【導(dǎo)讀】過去十年，微電子與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，催生了許多功能空前強(qiáng)大的傳感器與移動(dòng)設(shè)備。本文介紹了一種為可穿戴設(shè)備應(yīng)用而優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)，描述了在可穿戴設(shè)備可行性研究與設(shè)計(jì)期間可能遇到的挑戰(zhàn)，并為硬件設(shè)計(jì)工程師提供了實(shí)用建議。
高計(jì)算能力、小尺寸和低成本使人們能夠與可穿戴式設(shè)備互動(dòng)，使其融入人們的日常生活。結(jié)合傳感器與無線技術(shù)的小型可穿戴設(shè)備已在許多應(yīng)用中變得非常流行，如健康和健身跟蹤以及安全等。它們對(duì)提供有關(guān)我們的活動(dòng)和行為的準(zhǔn)確及可靠信息非常有用，并將引領(lǐng)我們?cè)谏?、社交互?dòng)和活動(dòng)方面的革命，如同個(gè)人電腦在幾十年前出現(xiàn)時(shí)帶來的革命一樣。
用于人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)的傳感器
可穿戴設(shè)備可監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)。在醫(yī)療應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備能夠監(jiān)測(cè)生理活動(dòng)，測(cè)量體溫、心率、腦活動(dòng)、肌肉運(yùn)動(dòng)和其他重要數(shù)據(jù)，為患者在家中的康復(fù)治療（如術(shù)后恢復(fù)）提供便利。在體育運(yùn)動(dòng)和訓(xùn)練中，可穿戴設(shè)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(shù)、燃燒的卡路里數(shù)等信息。
人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示，根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)使用不同類型的傳感器。來自傳感器的原始數(shù)據(jù)由處理器收集，處理后的數(shù)據(jù)顯示在可穿戴設(shè)備顯示屏上，或者通過無線電收發(fā)器無線傳輸?shù)揭粋€(gè)中樞設(shè)備，例如智能手機(jī)。數(shù)據(jù)在傳感節(jié)點(diǎn)上也許可以完全處理好，也許不能，但大多數(shù)在中樞設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并以圖形和/或數(shù)值方式顯示。
圖1：人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
常用于人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)的傳感器包括：
①加速計(jì)沿著量測(cè)軸在特定頻率范圍內(nèi)測(cè)量加速度。通常使用3軸加速計(jì)，以提供3D定位信息。
②陀螺儀測(cè)量X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)速度。與加速計(jì)結(jié)合使用時(shí)，它們能夠提供更準(zhǔn)確的3D定位信息。加速計(jì)和陀螺儀的這一組合可提供6軸信息。
③磁強(qiáng)計(jì)。使用磁強(qiáng)計(jì)（或通常所稱的磁電機(jī)）可進(jìn)一步改進(jìn)位置檢測(cè)。額外的磁場(chǎng)信息使傳感算法能夠?qū)荛L(zhǎng)時(shí)間上的小偏差進(jìn)行補(bǔ)償，有助于我們更準(zhǔn)確地跟蹤位置和方向的絕對(duì)變化。磁強(qiáng)計(jì)、加速計(jì)和陀螺儀的組合可提供9軸信息。
④測(cè)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(zhǔn)確信息，并能通過結(jié)合定位信息與環(huán)境條件數(shù)據(jù)，來進(jìn)一步改進(jìn)人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)。
⑤此外還有測(cè)量體溫和心率的傳感器。隨著人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用變得愈加復(fù)雜，更多上述傳感器被用于可穿戴設(shè)備，從而為應(yīng)用開發(fā)帶來更多自由度（DoF）。
設(shè)計(jì)12自由度小型可穿戴設(shè)備的挑戰(zhàn)
通常，設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備需要考慮三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：
一是所用傳感器的類型。提供步數(shù)或睡眠質(zhì)量信息的典型活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備可結(jié)合使用3軸加速計(jì)與無線收發(fā)器，使我們能夠在PC、平板電腦或智能手機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。要進(jìn)行更準(zhǔn)確的位置和運(yùn)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(duì)于提供醫(yī)學(xué)信息的可穿戴設(shè)備，可能還要單獨(dú)或結(jié)合使用心率和體溫傳感器。
二是所用的低功耗無線協(xié)議。在目前使用的各種無線協(xié)議當(dāng)中，藍(lán)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(jī)在內(nèi)的大多數(shù)無線個(gè)人計(jì)算設(shè)備都支持藍(lán)牙智能協(xié)議。
三是尺寸和成本。可穿戴設(shè)備傳感器節(jié)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。可穿戴設(shè)備傳感器節(jié)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(shè)備，巧妙地將9 軸感測(cè)功能和環(huán)境傳感器（可實(shí)現(xiàn)最佳人類活動(dòng)跟蹤的）與最低功耗藍(lán)牙智能無線技術(shù)結(jié)合起來，成為全能的小系統(tǒng)。
具有 12 個(gè)自由度（9 軸跟蹤以及溫度、氣壓和濕度感測(cè)）的傳感器系統(tǒng)可提供對(duì)人類活動(dòng)的最佳跟蹤效果，這是因?yàn)樵诃h(huán)境狀況信息的輔助下，它能夠提供非常準(zhǔn)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(tǒng)，進(jìn)而整合到可穿戴設(shè)備之中并不那么容易。
設(shè)計(jì)小尺寸系統(tǒng)的挑戰(zhàn)包括：
①磁強(qiáng)計(jì)布置。在磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，其工作可能受到其他強(qiáng)磁場(chǎng)或金屬表面的影響。在電池供電的可穿戴設(shè)備中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度會(huì)受到射頻信號(hào)和天線系統(tǒng)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(shè)備系統(tǒng)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(yīng)，會(huì)影響磁電機(jī)的性能，從而給電池布置帶來約束。
