设计出色的可穿戴产品应考虑的几大因素

作者: Greg Fyke

在当今群雄逐鹿、竞争激烈的可穿戴市场中，获得成功的关键在于差异化的产品特性和服务。制造商和服务提供商竞相争夺同样的可穿戴“市场大饼”。成功设计可穿戴式产品是一项复杂的工程。成功的产品需要成本、性能、功能、电池使用寿命的完美组合，必须具备引人注目的外观、感受和表现以吸引消费者。我们需要通过关注最终用户体验和探索使用情形，以便在可穿戴产品中集成各种不同元素并完成复杂的权衡。

典型的嵌入式系统通常开始于功能和能力定义，它们可说是项目的首要驱动关键。同样，成功的可穿戴产品设计需求要关注于“用户体验”。这些需求包括可穿戴产品的外观、感觉和与最终用户的交互，以及它所引起的印象、感受和情绪。

当今有许多能够监测健康和生物特征、跟踪运动距离、记录移动路线、估计能量消耗、以及来电和邮件通知的可穿戴产品，同时可以无缝的和我们的智能电话进行整合和通信。这些可穿戴产品设计非常专注用户体验；它们时尚、特性丰富、易用、价格适中、并且可连接到物联网（IoT）。

可穿戴市场能够分成三种产品类别，每一类别需要的设计权衡，如图1所示：

●活动追踪器：这些相对简单的产品往往不包括LCD显示屏。如此简单的好处之一是这些产品是经济的、易用、并且往往有最长的电池使用寿命。

●带有小型或中型显示器的健身带和“超级手表”：这些可穿戴产品可能包括多种生物和环境传感器，并且在特性/功能、电池使用寿命和成本之间选择最佳平衡点。

●智能手表：这些手表大小的复杂设计占据高端市场，并且通常运行在操作系统（例如Android Wear）之上。智能手表提供特性丰富的用户体验，但是更多功能和处理能力消耗更多的电池电量，通常每天都需要进行充电。


图1：每种类型的可穿戴产品都需要特有的设计权衡

可穿戴产品中的一个关键器件选择是微控制器（MCU）。选择具有出色低功耗操作的MCU是大多数可穿戴应用的关键所在。当今的32位架构中，ARM Cortex-M系列已成为领先的低功耗处理平台。Cortex-M0+是2级流水线架构，在一些性能效率和低活动模式电流消耗之间进行了最佳权衡。Cortex-M3和M4处理器提供了3级流水线，具有良好的功耗和性能平衡。M4处理器的单精度浮点单元和DSP扩展能够为软件算法大大缩短了执行时间和能量消耗，例如常用于从噪声传感器数据中提取信息的Kalman滤波算法。智能手表需要更先进的处理器（例如Cortex-M7）和专有内核，要为更高处理能力和高带宽内存接口的一些功效进行权衡。表1总结了主要可穿戴产品类型所需的关键处理能力和特性需求。

表1：ARM Cortex-M系列满足各类可穿戴产品需求


选择合适的电池技术也是重要的设计考虑。一次性电池具有不需要任何专门充电电路的优势；它们也有更好的能量密度并提供更多的能量容量。不足之处是它们使得机械设计变得更复杂并且限制了整体产品的易用性。可充电电池能获得更轻薄的设计，但增加了成本和设计复杂性。无论如何选择，可穿戴产品都需要小巧的外形，这就限制了电池的尺寸和提供的能量。可穿戴产品需要一种系统级的方案，专注于尽可能的在包括硬件和软件在内的所有级别上减少能耗。

在追求更长电池使用寿命的过程中，可穿戴产品的设计师不能为能效而牺牲良好的用户体验。幸运的是，MCU现在已经为获得更长电池使用寿命而在最佳性能和低功耗优化之间取得平衡。除了低功耗电流之外，快速唤醒时间也是关键特性之一。休眠到激活状态的快速转换能够获得更好的系统响应并减少能耗。具有灵活唤醒源、超低功耗定时器和串行接口的MCU也为设计者提供了强大的选项。更先进的MCU即使在MCU处于休眠状态也能够提供有效运行的外设。这种自治外设技术的典型例子是Silicon Labs的外设反射系统（Peripheral Reflex System，PRS），如图2所示，在EFM32 Gecko MCU外设中，例如模数转换器（ADC）和直接存储器存取（DMA）引擎能够自治的响应外部输入或中断触发，而无需任何CPU参与。这种方法能够设置MCU处于休眠状态，可以在来自传感器的输入超过预设定的门限之后才醒来，而不是让MCU在活动、高功耗状态下不停的查询同一个传感器。


图2：通过使能MCU外设自治运行并且保持处理器内核处于休眠状态，外设反射系统节省系统能耗

可穿戴产品上基于CMOS的传感器为丰富用户体验提供了基础，使能新应用和使用案例。有三种主要的可穿戴产品传感器类别：运动传感器、环境传感器和生物传感器。每种传感器类型提供了对于最终用户活动、环境和健康的特有的洞察。当组合起来，它们更加强大。可穿戴产品中传感器的组合和使用需要许多权衡。光学传感器需要使用能够穿透光线的材料。特定传感器的电源可能需要门控，以至于它们不会成为电池的永久负载，但是这种方法增加了设计复杂性。预期的用户体验、成本和使用案例最终驱动可穿戴产品中传感器集成的最佳水平。

移动app是所有可穿戴解决方案的重要组成部分，而Bluetooth Smart已迅速成为连接可穿戴产品到基于iOS和Android的移动设备时的主要无线解决方案。Bluetooth Smart具有优化的低功耗运行模式。它非常适合于传输传感器数据、同步用户信息、提供空中更新支持。智能手机提供了非常灵活的用户界面，app实现了丰富的个性化能力，这种能力无法简单的以其他方式通过可穿戴产品单独实现。然而，添加和使用无线连接会增加设计成本。成功的可穿戴设计需要谨慎的平衡处理。无线传输通常是可穿戴系统中的最高耗能者。决定消息以多大数量和多大频率进行传输或者可穿戴产品与智能手机以多大频率进行同步，对于最终产品的电池使用寿命会产生巨大的影响。高数据量的使用能够把电池使用寿命缩短到数小时或数天。而更保守的方法也许能够使同样产品的寿命延长到几个星期或几个月。

可穿戴市场可能已不再处于起步阶段，随着低功耗MCU、基于CMOS传感器和无线SoC的不断突破，我们现在正处于可穿戴产品创新的新时代前夕。随着可以更容易的访问更精确传感器驱动的最终用户数据，可穿戴设备能够可靠和唯一的识别用户。从健康和活动跟踪到安全和可靠用户识别的转换能够在医疗保健、安全、移动支付和社交网络开辟更多新机会。第一个在这些领域以适当成本获得引人注目用户体验的可穿戴式产品，将成为市场的下一个大赢家。