独特SoC开启可穿戴未来

2017年08月17日 11:08    eechina
关键词: SoC , 可穿戴
作者:Lynnette Reese  贸泽电子

一款可穿戴设备在购买几个月后用户可能就失去兴趣,被无期限的扔到抽屉的某个角落。然而新推出的芯片要能够提供更好的互联性能以及新颖的应用,才能够保证新一代产品受到用户的欢迎。

关于可穿戴设备市场的调研报告显示了很多信息。一方面一部分分析师认为可穿戴市场正处于初期有巨大的发展潜力,而另一些反对者批评道可穿戴设备存在很多的问题。根据《华尔街日报》的报告显示,今年美国市场会有1亿1110万件可穿戴设备,相比美国2015年的市场情况增加了将近4千万件。但是暴露出来的问题是购买过可穿戴设备的用户很大几率不会购买新的可穿戴设备,与主流的电子消费产品形成强烈反差。报告继续指出35%的美国消费者使用可穿戴设备的周期大概是六个月。此外尽管十分之一的美国成年人购买了某种款式的运动跟踪设备,但是近一半的人不会再继续使用它。

我们可以看出对于那些想运动调节身体健康的用户来说,他们对计步器和睡眠质量监测仪是充满兴趣的,但是一旦用户不在继续调节身体状态,这种对可穿戴设备的兴趣和热情就会大大降低。对于可穿戴设备制造商而言,可穿戴技术是一个新兴的领域,关键是开发一款非常受欢迎的应用,也就是说让用户离不开它,而不是因为一时的好奇。

我们之前就遇到过类型的情形,早期的MP3播放器相比当时的竞争者CD播放器具有非常明显的优势,用户在慢跑的同时能够听歌切歌。但是早期的设备并没有流行起来,这是因为加载音乐比较困难也比较慢,有限的存储空间限制了歌曲的数量。很多Rio MP3播放器也很现在的可穿戴设备一样被用户遗忘在抽屉的某个角落里。直到苹果公司推出iPod产品,MP3播放器才取得了突破,iPod具有更大的存储空间,并且搭配了iTunes应用,能够帮助用户组织、简单快速的下载歌曲。现在得出一个合乎逻辑的结论就是MP3播放器与智能手机合并。

目前商业上比较成功的可穿戴产品有智能手环,功能比较有限包括运动追踪和睡眠质量监测,此外还有智能手表,除了集成了智能手环的功能还提供了智能手机的功能,能够发短信和通知,同时内置了几款App应用,这两款产品几乎占据了可穿戴设备各一半的市场份额。

然而,通常所有可穿戴设备都能够连接到智能手机,而且几乎全部是采用蓝牙无线连接方式。通过连接手机上的应用能够分析可穿戴设备的数据并显示信息。同时智能手机也是连接互联网的一个途径,将用户的数据上传到云服务器,用户以后对数据的处理。两款设备之间的界限(智能手表和手环)变得越来越模糊,因为手环获得了更强劲的计算能力,而智能手表的续航时间变得更长。

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图1:可穿戴设备一般会与智能手机一起使用,绑定app应用,支持互联网连接

除此之外,可穿戴设备制造商如行业领导者Fitbit公司并没有坐以待毙等着一款不可取代的app出现,这家公司也正在发展更丰富的产品功能,提高用户的依赖性,例如心率监测,提示用户调整呼吸节奏,如果用户心率出现不稳定,这个功能能够让用户平静下来。Fitbit和其它功能也都在探索可穿戴设备怎样能够帮助慢性疾病患者例如二型糖尿病患者。除了帮助用户调节呼吸节奏的实际价值外,这些功能的开发也展示出可穿戴设备发展动力,就像90年代MP3播放器的发展过程似的,从少有新奇到现在很多智能手机必备集成的功能,例如强大的苹果iPhone和三星的Galaxy手机。这些发展都来自新一代智能芯片的推动,集成了强大高效的嵌入式处理器、可互操作的无线连接、丰富的Flash和RAM资源、甚至更复杂的算法和RF通信协议。

