智慧手錶﹧智慧手環產品市場與技術趨勢

MEMS元件持續微縮優化，感測性能不減體積卻越來越小，搶食穿戴式應用市場。STMicroelectronics

據IDC分析預估，2018年穿戴式產品市場規模將出現暴增，不僅未來4年內穿戴式裝置市場呈現蓬勃發展，預估全球產品出貨量也會隨之暴增，光是2014至2018年市場即會有5倍成長，其中智慧手環、智慧手錶不僅相關MEMS、顯示器、SoC技術相繼到位，配合新穎的使用型態，將成為這波穿戴運算熱潮的當紅產品。

隨著嵌入式運算技術一日千里，穿戴式產品的樣態與設計整合也變得更加多元。根據國際市調機構IDC(International Data Corporation)針對穿戴式裝置市場分析，預估2014年全球市場穿戴式設備出貨將達到1,920萬套，2018年預估可以達到11,190萬套，推估全球穿戴式產品應用市場成長達近5倍，尤其是智慧手錶、智慧手環…等新穎穿戴配件，更是在這波市場熱潮下的當紅炸子雞。

近來雖然傳出Nike裁撤數位運動部門(Digital Sport)硬體團隊部分人力(即主力開發智慧型手環FuelBand產品的部分人力)，原本預計在2014年第三季將改版的新款智慧型手環FuelBand也傳告吹消息，對最近熱到過頭的穿戴式產品市場澆了一盆冷水；但Nike事後澄清只是正常人力調整而非部門裁撤，也將會繼續投入人力持續深耕智慧手環與相關智慧運動商品。即使如此，眾多業者仍對穿戴式產品市場寄予厚望，積極投入資源開發相關商品。

Google推Android Wear平台  搶進穿戴式市場

投入穿戴式產品市場的參與業者相當多，有硬體廠商、軟體廠商也有網路服務商，其中以Google近來推出Android Wear平台，正式進軍穿戴式市場的動作最令市場震撼！

以往Google對於穿戴式產品開發商並未積極介入，只將原本面向智慧型手機、平板電腦等設備開發的Android嵌入式系統，瘦身轉為嵌入式產品整合應用。但近日為了積極搶進日漸火熱的穿戴式裝置市場，推出首款專為穿戴式應用需求量身打造的Android Wear作業系統，期待透過複製Android嵌入式系統在智慧型手機、平板電腦的領域成功模式，搶下穿戴式裝置平台市場嵌入式系統的領導地位。

檢視Google專為穿戴式裝置設計的Android Wear作業系統，除提供穿戴設備運行環境外，同時一併發表相關軟體開發套件(Software Development Kit；SDK)。同時，也為了使更多穿戴式裝置導入Android Wear嵌入式作業系統，Google亦著手與主要的晶片開發商、硬體製造商加深合作，這也是Google在Google Glass計畫之後，首度在物聯網(Internet of Things；IoT)與穿戴式裝置市場的技術導入計畫。

實際上Android Wear OS可以說是專門針對穿戴式裝置硬體資源環境優化的Android作業系統修改版本，因為穿戴式裝置可使用的運算資源、儲存資源較低，對於整體設備的低功耗要求較高，原先針對智慧型手機嵌入式應用為主的Android必須透過瘦身或功能裁減，達到更符合穿戴式設備應用目的。

而Android Wear OS作業系統，也可以讓硬體開發、穿戴式運算系統整合，節省手動優化Android系統的開發成本，同時運用Google釋出的Android Wear OS開發資源與後續版本維護與升級，讓產品推出之後的維護成本大幅降低。

雖然Android Wear OS看起來專為穿戴式產品應用而生，但實際上Android Wear OS目前釋出的系統版本，僅能提供給智慧手錶產品使用；系統功能更簡單、低階的智慧手環並不是Android Wear OS主要支援的應用平台。在智慧手錶的應用環境上，Android Wear OS另整合智慧手機新版本主打的Google即時資訊(Google Now)，以語音操控人機介面與Google智慧搜尋，提供智慧手錶更好的使用體驗。

Android Wear OS獲大廠青睞  新款穿戴式產品將陸續推出

Android Wear OS作業系統釋出後，Google也對外宣布目前硬體與網通業者的導入現況。在硬體廠商方面，Android Wear OS作業系統目前已獲得LG、華碩、HTC、Motorola、Fossil、Samsung計畫採用，並開發智慧手錶產品。在晶片廠商方面，已有Broadcom、Imagination、Intel、聯發科技、Qualcomm等預計在相關晶片解決方案中，與最新的Android Wear OS嵌入式系統進行產品整合。據Google透漏，LG、Motorola已計畫在最新的穿戴式產品中搭載Android Wear OS。

