將物聯(lián)網(wǎng)平臺和系統(tǒng)應用到可穿戴設備設計中

可穿戴設備將在物聯(lián)網(wǎng)領域占據(jù)相當大的份額。 基于傳感器并以無線方式連接的可穿戴設備，正從科幻劇《星際迷航》中的幻想產品變身為市場上實實在在的智能手表、健身腕帶和聯(lián)網(wǎng)式眼鏡（如，谷歌眼鏡）。 怎樣才能迅速地被廣為接受？ 可穿戴設備需要相當長的電池使用壽命、足夠的隱私保護能力和足夠低的成本。

讓可穿戴技術由一時的熱門貨變?yōu)闀r尚流行品，錢不是問題。 根據(jù) IDTechEx 提供的數(shù)據(jù)，Microsoft、Google、Cisco、Apple 和 Oracle 公司共掌控著 2450 億美元現(xiàn)金，這些公司都對可穿戴技術、物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和人聯(lián)網(wǎng) （IOP） 表現(xiàn)出濃厚的興趣。 成立投資基金的公告經常占據(jù)著各大媒體頭條，包括 Salesforce Ventures 針對新型移動應用和聯(lián)網(wǎng)產品的 1 億美元專項投資。

Intel 與 Fossil 最近關于可穿戴技術開發(fā)的共同聲明，也是這一潮流到來的明證。 在 Intel 最近舉辦的 Intel 開發(fā)者論壇期間，該公司首席執(zhí)行官 Brian Krzanich 指出，通過推出其它的物聯(lián)網(wǎng)平臺和系統(tǒng)，Intel 將繼續(xù)沿著可穿戴這條道路走下去。 例如，該公司的 Edison 平臺是一臺微型計算機，采用了一塊具有 Wi-Fi 和藍牙功能的 22 nm 芯片，并可設計到針對下一代可穿戴設備的零件中。 各種計劃包括更高的可用性和更強的時尚性，而后者是獲得大眾認可的關鍵。

盡管可穿戴概念已不是新生事物，但迄今為止，其功能化應用仍更多地停留在工業(yè)領域，并且只有少數(shù)人使用象 MicroOptical 之類工具顯示保養(yǎng)說明、指示零件故障。 谷歌眼鏡已用于固定資產維護以及健身、醫(yī)療領域。

所有這些應用均依賴最基礎的傳感器，在新產品上實現(xiàn)激動人心的功能。 例如，象 Texas Instruments 2.4 GHz 藍牙低功耗片上系統(tǒng) SensorTag 開發(fā)套件中使用的傳感器、STMicroelectronics 的 L3GD20 MEMS 運動傳感器和該公司的 BlueNRG 之類傳感器，便是目前已在使用的傳感器產品類型的實例，同樣實例還有 Honeywell 的磁阻傳感器 IC。 讓我們探討一下其中的原因。

藍牙技術能效高、功耗低、安全性強且易于實施。 換言之，藍牙技術對于可穿戴通訊來說是一種很自然的選擇。 Texas Instruments 的 CC2541SensorTag 開發(fā)套件設計用于簡化低功耗藍牙傳感器應用的開發(fā)。 應用開發(fā)商利用藍牙技術能夠快速、輕松地為低功耗藍牙配件編寫智能手機應用，而無需開發(fā)其它嵌入式硬件或軟件。 SensorTag 套件包括（圖 1）包括：

1 個帶有外殼的 CC2541 SensorTag

1 塊 CR2032 電池

1 顆螺釘（用于固定外殼）

快速入門指南

該套件的射頻電路板已通過 FCC 和 IC 認證和測試，滿足 ETSI/R&TTE 從 0°C 至 +35°C 的超溫要求并且集成了一個 PCB 天線。

圖 1：Texas Instruments 的 SensorTag 開發(fā)套件采用六個傳感器，能讓開發(fā)人員輕松、簡單地完成設計。

SensorTag 套件包括以下傳感器：

Texas Instruments 的 IR 溫度傳感器 （TMP006）

Sensirion 的濕度傳感器

Epcos 的壓力傳感器

Kionix 的加速計

InvenSense 的陀螺儀

Freescale 的磁力儀 （MAG3110）

TI 的 SensorTag CC2541（圖 2）的基礎器件是六個傳感器，這些傳感器均是高能效、低成本、小型表面貼裝器件。 這些傳感器采用 I2C 接口，并通過獨立的使能信號與相同的接口總線連接。 為保持低電流消耗，所有傳感器的默認狀態(tài)為“禁用”，且在相鄰兩次測量期間處于休眠模式。

