智能穿戴
发布时间:2018-12-13
可穿戴设备使我们能够以前所未有的方式改善生活的方方面面。2017年可穿戴设备出货量为1.23亿件,并预估在2020年达到4.11亿件。新应用带来新的要求,耐化学性胶带,防水胶带应用其中...

可穿戴设备使我们能够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。它们能跟踪我们自身状况和周围环境,并提供相关信息,以激发我们上进心或鼓励我们做出更好的选择。而且,它们还可以协助实现个人连接,将“数字自我”连接到互联网。这使我们能够与朋友或远程诊断专家共享信息,无论是为了好玩、征求意见和建议,还是现场医学诊断。

因此,可穿戴设备市场的快速发展并不令人惊讶。据市场调查,2014年可穿戴设备出货量为2,900万件,2015年为8,500万件。同时该公司预测,可穿戴设备市场的规模将在2016 年达到1.23亿件,并在2020年达到4.11亿件。

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  图1:分析公司预测可穿戴设备市场的所有领域在未来几年都将快速发展。

尽管可穿戴设备市场的初期增长令人可喜,不过整体市场规模仍然相对较小,特别是与年出货量达十几亿部的智能手机市场相比。为推动该快速增长的市场实现其最大潜力,我们需要令人兴奋的新型可穿戴设备。

这些设备将集成更多传感器,以便向用户提供更多有用信息,并且具备“情境感知”(context aware)特性,确保以相应的方式传递信息。它们将开辟新的用途,例如淡化消费与医疗应用之间的界限,帮助人们在医疗专业人士的协助下管理自己的健康。这些新用途将使数据安全和用户隐私变得更加重要。

可穿戴设备只有在人们穿戴它时才能发挥作用,穿戴的时间越长越好。因此,这些下一代设备需要提供长久的电池续航时间(亦即两次充电之间的时间),同时需要有“低调”的外形且穿戴舒适。

数据集成和情境感知

最早的可穿戴设备是基于三维加速计的简单计步器。随后很快就出现了包含压力传感器和陀螺仪等器件的更复杂设备。这些器件使可穿戴设备能够识别穿戴者正在参与的活动类型(如步行、跑步、爬山等),并跟踪其睡眠周期。同时,温度和湿度传感器使得可穿戴设备能够更准确地测量诸如锻炼时消耗的卡路里等参数。

可穿戴设备集成更多传感器的这一趋势未来几年将会加快。特别是,我们将看到集成越来越多的运动和环境传感器,以及新兴的生物传感器。生物传感器现已应用于独立的可穿戴医学监护仪,而且许多消费类设备现在都提供心率测量功能。但在接下来的几年内,消费设备将集成更广泛的生物传感器,如测量血氧量、血压和血糖水平的光谱传感器,以及确定出汗水平和pH值的皮肤电阻感应传感器。

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  图2:我们将看到可穿戴设备集成越来越广泛的生物传感器。

集成更多传感器有许多优势,最明显的是,可以增加设备的功能,使其能够测量更多参数。另外,还能提高所收集数据的精确性。例如,使用来自其他传感器的信息来确定穿戴者正在从事的活动类型,有助于选择更合适的算法来处理来自加速计的输入信息,使活动追踪更加准确。另外,结合来自众多传感器的数据使设备能够提取更多对用户有用的信息,例如,使用心率、加速计数据和皮肤电阻感应来测算人的压力水平。

除了上面提到的运动、环境和生物传感器之外,可穿戴设备还有可能增加麦克风的使用。但目的不是向穿戴者提供更多信息,而是帮助设备感知其使用情境,以便确定哪些信息对穿戴者有用,以及如何以最佳的方式传送这些信息。例如,如果设备“听到”喷气式发动机的轰鸣声,它能推断出穿戴者正在坐飞机,并监测坐了多长时间,然后调整针对睡眠和锻炼的建议,帮助穿戴者更有效地应对疲劳、脱水和时差反应。

新用途

随着可穿戴设备收集更多有关我们及周围环境的数据,它们将日益成为我们的“数字自我”。这一点与可穿戴设备和情境感知的混聚(mash-up)相结合,为可穿戴设备开辟了许多新用途。其可能性几乎是无穷尽的。但很容易想象,可穿戴设备将成为通用的接入设备,例如开家门、办公室门和汽车门,登录工作系统等。从而避免了忘带钥匙、出入证和忘记密码带来的麻烦。

