如何設(shè)計可穿戴產(chǎn)品?可穿戴產(chǎn)品設(shè)計的幾大要素分析

在當(dāng)今群雄逐鹿、競爭激烈的可穿戴市場中，獲得成功的關(guān)鍵在于差異化的產(chǎn)品特性和服務(wù)。制造商和服務(wù)提供商競相爭奪同樣的可穿戴“市場大餅”。成功設(shè)計可穿戴式產(chǎn)品是一項復(fù)雜的工程。成功的產(chǎn)品需要成本、性能、功能、電池使用壽命的完美組合，必須具備引人注目的外觀、感受和表現(xiàn)以吸引消費者。我們需要通過關(guān)注最終用戶體驗和探索使用情形，以便在可穿戴產(chǎn)品中集成各種不同元素并完成復(fù)雜的權(quán)衡。

典型的嵌入式系統(tǒng)通常開始于功能和能力定義，它們可說是項目的首要驅(qū)動關(guān)鍵。同樣，成功的可穿戴產(chǎn)品設(shè)計需求要關(guān)注于“用戶體驗”。這些需求包括可穿戴產(chǎn)品的外觀、感覺和與最終用戶的交互，以及它所引起的印象、感受和情緒。

當(dāng)今有許多能夠監(jiān)測健康和生物特征、跟蹤運動距離、記錄移動路線、估計能量消耗、以及來電和郵件通知的可穿戴產(chǎn)品，同時可以無縫的和我們的智能電話進(jìn)行整合和通信。這些可穿戴產(chǎn)品設(shè)計非常專注用戶體驗；它們時尚、特性豐富、易用、價格適中、并且可連接到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。

可穿戴市場能夠分成三種產(chǎn)品類別，每一類別需要的設(shè)計權(quán)衡，如圖1所示：

●活動追蹤器：這些相對簡單的產(chǎn)品往往不包括LCD顯示屏。如此簡單的好處之一是這些產(chǎn)品是經(jīng)濟(jì)的、易用、并且往往有最長的電池使用壽命。

●帶有小型或中型顯示器的健身帶和“超級手表”：這些可穿戴產(chǎn)品可能包括多種生物和環(huán)境傳感器，并且在特性/功能、電池使用壽命和成本之間選擇最佳平衡點。

●智能手表：這些手表大小的復(fù)雜設(shè)計占據(jù)高端市場，并且通常運行在操作系統(tǒng)（例如Android Wear）之上。智能手表提供特性豐富的用戶體驗，但是更多功能和處理能力消耗更多的電池電量，通常每天都需要進(jìn)行充電。

圖1：每種類型的可穿戴產(chǎn)品都需要特有的設(shè)計權(quán)衡

可穿戴產(chǎn)品中的一個關(guān)鍵器件選擇是微控制器（MCU）。選擇具有出色低功耗操作的MCU是大多數(shù)可穿戴應(yīng)用的關(guān)鍵所在。當(dāng)今的32位架構(gòu)中，ARM Cortex-M系列已成為領(lǐng)先的低功耗處理平臺。Cortex-M0+是2級流水線架構(gòu)，在一些性能效率和低活動模式電流消耗之間進(jìn)行了最佳權(quán)衡。Cortex-M3和M4處理器提供了3級流水線，具有良好的功耗和性能平衡。M4處理器的單精度浮點單元和DSP擴(kuò)展能夠為軟件算法大大縮短了執(zhí)行時間和能量消耗，例如常用于從噪聲傳感器數(shù)據(jù)中提取信息的Kalman濾波算法。智能手表需要更先進(jìn)的處理器（例如Cortex-M7）和專有內(nèi)核，要為更高處理能力和高帶寬內(nèi)存接口的一些功效進(jìn)行權(quán)衡。表1總結(jié)了主要可穿戴產(chǎn)品類型所需的關(guān)鍵處理能力和特性需求。

表1：ARM Cortex-M系列滿足各類可穿戴產(chǎn)品需求

選擇合適的電池技術(shù)也是重要的設(shè)計考慮。一次性電池具有不需要任何專門充電電路的優(yōu)勢；它們也有更好的能量密度并提供更多的能量容量。不足之處是它們使得機(jī)械設(shè)計變得更復(fù)雜并且限制了整體產(chǎn)品的易用性?？沙潆婋姵啬塬@得更輕薄的設(shè)計，但增加了成本和設(shè)計復(fù)雜性。無論如何選擇，可穿戴產(chǎn)品都需要小巧的外形，這就限制了電池的尺寸和提供的能量?？纱┐鳟a(chǎn)品需要一種系統(tǒng)級的方案，專注于盡可能的在包括硬件和軟件在內(nèi)的所有級別上減少能耗。

