高計算能力、小尺寸和低成本使人們能夠與可穿戴式設備互動(dòng)，使其融入人們的日常生活。結合傳感器與無(wú)線(xiàn)技術(shù)的小型可穿戴設備已在許多應用中變得非常流行，如健康和健身跟蹤以及安全等。它們對提供有關(guān)我們的活動(dòng)和行為的準確及可靠信息非常有用，并將引領(lǐng)我們在生活、社交互動(dòng)和活動(dòng)方面的革命，如同個(gè)人電腦在幾十年前出現時(shí)帶來(lái)的革命一樣。

 

 

可穿戴設備可監測人類(lèi)活動(dòng)。在醫療應用中，可穿戴設備能夠監測生理活動(dòng)，測量體溫、心率、腦活動(dòng)、肌肉運動(dòng)和其他重要數據，為患者在家中的康復治療（如術(shù)后恢復）提供便利。在體育運動(dòng)和訓練中，可穿戴設備的嵌入式傳感器可跟蹤和分析使用者的身體活動(dòng)，然后提供諸如步數、燃燒的卡路里數等信息。

 

人類(lèi)活動(dòng)監測系統的基本架構如圖1所示，根據不同的監測任務(wù)使用不同類(lèi)型的傳感器。來(lái)自傳感器的原始數據由處理器收集，處理后的數據顯示在可穿戴設備顯示屏上，或者通過(guò)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器無(wú)線(xiàn)傳輸到一個(gè)中樞設備，例如智能手機。數據在傳感節點(diǎn)上也許可以完全處理好，也許不能，但大多數在中樞設備進(jìn)行存儲和處理，并以圖形和/或數值方式顯示。

 

圖1：人類(lèi)活動(dòng)監測系統

 

常用于人類(lèi)活動(dòng)監測的傳感器包括：

 

①加速計沿著(zhù)量測軸在特定頻率范圍內測量加速度。通常使用3軸加速計，以提供3D定位信息。

 

②陀螺儀測量X、Y、Z軸旋轉速度。與加速計結合使用時(shí)，它們能夠提供更準確的3D定位信息。加速計和陀螺儀的這一組合可提供6軸信息。

 

③磁強計。使用磁強計（或通常所稱(chēng)的磁電機）可進(jìn)一步改進(jìn)位置檢測。額外的磁場(chǎng)信息使傳感算法能夠對很長(cháng)時(shí)間上的小偏差進(jìn)行補償，有助于我們更準確地跟蹤位置和方向的絕對變化。磁強計、加速計和陀螺儀的組合可提供9軸信息。

 

④測量環(huán)境溫度、氣壓和濕度的環(huán)境傳感器能夠提供有關(guān)環(huán)境狀況的準確信息，并能通過(guò)結合定位信息與環(huán)境條件數據，來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)人類(lèi)活動(dòng)監測。

 

⑤此外還有測量體溫和心率的傳感器。隨著(zhù)人類(lèi)活動(dòng)監測應用變得愈加復雜，更多上述傳感器被用于可穿戴設備，從而為應用開(kāi)發(fā)帶來(lái)更多自由度（DoF）。

 

 

通常，設計可穿戴設備需要考慮三個(gè)關(guān)鍵參數：

 

一是所用傳感器的類(lèi)型。提供步數或睡眠質(zhì)量信息的典型活動(dòng)監測設備可結合使用3軸加速計與無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，使我們能夠在PC、平板電腦或智能手機上進(jìn)行數據收集。要進(jìn)行更準確的位置和運動(dòng)跟蹤，就需要更多的軸，另外還可能要添加環(huán)境傳感器。對于提供醫學(xué)信息的可穿戴設備，可能還要單獨或結合使用心率和體溫傳感器。

 

二是所用的低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議。在目前使用的各種無(wú)線(xiàn)協(xié)議當中，藍牙智能是功率效率最高的射頻技術(shù)。同時(shí)，包括平板電腦和智能手機在內的大多數無(wú)線(xiàn)個(gè)人計算設備都支持藍牙智能協(xié)議。

