强大的 SoC 为可穿戴设备的未来提供动力

作者：Lynnette Reese，贸泽电子

购买几个月后，昨天的可穿戴设备很可能就放在一个布满灰尘的抽屉里。然而，新芯片 承诺增强的连接性和引人注目的应用，确保最新一代产品保持运行 手腕。

关于可穿戴设备行业的报告带来了喜忧参半的信息。一方面，分析师认为其市场活跃 具有巨大潜力的婴儿期，而其他批评者则表示，可穿戴设备是一种寻求 问题。例如，据《华尔街日报》报道，可穿戴设备将出货约111.1亿台 今年，仅美国人在40年就穿了近2015万套。不利的一面是，分析师 Endeavour Partners表示，可穿戴设备的购买者“随后以比其他设备更高的价格放弃了它们 主流消费产品。该公司继续报告说，35%的美国消费者停止使用 他们的可穿戴设备在六个月内。此外，在拥有某种形式的活动的十分之一的美国成年人中 跟踪器，其中一半不再使用它。

似乎，虽然计算步数和测量睡眠质量对于想要下车的人来说可能是动力 沙发上再合适一点，如果不分析数据并用于制作，新奇感很快就会消失 关于用户达到一定程度的适应性后如何前进的建议。《公约》面临的主要挑战 制造商认为可穿戴技术是一个新兴领域，仍在寻找“杀手级应用” 这将使这些设备成为“必备”配件，而不是新奇事物。

我们以前来过这里。早期的 MP3 播放器显然比便携式 CD 播放器等产品更具优势 他们与之竞争。用户可以慢跑，而玩家不会跳过初学者。然而，早期的设备 没有流行起来，因为加载音乐既困难又慢，而且内存容量小，限制了 轨道。许多 Rio MP3 播放器与今天的可穿戴设备一样，被扔到满是灰尘的抽屉底部。MP3的 当苹果公司为iPod提供具有重要记忆和集成系统的iPod时，玩家终于实现了真正的承诺 （iTunes），允许有组织、轻松、快速地下载歌曲。现在，集成已达到合乎逻辑的程度 结论是 MP3 播放器本身已与智能手机合并。

目前在商业上取得成功的可穿戴产品细分为具有功能性的健身手环 仅限于跟踪活动和监测睡眠等功能，而智能手表等设备可以做到这一点 健身手环提供但增加了智能手机的许多功能，例如发短信和通知以及 支持多个内置应用程序。两者之间的比例大约是 50/50。

然而，所有可穿戴设备都具有共同的智能手机连接性，这几乎完全由 节俭的蓝牙无线连接形式。这种连接性允许智能手机分析 可穿戴设备的数据，并使用应用程序呈现信息。智能手机还可以作为通往 Internet，将用户的数据上传到云服务以进行进一步的切片和切块。之间的分界线 智能手表和健身手环这两款设备正变得越来越模糊，因为健身手环越来越大 计算能力和智能手表的电池容量缩小并运行更长时间。

此外，市场领导者Fitbit等可穿戴设备制造商并没有坐等杀手级应用 不知从何而来。该公司打算改进其产品，以提高其功能的“粘性” 例如持续的心率监测和“引导式呼吸课程”，声称如果他们的 心率变得有点不稳定。Fitbit和其他公司也在探索可穿戴设备如何帮助患者 慢性疾病，如2型糖尿病。无论引导式呼吸课程的实际优点如何，例如 事态发展表明，可穿戴设备正在开始取得进步，这可能会反映出所取得的进步 3 年代中期的 MP90 播放器从几乎不使用的新奇事物到当今单片闪亮黑色不可或缺的一部分 平板是全能的 Apple iPhone 和三星 Galaxy。这种发展很大程度上将受到以下因素的推动 新一代芯片，结合了强大而高效的嵌入式处理器和可互操作的无线技术 连接性、大量闪存和 RAM、更复杂的算法和复杂的射频协议（“堆栈”）融入其中 微小的硅片。