為了提供更便捷與易於快速建構的穿戴式設備開發環境，Google在Android Wear OS提供的SDK中，包含供開發者為現有Android應用程式加入訊息通知(Notification)的功能，不僅包含一套模擬環境，可以在開發人員尚無參考設備驗證軟體功能時，可以先透過軟體模擬環境所提供的方形與圓形畫面驗證開發的成果；但目前開發套件僅適用通知功能與語音轉譯功能。

雖然Android Wear OS目前釋出的開發環境、系統內容功能尚未完備，Google已預計在2014年內陸續將其軟體開發套件陸續補齊，包含個人化使用者介面、手機？穿戴式設備資料交換與指令發送、穿戴式設備感應數據採集、Android穿戴式設備顯示與語音指令人機介面等。

可以說目前最先釋出的Android Wear OS試用版雖然還有不少功能待補，但至少已經協助穿戴式設備廠商將穿戴專用系統優化，並已提供現有Android OS應用程式和Android Wear OS設備基本互動與溝通，比起業者自行開發通訊機制可以省下不少開發時間。

穿戴式產品商機大  嵌入式系統應用方案多元

Google釋出Android Wear OS穿戴式設備專用系統，不只炒熱穿戴式設備市場，相關穿戴式設備商機也同步加溫，除了Google持續擴大投入Google GLASS智慧眼鏡專案，其餘像是Samsung推出Galaxy Gear智慧手錶產品、Sony SmartWatch亦積極推出第二代產品，這些一線穿戴式設備產品，也將陸續在新版Android Wear OS釋出後進行設備嵌入式系統修改。未來穿戴式產品整合與功能開發，預料可以在Android Wear OS發揮加速與簡化開發的效益。

但在穿戴式設備硬體的嵌入式系統選擇中，Android Wear OS並非唯一方案。如目前多數智慧手錶會採用精簡過的Linux、或是Android嵌入式系統，目前也有專注智慧型手機嵌入式系統的Firefox OS及Samsung的Tizen系統積極搶攻嵌入式設備應用市場，Google想讓穿戴式設備如同智慧型手機般大量使用Android Wear OS系統方案，可能還要花上不少力氣推廣。

呼應穿戴式產品通訊需求  低功耗藍牙應用需求暴增

除了適用於穿戴式應用的嵌入式系統發展生態系日趨完善外，在新一代強調低功耗的硬體技術方面，也針對穿戴應用提供更多穿戴產品需要的長電池續航力支援。例如，在較耗能的無線傳輸技術方面，穿戴式產品大多選擇低功耗藍牙無線傳輸技術(Bluetooth Low Energy；BLE)進行搭配整合，尤其是消費者對於穿戴式設備不僅要求體積要小、耗電量要低，甚至售價也要更低廉，在無線網通相關技術中，兼具這幾項特質的藍牙BLE技術方案，即展現更好的應用價值。

市場評估，穿戴式裝置與對應的配件周邊將會在2015年呈現爆發成長，基本上可以歸納幾個成長重點。一方面是iOS、Android等嵌入式系統生態系已在系統核心相繼支援藍牙BLE技術方案；而在商用電腦、筆記型電腦使用相當普遍的Windows系統平台，系統也支援藍牙BLE低功耗短距離無線傳輸技術方案，搭配穿戴式設備可令裝置端與行動裝置？PC？Notebook進行深度整合，利用無線網通技術實踐更多有趣的整合應用服務，也能進一步增強消費者添購穿戴式行動裝置的購買意願。

尤其是穿戴式產品設計配件化、飾品化的潮流設計，對終端消費者而言，在不同使用場合、時間就會產生不同的穿戴設備使用情境。例如，上健身房或是進行慢跑、游泳等活動時，就會選擇配戴防水、防汗功能更強的運動型穿戴裝置，甚至會需要更精準的獨立型GPS定位功能整合，或搭配心跳帶或進階運動感測元件使用；而若消費者只是一般辦公、娛樂活動，就會選擇裝飾性較強的穿戴式裝置，搭配活動場合使用。

換句話說，穿戴式設備較不如智慧型手機、平板電腦或是筆記型電腦，單一用戶只要購買單項裝置就能滿足使用需求。對穿戴式裝置的應用情境而言，單一使用者可能需要數個不同應用取向的穿戴式設備，甚至搭配更多專用配件進行使用，不僅有利於發展多樣化的穿戴式裝置，連同搭配的配件、增強功能周邊，市場需求將會呈現爆炸性的成長。

搶食穿戴市場  MCU/MEMS競推低功耗、高整合解決方案

同時，檢視穿戴式產品設計需求，終端產品的體積與重量都有一定程度的設計要求，畢竟穿戴設備本身需要配戴在使用者身上，若過重、過大也將導致消費者配戴不適感增加，影響產品使用體驗。