 

三是尺寸和成本?？纱┐髟O備傳感器節點(diǎn)需體積小、重量輕，使得它們能輕松整合到手表、手環(huán)、首飾等產(chǎn)品之中?？纱┐髟O備傳感器節點(diǎn)還需成本低并且只需最少的外部元件，將物料需求降到最低。

 

總之，用于活動(dòng)跟蹤的理想可穿戴傳感器設備，巧妙地將9 軸感測功能和環(huán)境傳感器（可實(shí)現最佳人類(lèi)活動(dòng)跟蹤的）與最低功耗藍牙智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)結合起來(lái)，成為全能的小系統。

 

具有 12 個(gè)自由度（9 軸跟蹤以及溫度、氣壓和濕度感測）的傳感器系統可提供對人類(lèi)活動(dòng)的最佳跟蹤效果，這是因為在環(huán)境狀況信息的輔助下，它能夠提供非常準確的定位信息。然而，將所有這些傳感器都包含于一個(gè)非常小的系統，進(jìn)而整合到可穿戴設備之中并不那么容易。

 

設計小尺寸系統的挑戰包括：

 

①磁強計布置。在磁強計測量磁場(chǎng)強度時(shí)，其工作可能受到其他強磁場(chǎng)或金屬表面的影響。在電池供電的可穿戴設備中，數據準確度會(huì )受到射頻信號和天線(xiàn)系統及電池本身的影響。

 

②電池及電池座布置。在非常小的可穿戴設備系統中，電池尺寸是決定印刷電路板尺寸的主要因素。而且，電池座和電池（通常為鈕扣電池）的金屬外殼的軟鐵效應，會(huì )影響磁電機的性能，從而給電池布置帶來(lái)約束。

 

③天線(xiàn)布置。天線(xiàn)性能高度依賴(lài)其布置和尺寸。這就需要仔細進(jìn)行系統設計，以便可穿戴設備具有良好的射頻性能，且磁強計性能不受影響?？墒褂玫奶炀€(xiàn)類(lèi)型很多，包括印制或陶瓷天線(xiàn)，但每種天線(xiàn)各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

 

 

這里我們介紹一種包含上述所有特征的物聯(lián)網(wǎng)傳感器參考設計，以及實(shí)現可穿戴設備應用最佳系統尺寸的硬件設計考慮事項。該參考設計基于Dialog半導體公司的高度集成DA14583藍牙智能控制器，可減小系統尺寸和成本。它包括用于加快設計先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)設備需要的所有關(guān)鍵硬件和軟件。

 

該參考設計是為可穿戴計算、浸入式游戲、增強現實(shí)以及3D室內地圖和導航應用設計運動(dòng)感測模塊的完整開(kāi)發(fā)平臺。它結合了藍牙無(wú)線(xiàn)通信和ARM Cortex-M0處理器與加速計、陀螺儀、磁強計和環(huán)境傳感器，非常適合資源有限的系統，因為它可以最大限度降低內存和處理要求及功耗。該參考設計的主要元件是DA14583系統級芯片（SoC）和博世傳感器。

 

DA14583 SoC具有針對藍牙智能技術(shù)的完全集成式無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器和基帶處理器。它可以用作獨立應用處理器或托管系統中的數據泵。DA14583藍牙智能SoC帶有集成式SPI閃存，且需要的外部元件非常少。另外，它還采用非常小的QFN40封裝。

 

DA14583的功耗達到了空前低的水平。其在睡眠模式（僅為保留內存供電）下的電流消耗僅0.5 μA，當為所有系統內存供電時(shí)，睡眠電流為1.2 μA。在3V電源電壓條件下，發(fā)射和接收模式下的總體電流消耗分別為4.8mA和5.1mA。這一低功耗有助于優(yōu)化電池尺寸。非常小的電池就能讓SoC使用幾個(gè)月之久。該DA14583是高度可配置的，它支持OTP，為連接傳感器提供了大量接口，并能讀取來(lái)自集成式模/數轉換器的模擬數據。

 