③天線布置。天線性能高度依賴其布置和尺寸。這就需要仔細(xì)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以便可穿戴設(shè)備具有良好的射頻性能，且磁強(qiáng)計(jì)性能不受影響。可使用的天線類型很多，包括印制或陶瓷天線，但每種天線各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
物聯(lián)網(wǎng)傳感器參考設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)，以及實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備應(yīng)用最佳系統(tǒng)尺寸的硬件設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。該參考設(shè)計(jì)基于Dialog半導(dǎo)體公司的高度集成DA14583藍(lán)牙智能控制器，可減小系統(tǒng)尺寸和成本。它包括用于加快設(shè)計(jì)先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要的所有關(guān)鍵硬件和軟件。
該參考設(shè)計(jì)是為可穿戴計(jì)算、浸入式游戲、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及3D室內(nèi)地圖和導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)感測(cè)模塊的完整開發(fā)平臺(tái)。它結(jié)合了藍(lán)牙無線通信和ARM Cortex-M0處理器與加速計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)和環(huán)境傳感器，非常適合資源有限的系統(tǒng)，因?yàn)樗梢宰畲笙薅冉档蛢?nèi)存和處理要求及功耗。該參考設(shè)計(jì)的主要元件是DA14583系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）和博世傳感器。
DA14583 SoC具有針對(duì)藍(lán)牙智能技術(shù)的完全集成式無線電收發(fā)器和基帶處理器。它可以用作獨(dú)立應(yīng)用處理器或托管系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)泵。DA14583藍(lán)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(dá)到了空前低的水平。其在睡眠模式（僅為保留內(nèi)存供電）下的電流消耗僅0.5 μA，當(dāng)為所有系統(tǒng)內(nèi)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，并能讀取來自集成式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬數(shù)據(jù)。
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(yīng)客戶的需要。此外，博世傳感器集成度高，并采用非常小的封裝。
該參考設(shè)計(jì)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(cè)量單元，針對(duì)需要高度準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)的移動(dòng)設(shè)備及室內(nèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在完全工作模式下，加速計(jì)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(shè)備上安裝的應(yīng)用程序始終在線。
BMM150（地磁傳感器）：是一種用于指南針應(yīng)用的低功耗、低噪聲 3 軸數(shù)字式地磁傳感器。基于博世的專有 FlipCore 技術(shù)，BMM150 的性能和特性經(jīng)過仔細(xì)調(diào)優(yōu)，可完全滿足 3 軸移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用（如電子指南針、導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）的苛刻要求。
BME280（環(huán)境傳感器）：是一種專為低功耗應(yīng)用開發(fā)的集成式環(huán)境傳感器。內(nèi)置濕度傳感器具有極快的響應(yīng)時(shí)間，可滿足新興應(yīng)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(cè)量精度。濕度傳感器具有極快的響應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須確保實(shí)現(xiàn)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布線期間必須考慮磁電機(jī)帶來的限制因素。磁電機(jī)應(yīng)當(dāng)距紐扣電池3 mm - 5 mm遠(yuǎn)，距大電流跡線（如鄰近DC/DC轉(zhuǎn)換器和電感的跡線）10 mm遠(yuǎn)。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(jī)可以置于接地（GND）平面之上而無需留有間隙。
在系統(tǒng)中，電池扮演著重要角色，因?yàn)槠涑叽鐩Q定著可穿戴設(shè)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(shè)備上的理想位置是在印刷電路板下面。這可確保與磁電機(jī)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(shè)計(jì)可選擇兩種天線：印刷電路或陶瓷片。選擇陶瓷片天線因?yàn)槠湫〕叽纭⒖煽啃浴⒍嘤猛拘院鸵子谡{(diào)諧。由于可穿戴設(shè)備印刷電路板的尺寸小，所以天線布置仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。通常情況下，天線應(yīng)放在印刷電路板的角部，確保遵守其數(shù)據(jù)表中描述的連接焊盤說明和接地（GND）間隙要求。圖2是該參考設(shè)計(jì)的整體布局。
圖2：實(shí)際可穿戴設(shè)備印刷電路板裝配，頂視圖（左）和底視圖（右）
通常，目標(biāo)印刷電路板厚度應(yīng)當(dāng)約為1.6mm，這還可以確保磁電機(jī)與鈕扣電池及電池座間的額外距離。在遵守相關(guān)說明條件下，裝配完成后的印刷電路板設(shè)計(jì)如圖2所示。參考設(shè)計(jì)中使用的是4層印刷電路板。
測(cè)量結(jié)果表明，在睡眠模式下，該參考設(shè)計(jì)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(dāng)連接至主機(jī)，在沒有運(yùn)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(shè)備處于移動(dòng)狀態(tài)的情況下測(cè)得。這也證實(shí)了該參考設(shè)計(jì)的省電特點(diǎn)。
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