将物联网平台和系统应用到可穿戴设备设计中

可穿戴设备将在物联网领域占据相当大的份额。 基于传感器并以无线方式连接的可穿戴设备，正从科幻剧《星际迷航》中的幻想产品变身为市场上实实在在的智能手表、健身腕带和联网式眼镜（如，谷歌眼镜）。 怎样才能迅速地被广为接受？ 可穿戴设备需要相当长的电池使用寿命、足够的隐私保护能力和足够低的成本。

让可穿戴技术由一时的热门货变为时尚流行品，钱不是问题。 根据 IDTechEx 提供的数据，Microsoft、Google、Cisco、Apple 和 Oracle 公司共掌控着 2450 亿美元现金，这些公司都对可穿戴技术、物联网 （IoT） 和人联网 （IOP） 表现出浓厚的兴趣。 成立投资基金的公告经常占据着各大媒体头条，包括 Salesforce Ventures 针对新型移动应用和联网产品的 1 亿美元专项投资。

Intel 与 Fossil 最近关于可穿戴技术开发的共同声明，也是这一潮流到来的明证。 在 Intel 最近举办的 Intel 开发者论坛期间，该公司首席执行官 Brian Krzanich 指出，通过推出其它的物联网平台和系统，Intel 将继续沿着可穿戴这条道路走下去。 例如，该公司的 Edison 平台是一台微型计算机，采用了一块具有 Wi-Fi 和蓝牙功能的 22 nm 芯片，并可设计到针对下一代可穿戴设备的零件中。 各种计划包括更高的可用性和更强的时尚性，而后者是获得大众认可的关键。

尽管可穿戴概念已不是新生事物，但迄今为止，其功能化应用仍更多地停留在工业领域，并且只有少数人使用象 MicroOptical 之类工具显示保养说明、指示零件故障。 谷歌眼镜已用于固定资产维护以及健身、医疗领域。

所有这些应用均依赖最基础的传感器，在新产品上实现激动人心的功能。 例如，象 Texas Instruments 2.4 GHz 蓝牙低功耗片上系统 SensorTag 开发套件中使用的传感器、STMicroelectronics 的 L3GD20 MEMS 运动传感器和该公司的 BlueNRG 之类传感器，便是目前已在使用的传感器产品类型的实例，同样实例还有 Honeywell 的磁阻传感器 IC。 让我们探讨一下其中的原因。

蓝牙技术能效高、功耗低、安全性强且易于实施。 换言之，蓝牙技术对于可穿戴通讯来说是一种很自然的选择。 Texas Instruments 的 CC2541SensorTag 开发套件设计用于简化低功耗蓝牙传感器应用的开发。 应用开发商利用蓝牙技术能够快速、轻松地为低功耗蓝牙配件编写智能手机应用，而无需开发其它嵌入式硬件或软件。 SensorTag 套件包括（图 1）包括：

1 个带有外壳的 CC2541 SensorTag

1 块 CR2032 电池

1 颗螺钉（用于固定外壳）

快速入门指南

该套件的射频电路板已通过 FCC 和 IC 认证和测试，满足 ETSI/R&TTE 从 0°C 至 +35°C 的超温要求并且集成了一个 PCB 天线。

图 1：Texas Instruments 的 SensorTag 开发套件采用六个传感器，能让开发人员轻松、简单地完成设计。

SensorTag 套件包括以下传感器：

Texas Instruments 的 IR 温度传感器 （TMP006）

Sensirion 的湿度传感器

Epcos 的压力传感器

Kionix 的加速计

InvenSense 的陀螺仪

Freescale 的磁力仪 （MAG3110）

TI 的 SensorTag CC2541（图 2）的基础器件是六个传感器，这些传感器均是高能效、低成本、小型表面贴装器件。 这些传感器采用 I²C 接口，并通过独立的使能信号与相同的接口总线连接。 为保持低电流消耗，所有传感器的默认状态为“禁用”，且在相邻两次测量期间处于休眠模式。

图 2：TI SensorTag 的功能框图。

CC2541 特别适合要求超低功耗的系统。 该器件的工作模式转换时间较短，能够进一步降低功耗。 具体应用包括 2.4 GHz 专有和低功耗蓝牙系统、人机接口设备、消费类电子产品和移动电话应用。

使用可穿戴设备时，重点是需要知道您在哪里以及将去向哪里，并且提供这些信息的传感器必须体积小、性能高、可靠。 采用 STMicroelectronics LSM303C 电子罗盘的一个例子如图 3 所示。 该器件被宣称是全球体积最小的电子陀螺仪，它在单封装中集成了一个 3 轴加速计和一个 3 轴磁力仪。

图 3：针对可穿戴设备的 STMicroelectronics LSM303C 电子罗盘框图。

该芯片尺寸仅 2 mm x 2 mm 且比同类器件缩小近 20%，可用于实现先进的导航和运动敏感性功能。

该器件的特性包括：

倾斜补偿罗盘

地图旋转

位置检测

运动激活功能

自由落体检测

单击/双击识别

步程计

智能化节电功能

在运动监视腕带或智能手表中节省空间极为关键，ST 的 LSM303C 电子罗盘相比同类竞争产品可节省近 1 mm² 印刷电路板空间。 设计人员能优化元件布局，将 Wi-Fi、蓝牙和蜂窝式无线电干扰降至最小。 LSM303C 的小尺寸有助于减小可穿戴设备的体积。

自然地，这不完全是传感器本身——还有向可穿戴应用提供具有魔术般功能的使能技术，如 STMicroelectronics 的 BlueNRG 低功耗蓝牙无线网络处理器。 在诸如手表、健身器材、保健和体育运动，以及消费类医疗和生活辅助之类应用中，BlueNRG 可用作主设备或者从设备。

这种完全型低功耗蓝牙协议栈在嵌入式 ARM Cortex-M0 内核上运行，同时非易失性闪存存储器则允许现场升级。 它设计用于在使用标准纽扣电池时满足严格的峰值电流要求，在 1 dBm 输出功率时的最大峰值电流仅 10 mA。 超低功耗休眠模式和非常短的工作模式转换时间，可确保非常小的平均电流消耗，进而达到更长的电池续航时间。 BlueNRG 还提供了利用 SPI 传输层连接外部微控制器的选用功能。

能够满足超高灵敏度、低电流运行和超小基底面要求的器件，当属 Honeywell 的 Nanopower（微功耗）系列。 该系列提供两个磁性灵敏度，以适应各种设计需求，包括用于要求磁灵敏度超高、电流消耗非常低的应用中的 SM351LT。 相比之下，SM353LT 适用于需要非常高的磁灵敏度和非常低的电流消耗的应用。

这种充满各类型传感器的物联网与可穿戴应用的融合，在实时事件监视和结果通讯比较重要的应用中将继续扩大。 此外，只要现场人员为解决问题或者评估当前条件而需要访问数据，这种融合也会扩大。 随着这些技术更频繁地被采用，成本将降低，使得甚至是今天难以想象的新应用也会得以更大量地使用。