將物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和系統(tǒng)應(yīng)用到可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)中

可穿戴設(shè)備將在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)大的份額。 基于傳感器并以無(wú)線(xiàn)方式連接的可穿戴設(shè)備，正從科幻劇《星際迷航》中的幻想產(chǎn)品變身為市場(chǎng)上實(shí)實(shí)在在的智能手表、健身腕帶和聯(lián)網(wǎng)式眼鏡（如，谷歌眼鏡）。 怎樣才能迅速地被廣為接受？ 可穿戴設(shè)備需要相當(dāng)長(zhǎng)的電池使用壽命、足夠的隱私保護(hù)能力和足夠低的成本。

讓可穿戴技術(shù)由一時(shí)的熱門(mén)貨變?yōu)闀r(shí)尚流行品，錢(qián)不是問(wèn)題。 根據(jù) IDTechEx 提供的數(shù)據(jù)，Microsoft、Google、Cisco、Apple 和 Oracle 公司共掌控著 2450 億美元現(xiàn)金，這些公司都對(duì)可穿戴技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和人聯(lián)網(wǎng) （IOP） 表現(xiàn)出濃厚的興趣。 成立投資基金的公告經(jīng)常占據(jù)著各大媒體頭條，包括 Salesforce Ventures 針對(duì)新型移動(dòng)應(yīng)用和聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的 1 億美元專(zhuān)項(xiàng)投資。

Intel 與 Fossil 最近關(guān)于可穿戴技術(shù)開(kāi)發(fā)的共同聲明，也是這一潮流到來(lái)的明證。 在 Intel 最近舉辦的 Intel 開(kāi)發(fā)者論壇期間，該公司首席執(zhí)行官 Brian Krzanich 指出，通過(guò)推出其它的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和系統(tǒng)，Intel 將繼續(xù)沿著可穿戴這條道路走下去。 例如，該公司的 Edison 平臺(tái)是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，采用了一塊具有 Wi-Fi 和藍(lán)牙功能的 22 nm 芯片，并可設(shè)計(jì)到針對(duì)下一代可穿戴設(shè)備的零件中。 各種計(jì)劃包括更高的可用性和更強(qiáng)的時(shí)尚性，而后者是獲得大眾認(rèn)可的關(guān)鍵。

盡管可穿戴概念已不是新生事物，但迄今為止，其功能化應(yīng)用仍更多地停留在工業(yè)領(lǐng)域，并且只有少數(shù)人使用象 MicroOptical 之類(lèi)工具顯示保養(yǎng)說(shuō)明、指示零件故障。 谷歌眼鏡已用于固定資產(chǎn)維護(hù)以及健身、醫(yī)療領(lǐng)域。

所有這些應(yīng)用均依賴(lài)最基礎(chǔ)的傳感器，在新產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)激動(dòng)人心的功能。 例如，象 Texas Instruments 2.4 GHz 藍(lán)牙低功耗片上系統(tǒng) SensorTag 開(kāi)發(fā)套件中使用的傳感器、STMicroelectronics 的 L3GD20 MEMS 運(yùn)動(dòng)傳感器和該公司的 BlueNRG 之類(lèi)傳感器，便是目前已在使用的傳感器產(chǎn)品類(lèi)型的實(shí)例，同樣實(shí)例還有 Honeywell 的磁阻傳感器 IC。 讓我們探討一下其中的原因。

藍(lán)牙技術(shù)能效高、功耗低、安全性強(qiáng)且易于實(shí)施。 換言之，藍(lán)牙技術(shù)對(duì)于可穿戴通訊來(lái)說(shuō)是一種很自然的選擇。 Texas Instruments 的 CC2541SensorTag 開(kāi)發(fā)套件設(shè)計(jì)用于簡(jiǎn)化低功耗藍(lán)牙傳感器應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。 應(yīng)用開(kāi)發(fā)商利用藍(lán)牙技術(shù)能夠快速、輕松地為低功耗藍(lán)牙配件編寫(xiě)智能手機(jī)應(yīng)用，而無(wú)需開(kāi)發(fā)其它嵌入式硬件或軟件。 SensorTag 套件包括（圖 1）包括：

1 個(gè)帶有外殼的 CC2541 SensorTag

1 塊 CR2032 電池

1 顆螺釘（用于固定外殼）

快速入門(mén)指南

該套件的射頻電路板已通過(guò) FCC 和 IC 認(rèn)證和測(cè)試，滿(mǎn)足 ETSI/R&TTE 從 0°C 至 +35°C 的超溫要求并且集成了一個(gè) PCB 天線(xiàn)。

圖 1：Texas Instruments 的 SensorTag 開(kāi)發(fā)套件采用六個(gè)傳感器，能讓開(kāi)發(fā)人員輕松、簡(jiǎn)單地完成設(shè)計(jì)。

