可穿戴電子設(shè)備的特點及其市場挑戰(zhàn)

可穿戴電子設(shè)備實際上已有數(shù)十年的使用歷史，如助聽器、心臟起搏器和其它醫(yī)療設(shè)備在當(dāng)今人們的生活中很常見。 實際上，許多消費電子產(chǎn)品已經(jīng)變成與原始設(shè)計初衷并不一致，如手機(jī)有時是作為音樂播放器攜帶的，這并非其設(shè)計初衷，但由于消費者對功能和連接便攜性的需要，就自然而然變成這樣了。 可穿戴電子產(chǎn)品已由救生設(shè)備發(fā)展到時尚配飾，從活動監(jiān)控手環(huán)、智能手表、智能眼鏡到 GPS 定位鞋：所有這些產(chǎn)品的市場需求目前都在增長。

圖 1：智能可穿戴電子設(shè)備。

可穿戴電子設(shè)備的興起雖然大多是消費者的需求推動所致，但可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域亦是應(yīng)有盡用：

資訊娛樂：用于了解資訊和娛樂，包括音樂、照片、視頻、導(dǎo)航和電子郵件。

活動追蹤：用于監(jiān)控步行、睡眠、心率和攝食量等活動和身體機(jī)能，給個人消費者提供即時重要反饋，以便其據(jù)此采取行動來調(diào)整自身行為。

健康監(jiān)控：用于監(jiān)控被診斷的條件，以快速輔助診斷（不過考慮到隱私問題和法律法規(guī)的強(qiáng)制要求，此類技術(shù)必須經(jīng)過較長的開發(fā)和測試周期）。

工業(yè)和企業(yè)：主要是可提供實時數(shù)據(jù)的腕戴式終端設(shè)備，包括監(jiān)控工廠流程和更新庫存數(shù)據(jù)。 智能眼鏡和手環(huán)預(yù)計會獲得工業(yè)細(xì)分市場中遠(yuǎn)程“無電腦”工作者的快速采用。

單兵系統(tǒng)：集成個人網(wǎng)絡(luò)、傳感器、外部通信和電源來管理系統(tǒng)。 單兵系統(tǒng)的目的之一在于，讓士兵通過與子系統(tǒng)相連的連接器和電纜連入更廣的戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)。子系統(tǒng)性能高、堅固耐用、重量輕，從而便于士兵徒步行動。

定義可穿戴電子設(shè)備

可穿戴電子設(shè)備可定義為可接收輸入、處理接收的輸入和提供有用輸出的智能設(shè)備。 以活動手環(huán)的一項功能為例，該功能可接收并處理從傳感器接收的原始數(shù)據(jù)，隨后生成某個時間內(nèi)行走步數(shù)的報告。 傳感器可對動作進(jìn)行智能追蹤，分辨是步行還是其他動作。

傳感器是可穿戴電子設(shè)備的重要部件，小巧而精密化是其發(fā)展趨勢。 目前可用的傳感器種類繁多，最常見的是慣性測量裝置，通常是加速計。 加速計可追蹤特定動作、動作方向及其強(qiáng)度或速度。 以一個簡單的加速計應(yīng)用為例：當(dāng)旋轉(zhuǎn)手機(jī)或平板電腦（輸入）時，設(shè)備會對此動作進(jìn)行處理，相應(yīng)旋轉(zhuǎn)屏幕畫面（輸出）。

其他常見的傳感器包括壓力、溫度、位置和濕度傳感器，它們支持羅盤、GPS 和陀螺儀等應(yīng)用來檢測動作。 醫(yī)療應(yīng)用中使用的傳感器用于測量和監(jiān)控血流量、脈搏、血壓、血氧含量、肌肉運動、體脂和體重等數(shù)據(jù)。 最成功的可穿戴電子設(shè)備，可運用算法將檢測到的原始數(shù)據(jù)處理成可供用戶操作的實用分析數(shù)據(jù)。

可穿戴電子設(shè)備必須具備與外界通信的能力。 盡管通過短距離無線電或其他無線協(xié)議進(jìn)行無線連接十分常見，但市場上普遍要求通過 USB 端口進(jìn)行有線連接。