可穿戴设备的核心

可穿戴市场的发展很大一部分要归功于蓝牙技术联盟组织的远见卓识,2007该组织与诺基亚Wibree联盟进行了合并。诺基亚的期望是它的手机能够成为个人局域网络(PAN)无线连接的中心(尽管当时诺基亚公司具备最先进的无线连接技术,但是它也不完全清楚需要开发什么样的外围设备,不过它意识到无线传感器例如心率监测应用会成为首个实现的例子)。无线蓝牙技术集成到移动设备的方法已经很成熟,但是功耗有些高。因此诺基亚公司和它的合作伙伴开始着手开发“超低功耗”无线技术,采用小容量的电池同时保证与手机的可靠连接。

诺基亚愿景的一个不利因素是除了它自己其余手机制造商的卖点不会是一款无线芯片,除了GSM、Wi-Fi和蓝牙这些必备标准。因此蓝牙技术联盟为了克服这些问题想到的方法就是在诺基亚的基础上实现一种与标准蓝牙保持互操作性的通信技术,这样就会让这项技术成为国际标准的一部分,同时不需要额外的芯片。就这样经过一系列开发测试工作之后,蓝牙4.0在2010年推出,超低功耗蓝牙技术(简称BLE)构成了标准规范必不可少的一部分。

低功耗蓝牙技术(BLE)支持1Mbit原始数据传输带宽,采用小容量的纽扣电池就能够驱动。更值得庆祝的是手机操作系统厂商如苹果、安卓和微软都开始鼓励采用通过BLE技术实现互连,并且在不同的软件开发包中提供了API接口,这给app开发者提供了很大便利。可能我们会对BLE技术的盛行感到一些惊喜,分析机构ABI Research指出在2016年到2020年这样技术的应用会保持每年34%的复合增长,2020年会达到惊人的13.5亿出货量。

然而BLE仅仅是一项先进的无线连接技术,它集成了物理层,实现了2.4GHz无线通信协议栈,采用固件的方式管理通信过程。早期的芯片还需要一个独立的低功耗微处理器例如TI公司的MSP432来监管RF收发器的工作过程。这一切都有点复杂和令人难以接受,更像是设计的艺术而不仅仅是一个工程。2012年挪威的Nordic半导体公司推出nRF51系列BLE SoC芯片,该款芯片首次集成了ARM Cortex-M0处理器、高速链接2.4GHz无线电、Flash和RAM、ADCDAC转换模块、一定的I/O资源。这种设计使得工程师不需要采用两块芯片无线互连的解决方案,ARM处理器能够同时运行应用也能实现无线互连。

两个芯片的解决方案比较占用空间,功耗也相应的增加,因为处理器需要能够运行应用代码的同时保持无线互联(这个特殊的功能采用传统处理器来实现不是很理想)。此外工程师还必须使用两种不同的开发环境,然后又要确保应用程序和BLE通信协议栈的高效结合(通常会存在一定的难度)。这不仅对运动手表厂商(如Suunto、Garmin)来时是一个挑战,对于刚兴起的可穿戴设备来说也是个非常大的疑问。我们还要面对更多的问题,如更大的复杂性、更大的PCB面积、以及更高的功耗问题。

这款基于ARM内核的BLE SoC器件对于可穿戴市场是一个非常大的推动力,选择ARM处理器并非偶然,这款处理器内核的设计标准就是低功耗、移动类应用、以及全世界范围内的广泛采用能够确保更好的支持度、更熟悉的开发环境以及开源扩展源代码库。另一个明智的选择是Nordic半导体公司推出的开发环境能够让可穿戴设备开发者更加专注应用代码的开发,不需要担心软件与BLE协议栈的集成问题,这部分工作已经有专业的工具来完成,大大降低了射频(RF)工程方面的复杂性——让可穿戴设备设计师专注于产品的差异化设计。

博通(Broadcom)公司紧跟Nordic半导体公司的市场脚步,现在Cypress半导体、Dialog半导体、NXP和STM微电子每家公司都推出了类似的高集成BLE SoC器件,采用ARM Cortex-M0或-M3嵌入式处理器、2.4GHz无线、Flash和RAM以及外围设备。

