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作者：Lynnette Reese 貿澤電子 一款可穿戴設備在購買(mǎi)幾個(gè)月后用戶(hù)可能就失去興趣，被無(wú)期限的扔到抽屜的某個(gè)角落。然而新推出的芯片要能夠提供更好的互聯(lián)性能以及新穎的應用，才能夠保證新一代產(chǎn)品受到用戶(hù)的歡迎。 關(guān)于可穿戴設備市場(chǎng)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(chǎng)正處于初期有巨大的發(fā)展潛力，而另一些反對者批評道可穿戴設備存在很多的問(wèn)題。根據《華爾街日報》的報告顯示，今年美國市場(chǎng)會(huì )有1億1110萬(wàn)件可穿戴設備，相比美國2015年的市場(chǎng)情況增加了將近4千萬(wàn)件。但是暴露出來(lái)的問(wèn)題是購買(mǎi)過(guò)可穿戴設備的用戶(hù)很大幾率不會(huì )購買(mǎi)新的可穿戴設備，與主流的電子消費產(chǎn)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(gè)月。此外盡管十分之一的美國成年人購買(mǎi)了某種款式的運動(dòng)跟蹤設備，但是近一半的人不會(huì )再繼續使用它。 我們可以看出對于那些想運動(dòng)調節身體健康的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，他們對計步器和睡眠質(zhì)量監測儀是充滿(mǎn)興趣的，但是一旦用戶(hù)不在繼續調節身體狀態(tài)，這種對可穿戴設備的興趣和熱情就會(huì )大大降低。對于可穿戴設備制造商而言，可穿戴技術(shù)是一個(gè)新興的領(lǐng)域，關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)一款非常受歡迎的應用，也就是說(shuō)讓用戶(hù)離不開(kāi)它，而不是因為一時(shí)的好奇。 我們之前就遇到過(guò)類(lèi)型的情形，早期的MP3播放器相比當時(shí)的競爭者CD播放器具有非常明顯的優(yōu)勢，用戶(hù)在慢跑的同時(shí)能夠聽(tīng)歌切歌。但是早期的設備并沒(méi)有流行起來(lái)，這是因為加載音樂(lè )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(hù)遺忘在抽屜的某個(gè)角落里。直到蘋(píng)果公司推出iPod產(chǎn)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(hù)組織、簡(jiǎn)單快速的下載歌曲�，F在得出一個(gè)合乎邏輯的結論就是MP3播放器與智能手機合并。 目前商業(yè)上比較成功的可穿戴產(chǎn)品有智能手環(huán)，功能比較有限包括運動(dòng)追蹤和睡眠質(zhì)量監測，此外還有智能手表，除了集成了智能手環(huán)的功能還提供了智能手機的功能，能夠發(fā)短信和通知，同時(shí)內置了幾款App應用，這兩款產(chǎn)品幾乎占據了可穿戴設備各一半的市場(chǎng)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(wú)線(xiàn)連接方式。通過(guò)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(shí)智能手機也是連接互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)途徑，將用戶(hù)的數據上傳到云服務(wù)器，用戶(hù)以后對數據的處理。兩款設備之間的界限（智能手表和手環(huán)）變得越來(lái)越模糊，因為手環(huán)獲得了更強勁的計算能力，而智能手表的續航時(shí)間變得更長(cháng)。 
圖1：可穿戴設備一般會(huì )與智能手機一起使用，綁定app應用，支持互聯(lián)網(wǎng)連接 除此之外，可穿戴設備制造商如行業(yè)領(lǐng)導者Fitbit公司并沒(méi)有坐以待斃等著(zhù)一款不可取代的app出現，這家公司也正在發(fā)展更豐富的產(chǎn)品功能，提高用戶(hù)的依賴(lài)性，例如心率監測，提示用戶(hù)調整呼吸節奏，如果用戶(hù)心率出現不穩定，這個(gè)功能能夠讓用戶(hù)平靜下來(lái)。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(hù)調節呼吸節奏的實(shí)際價(jià)值外，這些功能的開(kāi)發(fā)也展示出可穿戴設備發(fā)展動(dòng)力，就像90年代MP3播放器的發(fā)展過(guò)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(píng)果iPhone和三星的Galaxy手機。這些發(fā)展都來(lái)自新一代智能芯片的推動(dòng)，集成了強大高效的嵌入式處理器、可互操作的無(wú)線(xiàn)連接、豐富的Flash和RAM資源、甚至更復雜的算法和RF通信協(xié)議。 可穿戴設備的核心 可穿戴市場(chǎng)的發(fā)展很大一部分要歸功于藍牙技術(shù)聯(lián)盟組織的遠見(jiàn)卓識，2007該組織與諾基亞Wibree聯(lián)盟進(jìn)行了合并。