīng)用程序代碼和 BLE 堆棧很好地協(xié)同工作（ 不經(jīng)常發(fā)生）。這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，是 Suunto 等運(yùn)動腕表制造商的射頻專家無法比擬的。 Garmin，但對于在一家可穿戴設(shè)備初創(chuàng)公司工作的工程師來說，這是一個(gè)“大要求”。而且沒有混入 與雙芯片解決方案相比，存在額外的復(fù)雜性、更大的 PCB 空間和更高的功耗問題 介紹。

ARM 核心 BLE SoC 的推出是我們今天所知的可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的真正催化劑。這 選擇 ARM 并非偶然;這些處理器從一開始就專為低功耗、移動而設(shè)計(jì) 應(yīng)用程序及其在世界范圍內(nèi)的普及確保了良好的支持、熟悉的開發(fā)環(huán)境 廣泛的開源代碼庫。在另一個(gè)聰明的舉動中，Nordic引入了一個(gè)開發(fā)環(huán)境， 使可穿戴設(shè)備開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊膽?yīng)用程序代碼，而無需擔(dān)心軟件 與 BLE 堆棧集成。這部分工作由工廠的工具完成，而且相當(dāng)多 緩解了射頻工程的復(fù)雜性，使可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂诋a(chǎn)品差異化。

Nordic 緊隨其后的是 Broadcom、現(xiàn)在的 Cypress Semiconductor、Dialog Semiconductor、NXP 和 STMicroelectronics，它們都推出了類似的產(chǎn)品 ARM 皮層??-M0 或 -M3 供電的 BLE SoC，具有 2.4GHz 無線電、閃存和 RAM 以及 單芯片上的外設(shè)。

圖 2：Cypress Semiconductors BCM20732S框圖 來自多家半導(dǎo)體供應(yīng)商的當(dāng)前高度集成的 BLE SOC 之一。這些 SoC 集成了 ARM 處理器、2.4GHz 無線電、閃存和 RAM、電源管理、ADC 和 DAC 以及 I/O 集成在單個(gè)芯片上 片。（來源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

目前，Nordic Semiconductor通過推出又搶走了另一個(gè)領(lǐng)先優(yōu)勢 52 年的 nRF2015 系列。該設(shè)備具有偶數(shù) 更強(qiáng)大的處理器，ARM? Cortex-M4F?，以及更靈敏的2.4GHz無線電和增加的閃存 和RAM內(nèi)存。該公司表示，SoC是“一種單芯片解決方案，旨在應(yīng)對最 復(fù)雜的BLE應(yīng)用。更重要的是，盡管功能有所增加，但芯片消耗的功率約為一半 的 nRF51 系列，延長最終產(chǎn)品的電池壽命。

然而，這僅僅是個(gè)開始。智能手機(jī)連接鞏固了 BLE 作為可穿戴設(shè)備首屈一指的無線技術(shù)的地位，市場 據(jù)分析師CCS稱，預(yù)計(jì)到245年將擴(kuò)大到每年25.2019億臺，價(jià)值<>億美元 見解。這是一個(gè)很大的餡餅，其他芯片供應(yīng)商會想要從中分一杯羹。期待看到這些供應(yīng)商 通過引入 ARM Cortex 來響應(yīng) Nordic 的推出??采用 M4 技術(shù)的 BLE SoC 很快，開發(fā)更強(qiáng)大的產(chǎn)品將加速。

發(fā)展和多元化

借助最新一代的藍(lán)牙智能 SoC，OEM 一直在努力增強(qiáng) 可穿戴設(shè)備的體驗(yàn)是沿著以前運(yùn)動手表所走過的道路——昂貴的 擁有 GPS 的設(shè)備，深受熱衷的業(yè)余和專業(yè)運(yùn)動員的喜愛。運(yùn)動手表旨在 將速度、心率和功率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有助于提高性能的指南。然而，鑒于 Garmin、Suunto 或 Polar 的設(shè)備幾乎不苗條，幾乎每天都需要充電，大眾市場健身 可穿戴設(shè)備必須不顯眼，并且可以在不求助于充電器的情況下運(yùn)行一周或更長時(shí)間。?