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图2:Cypress半导体公司设计的BCM20732S芯片模块图,目前有多家半导体供应商都在生产这款高度集成的BLE SoC器件。这款SoC集成了ARM 处理器、2.4GHz无线、Flash、RAM、电源管理模块、ADC和DAC以及I/O资源。(图片来源:Cypress半导体)

到目前为止,自2015年Nordic半导体公司推出nRF52系列芯片,该公司已经在这方面处于领先地位,这个系列器件采用更强大的处理器,ARM Cortex-M4F结合2.4GHz无线电,以及Flash和RAM资源。这家公司声称“这款SoC给复杂的BLE应用设计提供了单芯片的解决方案”。更主要的是,除了增加的功能,这系列芯片的功耗是nRF51系列的一半,这无疑增加了最终产品电池的使用寿命。

然而这仅仅是开始,智能手机的互连推动了BLE的发展,可穿戴设备采用更先进的无线技术,这个市场有望每年扩大2.45亿单元的出货量,到2019年预计会达到250亿美元的市场价值(根据CCS Insight机构的预测)。这个巨大的市场很多半导体公司都会参与进来,其他供应商对于Nordic半导体公司推出的基于ARM Cortex M4内核BLE SoC的反应势必会加速推出更强大的产品。

发展及多样性

有了最新一代的蓝牙智能SoC器件,OEM厂商就可以按照之前开发运动手表的方式进一步提升可穿戴设备用户的体验感,比如带有GPS功能即使价格昂贵也会受到业余和专业运动员的喜爱。运动手表设计的目的是统计速度、心率和功率数据,有助于提升运动效果。然而像Suunto、Polar的产品都很小巧,几乎每天都需要充电,市场份额比较大的可穿戴设备必须要能够再一次充满电的情况下运行一周或者更长。

Fitbit公司最新推出的Charge 2产品展示了是如何从设备集成的监测器获取心率数据并进行处理,给用户提供更精确的卡路里消耗数据,以及有氧运动状态时怎样随着时间变化而变化的(某个用户的运动情况怎样与同年龄的用户进行对比),当压力上升还会通知用户的呼吸的节奏。尽管Fitbit公司不想公开产品设计的秘密,但是我们可以科学的猜测就是这些额外分析功能的算法都是在BLE SoC处理器上运行实现的。

这家公司以及竞争者同样都在努力将它们的产品推广给更多的用户,包括一些慢性疾病患者,例如糖尿病患者。目前的可穿戴设备不能够直接测量血糖——目前如果采用非侵入式传感器来跟踪糖尿病的健康状态是相当难的——但是手环能够有效的激励糖尿病患者保持锻炼。每天的运动既能够降低血糖水平也能减轻长期疾病带来的影响比如心血管疾病。例如研究人员发现每天保持1400步能够使糖尿病死亡率下降21%。

基于BLE SoC的可穿戴设备目前正在引入额外的功能例如心率的变化和肌肉的氧含量。两次心跳间隔周期的变化是心脏变化的重要指标。有相同心跳的两个人他们的心脏状况可能有很大不同,对于健康的人来说,根据英国一家医疗保健公司研究发现,较低的心率差异性则是过度锻炼的表现,这时可穿戴设备能够及时建议用户重新安排运动计划,对于那些做过心脏手术的人,较低的心率差异性则是恢复情况差或者可能是心脏病发作的表征。肌肉血氧含量表征的是血液中氧气的含量,与传统测量法师相比,比如手指的氧饱和度可能更高一些。肌肉血氧含量能够很好的表示出用户运动接近疲劳的程度,美国公司Moxy是这项技术的先驱者之一。

尽管外出锻炼提高身体素质对每个人来说都是有好处的,但是这个事件本身可能没有足够的动力让大多数用户来购买一款可穿戴设备;OEM厂商认为保持一种“更加满足”的生活状态可能更具广泛的吸引力。因此我们可以看到一些基于BLE的以“积极生活方式管理”为主要功能的可穿戴设备推向市场。这些产品正逐渐打破医疗设备与可穿戴设备之间的界限,美国食品与药物管理局(FDA)给这些产品重新划分了类别:“一般性健康设备”。这个类别的典型产品就是Vinaya公司设计的产品ZENTA,会在2017年春季上市。