諾基亞的期望是它的手機能夠成為個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò )（PAN）無(wú)線(xiàn)連接的中心（盡管當時(shí)諾基亞公司具備最先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，但是它也不完全清楚需要開(kāi)發(fā)什么樣的外圍設備，不過(guò)它意識到無(wú)線(xiàn)傳感器例如心率監測應用會(huì )成為首個(gè)實(shí)現的例子）。無(wú)線(xiàn)藍牙技術(shù)集成到移動(dòng)設備的方法已經(jīng)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(kāi)始著(zhù)手開(kāi)發(fā)“超低功耗”無(wú)線(xiàn)技術(shù)，采用小容量的電池同時(shí)保證與手機的可靠連接。 諾基亞愿景的一個(gè)不利因素是除了它自己其余手機制造商的賣(mài)點(diǎn)不會(huì )是一款無(wú)線(xiàn)芯片，除了GSM、Wi-Fi和藍牙這些必備標準。因此藍牙技術(shù)聯(lián)盟為了克服這些問(wèn)題想到的方法就是在諾基亞的基礎上實(shí)現一種與標準藍牙保持互操作性的通信技術(shù)，這樣就會(huì )讓這項技術(shù)成為國際標準的一部分，同時(shí)不需要額外的芯片。就這樣經(jīng)過(guò)一系列開(kāi)發(fā)測試工作之后，藍牙4.0在2010年推出，超低功耗藍牙技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)BLE）構成了標準規范必不可少的一部分。 低功耗藍牙技術(shù)（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(dòng)。更值得慶祝的是手機操作系統廠(chǎng)商如蘋(píng)果、安卓和微軟都開(kāi)始鼓勵采用通過(guò)BLE技術(shù)實(shí)現互連，并且在不同的軟件開(kāi)發(fā)包中提供了API接口，這給app開(kāi)發(fā)者提供了很大便利�？赡芪覀儠�(huì )對BLE技術(shù)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(shù)的應用會(huì )保持每年34%的復合增長(cháng)，2020年會(huì )達到驚人的13.5億出貨量。 然而B(niǎo)LE僅僅是一項先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，它集成了物理層，實(shí)現了2.4GHz無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議棧，采用固件的方式管理通信過(guò)程。早期的芯片還需要一個(gè)獨立的低功耗微處理器例如TI公司的MSP432來(lái)監管RF收發(fā)器的工作過(guò)程。這一切都有點(diǎn)復雜和令人難以接受，更像是設計的藝術(shù)而不僅僅是一個(gè)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)互連的解決方案，ARM處理器能夠同時(shí)運行應用也能實(shí)現無(wú)線(xiàn)互連。 兩個(gè)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(shí)保持無(wú)線(xiàn)互聯(lián)（這個(gè)特殊的功能采用傳統處理器來(lái)實(shí)現不是很理想）。此外工程師還必須使用兩種不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后又要確保應用程序和BLE通信協(xié)議棧的高效結合（通常會(huì )存在一定的難度）。這不僅對運動(dòng)手表廠(chǎng)商（如Suunto、Garmin）來(lái)時(shí)是一個(gè)挑戰，對于剛興起的可穿戴設備來(lái)說(shuō)也是個(gè)非常大的疑問(wèn)。我們還要面對更多的問(wèn)題，如更大的復雜性、更大的PCB面積、以及更高的功耗問(wèn)題。 這款基于A(yíng)RM內核的BLE SoC器件對于可穿戴市場(chǎng)是一個(gè)非常大的推動(dòng)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(dòng)類(lèi)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(kāi)發(fā)環(huán)境以及開(kāi)源擴展源代碼庫。另一個(gè)明智的選擇是Nordic半導體公司推出的開(kāi)發(fā)環(huán)境能夠讓可穿戴設備開(kāi)發(fā)者更加專(zhuān)注應用代碼的開(kāi)發(fā)，不需要擔心軟件與BLE協(xié)議棧的集成問(wèn)題，這部分工作已經(jīng)有專(zhuān)業(yè)的工具來(lái)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(zhuān)注于產(chǎn)品的差異化設計。 