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智能穿戴

發(fā)布時(shí)間:2018-12-13
可穿戴設備使我們能夠以前所未有的方式改善生活的方方面面。2017年可穿戴設備出貨量為1.23億件,并預估在2020年達到4.11億件。新應用帶來(lái)新的要求,耐化學(xué)性膠帶,防水膠帶應用其中...

可穿戴設備使我們能夠以前所未有的方式改善生活的方方面面,如工作效率、健康和生活方式。它們能跟蹤我們自身狀況和周?chē)h(huán)境,并提供相關(guān)信息,以激發(fā)我們上進(jìn)心或鼓勵我們做出更好的選擇。而且,它們還可以協(xié)助實(shí)現個(gè)人連接,將“數字自我”連接到互聯(lián)網(wǎng)。這使我們能夠與朋友或遠程診斷專(zhuān)家共享信息,無(wú)論是為了好玩、征求意見(jiàn)和建議,還是現場(chǎng)醫學(xué)診斷。

因此,可穿戴設備市場(chǎng)的快速發(fā)展并不令人驚訝。據市場(chǎng)調查,2014年可穿戴設備出貨量為2,900萬(wàn)件,2015年為8,500萬(wàn)件。同時(shí)該公司預測,可穿戴設備市場(chǎng)的規模將在2016 年達到1.23億件,并在2020年達到4.11億件。

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  圖1:分析公司預測可穿戴設備市場(chǎng)的所有領(lǐng)域在未來(lái)幾年都將快速發(fā)展。

盡管可穿戴設備市場(chǎng)的初期增長(cháng)令人可喜,不過(guò)整體市場(chǎng)規模仍然相對較小,特別是與年出貨量達十幾億部的智能手機市場(chǎng)相比。為推動(dòng)該快速增長(cháng)的市場(chǎng)實(shí)現其最大潛力,我們需要令人興奮的新型可穿戴設備。

這些設備將集成更多傳感器,以便向用戶(hù)提供更多有用信息,并且具備“情境感知”(context aware)特性,確保以相應的方式傳遞信息。它們將開(kāi)辟新的用途,例如淡化消費與醫療應用之間的界限,幫助人們在醫療專(zhuān)業(yè)人士的協(xié)助下管理自己的健康。這些新用途將使數據安全和用戶(hù)隱私變得更加重要。

可穿戴設備只有在人們穿戴它時(shí)才能發(fā)揮作用,穿戴的時(shí)間越長(cháng)越好。因此,這些下一代設備需要提供長(cháng)久的電池續航時(shí)間(亦即兩次充電之間的時(shí)間),同時(shí)需要有“低調”的外形且穿戴舒適。

數據集成和情境感知

最早的可穿戴設備是基于三維加速計的簡(jiǎn)單計步器。隨后很快就出現了包含壓力傳感器和陀螺儀等器件的更復雜設備。這些器件使可穿戴設備能夠識別穿戴者正在參與的活動(dòng)類(lèi)型(如步行、跑步、爬山等),并跟蹤其睡眠周期。同時(shí),溫度和濕度傳感器使得可穿戴設備能夠更準確地測量諸如鍛煉時(shí)消耗的卡路里等參數。

可穿戴設備集成更多傳感器的這一趨勢未來(lái)幾年將會(huì )加快。特別是,我們將看到集成越來(lái)越多的運動(dòng)和環(huán)境傳感器,以及新興的生物傳感器。生物傳感器現已應用于獨立的可穿戴醫學(xué)監護儀,而且許多消費類(lèi)設備現在都提供心率測量功能。但在接下來(lái)的幾年內,消費設備將集成更廣泛的生物傳感器,如測量血氧量、血壓和血糖水平的光譜傳感器,以及確定出汗水平和pH值的皮膚電阻感應傳感器。

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  圖2:我們將看到可穿戴設備集成越來(lái)越廣泛的生物傳感器。

集成更多傳感器有許多優(yōu)勢,最明顯的是,可以增加設備的功能,使其能夠測量更多參數。另外,還能提高所收集數據的精確性。例如,使用來(lái)自其他傳感器的信息來(lái)確定穿戴者正在從事的活動(dòng)類(lèi)型,有助于選擇更合適的算法來(lái)處理來(lái)自加速計的輸入信息,使活動(dòng)追蹤更加準確。另外,結合來(lái)自眾多傳感器的數據使設備能夠提取更多對用戶(hù)有用的信息,例如,使用心率、加速計數據和皮膚電阻感應來(lái)測算人的壓力水平。