这款产品集成了加速度计、麦克风、生物测量传感器和触觉引擎,能够采集噪声、运动和生物信号包括心率、心率变化率、呼吸方式、皮肤电活动情况、皮肤温度、脉搏传输时间、脉搏速度以及血氧饱和度等。ZENTA收集这些信息并有学习算法进行处理,为用户生成一个文档帮助他们保持更平衡的生活方式。关于Vinaya对于ZENTA的产品功能介绍是否具有科学依据还需要更多的人参与讨论,但是这款设备展示Nodrdic半导体公司的nRF52832 BLE SoC能够处理多个传感器连续的数据输入、复杂的算法以及保持与智能手机的无缝连接。

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图3:Vinaya公司出品的ZENTA可穿戴设备是新一代具有代表性的产品,集成了多个传感器、复杂算法处理,为用户提供更多的产品价值。(来源:Nordic半导体公司)

可穿戴设备的巨大前景不仅仅局限在消费电力领域,例如美国的自动化控制公司Honeywell(霍尼韦尔)就在这方面下起了功夫。该公司与芯片制造商TI(德州仪器)联合为消防员开发了一款监测产品。消防员佩戴BEL SoC的可穿戴设备能够监测消防员的心率、呼吸、活动和手势等,然后将信息传输给移动端设备(类似于智能手机但是采用了更强大的Intel Quark SE 微控制器),然后通过WiFi或者蜂窝网络将数据进一步传输给云服务器。这种采用多个传感器采集不同信号的好处在于能够更好的反应出消防员是否处于良好的身体状态。

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图4:Honeywell和TI这两家公司正在密切合作将可穿戴设备扩展到其他领域。例如他们联合开发了一款移动终端手机可穿戴设备的数据并进一步传输到云服务(来源:Intel)

关键在于集成

第一代可穿戴设备与第一代移动手机类似——在自己应用领域非常好用但是局限性很大。随着BLE SoC、电池、固件以及硬件平台的提升,产品的功能也随之有了较大的改变。

然而仍然存在的问题是除非用户进行专业的运动训练否则功能再多的产品也不能够保持长久的吸引力。尽管如此,可穿戴设备为了体现价值至少能够为用户提供有用的数据分析和指导,这样用户才会慢慢欣赏这类产品而不仅仅是一个新奇的事物,后续的产品可以集成更多有价值的功能来鼓励潜在用户购买。根据Forbes机构调查,美国超过50%的iPhone用户在新品推出时都会升级他们的手机,尽管他们现在的手机用的很合适,为什么可穿戴设备不能够这样呢?

然而可穿戴设备市场的长期繁荣的真正关键在于不断的集成。文本、互联网连接、MP3播放器、摄像机,更不要说蓝牙无线连接了都已经作为是当今智能手机的基本功能,这样智能手机就具备了一定的不可获取属性。同样的健康跟踪、压力管理、慢性疾病缓解、工作效率和安全功能(可能还有更多)都可以集成到可穿戴设备中,让它成为一款非常重要的消费电子产品。也就是说可穿戴设备未来的发展变得越来越难预测,根据Endeavour Partner机构的研究表示很多的创新都是来自于技术与人类生理和生物学特征上的一些联系,Endeavour Partner机构指出这个方面很少的人能够理解,我们不能够明显的看出在大众市场上什么产品是不需要的或者是不切实际的。

然而不论最终可穿戴设备开发者会推出什么样的商业应用,芯片供应商都会继续努力提升BLE SoC性能,让它能够胜任可穿戴设备不断增长的计算和通信性能需求。

作者简介:

Lynnette Reese是贸泽电子的一名技术工程师,毕业于路易斯安那州立大学电子工程学专业,学士学位。加入贸泽电子之前,她已经在嵌入式硬件和软件方面有15年的工作经验,任职过的公司有TI(德州仪器)、Freescale飞思卡尔)以及Cypress(赛普拉斯)半导体。当然她的职业生涯是在Johnson Controls公司做一名应用工程师开始的。

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bijinyi 发表于 2017-9-8 18:51:24
学习了。
lindeijun 发表于 2017-9-14 11:14:51
长见识啦
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