可穿戴设备的核心

可穿戴设备市场应该非常感谢蓝牙特别兴趣小组的 早在 2007 年，诺基亚的 Wibree 联盟就已并入其组织。诺基亚的愿景是 手机将成为无线连接“外围设备”的个人局域网（PAN）的中心。（公司 不过，目前还不完全清楚这些外围设备会做什么——从无线连接的运动中脱颖而出 那个时代的手表，它确实认识到心率监测器等无线传感器可能会提供 先例。蓝牙无线技术已经进入了手机领域，但太过 贪婪地嵌入到这些外围设备中。因此，诺基亚及其联盟合作伙伴开始致力于 “超低功耗”无线技术，可以使用小型电池运行，同时将外围设备与 移动。®®

诺基亚愿景的缺点是，除了它自己之外，手机制造商还没有被出售 除了 GSM、Wi-Fi 和蓝牙之外，他们手机中的另一个无线电芯片。这 Bluetooth SIG 发现了一个机会，通过在诺基亚与 一种可与标准蓝牙互操作的技术形式，从而使其成为既定蓝牙的一部分 国际标准，并消除了手机中对额外芯片的需求。因此，在相当大的 在幕后工程努力下，蓝牙 4.0 诞生于 2010 年。低功耗蓝牙（通常，但不是正式缩写为“BLE”）——该技术的超低功耗形式——形成了 规范的重要组成部分。®®®®

低功耗蓝牙 （BLE） 支持有用的 34 兆位原始数据带宽，但可以通过 像纽扣电池一样小的电池。更好的是，移动操作系统供应商，如 Apple、Android 和 Microsoft 通过提供应用程序编程来鼓励 BLE 设备连接 接口 （API），使应用程序开发人员的生活更轻松一些。是的 BLE组件的销量猛增也就不足为奇了。例如，分析师 ABI Research， 报告称，该技术在2016年至2021年间将实现1%的复合年增长率（CAGR）。 35 年出货量将达到惊人的 <>.<> 亿。®

然而，就其本身而言，BLE只是一种无线连接技术——尽管令人印象深刻。它结合了 物理层包括一个2.4GHz硅无线电和一个固件堆栈，用于管理通信。早期芯片 需要一个单独的低功耗微处理器，如德州仪器 （TI） 的 MSP432 来监控操作 射频收发器。开始工作有点复杂和繁琐，更多的是黑色艺术而不是工程。 随着挪威公司 Nordic Semiconductor 的 nRF51 系列 BLE 的推出，一切都发生了变化 2012 年的片上系统 （SoC）。SoC 是第一个集成 ARM Cortex 的 SoC®™-M0 处理器，以及高链路预算的 2.4GHz 无线电，以及相当数量的 闪存和RAM、电源管理、ADC和DAC，以及少量I/O。这样的设计允许可穿戴 开发人员通过使用 ARM 设备来运行两个应用程序，从而避免使用双芯片无线解决方案。 以及无线连接。

双芯片解决方案不适合空间和功率受限的可穿戴设备，因为此类设计需要 处理器同时运行应用程序代码和无线连接（一种专用功能，其中 通用处理器并不理想）。此外，开发人员被迫与两个相互排斥的 开发环境，然后希望应用程序代码和 BLE 堆栈很好地协同工作（ 不经常发生）。这是一项挑战，是 Suunto 等运动腕表制造商的射频专家无法比拟的。 Garmin，但对于在一家可穿戴设备初创公司工作的工程师来说，这是一个“大要求”。而且没有混入 与双芯片解决方案相比，存在额外的复杂性、更大的 PCB 空间和更高的功耗问题 介绍。

ARM 核心 BLE SoC 的推出是我们今天所知的可穿戴设备领域的真正催化剂。这 选择 ARM 并非偶然;这些处理器从一开始就专为低功耗、移动而设计 应用程序及其在世界范围内的普及确保了良好的支持、熟悉的开发环境 广泛的开源代码库。在另一个聪明的举动中，Nordic引入了一个开发环境， 使可穿戴设备开发人员能够专注于他们的应用程序代码，而无需担心软件 与 BLE 堆栈集成。这部分工作由工厂的工具完成，而且相当多 缓解了射频工程的复杂性，使可穿戴设备设计人员能够专注于产品差异化。