在追求更長電池使用壽命的過程中，可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計師不能為能效而犧牲良好的用戶體驗。幸運的是，MCU現(xiàn)在已經(jīng)為獲得更長電池使用壽命而在最佳性能和低功耗優(yōu)化之間取得平衡。除了低功耗電流之外，快速喚醒時間也是關(guān)鍵特性之一。休眠到激活狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換能夠獲得更好的系統(tǒng)響應(yīng)并減少能耗。具有靈活喚醒源、超低功耗定時器和串行接口的MCU也為設(shè)計者提供了強(qiáng)大的選項。更先進(jìn)的MCU即使在MCU處于休眠狀態(tài)也能夠提供有效運行的外設(shè)。這種自治外設(shè)技術(shù)的典型例子是Silicon Labs的外設(shè)反射系統(tǒng)（Peripheral Reflex System，PRS），如圖2所示，在EFM32 Gecko MCU外設(shè)中，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和直接存儲器存取（DMA）引擎能夠自治的響應(yīng)外部輸入或中斷觸發(fā)，而無需任何CPU參與。這種方法能夠設(shè)置MCU處于休眠狀態(tài)，可以在來自傳感器的輸入超過預(yù)設(shè)定的門限之后才醒來，而不是讓MCU在活動、高功耗狀態(tài)下不停的查詢同一個傳感器。

圖2：通過使能MCU外設(shè)自治運行并且保持處理器內(nèi)核處于休眠狀態(tài)，外設(shè)反射系統(tǒng)節(jié)省系統(tǒng)能耗

可穿戴產(chǎn)品上基于CMOS的傳感器為豐富用戶體驗提供了基礎(chǔ)，使能新應(yīng)用和使用案例。有三種主要的可穿戴產(chǎn)品傳感器類別：運動傳感器、環(huán)境傳感器和生物傳感器。每種傳感器類型提供了對于最終用戶活動、環(huán)境和健康的特有的洞察。當(dāng)組合起來，它們更加強(qiáng)大?？纱┐鳟a(chǎn)品中傳感器的組合和使用需要許多權(quán)衡。光學(xué)傳感器需要使用能夠穿透光線的材料。特定傳感器的電源可能需要門控，以至于它們不會成為電池的永久負(fù)載，但是這種方法增加了設(shè)計復(fù)雜性。預(yù)期的用戶體驗、成本和使用案例最終驅(qū)動可穿戴產(chǎn)品中傳感器集成的最佳水平。

移動app是所有可穿戴解決方案的重要組成部分，而Bluetooth Smart已迅速成為連接可穿戴產(chǎn)品到基于iOS和Android的移動設(shè)備時的主要無線解決方案。Bluetooth Smart具有優(yōu)化的低功耗運行模式。它非常適合于傳輸傳感器數(shù)據(jù)、同步用戶信息、提供空中更新支持。智能手機(jī)提供了非常靈活的用戶界面，app實現(xiàn)了豐富的個性化能力，這種能力無法簡單的以其他方式通過可穿戴產(chǎn)品單獨實現(xiàn)。然而，添加和使用無線連接會增加設(shè)計成本。成功的可穿戴設(shè)計需要謹(jǐn)慎的平衡處理。無線傳輸通常是可穿戴系統(tǒng)中的最高耗能者。決定消息以多大數(shù)量和多大頻率進(jìn)行傳輸或者可穿戴產(chǎn)品與智能手機(jī)以多大頻率進(jìn)行同步，對于最終產(chǎn)品的電池使用壽命會產(chǎn)生巨大的影響。高數(shù)據(jù)量的使用能夠把電池使用壽命縮短到數(shù)小時或數(shù)天。而更保守的方法也許能夠使同樣產(chǎn)品的壽命延長到幾個星期或幾個月。

可穿戴市場可能已不再處于起步階段，隨著低功耗MCU、基于CMOS傳感器和無線SoC的不斷突破，我們現(xiàn)在正處于可穿戴產(chǎn)品創(chuàng)新的新時代前夕。隨著可以更容易的訪問更精確傳感器驅(qū)動的最終用戶數(shù)據(jù)，可穿戴設(shè)備能夠可靠和唯一的識別用戶。從健康和活動跟蹤到安全和可靠用戶識別的轉(zhuǎn)換能夠在醫(yī)療保健、安全、移動支付和社交網(wǎng)絡(luò)開辟更多新機(jī)會。第一個在這些領(lǐng)域以適當(dāng)成本獲得引人注目用戶體驗的可穿戴式產(chǎn)品，將成為市場的下一個大贏家。