許多可穿戴電子設(shè)備配有可供用戶交互的視頻顯示屏或觸摸屏。 易用性是此類小顯示屏設(shè)備的一項重大挑戰(zhàn)。 智能手表上即便采用高分辨率顯示屏，可操作的空間亦是十分有限。 要想保持易用性，則需要在屏幕空間的占用比和結(jié)果信息的可讀性間做出適當(dāng)?shù)臋?quán)衡。 顯示屏的功耗管理是可穿戴設(shè)備領(lǐng)先制造商發(fā)展的主要動力。 他們廣泛使用功耗較全彩 LCD 或 OLED 顯示屏低的產(chǎn)品，例如電子墨水或電子紙等。 和任何電子設(shè)備一樣，可穿戴電子設(shè)備必須由可充電電池或其他充電方式供電。 這通常需要可連接電源的端口來給電池充電。 無線電力傳輸正在興起，將是集成在未來可穿戴設(shè)備中的一項關(guān)鍵功能，同時帶動用戶對防水功能的需求。

此外，可穿戴電子設(shè)備的另一共性是：可在某個應(yīng)用程序進(jìn)行更新或修改時，運行其他應(yīng)用程序。 以與手機(jī)類似的智能手表為例。 智能手表就如同一臺計算機(jī)，穿戴者可在執(zhí)行多種任務(wù)的同時，單獨連接到互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行關(guān)鍵的應(yīng)用程序更新和下載。

可穿戴電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)

可穿戴電子設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的子集。 IoT 是互聯(lián)網(wǎng)“無遠(yuǎn)弗屆”特性的遷移。 舉例來說，您可以在世界任何地方使用智能手機(jī)或智能手表遠(yuǎn)程解鎖住宅、控制溫控器，或者啟動或解除安防系統(tǒng)的防護(hù)。

IoT 還可在無人工干預(yù)的情況下運作。 智能手表可通過預(yù)編程來在寒冷的早晨調(diào)高溫度，在夜晚調(diào)低溫度，或者查看天氣預(yù)報并相應(yīng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議無處不在：IoT 的關(guān)鍵

IoT 的關(guān)鍵因素是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （IP） 的使用。 IP 是以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)用于控制信息流的通信協(xié)議。 每臺連網(wǎng)的設(shè)備都有一個 IP 地址。 每臺具有 IP 地址的設(shè)備都能與其他具有 IP 地址的設(shè)備通信。 防火墻、密碼和其他安全措施用于控制哪些設(shè)備間可以相互通信。 可穿戴電子設(shè)備通過 IP 地址連入 IoT。

連入 IoT 的好處之一是，可穿戴電子設(shè)備無需以獨立設(shè)備的形式存在。 健身手環(huán)連入物聯(lián)網(wǎng)后，活動數(shù)據(jù)可下載到計算機(jī)的應(yīng)用程序中。 隨后應(yīng)用程序會隨時間的推移提供詳細(xì)的趨勢分析信息，以便追蹤健身進(jìn)度。 智能手表的音樂播放器可使用云計算（簡稱“云”）來檢索歌曲。 深入探索可穿戴電子設(shè)備與 IoT 的世界，人們最終可實現(xiàn)隨處與各種物品進(jìn)行互動，包括電視、房屋、汽車、電器和救生設(shè)備。此外，由于體積小巧，可穿戴電子設(shè)備還便于隨身攜帶或佩戴。

小即是美：封裝挑戰(zhàn)

電子元件的微型化和集成化促成了可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，能夠?qū)⒈姸鄰?qiáng)大的功能整合到很小的空間內(nèi)。 傳感器、計算機(jī)芯片、攝像頭、揚聲器和其他電子元件在體積越來越小的同時，其功能越來越強(qiáng)大。

將這些電子元件封裝到合適的外形尺寸并保證適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)能力是一大挑戰(zhàn)。 作為連接產(chǎn)品的領(lǐng)先制造商，TE Connectivity 由此與可穿戴電子設(shè)備的設(shè)計人員和制造商們展開著緊密合作。 圖 2 為典型的智能手表的連接器解決方案。 大部分解決方案以及其他組件的主要特點是扁平、基底面小。 外型扁平對設(shè)備本身呈現(xiàn)出纖薄設(shè)計而言尤其重要。

圖 2：智能手表連接器解決方案。

由于空間十分有限，部件集成不僅可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還可充分利用可用空間發(fā)揮最大效能。 如圖 3 所示，手機(jī)天線可直接嵌入外殼中。 使用此類模塑互連器件 （MID） 和新興印刷天線技術(shù)，可在模制部件中集成電路走線、接地層和屏蔽層。 基底的材質(zhì)可以是工程塑料，也可以是復(fù)合材料。 復(fù)合材料可提高材料強(qiáng)度，且模制和金屬化制作的性價比高，因此日益受到青睞。