Nordic 紧随其后的是 Broadcom、现在的 Cypress Semiconductor、Dialog Semiconductor、NXP 和 STMicroelectronics，它们都推出了类似的产品 ARM 皮层®™-M0 或 -M3 供电的 BLE SoC，具有 2.4GHz 无线电、闪存和 RAM 以及 单芯片上的外设。

图 2：Cypress Semiconductors BCM20732S框图 来自多家半导体供应商的当前高度集成的 BLE SOC 之一。这些 SoC 集成了 ARM 处理器、2.4GHz 无线电、闪存和 RAM、电源管理、ADC 和 DAC 以及 I/O 集成在单个芯片上 片。（来源：赛普拉斯半导体）

目前，Nordic Semiconductor通过推出又抢走了另一个领先优势 52 年的 nRF2015 系列。该设备具有偶数 更强大的处理器，ARM® Cortex-M4F™，以及更灵敏的2.4GHz无线电和增加的闪存 和RAM内存。该公司表示，SoC是“一种单芯片解决方案，旨在应对最 复杂的BLE应用。更重要的是，尽管功能有所增加，但芯片消耗的功率约为一半 的 nRF51 系列，延长最终产品的电池寿命。

然而，这仅仅是个开始。智能手机连接巩固了 BLE 作为可穿戴设备首屈一指的无线技术的地位，市场 据分析师CCS称，预计到245年将扩大到每年25.2019亿台，价值<>亿美元 见解。这是一个很大的馅饼，其他芯片供应商会想要从中分一杯羹。期待看到这些供应商 通过引入 ARM Cortex 来响应 Nordic 的推出®™采用 M4 技术的 BLE SoC 很快，开发更强大的产品将加速。

发展和多元化

借助最新一代的蓝牙智能 SoC，OEM 一直在努力增强 可穿戴设备的体验是沿着以前运动手表所走过的道路——昂贵的 拥有 GPS 的设备，深受热衷的业余和专业运动员的喜爱。运动手表旨在 将速度、心率和功率数据转化为有助于提高性能的指南。然而，鉴于 Garmin、Suunto 或 Polar 的设备几乎不苗条，几乎每天都需要充电，大众市场健身 可穿戴设备必须不显眼，并且可以在不求助于充电器的情况下运行一周或更长时间。®

例如，Fitbit 最近推出的 Charge 2 说明了该公司如何测量心率 来自设备内置监视器的数据并处理信息以提供更精确的卡路里消耗 计算，有氧适能如何随时间变化（以及用户的适能与人相比如何 相似的年龄），并在压力水平上升时通知那些引导式呼吸课程。虽然 Fitbit 是 不打算透露其产品设计的秘密，一个有根据的猜测会表明，许多 支持这种额外分析的算法在设备核心的 BLE SoC 处理器上运行。

该公司及其竞争对手也在向更广泛的受众推广他们的产品，包括患有 慢性疾病，如糖尿病。目前的可穿戴设备无法直接测量血液 葡萄糖是衡量糖尿病健康的关键指标，目前很难追踪 使用非侵入式传感器可靠，但手环可以帮助激励糖尿病患者锻炼。日常 运动有助于降低高水平的血糖，并减轻长期健康影响。 心血管疾病等疾病。例如，研究人员发现，每天仅减少 1,400 步 与糖尿病相关的死亡人数减少了21%。

BLE SoC 驱动的可穿戴设备目前正在引入包括心率变异性在内的附加功能 和肌肉氧水平。心跳间隔时间的变化是心脏的重要指标 健康。心率相同的两个人可能患有截然不同的潜在心脏病。在 健康的人，低变异性是过度训练的好兆头，可穿戴设备可以使用它来建议 用户稍微推迟运行计划。对于那些做过心脏手术的人来说，低变异性可能是 根据英国人 Isansys Lifecare 的说法，恢复不良或可能即将心脏病发作的指标 医疗保健公司。肌肉氧表示使用氧气的血液中有多少氧气（与 例如，在手指上进行的传统测量，其中氧气的饱和度可能要高得多）。 肌肉氧也是跑步者离疲惫有多近的一个很好的指标。总部位于美国的 Moxy 公司是 该技术的先驱之一。