在家庭自动化领域,智能娱乐系统能够通过可穿戴设备检测出谁在家中,并根据此人的偏好自动选择电视频道、音乐和音量。可穿戴设备能够与房间内各个地方的信标进行通信,感测人的存在,打开和关闭照明和供暖,并根据个人偏好进行调节,使你始终感觉舒适并节省能源。

大数据:淡化消费与医疗应用的界线

也许可穿戴设备最令人兴奋的新用途是帮助人们管理自身健康。随着生物传感器使用数量的增加,以及其所收集数据的准确性和可靠性的提高,我们将看到消费与医疗应用领域的融合。健身和生活方式设备将从消费装置发展到提供医疗级数据。

因此,你所收集的跟踪健康和运动水平的信息,可与你的医生或自动医疗监护系统共享,以便在症状出现前提前给出预警。这样人们就能在情况还不太严重、更易于实施和更有可能成功的时候,及早寻求治疗或适当改变生活方式。

目前许多公司都在开发用于医疗服务的数据共享云基础设施,可穿戴设备是这些基础设施的天然伙伴。这将是我们见证所谓大数据真正力量的领域。随着可穿戴设备变得越来越常见和先进,我们将有可能整理和分析来自数百万人积累多年的健康、健身及生活方式匿名信息。除了揭示深层的健康趋势,这些巨大的数据集还能揭示疾病是如何发生的(所谓“超早期医疗”)。这有助于实现早期干预,以最大限度减小疾病所带来的财务、社会及个人影响。

用户隐私和安全

随着可穿戴设备收集越来越多的敏感信息,并逐渐成为全面的数字自我,隐私和数据安全将变得至关重要。特别是在涉及医疗数据的情况下,消费者将要求最高级别的数据安全保护,而随着消费者的消息越来越灵通,这将成为影响购买决定的关键因素。

数据的存储和传输都必须有安全保障。第一代联网可穿戴设备大多依靠其所选择的连接技术的内在安全协议,比如蓝牙低功耗(Bluetooth low energy / BLE)。如果只是追踪人在一天中走了多少路,可能这已足够了。但如果消费者将其医疗信息托付给可穿戴设备,则就需要更强大的安全措施。

最新版本的蓝牙标准(蓝牙4.2)提供更高的安全性。但由于蓝牙设备的数量巨大,安全算法被黑客攻破(使得数据传输失去安全性)的风险始终存在。

因此,可穿戴设备制造商必须考虑独立的数据加密措施,比如Dialog针对可穿戴设备的解决方案所采取的措施。即使蓝牙安全协议被破解,所传输的数据仍然是加密的。这样,制造商就能向消费者提供独立于蓝牙技术的端到端安全性,使可穿戴设备上的个人信息拥有与银行财务记录相同的安全等级。

电池续航时间

在集成更多传感器和支持新用途方面,纽扣电池和可充电电池的有限功率给可穿戴设备制造商带来了很大的挑战。IDC和GMI的研究一再表明,电池续航时间已成为消费者购买电池供电式便捷产品的第一考虑因素。

目前的可穿戴设备通常提供大约7-14天的电池续航时间/充电周期。随着设备变得更加复杂,消费者希望这个续航能力至少能够保持,当然能够延长更好。另外,可穿戴设备的许多用途都需要进行长时间的持续监测,如果必须摘下设备进行充电或更换电池,就会抵消应用的好处,从而减小它们对消费者的吸引力。例如,如果你必须在晚上对设备充电,那么设备就无法跟踪你的睡眠模式,从而可能错过发现心悸状况,而这有可能是严重心脏病的预警信号。

典型锂聚合物充电电池的容量只有40 - 100 mAh。在此情况下,要为包含多个传感器的可穿戴设备供电几天时间,意味着需要降低系统所有部件的功耗,包括传感器、系统、通信硬件和软件。传感器技术在不断进步并降低功率需求。同时,Dialog通过集应用与通信硬件于一体的蓝牙低功耗SoC(例如新的SmartBond DA14680和DA14681),在系统总功耗方面不断取得进步。由于采用创新的电源管理和RF技术,这些产品在典型蓝牙事件下的电流消耗仅为1 mA左右。

 