例如，F(xiàn)itbit 最近推出的 Charge 2 說明了該公司如何測量心率 來自設(shè)備內(nèi)置監(jiān)視器的數(shù)據(jù)并處理信息以提供更精確的卡路里消耗 計(jì)算，有氧適能如何隨時(shí)間變化（以及用戶的適能與人相比如何 相似的年齡），并在壓力水平上升時(shí)通知那些引導(dǎo)式呼吸課程。雖然 Fitbit 是 不打算透露其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的秘密，一個(gè)有根據(jù)的猜測會表明，許多 支持這種額外分析的算法在設(shè)備核心的 BLE SoC 處理器上運(yùn)行。

該公司及其競爭對手也在向更廣泛的受眾推廣他們的產(chǎn)品，包括患有 慢性疾病，如糖尿病。目前的可穿戴設(shè)備無法直接測量血液 葡萄糖是衡量糖尿病健康的關(guān)鍵指標(biāo)，目前很難追蹤 使用非侵入式傳感器可靠，但手環(huán)可以幫助激勵(lì)糖尿病患者鍛煉。日常 運(yùn)動有助于降低高水平的血糖，并減輕長期健康影響。 心血管疾病等疾病。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)，每天僅減少 1,400 步 與糖尿病相關(guān)的死亡人數(shù)減少了21%。

BLE SoC 驅(qū)動的可穿戴設(shè)備目前正在引入包括心率變異性在內(nèi)的附加功能 和肌肉氧水平。心跳間隔時(shí)間的變化是心臟的重要指標(biāo) 健康。心率相同的兩個(gè)人可能患有截然不同的潛在心臟病。在 健康的人，低變異性是過度訓(xùn)練的好兆頭，可穿戴設(shè)備可以使用它來建議 用戶稍微推遲運(yùn)行計(jì)劃。對于那些做過心臟手術(shù)的人來說，低變異性可能是 根據(jù)英國人 Isansys Lifecare 的說法，恢復(fù)不良或可能即將心臟病發(fā)作的指標(biāo) 醫(yī)療保健公司。肌肉氧表示使用氧氣的血液中有多少氧氣（與 例如，在手指上進(jìn)行的傳統(tǒng)測量，其中氧氣的飽和度可能要高得多）。 肌肉氧也是跑步者離疲憊有多近的一個(gè)很好的指標(biāo)。總部位于美國的 Moxy 公司是 該技術(shù)的先驅(qū)之一。

然而，出去鍛煉和改善健康，雖然對每個(gè)人都有好處，但還不夠 本身為大多數(shù)人投資可穿戴設(shè)備;原始設(shè)備制造商認(rèn)為，總體上過著“更滿足”的生活 可能具有更廣泛的吸引力。因此，以“主動生活方式管理”為目標(biāo)的BLE驅(qū)動的可穿戴設(shè)備 開始出現(xiàn)在市場上。此類產(chǎn)品越來越模糊醫(yī)療和 生活方式可穿戴設(shè)備，以至于美國食品和藥物管理局 （FDA） 定義了一種新的 對他們來說，“一般健康設(shè)備”的類別。這一類別的典型參賽者是Vinaya，其健康 可穿戴設(shè)備ZENTA將于2017年春季推出。

該設(shè)備配備了加速度計(jì)、麥克風(fēng)、生物識別傳感器和觸覺引擎，可收集 來自用戶的噪音、運(yùn)動和生物信號，包括心率、心率變異性、呼吸 模式、皮膚電活動 （EDA）、皮膚溫度、脈搏傳輸時(shí)間、脈搏波速度和血液 血氧飽和度。ZENTA將信號與學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，以建立用戶幫助的檔案 他們“過著更平衡的生活”。Vinaya對ZENTA的主張是否經(jīng)得起科學(xué)審查，是為了 其他人有待商榷，但它確實(shí)很好地展示了 ZENTA 核心的北歐 nRF52832 BLE SoC 如何應(yīng)對 通過來自多個(gè)傳感器的連續(xù)輸入，處理復(fù)雜的算法，并與 智能手機(jī)。

