IoT模块设计：Dialog蓝牙控制器+博世传感器

　　过去十年，微电子与计算机系统领域的飞速发展，催生了许多功能空前强大的传感器与移动设备。本文介绍了一种为可穿戴设备应用而优化的物联网（IoT）传感器系统参考设计，描述了在可穿戴设备可行性研究与设计期间可能遇到的挑战，并为硬件设计工程师提供了实用建议。

　　高计算能力、小尺寸和低成本使人们能够与可穿戴式设备互动，使其融入人们的日常生活。结合传感器与无线技术的小型可穿戴设备已在许多应用中变得非常流行，如健康和健身跟踪以及安全等。它们对提供有关我们的活动和行为的准确及可靠信息非常有用，并将引领我们在生活、社交互动和活动方面的革命，如同个人电脑在几十年前出现时带来的革命一样。

　　用于人类活动监测的传感器

　　可穿戴设备可监测人类活动。在医疗应用中，可穿戴设备能够监测生理活动，测量体温、心率、脑活动、肌肉运动和其他重要数据，为患者在家中的康复治疗（如术后恢复）提供便利。在体育运动和训练中，可穿戴设备的嵌入式传感器可跟踪和分析使用者的身体活动，然后提供诸如步数、燃烧的卡路里数等信息。

　　人类活动监测系统的基本架构如图1所示，根据不同的监测任务使用不同类型的传感器。来自传感器的原始数据由处理器收集，处理后的数据显示在可穿戴设备显示屏上，或者通过无线电收发器无线传输到一个中枢设备，例如智能手机。数据在传感节点上也许可以完全处理好，也许不能，但大多数在中枢设备进行存储和处理，并以图形和/或数值方式显示。

　　图1：人类活动监测系统

　　常用于人类活动监测的传感器包括：

　　①加速计沿着量测轴在特定频率范围内测量加速度。通常使用3轴加速计，以提供3D定位信息。

　　②陀螺仪测量X、Y、Z轴旋转速度。与加速计结合使用时，它们能够提供更准确的3D定位信息。加速计和陀螺仪的这一组合可提供6轴信息。

　　③磁强计。使用磁强计（或通常所称的磁电机）可进一步改进位置检测。额外的磁场信息使传感算法能够对很长时间上的小偏差进行补偿，有助于我们更准确地跟踪位置和方向的绝对变化。磁强计、加速计和陀螺仪的组合可提供9轴信息。

　　④测量环境温度、气压和湿度的环境传感器能够提供有关环境状况的准确信息，并能通过结合定位信息与环境条件数据，来进一步改进人类活动监测。

　　⑤此外还有测量体温和心率的传感器。随着人类活动监测应用变得愈加复杂，更多上述传感器被用于可穿戴设备，从而为应用开发带来更多自由度（DoF）。

　　设计12自由度小型可穿戴设备的挑战

　　通常，设计可穿戴设备需要考虑三个关键参数：

　　一是所用传感器的类型。提供步数或睡眠质量信息的典型活动监测设备可结合使用3轴加速计与无线收发器，使我们能够在PC、平板电脑或智能手机上进行数据收集。要进行更准确的位置和运动跟踪，就需要更多的轴，另外还可能要添加环境传感器。对于提供医学信息的可穿戴设备，可能还要单独或结合使用心率和体温传感器。

　　二是所用的低功耗无线协议。在目前使用的各种无线协议当中，蓝牙智能是功率效率最高的射频技术。同时，包括平板电脑和智能手机在内的大多数无线个人计算设备都支持蓝牙智能协议。

　　三是尺寸和成本。可穿戴设备传感器节点需体积小、重量轻，使得它们能轻松整合到手表、手环、首饰等产品之中。可穿戴设备传感器节点还需成本低并且只需最少的外部元件，将物料需求降到最低。

　　总之，用于活动跟踪的理想可穿戴传感器设备，巧妙地将9 轴感测功能和环境传感器（可实现最佳人类活动跟踪的）与最低功耗蓝牙智能无线技术结合起来，成为全能的小系统。

　　具有 12 个自由度（9 轴跟踪以及温度、气压和湿度感测）的传感器系统可提供对人类活动的最佳跟踪效果，这是因为在环境状况信息的辅助下，它能够提供非常准确的定位信息。然而，将所有这些传感器都包含于一个非常小的系统，进而整合到可穿戴设备之中并不那么容易。

　　设计小尺寸系统的挑战包括： 

　　①磁强计布置。在磁强计测量磁场强度时，其工作可能受到其他强磁场或金属表面的影响。在电池供电的可穿戴设备中，数据准确度会受到射频信号和天线系统及电池本身的影响。

　　②电池及电池座布置。在非常小的可穿戴设备系统中，电池尺寸是决定印刷电路板尺寸的主要因素。而且，电池座和电池（通常为钮扣电池）的金属外壳的软铁效应，会影响磁电机的性能，从而给电池布置带来约束。

③天线布置。天线性能高度依赖其布置和尺寸。这就需要仔细进行系统设计，以便可穿戴设备具有良好的射频性能，且磁强计性能不受影响。