圖 2：TI SensorTag 的功能框圖。

CC2541 特別適合要求超低功耗的系統(tǒng)。 該器件的工作模式轉換時間較短，能夠進一步降低功耗。 具體應用包括 2.4 GHz 專有和低功耗藍牙系統(tǒng)、人機接口設備、消費類電子產品和移動電話應用。

使用可穿戴設備時，重點是需要知道您在哪里以及將去向哪里，并且提供這些信息的傳感器必須體積小、性能高、可靠。 采用 STMicroelectronics LSM303C 電子羅盤的一個例子如圖 3 所示。 該器件被宣稱是全球體積最小的電子陀螺儀，它在單封裝中集成了一個 3 軸加速計和一個 3 軸磁力儀。

圖 3：針對可穿戴設備的 STMicroelectronics LSM303C 電子羅盤框圖。

該芯片尺寸僅 2 mm x 2 mm 且比同類器件縮小近 20%，可用于實現(xiàn)先進的導航和運動敏感性功能。

該器件的特性包括：

傾斜補償羅盤

地圖旋轉

位置檢測

運動激活功能

自由落體檢測

單擊/雙擊識別

步程計

智能化節(jié)電功能

在運動監(jiān)視腕帶或智能手表中節(jié)省空間極為關鍵，ST 的 LSM303C 電子羅盤相比同類競爭產品可節(jié)省近 1 mm2 印刷電路板空間。 設計人員能優(yōu)化元件布局，將 Wi-Fi、藍牙和蜂窩式無線電干擾降至最小。 LSM303C 的小尺寸有助于減小可穿戴設備的體積。

自然地，這不完全是傳感器本身——還有向可穿戴應用提供具有魔術般功能的使能技術，如 STMicroelectronics 的 BlueNRG 低功耗藍牙無線網(wǎng)絡處理器。 在諸如手表、健身器材、保健和體育運動，以及消費類醫(yī)療和生活輔助之類應用中，BlueNRG 可用作主設備或者從設備。

這種完全型低功耗藍牙協(xié)議棧在嵌入式 ARM Cortex-M0 內核上運行，同時非易失性閃存存儲器則允許現(xiàn)場升級。 它設計用于在使用標準紐扣電池時滿足嚴格的峰值電流要求，在 1 dBm 輸出功率時的最大峰值電流僅 10 mA。 超低功耗休眠模式和非常短的工作模式轉換時間，可確保非常小的平均電流消耗，進而達到更長的電池續(xù)航時間。 BlueNRG 還提供了利用 SPI 傳輸層連接外部微控制器的選用功能。

能夠滿足超高靈敏度、低電流運行和超小基底面要求的器件，當屬 Honeywell 的 Nanopower（微功耗）系列。 該系列提供兩個磁性靈敏度，以適應各種設計需求，包括用于要求磁靈敏度超高、電流消耗非常低的應用中的 SM351LT。 相比之下，SM353LT 適用于需要非常高的磁靈敏度和非常低的電流消耗的應用。

這種充滿各類型傳感器的物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴應用的融合，在實時事件監(jiān)視和結果通訊比較重要的應用中將繼續(xù)擴大。 此外，只要現(xiàn)場人員為解決問題或者評估當前條件而需要訪問數(shù)據(jù)，這種融合也會擴大。 隨著這些技術更頻繁地被采用，成本將降低，使得甚至是今天難以想象的新應用也會得以更大量地使用。