選擇博世傳感器的原因是其低功耗、卓越的軟件支持和高度可配置性，能輕松適應客戶(hù)的需要。此外，博世傳感器集成度高，并采用非常小的封裝。

 

該參考設計中使用的傳感器描述如下：

 

BMI160（慣性傳感器 – 陀螺儀）：是一種低功耗、低噪聲16位慣性測量單元，針對需要高度準確的實(shí)時(shí)傳感器數據的移動(dòng)設備及室內應用而設計。在完全工作模式下，加速計和陀螺儀啟用，電流消耗典型值為950 μA，能夠確保電池供電式設備上安裝的應用程序始終在線(xiàn)。

 

BMM150（地磁傳感器）：是一種用于指南針應用的低功耗、低噪聲 3 軸數字式地磁傳感器?；诓┦赖膶?zhuān)有 FlipCore 技術(shù)，BMM150 的性能和特性經(jīng)過(guò)仔細調優(yōu)，可完全滿(mǎn)足 3 軸移動(dòng)設備應用（如電子指南針、導航和增強現實(shí)）的苛刻要求。

 

BME280（環(huán)境傳感器）：是一種專(zhuān)為低功耗應用開(kāi)發(fā)的集成式環(huán)境傳感器。內置濕度傳感器具有極快的響應時(shí)間，可滿(mǎn)足新興應用（如情境感知）的性能要求。該傳感器在寬溫度范圍上提供高測量精度。濕度傳感器具有極快的響應時(shí)間，而壓力傳感器是完全氣壓式的，具有異常高的精度和分辨率及非常低的噪聲。

 

在進(jìn)行系統設計時(shí)必須確保實(shí)現不受干擾的高性能，同時(shí)保持低功耗和占用最小的PCB面積。PCB布線(xiàn)期間必須考慮磁電機帶來(lái)的限制因素。磁電機應當距紐扣電池3 mm - 5 mm遠，距大電流跡線(xiàn)（如鄰近DC/DC轉換器和電感的跡線(xiàn)）10 mm遠。同時(shí)建議與電源軌保持3 mm - 4 mm的距離。值得注意的是，磁電機可以置于接地（GND）平面之上而無(wú)需留有間隙。

 

在系統中，電池扮演著(zhù)重要角色，因為其尺寸決定著(zhù)可穿戴設備印刷電路板的尺寸和產(chǎn)品的總功率。通常，鈕扣電池在可穿戴設備上的理想位置是在印刷電路板下面。這可確保與磁電機間的最大距離，并優(yōu)化印刷電路板面積的使用。另外這還能將與其他傳感器的干擾可能性降到最低。

 

該參考設計可選擇兩種天線(xiàn)：印刷電路或陶瓷片。選擇陶瓷片天線(xiàn)因為其小尺寸、可靠性、多用途性和易于調諧。由于可穿戴設備印刷電路板的尺寸小，所以天線(xiàn)布置仍然是一個(gè)挑戰。通常情況下，天線(xiàn)應放在印刷電路板的角部，確保遵守其數據表中描述的連接焊盤(pán)說(shuō)明和接地（GND）間隙要求。圖2是該參考設計的整體布局。

 

圖2：實(shí)際可穿戴設備印刷電路板裝配，頂視圖（左）和底視圖（右）

 

通常，目標印刷電路板厚度應當約為1.6mm，這還可以確保磁電機與鈕扣電池及電池座間的額外距離。在遵守相關(guān)說(shuō)明條件下，裝配完成后的印刷電路板設計如圖2所示。參考設計中使用的是4層印刷電路板。

 

測量結果表明，在睡眠模式下，該參考設計僅消耗11uA（平均值）電流。在廣播模式下，電流消耗上升至110uA（平均值）。當連接至主機，在沒(méi)有運動(dòng)且所有傳感器均通電的情況下，平均電流消耗為560uA。1.35mA（平均值）的最大電流消耗是在可穿戴設備處于移動(dòng)狀態(tài)的情況下測得。這也證實(shí)了該參考設計的省電特點(diǎn)。

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