圖3：Vinaya的ZENTA可穿戴設(shè)備是新一代設(shè)備的典型代表 將多個(gè)傳感器與復(fù)雜的算法相結(jié)合，為用戶提供更大的產(chǎn)品價(jià)值。 （圖片由Nordic提供 半導(dǎo)體）

可穿戴設(shè)備也將在消費(fèi)領(lǐng)域之外擁有廣闊的未來。一個(gè)例子來自美國自動化和控制公司霍尼韋爾。霍尼韋爾與 芯片制造商德州儀器（Texas Instruments）將開發(fā)消防員監(jiān)控系統(tǒng)。BLE SoC 消防員攜帶的電動可穿戴設(shè)備監(jiān)測心率、呼吸、運(yùn)動和手勢等信息。 然后，可穿戴設(shè)備將信息發(fā)送到移動設(shè)備（類似于智能手機(jī)，但更堅(jiān)固，功能更強(qiáng)大 作者英特爾 Quark??硒 微控制器），通過 Wi-Fi 或蜂窩網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端。結(jié)合的想法 來自各種傳感器的信號是，與一個(gè)信號（例如心率）不同，信號組合給出 更清楚地了解消防員是否處于遇險(xiǎn)狀態(tài)。

圖 4：霍尼韋爾和 TI 正在合作將可穿戴設(shè)備擴(kuò)展到 消費(fèi)領(lǐng)域。在這種情況下，兩家公司開發(fā)了一個(gè)移動中心來整理可穿戴數(shù)據(jù)和 將其轉(zhuǎn)發(fā)到云。（來源：英特爾）

整合是關(guān)鍵

第一代可穿戴設(shè)備就像第一代手機(jī)一樣——在它們的利基市場很有用，但 限制超出了它。然而，隨著 BLE SoC、電池、固件和支持平臺的改進(jìn)，也得到了改進(jìn) 產(chǎn)品。

然而，情況仍然如此，除非用戶正在為鐵人三項(xiàng)進(jìn)行訓(xùn)練，即使是最復(fù)雜的 產(chǎn)品可能沒有足夠的吸引力，無法佩戴多年。盡管如此，如果可穿戴設(shè)備至少證明其 通過從監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中提供有用的分析和指導(dǎo)，使用戶開始欣賞 產(chǎn)品類別不僅僅是一個(gè)新奇事物——明年的產(chǎn)品將提供足夠的價(jià)值來鼓勵(lì)進(jìn)一步 購買。據(jù)《福布斯》報(bào)道，超過 50% 的美國 iPhone 用戶會在 他們的提供商允許，即使當(dāng)前的手機(jī)完全可以維修;為什么可穿戴設(shè)備行業(yè)應(yīng)該 有什么不同嗎？

然而，從長遠(yuǎn)來看，可穿戴設(shè)備成功的真正關(guān)鍵可能是集成。發(fā)短信， 上網(wǎng) 連接性、MP3 播放器和攝像頭——更不用說與外圍設(shè)備的藍(lán)牙無線鏈接——已經(jīng)增加了 手機(jī)的基本功能使當(dāng)今的智能手機(jī)變得不可或缺。同理，健身追蹤， 壓力管理、協(xié)助緩解慢性疾病、工作效率和安全工具（以及 可能更多）可以共同使可穿戴設(shè)備成為重要的消費(fèi)產(chǎn)品。也就是說，對于未來 可穿戴設(shè)備正變得越來越難以預(yù)測。據(jù)分析師Endeavour Partners稱，大部分 創(chuàng)新來自技術(shù)與人體生理學(xué)和生物學(xué)之間的界面。奮進(jìn)伙伴 說這是一個(gè)很少有人了解的領(lǐng)域，而且在 大眾市場規(guī)模。

然而，無論可穿戴設(shè)備開發(fā)人員最終想出什么商業(yè)應(yīng)用，芯片供應(yīng)商都會 努力擁有能夠應(yīng)對計(jì)算和通信資源的 BLE SoC 他們要求。

審核編輯 黃宇