SensorTag 套件包括以下傳感器：

Texas Instruments 的 IR 溫度傳感器 （TMP006）

Sensirion 的濕度傳感器

Epcos 的壓力傳感器

Kionix 的加速計(jì)

InvenSense 的陀螺儀

Freescale 的磁力儀 （MAG3110）

TI 的 SensorTag CC2541（圖 2）的基礎(chǔ)器件是六個(gè)傳感器，這些傳感器均是高能效、低成本、小型表面貼裝器件。 這些傳感器采用 I2C 接口，并通過(guò)獨(dú)立的使能信號(hào)與相同的接口總線(xiàn)連接。 為保持低電流消耗，所有傳感器的默認(rèn)狀態(tài)為“禁用”，且在相鄰兩次測(cè)量期間處于休眠模式。

圖 2：TI SensorTag 的功能框圖。

CC2541 特別適合要求超低功耗的系統(tǒng)。 該器件的工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，能夠進(jìn)一步降低功耗。 具體應(yīng)用包括 2.4 GHz 專(zhuān)有和低功耗藍(lán)牙系統(tǒng)、人機(jī)接口設(shè)備、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品和移動(dòng)電話(huà)應(yīng)用。

使用可穿戴設(shè)備時(shí)，重點(diǎn)是需要知道您在哪里以及將去向哪里，并且提供這些信息的傳感器必須體積小、性能高、可靠。 采用 STMicroelectronics LSM303C 電子羅盤(pán)的一個(gè)例子如圖 3 所示。 該器件被宣稱(chēng)是全球體積最小的電子陀螺儀，它在單封裝中集成了一個(gè) 3 軸加速計(jì)和一個(gè) 3 軸磁力儀。

圖 3：針對(duì)可穿戴設(shè)備的 STMicroelectronics LSM303C 電子羅盤(pán)框圖。

該芯片尺寸僅 2 mm x 2 mm 且比同類(lèi)器件縮小近 20%，可用于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)敏感性功能。

該器件的特性包括：

傾斜補(bǔ)償羅盤(pán)

地圖旋轉(zhuǎn)

位置檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)激活功能

自由落體檢測(cè)

單擊/雙擊識(shí)別

步程計(jì)

智能化節(jié)電功能

在運(yùn)動(dòng)監(jiān)視腕帶或智能手表中節(jié)省空間極為關(guān)鍵，ST 的 LSM303C 電子羅盤(pán)相比同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品可節(jié)省近 1 mm2 印刷電路板空間。 設(shè)計(jì)人員能優(yōu)化元件布局，將 Wi-Fi、藍(lán)牙和蜂窩式無(wú)線(xiàn)電干擾降至最小。 LSM303C 的小尺寸有助于減小可穿戴設(shè)備的體積。

自然地，這不完全是傳感器本身——還有向可穿戴應(yīng)用提供具有魔術(shù)般功能的使能技術(shù)，如 STMicroelectronics 的 BlueNRG 低功耗藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理器。 在諸如手表、健身器材、保健和體育運(yùn)動(dòng)，以及消費(fèi)類(lèi)醫(yī)療和生活輔助之類(lèi)應(yīng)用中，BlueNRG 可用作主設(shè)備或者從設(shè)備。

這種完全型低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧在嵌入式 ARM Cortex-M0 內(nèi)核上運(yùn)行，同時(shí)非易失性閃存存儲(chǔ)器則允許現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。 它設(shè)計(jì)用于在使用標(biāo)準(zhǔn)紐扣電池時(shí)滿(mǎn)足嚴(yán)格的峰值電流要求，在 1 dBm 輸出功率時(shí)的最大峰值電流僅 10 mA。 超低功耗休眠模式和非常短的工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)間，可確保非常小的平均電流消耗，進(jìn)而達(dá)到更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。 BlueNRG 還提供了利用 SPI 傳輸層連接外部微控制器的選用功能。

能夠滿(mǎn)足超高靈敏度、低電流運(yùn)行和超小基底面要求的器件，當(dāng)屬 Honeywell 的 Nanopower（微功耗）系列。 該系列提供兩個(gè)磁性靈敏度，以適應(yīng)各種設(shè)計(jì)需求，包括用于要求磁靈敏度超高、電流消耗非常低的應(yīng)用中的 SM351LT。 相比之下，SM353LT 適用于需要非常高的磁靈敏度和非常低的電流消耗的應(yīng)用。

這種充滿(mǎn)各類(lèi)型傳感器的物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴應(yīng)用的融合，在實(shí)時(shí)事件監(jiān)視和結(jié)果通訊比較重要的應(yīng)用中將繼續(xù)擴(kuò)大。 此外，只要現(xiàn)場(chǎng)人員為解決問(wèn)題或者評(píng)估當(dāng)前條件而需要訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)，這種融合也會(huì)擴(kuò)大。 隨著這些技術(shù)更頻繁地被采用，成本將降低，使得甚至是今天難以想象的新應(yīng)用也會(huì)得以更大量地使用。