穿戴式產品受限體積、重量外，先前也提過對產品的整體功耗表現要求更高，因此也帶動搭配穿戴式產品設計整合的微處理器(Microprocessor Unit；MPU)、微控制器(Micro Control Unit；MCU)、微機電元件(Micro Electro Mechanical Systems；MEMS)等關鍵元件廠商，競相推出更低功耗、高整合度的新一代解決方案，搶食穿戴式電子應用市場。

對開發穿戴式產品的業者而言，選擇應用解決方案會優先考量解決方案的低功耗表現，再決定是否採用，同時搭配體積、性能等綜合考量決定導入的解決方案項目。

多數如智慧手環、運動輔助穿戴設備，都會優先選擇低功耗表現優異的微控制器作為穿戴裝置的處理核心，避免處理核心過度耗電影響整體設備的電池續航力。對微控制器來說，解決方案大多以優化系統架構的睡眠模式耗電表現，因為穿戴裝置有超過九成的配戴時間是處於未操作狀態，設備僅進行配帶環境感測、記錄，多數的電子迴路幾乎處於閒置狀態，而睡眠狀態的功耗表現也成為對應穿戴式設備開發需求選擇的重要指標。

微控制器廠商為將晶片的系統待機操作電流壓低，優化整體晶片的睡眠狀態功耗表現，而原有單一模式的睡眠狀態，也會對應滿足穿戴式設備的整合需求加入更多種睡眠模式切換，利用多樣化的睡眠模式(Sleep Mode)設計導入，使微控制器可以在精確掌控耗能的前提下，進階設定在不同應用模式的效能與狀態表現，進一步降低裝置整體功耗。

一般來說，能應用於穿戴式設備的微控制器，晶片的運行電流需能壓低至200微安培(μA)以下；深度睡眠模式下的待機電流表現也需要具備低於1微安培(μA)以下水準；另晶片也需要針對不同穿戴應用需求，搭配不同的睡眠模式加以滿足。

搭配多階睡眠模式支援  持續優化解決方案功耗

但除積極優化晶片解決方案的待機功耗表現外，實際上對產品開發者而言，在重視節能表現外也會關注解決方案的系統喚醒時間，這方面的應用表現反而是要求須在更短時間內恢復晶片正常運作為佳。

舉例來說，一般微控制器在強調低功耗設計方面，多數會使用更精密的多層睡眠模式，達到更縝密的功耗優化要求，同時也需要針對不同睡眠模式進行優化系統喚醒恢復的反應時間，避免喚醒時間過久影響用戶的設備使用體驗，因為若晶片需耗較長時間喚醒，也會相對影響穿戴設備的實用性。一般來說睡眠模式喚醒至正常運作效能，微控制器的喚醒時間至少需在5~10毫秒(ms)內完成。

但微控制器業者進行解決方案功耗優化其實並不簡單，因為微控制器能否有效率地在正常運行與睡眠模式快速切換、同時滿足低功耗耗能表現，其實會牽涉到不少設計項目。例如睡眠模式下微控制器會與周邊元件或功能模組進行資料傳輸的切換與暫存，而微控制器與周邊電子電路也會因周邊介面傳輸速度差異影響了不同模式切換的處理時間。

也就是說，當周邊資料傳輸效能提高、相對微處理器在處理睡眠模式與喚醒速度表現也就越快，但周邊介面包含I2C(Inter-Integrated Circuit)、串列傳輸周邊(Serial Peripheral Interface；SPI)、I/O介面等複雜條件，必須在周邊都能同時提升速度下，才能讓微控制器的不同模式切換達到整合設計要求。

關鍵元件持續微縮  元件尺寸更適穿戴設備應用

除微控制器的功耗優化外，穿戴式設備多數用途為搭配感測器蒐集環境數據應用，對於MEMS感測器的應用方案，也必須因應穿戴式設計進行微型化、高整合度設計優化。

在2014年CES(Consumer Electronics Show)展中，InvenSense、STMicroelectronics等MEMS業者也相繼推出高整合度、微型化解決方案。例如，9軸感測器原有解決方案多數仍在4mm x 4mm尺寸，STMicroelectronics運用MEMS製程優化改善尺寸，在CES展推出尺寸僅3mm x 3.5mm的9軸感測器解決方案，同時還整合加速度計、陀螺儀、磁力計等功能，整體解決方案體積整整縮減了35%。