除了上面提到的運動(dòng)、環(huán)境和生物傳感器之外,可穿戴設備還有可能增加麥克風(fēng)的使用。但目的不是向穿戴者提供更多信息,而是幫助設備感知其使用情境,以便確定哪些信息對穿戴者有用,以及如何以最佳的方式傳送這些信息。例如,如果設備“聽(tīng)到”噴氣式發(fā)動(dòng)機的轟鳴聲,它能推斷出穿戴者正在坐飛機,并監測坐了多長(cháng)時(shí)間,然后調整針對睡眠和鍛煉的建議,幫助穿戴者更有效地應對疲勞、脫水和時(shí)差反應。

新用途

隨著(zhù)可穿戴設備收集更多有關(guān)我們及周?chē)h(huán)境的數據,它們將日益成為我們的“數字自我”。這一點(diǎn)與可穿戴設備和情境感知的混聚(mash-up)相結合,為可穿戴設備開(kāi)辟了許多新用途。其可能性幾乎是無(wú)窮盡的。但很容易想象,可穿戴設備將成為通用的接入設備,例如開(kāi)家門(mén)、辦公室門(mén)和汽車(chē)門(mén),登錄工作系統等。從而避免了忘帶鑰匙、出入證和忘記密碼帶來(lái)的麻煩。

在家庭自動(dòng)化領(lǐng)域,智能娛樂(lè )系統能夠通過(guò)可穿戴設備檢測出誰(shuí)在家中,并根據此人的偏好自動(dòng)選擇電視頻道、音樂(lè )和音量??纱┐髟O備能夠與房間內各個(gè)地方的信標進(jìn)行通信,感測人的存在,打開(kāi)和關(guān)閉照明和供暖,并根據個(gè)人偏好進(jìn)行調節,使你始終感覺(jué)舒適并節省能源。

大數據:淡化消費與醫療應用的界線(xiàn)

也許可穿戴設備最令人興奮的新用途是幫助人們管理自身健康。隨著(zhù)生物傳感器使用數量的增加,以及其所收集數據的準確性和可靠性的提高,我們將看到消費與醫療應用領(lǐng)域的融合。健身和生活方式設備將從消費裝置發(fā)展到提供醫療級數據。

因此,你所收集的跟蹤健康和運動(dòng)水平的信息,可與你的醫生或自動(dòng)醫療監護系統共享,以便在癥狀出現前提前給出預警。這樣人們就能在情況還不太嚴重、更易于實(shí)施和更有可能成功的時(shí)候,及早尋求治療或適當改變生活方式。

目前許多公司都在開(kāi)發(fā)用于醫療服務(wù)的數據共享云基礎設施,可穿戴設備是這些基礎設施的天然伙伴。這將是我們見(jiàn)證所謂大數據真正力量的領(lǐng)域。隨著(zhù)可穿戴設備變得越來(lái)越常見(jiàn)和先進(jìn),我們將有可能整理和分析來(lái)自數百萬(wàn)人積累多年的健康、健身及生活方式匿名信息。除了揭示深層的健康趨勢,這些巨大的數據集還能揭示疾病是如何發(fā)生的(所謂“超早期醫療”)。這有助于實(shí)現早期干預,以最大限度減小疾病所帶來(lái)的財務(wù)、社會(huì )及個(gè)人影響。

用戶(hù)隱私和安全

隨著(zhù)可穿戴設備收集越來(lái)越多的敏感信息,并逐漸成為全面的數字自我,隱私和數據安全將變得至關(guān)重要。特別是在涉及醫療數據的情況下,消費者將要求最高級別的數據安全保護,而隨著(zhù)消費者的消息越來(lái)越靈通,這將成為影響購買(mǎi)決定的關(guān)鍵因素。

數據的存儲和傳輸都必須有安全保障。第一代聯(lián)網(wǎng)可穿戴設備大多依靠其所選擇的連接技術(shù)的內在安全協(xié)議,比如藍牙低功耗(Bluetooth low energy / BLE)。如果只是追蹤人在一天中走了多少路,可能這已足夠了。但如果消費者將其醫療信息托付給可穿戴設備,則就需要更強大的安全措施。