圣杯:永不离身的可穿戴设备

可穿戴设备的终极目标是实现持续的监测。这意味着需要找到一种可为设备供电,但又无需卸下进行充电(或更换电池)的方法。两个显而易见的方法是能量采集和无线充电。

对于能量采集,最有潜力的候选技术是光伏电池和采集杂散RF信号。振动能量采集及热电发电也是可能的,但由于人类动作的频率及人体四周的温差是有限的,这意味着其潜力非常有限。有些制造商已经开始研究能量采集在可穿戴设备中的应用,例如Misfit与Swarovski开展合作,开发并生产出了通过太阳能供电的健康监测首饰。然而,由于我们对可穿戴设备的功能要求不断增加,能量采集似乎很难成为始终开启的可穿戴设备的唯一电源,而有可能充当辅助电源,帮助延长主电池的续航时间。

无线充电则更有潜力成为主电源。由于可穿戴设备需要穿戴在身上,所以最有前途的选项是松散耦合无线充电,其中RF信号在一个延伸的区域内向多个独立设备供电,类似于Wi-Fi系统以无线方式将多个设备与互联网相连。Dialog和Energous最近展示了针对这种系统的首个概念验证结果,其充电半径可达10米。

  深度剖析可穿戴市场的未来发展趋势

  图4:松散耦合无线充电能够支持开发无需摘下的可穿戴设备。

要想使无线充电真正成为始终开启的可穿戴设备的主电源,则需对充电基础设施进行重大投资。Wi-Fi可作为样板;充电系统可安装在家中和工作场所,而咖啡店、机场、酒店等可通过为顾客创建更大的“充电热点”使其比竞争对手更有优势。

外形

可穿戴设备制造商面临的另一个挑战是,将所有这些功能塞进人们要连续穿戴很长时间的设备中。不同的人对可穿戴设备的外观偏好有所不同,有的人喜欢时尚些,而有的人喜欢低调些。

目前,最常见的可穿戴设备外形是手环和智能手表。市场调研公司Forrester的初步市场研究表明,这些外形仍然将在最受欢迎的外形之列,28%的人乐意将好玩且可信赖的传感器设备戴在手腕上。如图5所示,未来几年里,手腕应该仍是可穿戴设备最常穿戴的位置,但我们将看到一些不同类型的设备出现。这些设备有一点是相同的,那就是它们都具有非常小的外形。

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  图5:虽然到2020戴在手腕上的可穿戴设备仍将是最为常见的,但许多其他类型的小型设备也将变得流行起来

为制造这些小设备,制造商需要集成度更高的硬件解决方案;SoC解决方案以单一封装提供了所有应用、系统、安全和个人连接功能。目前,最小的解决方案(在单个模块中包含了一个SoC和所有必要的无源器件)的尺寸约为3.5 x 3.5 mm。为满足未来对外形的要求,这些解决方案的尺寸需要进一步缩小。

为可穿戴设备制造商提供元件的IC公司能够通过增加其IC解决方案中集成的功能来迎合上述趋势。例如,Dialog的SmartBond DA1468x系列产品集通信、应用处理、传感中枢和电源管理功能于一体。这消除了对外围电池充电器、电量计、DC/DC转换器等元件的需要,有助于显著节省电路板空间。

准备好迎接未来

舒适和具有高级功能的多传感器可穿戴设备具有帮助人们全方位改善生活的潜力。但要真正发挥这一潜力,可穿戴设备制造商需要将设备与好玩并对消费者有用的服务结合起来。这些服务的可能性几乎是无穷无尽的--从远程医学检查到帮助人们进行健康的饮食选择,再到家庭自动化等等。这些服务将鼓励人们购买和使用可穿戴设备,推动这个年轻市场延续其在早期令人激动的增长速度,并逐渐走向成熟。

为实现这些设备和服务,可穿戴设备制造商需要既能扩展设备的功能,又能满足独特设备尺寸及功耗限制的芯片解决方案。Dialog半导体公司致力于通过其SmartBond产品系列提供这些解决方案,并拥有与业界需求演变保持同步的创新路线图。

SmartBond DA14680和DA14681是该路线图上的第一步。作为用于可穿戴设备、智能家居和其他充电设备的首款单芯片解决方案,它们集卓越性能、高集成度和低功耗于一体,是目前能够帮助设计工程师开发出充电周期令用户满意、具备情境感知功能的完整多传感器可穿戴设备的唯一集成式解决方案。因此,DA14680和DA14681有助于创造下一代蓝牙低功耗可穿戴设备,推动这个新兴市场实现其全部潜力。


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