博通（Broadcom）公司緊跟Nordic半導體公司的市場(chǎng)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(lèi)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(wú)線(xiàn)、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(chǎn)這款高度集成的BLE SoC器件。這款SoC集成了ARM 處理器、2.4GHz無(wú)線(xiàn)、Flash、RAM、電源管理模塊、ADC和DAC以及I/O資源。（圖片來(lái)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(jīng)在這方面處于領(lǐng)先地位，這個(gè)系列器件采用更強大的處理器，ARM Cortex-M4F結合2.4GHz無(wú)線(xiàn)電，以及Flash和RAM資源。這家公司聲稱(chēng)“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(wú)疑增加了最終產(chǎn)品電池的使用壽命。 然而這僅僅是開(kāi)始，智能手機的互連推動(dòng)了BLE的發(fā)展，可穿戴設備采用更先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，這個(gè)市場(chǎng)有望每年擴大2.45億單元的出貨量，到2019年預計會(huì )達到250億美元的市場(chǎng)價(jià)值（根據CCS Insight機構的預測）。這個(gè)巨大的市場(chǎng)很多半導體公司都會(huì )參與進(jìn)來(lái)，其他供應商對于Nordic半導體公司推出的基于A(yíng)RM Cortex M4內核BLE SoC的反應勢必會(huì )加速推出更強大的產(chǎn)品。 發(fā)展及多樣性 有了最新一代的藍牙智能SoC器件，OEM廠(chǎng)商就可以按照之前開(kāi)發(fā)運動(dòng)手表的方式進(jìn)一步提升可穿戴設備用戶(hù)的體驗感，比如帶有GPS功能即使價(jià)格昂貴也會(huì )受到業(yè)余和專(zhuān)業(yè)運動(dòng)員的喜愛(ài)。運動(dòng)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(dòng)效果。然而像Suunto、Polar的產(chǎn)品都很小巧，幾乎每天都需要充電，市場(chǎng)份額比較大的可穿戴設備必須要能夠再一次充滿(mǎn)電的情況下運行一周或者更長(cháng)。 Fitbit公司最新推出的Charge 2產(chǎn)品展示了是如何從設備集成的監測器獲取心率數據并進(jìn)行處理，給用戶(hù)提供更精確的卡路里消耗數據，以及有氧運動(dòng)狀態(tài)時(shí)怎樣隨著(zhù)時(shí)間變化而變化的（某個(gè)用戶(hù)的運動(dòng)情況怎樣與同年齡的用戶(hù)進(jìn)行對比），當壓力上升還會(huì )通知用戶(hù)的呼吸的節奏。盡管Fitbit公司不想公開(kāi)產(chǎn)品設計的秘密，但是我們可以科學(xué)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(shí)現的。 這家公司以及競爭者同樣都在努力將它們的產(chǎn)品推廣給更多的用戶(hù)，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(lái)跟蹤糖尿病的健康狀態(tài)是相當難的——但是手環(huán)能夠有效的激勵糖尿病患者保持鍛煉。每天的運動(dòng)既能夠降低血糖水平也能減輕長(cháng)期疾病帶來(lái)的影響比如心血管疾病。例如研究人員發(fā)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(gè)人他們的心臟狀況可能有很大不同，對于健康的人來(lái)說(shuō)，根據英國一家醫療保健公司研究發(fā)現，較低的心率差異性則是過(guò)度鍛煉的表現，這時(shí)可穿戴設備能夠及時(shí)建議用戶(hù)重新安排運動(dòng)計劃，對于那些做過(guò)心臟手術(shù)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(fā)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(hù)運動(dòng)接近疲勞的程度，美國公司Moxy是這項技術(shù)的先驅者之一。 盡管外出鍛煉提高身體素質(zhì)對每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是有好處的，但是這個(gè)事件本身可能沒(méi)有足夠的動(dòng)力讓大多數用戶(hù)來(lái)購買(mǎi)一款可穿戴設備；OEM廠(chǎng)商認為保持一種“更加滿(mǎn)足”的生活狀態(tài)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(chǎng)。這些產(chǎn)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(chǎn)品重新劃分了類(lèi)別：“一般性健康設備”。這個(gè)類(lèi)別的典型產(chǎn)品就是Vinaya公司設計的產(chǎn)品ZENTA，會(huì )在2017年春季上市。 