最新版本的藍牙標準(藍牙4.2)提供更高的安全性。但由于藍牙設備的數量巨大,安全算法被黑客攻破(使得數據傳輸失去安全性)的風(fēng)險始終存在。

因此,可穿戴設備制造商必須考慮獨立的數據加密措施,比如Dialog針對可穿戴設備的解決方案所采取的措施。即使藍牙安全協(xié)議被破解,所傳輸的數據仍然是加密的。這樣,制造商就能向消費者提供獨立于藍牙技術(shù)的端到端安全性,使可穿戴設備上的個(gè)人信息擁有與銀行財務(wù)記錄相同的安全等級。

電池續航時(shí)間

在集成更多傳感器和支持新用途方面,紐扣電池和可充電電池的有限功率給可穿戴設備制造商帶來(lái)了很大的挑戰。IDC和GMI的研究一再表明,電池續航時(shí)間已成為消費者購買(mǎi)電池供電式便捷產(chǎn)品的第一考慮因素。

目前的可穿戴設備通常提供大約7-14天的電池續航時(shí)間/充電周期。隨著(zhù)設備變得更加復雜,消費者希望這個(gè)續航能力至少能夠保持,當然能夠延長(cháng)更好。另外,可穿戴設備的許多用途都需要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的持續監測,如果必須摘下設備進(jìn)行充電或更換電池,就會(huì )抵消應用的好處,從而減小它們對消費者的吸引力。例如,如果你必須在晚上對設備充電,那么設備就無(wú)法跟蹤你的睡眠模式,從而可能錯過(guò)發(fā)現心悸?tīng)顩r,而這有可能是嚴重心臟病的預警信號。

典型鋰聚合物充電電池的容量只有40 - 100 mAh。在此情況下,要為包含多個(gè)傳感器的可穿戴設備供電幾天時(shí)間,意味著(zhù)需要降低系統所有部件的功耗,包括傳感器、系統、通信硬件和軟件。傳感器技術(shù)在不斷進(jìn)步并降低功率需求。同時(shí),Dialog通過(guò)集應用與通信硬件于一體的藍牙低功耗SoC(例如新的SmartBond DA14680和DA14681),在系統總功耗方面不斷取得進(jìn)步。由于采用創(chuàng )新的電源管理和RF技術(shù),這些產(chǎn)品在典型藍牙事件下的電流消耗僅為1 mA左右。

 

圣杯:永不離身的可穿戴設備

可穿戴設備的終極目標是實(shí)現持續的監測。這意味著(zhù)需要找到一種可為設備供電,但又無(wú)需卸下進(jìn)行充電(或更換電池)的方法。兩個(gè)顯而易見(jiàn)的方法是能量采集和無(wú)線(xiàn)充電。

對于能量采集,最有潛力的候選技術(shù)是光伏電池和采集雜散RF信號。振動(dòng)能量采集及熱電發(fā)電也是可能的,但由于人類(lèi)動(dòng)作的頻率及人體四周的溫差是有限的,這意味著(zhù)其潛力非常有限。有些制造商已經(jīng)開(kāi)始研究能量采集在可穿戴設備中的應用,例如Misfit與Swarovski開(kāi)展合作,開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)出了通過(guò)太陽(yáng)能供電的健康監測首飾。然而,由于我們對可穿戴設備的功能要求不斷增加,能量采集似乎很難成為始終開(kāi)啟的可穿戴設備的唯一電源,而有可能充當輔助電源,幫助延長(cháng)主電池的續航時(shí)間。

無(wú)線(xiàn)充電則更有潛力成為主電源。由于可穿戴設備需要穿戴在身上,所以最有前途的選項是松散耦合無(wú)線(xiàn)充電,其中RF信號在一個(gè)延伸的區域內向多個(gè)獨立設備供電,類(lèi)似于Wi-Fi系統以無(wú)線(xiàn)方式將多個(gè)設備與互聯(lián)網(wǎng)相連。Dialog和Energous最近展示了針對這種系統的首個(gè)概念驗證結果,其充電半徑可達10米。