圖 3：天線與其他電路元件可嵌入塑料基底中。

堅固耐用

許多可穿戴系統(tǒng)采用專門的設(shè)計，適合在從事運動或其他激烈活動時穿戴使用。 堅固耐用是一種相對概念，定義會依應(yīng)用而異。 就耐用性要求而言，心臟監(jiān)控器和自行車運動員活動監(jiān)控設(shè)備是不同的。 單兵可穿戴設(shè)備必須在完全不同等級的耐用性條件下使用，需要承受更寬的溫度范圍、具備更大的抗沖擊抗振能力、更強(qiáng)的耐化學(xué)品或溶劑腐蝕性能，以防消費電子產(chǎn)品受損。

可穿戴電子設(shè)備越是能抵抗環(huán)境危害，其可靠性和易用性也就越強(qiáng)。 使用防濺 USB 端口和橡膠保護(hù)層可實現(xiàn)一定程度的耐候性，但并不能使設(shè)備真正具備防水性能。 設(shè)計人員希望關(guān)閉設(shè)備開口，實現(xiàn)防水設(shè)計 IP67/68 密封要求。 侵入防護(hù) （IP） 等級用來指定電子設(shè)備周圍的外殼的環(huán)境防護(hù)能力。 防水功能不僅加強(qiáng)了設(shè)備的堅固耐用性，也提升了易用性。 市場上正在興起無線電力傳輸?shù)确椒ā?/p>

磁連接電纜：USB 和同類連接器通過摩擦 配合來保持連接器的接合。 如圖 4 所示，另一種方法是使用磁鐵將連接器固定在電纜側(cè)的彈簧加壓觸點上。 設(shè)備側(cè)的觸點和磁鐵可密封，以防液體和濕氣進(jìn)入設(shè)備。 與接合 micro USB 連接器不同，磁鐵可有助于將電纜拉入合適位置。

圖 4：磁連接電纜。

非接觸式數(shù)據(jù)連接：在設(shè)備和電纜組件中通過磁性連接件和收發(fā)器來建立無線連接。 此方法可支持 USB 2.0 和 3.0 等高速 I/O 協(xié)議。 收發(fā)器間距離短，可實現(xiàn)節(jié)能連接。

無線充電：不用直接電氣連接即可為電池充電。 無線充電（即感應(yīng)充電）使用充電裝置和電子設(shè)備中的感應(yīng)線圈來為設(shè)備充電。 充電線圈產(chǎn)生的電磁場可讓能量如同變壓器樣傳送到接收線圈。 無線充電的優(yōu)點包括：

耐用性更強(qiáng)：對連接器無磨損

可靠性更高：污物無法再從連接器端口進(jìn)入

易用性更佳：無需接合小型連接器

設(shè)計無約束：工業(yè)設(shè)計人員可無約束地創(chuàng)造獨特新穎的設(shè)備外形

壽命更持久：功率變送器制成常用物件，便于設(shè)備持續(xù)充電

無線充電的缺點包括：能效較低、發(fā)熱較多和充電較慢。 這些缺點彼此關(guān)聯(lián)，可通過更新線圈結(jié)構(gòu)和提高耦合頻率來改善。 大部分可穿戴設(shè)備能耗極低，因此這些缺點所帶來的影響微乎其微。

智能紡織品和電子衣物

可穿戴電子設(shè)備的另一發(fā)展趨勢在于，紡織品中嵌入傳感器和電子設(shè)備，從專用運動裝到日常衣物都可實現(xiàn)。 挑戰(zhàn)在于，制造出的電子衣物需要與普通衣物無異，舒適性好、柔性佳且耐洗。 嵌入的互連器件與電子設(shè)備須自然隱蔽且穩(wěn)固。 必須符合以下要求：

終端須穩(wěn)固可靠、絕緣且防水

天線和收發(fā)器解決方案須內(nèi)嵌于衣物且柔性佳

導(dǎo)電線纜絕緣且可伸展

小型可烘干電池

PCB/FPC 抗皺耐壓接

當(dāng)今可穿戴電子設(shè)備市場的挑戰(zhàn)在于，生產(chǎn)的設(shè)備要能提供可改善我們生活的實用數(shù)據(jù)。 不論是戴于腕部、頭部或是腳部，可穿戴電子設(shè)備都必須具備時尚、耐用和易充電的特點。