然而，出去锻炼和改善健康，虽然对每个人都有好处，但还不够 本身为大多数人投资可穿戴设备;原始设备制造商认为，总体上过着“更满足”的生活 可能具有更广泛的吸引力。因此，以“主动生活方式管理”为目标的BLE驱动的可穿戴设备 开始出现在市场上。此类产品越来越模糊医疗和 生活方式可穿戴设备，以至于美国食品和药物管理局 （FDA） 定义了一种新的 对他们来说，“一般健康设备”的类别。这一类别的典型参赛者是Vinaya，其健康 可穿戴设备ZENTA将于2017年春季推出。

该设备配备了加速度计、麦克风、生物识别传感器和触觉引擎，可收集 来自用户的噪音、运动和生物信号，包括心率、心率变异性、呼吸 模式、皮肤电活动 （EDA）、皮肤温度、脉搏传输时间、脉搏波速度和血液 血氧饱和度。ZENTA将信号与学习算法相结合，以建立用户帮助的档案 他们“过着更平衡的生活”。Vinaya对ZENTA的主张是否经得起科学审查，是为了 其他人有待商榷，但它确实很好地展示了 ZENTA 核心的北欧 nRF52832 BLE SoC 如何应对 通过来自多个传感器的连续输入，处理复杂的算法，并与 智能手机。

图3：Vinaya的ZENTA可穿戴设备是新一代设备的典型代表 将多个传感器与复杂的算法相结合，为用户提供更大的产品价值。 （图片由Nordic提供 半导体）

可穿戴设备也将在消费领域之外拥有广阔的未来。一个例子来自美国自动化和控制公司霍尼韦尔。霍尼韦尔与 芯片制造商德州仪器（Texas Instruments）将开发消防员监控系统。BLE SoC 消防员携带的电动可穿戴设备监测心率、呼吸、运动和手势等信息。 然后，可穿戴设备将信息发送到移动设备（类似于智能手机，但更坚固，功能更强大 作者英特尔 Quark®™硒 微控制器），通过 Wi-Fi 或蜂窝网络将数据转发到云端。结合的想法 来自各种传感器的信号是，与一个信号（例如心率）不同，信号组合给出 更清楚地了解消防员是否处于遇险状态。

图 4：霍尼韦尔和 TI 正在合作将可穿戴设备扩展到 消费领域。在这种情况下，两家公司开发了一个移动中心来整理可穿戴数据和 将其转发到云。（来源：英特尔）

整合是关键

第一代可穿戴设备就像第一代手机一样——在它们的利基市场很有用，但 限制超出了它。然而，随着 BLE SoC、电池、固件和支持平台的改进，也得到了改进 产品。

然而，情况仍然如此，除非用户正在为铁人三项进行训练，即使是最复杂的 产品可能没有足够的吸引力，无法佩戴多年。尽管如此，如果可穿戴设备至少证明其 通过从监控数据中提供有用的分析和指导，使用户开始欣赏 产品类别不仅仅是一个新奇事物——明年的产品将提供足够的价值来鼓励进一步 购买。据《福布斯》报道，超过 50% 的美国 iPhone 用户会在 他们的提供商允许，即使当前的手机完全可以维修;为什么可穿戴设备行业应该 有什么不同吗？

然而，从长远来看，可穿戴设备成功的真正关键可能是集成。发短信， 上网 连接性、MP3 播放器和摄像头——更不用说与外围设备的蓝牙无线链接——已经增加了 手机的基本功能使当今的智能手机变得不可或缺。同理，健身追踪， 压力管理、协助缓解慢性疾病、工作效率和安全工具（以及 可能更多）可以共同使可穿戴设备成为重要的消费产品。也就是说，对于未来 可穿戴设备正变得越来越难以预测。据分析师Endeavour Partners称，大部分 创新来自技术与人体生理学和生物学之间的界面。奋进伙伴 说这是一个很少有人了解的领域，而且在 大众市场规模。

然而，无论可穿戴设备开发人员最终想出什么商业应用，芯片供应商都会 努力拥有能够应对计算和通信资源的 BLE SoC 他们要求。

审核编辑 黄宇