  深度剖析可穿戴市場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展趨勢

  圖4:松散耦合無(wú)線(xiàn)充電能夠支持開(kāi)發(fā)無(wú)需摘下的可穿戴設備。

要想使無(wú)線(xiàn)充電真正成為始終開(kāi)啟的可穿戴設備的主電源,則需對充電基礎設施進(jìn)行重大投資。Wi-Fi可作為樣板;充電系統可安裝在家中和工作場(chǎng)所,而咖啡店、機場(chǎng)、酒店等可通過(guò)為顧客創(chuàng )建更大的“充電熱點(diǎn)”使其比競爭對手更有優(yōu)勢。

外形

可穿戴設備制造商面臨的另一個(gè)挑戰是,將所有這些功能塞進(jìn)人們要連續穿戴很長(cháng)時(shí)間的設備中。不同的人對可穿戴設備的外觀(guān)偏好有所不同,有的人喜歡時(shí)尚些,而有的人喜歡低調些。

目前,最常見(jiàn)的可穿戴設備外形是手環(huán)和智能手表。市場(chǎng)調研公司Forrester的初步市場(chǎng)研究表明,這些外形仍然將在最受歡迎的外形之列,28%的人樂(lè )意將好玩且可信賴(lài)的傳感器設備戴在手腕上。如圖5所示,未來(lái)幾年里,手腕應該仍是可穿戴設備最常穿戴的位置,但我們將看到一些不同類(lèi)型的設備出現。這些設備有一點(diǎn)是相同的,那就是它們都具有非常小的外形。

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  圖5:雖然到2020戴在手腕上的可穿戴設備仍將是最為常見(jiàn)的,但許多其他類(lèi)型的小型設備也將變得流行起來(lái)

為制造這些小設備,制造商需要集成度更高的硬件解決方案;SoC解決方案以單一封裝提供了所有應用、系統、安全和個(gè)人連接功能。目前,最小的解決方案(在單個(gè)模塊中包含了一個(gè)SoC和所有必要的無(wú)源器件)的尺寸約為3.5 x 3.5 mm。為滿(mǎn)足未來(lái)對外形的要求,這些解決方案的尺寸需要進(jìn)一步縮小。

為可穿戴設備制造商提供元件的IC公司能夠通過(guò)增加其IC解決方案中集成的功能來(lái)迎合上述趨勢。例如,Dialog的SmartBond DA1468x系列產(chǎn)品集通信、應用處理、傳感中樞和電源管理功能于一體。這消除了對外圍電池充電器、電量計、DC/DC轉換器等元件的需要,有助于顯著(zhù)節省電路板空間。

準備好迎接未來(lái)

舒適和具有高級功能的多傳感器可穿戴設備具有幫助人們全方位改善生活的潛力。但要真正發(fā)揮這一潛力,可穿戴設備制造商需要將設備與好玩并對消費者有用的服務(wù)結合起來(lái)。這些服務(wù)的可能性幾乎是無(wú)窮無(wú)盡的--從遠程醫學(xué)檢查到幫助人們進(jìn)行健康的飲食選擇,再到家庭自動(dòng)化等等。這些服務(wù)將鼓勵人們購買(mǎi)和使用可穿戴設備,推動(dòng)這個(gè)年輕市場(chǎng)延續其在早期令人激動(dòng)的增長(cháng)速度,并逐漸走向成熟。

為實(shí)現這些設備和服務(wù),可穿戴設備制造商需要既能擴展設備的功能,又能滿(mǎn)足獨特設備尺寸及功耗限制的芯片解決方案。Dialog半導體公司致力于通過(guò)其SmartBond產(chǎn)品系列提供這些解決方案,并擁有與業(yè)界需求演變保持同步的創(chuàng )新路線(xiàn)圖。

SmartBond DA14680和DA14681是該路線(xiàn)圖上的第一步。作為用于可穿戴設備、智能家居和其他充電設備的首款單芯片解決方案,它們集卓越性能、高集成度和低功耗于一體,是目前能夠幫助設計工程師開(kāi)發(fā)出充電周期令用戶(hù)滿(mǎn)意、具備情境感知功能的完整多傳感器可穿戴設備的唯一集成式解決方案。因此,DA14680和DA14681有助于創(chuàng )造下一代藍牙低功耗可穿戴設備,推動(dòng)這個(gè)新興市場(chǎng)實(shí)現其全部潛力。


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