穿戴裝置的設計與應用

Silicon Labs芯科實驗室有限公司亞太區MCU資深行銷經理彭志昌。

穿戴式裝置的設計，必須考量功能、電池壽命、成本與尺寸。因電池小，容量有限，故須聚焦於用電效率，也因此必須選擇能效高、能因應市場變化、且針腳相容的MCU產品組合，搭配各式低功耗感測器，以及低耗電的無線通訊射頻元件，以延長產品續航力…

聚焦創新與簡化  只為物聯網創價

Silicon Labs(芯科實驗室)亞太區MCU資深行銷經理彭志昌先生，針對「穿戴裝置的設計與應用」之議題做演說，他首先簡介公司成立於1996年，是一家主攻混合信號的無晶圓半導體公司，主力在於創新、簡化與物聯網的相關產品，至今有超過50億個裝置內建Silicon Labs的產品。

穿戴式產品定義  輕薄短小功耗低

彭志昌表示，穿戴式產品的定義，就是兼具體積小、重量輕，並能夠穿戴在身上，同時以電池做為主要供電來源。在功能上，必須具備感測(如動作、環境、生物識別等感測資訊)、處理(依需求處理與儲存各種資訊)與溝通(透過顯示幕或其他介面來呈現結果)。至於傳輸上，則透過有線(USB)或無線(低功耗藍牙或可能用Wi-Fi)的方式將資料傳到電腦或雲端。

現有許多公司都在設計相同外觀的產品，強迫使用者接受其產品體驗。但是穿戴式裝置與其他電子產品不同，還涵蓋了流行時尚等元素，因此如何創造出受歡迎的穿戴式裝置，提供與眾不同之使用者體驗。首先在產品設計就要差異化，包括工業設計與使用者介面(軟體)、感應器(內建更多)、實用(包括電池使用時間)、加值服務。

由於不同應用，在功能、電池壽命、成本、尺寸上，還必須做些取捨。例如簡單且全天候的活動監測產品，電池壽命最重要；健身追蹤產品，則上述4種因素就得取得平衡；智慧手錶產品，當重視其他3種，電池壽命就會變短。

而採用哪種電池(一次性的水銀電池或可充電的鋰聚合電池) 也決定了產品的大小與電源系統的設計。設計者必須聚焦在功耗最佳化這部份，以增加產品使用續航力。

至於MCU的選擇，也是牽扯產品電池壽命的重要關鍵，若能在產品進入睡眠模式時將電力消耗降至最低，則可有效提升電池續航力。選用Silicon Labs的EFM32 MCU系列，可協助設計者在維持相同電力下，縮小電池體積達26%。而在選擇核心部份，基本？中階？高檔產品皆有不同的功能與訴求，可對應選擇Coretex-M0+/M3/M4這些對的CPU等級來支應。

感測處理靠濾波  低耗產品種類多

在穿戴裝置的感測處理部分，以Cortex-M3和M4為例，其耗電量分別為550uA(230uA)和170uA；而後者因有搭配浮點運算，因此在濾波處理效率上更具優勢；搭配能夠偵測環境的改變來調適背光亮度，以及EFM32的PRS(週邊反射系統)來對AD定期採樣，讓MCU快速進入睡眠模式等方式，皆可提高電池壽命。

在EFM32的低功耗感測介面(LESENSE)部分，若要檢測一種溫度波形，一般MCU作法是放計時器來隨時採樣，而改用其EFM32的Gecko MCU，只有在event(活動)觸發時，MCU才被喚醒，如此可大大減少MCU運作需求並降低功耗。

在感測器部分，包含動作(如加速器)、環境(如環境光、紫外光指數、溫濕度)、生物識別(如心率、血氧濃度)等種類，可應用在各穿戴式裝置。該公司的Si1132是一款環境光與紫外線指數感測器，功耗僅1.2uA；而Si114x為心率與血氧濃度感測器，採紅外線光偵測方式，免插針即可感測。這兩款產品大小僅2x2mm，並可透過I²C介面來連結至系統上。

至於無線傳輸在穿戴式的應用中，目前主要是以Bluetooth Smart(智慧藍牙；或稱作BLE，低功耗藍牙)模式連至手機，並進行資料互連。若分析BLE的耗電量(傳輸12mA、接收13mA、交易長度3ms，平均交易用電量9mA)來看，就算全天候打開BLE，電池也僅能支撐18天的壽命，若改成每秒交易一次，必要時才打開，這樣就能延伸到271天。

總結Silicon Labs提供了超過250種EFM32 Gecko MCU產品組合，以及各式低功耗感應器和無線傳輸元件，搭配自家「Simplicity Studio」開發環境，是客戶在設計穿戴式裝置時，最有利的武器。