除了體積上的新突破外，MEMS對環境感測應用需球的整合度亦持續提升。例如整合型環境量測單元(Integrated Environmental Unit)即整合壓力、濕度、溫度感測器。而在多種不同應用目的的MEMS元件中，以陀螺儀元件的耗電量最高，相對於加速度計、磁力計所需的功耗有數十倍的差距。隨著穿戴式裝置對於感測精度與要求越來越高，以及行動裝置整合陀螺儀的需求也提高，陀螺儀的耗電問題將需針對穿戴式產品需求進行優化。

陀螺儀的運行功耗要達到穿戴式應用的低功耗要求，必須將陀螺儀的運作電流壓低，才能有效提升陀螺儀的應用優勢。現有針對低功耗要求設計的陀螺儀，在節電設計的效益，功耗表現已僅需前代產品一半的電能就能驅動，也可為導入裝置節約近一半的耗電問題。

雖然陀螺儀在優化耗電問題後，與加速度計、磁力計等類型MEMS元件耗電仍有一段差距，但MEMS元件表現已針對穿戴式產品需求大幅優化，搭配與MCU、RF無線傳輸功能的大幅整合，積極搶食穿戴式產品應用市場。

滿足穿戴式設備顯示應用  曲面、可撓屏幕需求增加

除了MCU、MEMS關鍵元件外，穿戴式產品另一整合關鍵元件即小型顯示器。在Samsung穿戴產品GearFit首度導入曲面LCD顯示屏幕後，為穿戴產品應用螢幕掀起更多想像空間。而以往應用於電子書的E-Ink顯示屏，也在智能手錶產品獲得採用，積極擴大穿戴式產品應用市場。

比較LCD屏幕與E-Ink屏幕應用，LCD屏幕對比E-Ink在發展穿戴式應用顯得較為弱勢，因為LCD屏幕需要搭配背光模組、玻璃屏幕、觸屏整合，顯示屏的複雜度較高，而多層玻璃與背光結構也使得整體顯示模組較厚重且不利饒曲，雖有曲面屏幕解決方案因應智能手錶、穿戴式智能手鐲產品，但實際上在輕薄化、曲面屏幕、可撓曲等特性上均較E-Ink屏幕表現略遜一籌，也進一步擴展E-Ink屏幕的應用市場。

在kickstarter募資平台獲得成功的pebble智能手錶，即為導入E-Ink屏幕的智能手錶架構，讓E-Ink屏幕僅有更換內容時才會耗能的極低耗電元件特性，使智能手錶的整體功耗獲得改善，不僅提升智慧手錶的穿戴應用價值，也讓市場重新重視E-Ink屏幕的穿戴應用機會。

此外，尚有元太與Sony合作開發採塑膠基板的Mobius軟性電子紙。現有Mobius軟性電子紙解決方案最小尺寸為1.73吋，非常適合應用在智慧手錶、手環等穿戴式裝置的顯示需求，Mobius軟性電子紙除具備輕薄、不需背光模組特性外，極省電與可在日光下檢視內容等特性，更為穿戴式產品的應用情境加分。

穿戴嵌入硬體平台  處理器大廠相繼加大投入力度

穿戴式裝置市場目前雖還處於起步階段，關鍵的運算核心為求微型化、低功耗要求，大多以MCU元件為主，或是搭配ARM Base的SoC運算解決方案。

Freescale Semiconductor即推出WaRP平台(Wearable Reference Platform)，計畫以Raspberry Pi、Arduino進入市場搶食穿戴式產品。在WaRP平台上，開發者可以如Raspberry Pi、Arduino開放平台中使用WaRP開放原始碼(Open Source)，透過現成的原始碼提供給開發者組構產品，加速開發速度。WaRP平台為採用Android嵌入式系統，預計2014年第二季推出市場。

也是看準穿戴式產品的龐大商機，Intel在2014年的CES展，也推出採22nm製程為基礎的Edison嵌入式運算平台。Edison嵌入式運算平台為使用Intel Quark技術為基礎，而近期Intel也可能計畫使用x86架構的Atom搭配Edison嵌入式運算平台，增加更多x86架構生態系相關廠商在穿戴式產品應用Edison嵌入式架構平台的誘因。

Intel Edison平台可搭配Linux系統進行穿戴式產品開發，而Edison除省電運算核心外，同時也整合豐富的無線連結、I/O介面支援，亦整合了除Linux外可運行於x86架構下的多種系統平台。

Edison微型平台架構本身外部構型僅一張SD卡尺寸，即內建完整的Wi-Fi、Bluetooth LE無線連結功能，同時整合LPDDR2與NAND快閃記憶體。在CES展中Intel也展示使用Edison平台設計的可監控嬰兒生理資訊的穿戴式運算嬰兒服，與搭配使用的智慧奶瓶加溫器等產品設計方案，未來的應用發展相當值得期待。