這款產(chǎn)品集成了加速度計、麥克風(fēng)、生物測量傳感器和觸覺(jué)引擎，能夠采集噪聲、運動(dòng)和生物信號包括心率、心率變化率、呼吸方式、皮膚電活動(dòng)情況、皮膚溫度、脈搏傳輸時(shí)間、脈搏速度以及血氧飽和度等。ZENTA收集這些信息并有學(xué)習算法進(jìn)行處理，為用戶(hù)生成一個(gè)文檔幫助他們保持更平衡的生活方式。關(guān)于Vinaya對于ZENTA的產(chǎn)品功能介紹是否具有科學(xué)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(gè)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(wú)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(chǎn)品，集成了多個(gè)傳感器、復雜算法處理，為用戶(hù)提供更多的產(chǎn)品價(jià)值。（來(lái)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(lǐng)域，例如美國的自動(dòng)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(lián)合為消防員開(kāi)發(fā)了一款監測產(chǎn)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(dòng)和手勢等，然后將信息傳輸給移動(dòng)端設備（類(lèi)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(guò)WiFi或者蜂窩網(wǎng)絡(luò )將數據進(jìn)一步傳輸給云服務(wù)器。這種采用多個(gè)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(tài)。
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(lǐng)域。例如他們聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款移動(dòng)終端手機可穿戴設備的數據并進(jìn)一步傳輸到云服務(wù)（來(lái)源：Intel） 關(guān)鍵在于集成 第一代可穿戴設備與第一代移動(dòng)手機類(lèi)似——在自己應用領(lǐng)域非常好用但是局限性很大。隨著(zhù)BLE SoC、電池、固件以及硬件平臺的提升，產(chǎn)品的功能也隨之有了較大的改變。 然而仍然存在的問(wèn)題是除非用戶(hù)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的運動(dòng)訓練否則功能再多的產(chǎn)品也不能夠保持長(cháng)久的吸引力。盡管如此，可穿戴設備為了體現價(jià)值至少能夠為用戶(hù)提供有用的數據分析和指導，這樣用戶(hù)才會(huì )慢慢欣賞這類(lèi)產(chǎn)品而不僅僅是一個(gè)新奇的事物，后續的產(chǎn)品可以集成更多有價(jià)值的功能來(lái)鼓勵潛在用戶(hù)購買(mǎi)。根據Forbes機構調查，美國超過(guò)50%的iPhone用戶(hù)在新品推出時(shí)都會(huì )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(chǎng)的長(cháng)期繁榮的真正關(guān)鍵在于不斷的集成。文本、互聯(lián)網(wǎng)連接、MP3播放器、攝像機，更不要說(shuō)藍牙無(wú)線(xiàn)連接了都已經(jīng)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(chǎn)品。也就是說(shuō)可穿戴設備未來(lái)的發(fā)展變得越來(lái)越難預測，根據Endeavour Partner機構的研究表示很多的創(chuàng )新都是來(lái)自于技術(shù)與人類(lèi)生理和生物學(xué)特征上的一些聯(lián)系，Endeavour Partner機構指出這個(gè)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(chǎng)上什么產(chǎn)品是不需要的或者是不切實(shí)際的。 然而不論最終可穿戴設備開(kāi)發(fā)者會(huì )推出什么樣的商業(yè)應用，芯片供應商都會(huì )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(cháng)的計算和通信性能需求。 作者簡(jiǎn)介： Lynnette Reese是貿澤電子的一名技術(shù)工程師，畢業(yè)于路易斯安那州立大學(xué)電子工程學(xué)專(zhuān)業(yè)，學(xué)士學(xué)位。加入貿澤電子之前，她已經(jīng)在嵌入式硬件和軟件方面有15年的工作經(jīng)驗，任職過(guò)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(yè)生涯是在Johnson Controls公司做一名應用工程師開(kāi)始的。
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