如何设计可穿戴技术产品

2021-11-04

如何设计可穿戴技术产品

开发可穿戴电子产品涉及以与更传统的设计截然不同的方式处理设计约束和妥协。

本文讨论了可穿戴技术产品的主要设计权衡。

产品要求

首先列出您的所有硬件功能要求。尽管这对任何产品都至关重要，但对于空间和电池寿命有限的可穿戴设备来说更为重要。

要求可能包括以下任何一项：Wi-Fi、蓝牙、GSM/LTE无线电、音频、相机、视频显示器、GPS、加速度计、3D手势传感器、气压传感器、环境光传感器、距离传感器、生物识别传感器、无线充电、触觉反馈等。

如果您正在使用这些类型的功能，您将需要足够的电池来提供必要的电力。您还需要一块容量足以为设备供电至少几个小时的电池。

能量消耗

问自己以下问题。Wi-Fi、蓝牙和任何其他无线功能是否需要同时激活？他们需要一直活跃，还是只在某些时候活跃？

减少与无线功能相关的大量功耗的一种方法是添加能够确定您的设备在任何给定时间处于什么状态的传感器。

添加加速度计、磁力计、接近传感器或压力传感器等传感器可以确定您的产品何时以及是否需要处于活动状态。

这些类型的传感器可用于让您的产品进入睡眠模式，例如，当产品未主动使用时。

您能否通过关闭显示器来节省电池寿命，例如，当它处于无法读取的位置时。或者，如果传感器检测到环境光源低，您的显示器亮度是否可以调低？

假设您的设备使用GPS。例如，如果设备自上次更新其位置后没有移动，您能否通过关闭 GPS接收器来节省电量。

卸载处理器工作负载

认真考虑使用尺寸限制比可穿戴产品少的处理器代理。大多数情况下，可穿戴产品的代理将是智能手机，它可以执行您想要的产品的许多功能。

智能手机可以通过蓝牙与您的设备进行通信。然后，您的产品可以利用智能手机的高速处理器、蜂窝连接和Wi-Fi。

对于某些可穿戴产品，您可以将智能手机用作辅助用户界面。例如，这是iWatch使用的设置，它的所有无线功能都取决于手机。

选择合适的电池

大多数可穿戴产品都需要具有高能量密度的电池，以便在预期的运行时间内运行。可穿戴产品使用锂离子电池技术必不可少。

一定要选择信誉良好的供应商。您不希望您的可穿戴设备意外着火并烧毁您的客户！

您需要在对高电压和高能量密度电池的需求与客户安全之间取得平衡。可穿戴产品有更严格的安全要求，因为它们会接触您的身体。

此外，请特别注意妥善保护您的电池。这包括电气保护以及为电池创建受保护的机械外壳。

例如，您不希望电池在产品外壳内滚动。您希望它们紧密贴合，但您还需要考虑随着时间的推移会发生的任何自然肿胀。

锂离子电池可能非常危险，因此必须非常小心地处理和设计它们。

您可能还需要考虑使用弯曲或不规则形状的电池。它们可以帮助您最大限度地利用可用空间。但请记住，在大多数情况下，它们需要进行定制设计。

请注意，选择定制电池设计需要额外的安全认证。您的产品需要的任何额外认证都会增加前期成本。这意味着您可能要坚持购买现成的电池，因为它们已经过预先认证。

为您的可穿戴产品选择电池时要考虑的最后一件事是您的电池需要能够一次又一次地充电。

如果您选择了定制电池设计，则需要进行生命周期测试以确保它可以正常充电。这种测试可能需要很长时间，所以如果你走这条路，一定要尽早完成你的电池设计。

您很可能会通过USB连接器等充电触点为电池充电。不幸的是，这些连接器在佩戴时会暴露在灰尘、污垢或汗水中，因此应适当考虑以确保可靠的充电连接。

为可穿戴产品使用无线或太阳能充电怎么样？这些往往不适用于可穿戴产品，因为接收线圈或太阳能电池需要较大的表面积。

尺寸限制

产品的物理尺寸和形式决定了许多重要的规格，例如电池的尺寸和形状。它还决定了用户界面有多少可用空间。

它还将定义您选择使用的所有电子设备的最大尺寸。请记住，如果您的产品超出尺寸标准，则将不可行。

由于可穿戴设备往往很小，您可能不得不在某些产品功能上妥协以适应尺寸限制。但请记住，即使产品尺寸增加 1 毫米，也可以极大地提高其电池容量。

许多流行的可穿戴产品都非常小巧——想想用户不想太重或太笨重的Fitbit 或智能手表。如果您在非常有限的产品尺寸内工作，这里有一些注意事项：

对于可穿戴产品，考虑采用高度集成的芯片解决方案，而不是使用多个分立的芯片。然而，定制芯片开发不是你应该考虑的事情，它通常只适用于数十亿美元的公司。

空间有限的产品也可能意味着您不能使用任何类型的预认证模块（它们往往很大）。

需要注意的一个关键特性是用于制造硅SoC的工艺的最小特征尺寸。一般来说，特征尺寸越小，芯片就越密集。反过来，芯片越密集，单个芯片上的功能就越多。

元件放置

将所有组件放在一起通常需要多个堆叠在一起的薄基板PCB。还应考虑使用柔性PCB，以最大限度地利用可用空间。

互连不容忽视，连接器需要非常小且可靠性高。

热管理将在很大程度上决定元件在PCB上的放置。首先，如果组件太热，其可靠性会降低。

另一个考虑是用户可能不希望感到身体佩戴的设备感到不舒服的温暖，即使它对组件本身来说仍然是相当安全的。

因此，设备与用户实际物理接触的部分应避免使用高散热组件。对于接触人体皮肤的设备，实际上已经公布了可接受的最高温度限制。这些限制因材料的实际类型而异。

关于电池腔，它也应该设计有某种形式的泄压口。如果发生（希望很少见）灾难性故障，它应该远离用户。

无线可穿戴设备

您的可穿戴设备是否需要无线功能？如果是这样，那么您希望选择集成尽可能多的所需无线电的SoC。

此外，如果您选择带有集成射频开关的SOC，您可以减少所需的天线数量。如果共享单个天线，它还可以消除对单独天线开关的需要。

如果可能，共享单个天线以降低成本和尺寸。例如，蓝牙和Wi-Fi都使用2.4GHz的载波频率。这意味着它们可以共享单个天线。这反过来又减少了所需的空间。

此外，像这样的 SoC 将具有紧密耦合的多核处理器和集成内存，一个或多个内核专用于运行应用软件。

如果您无法使用单个SoC，请确保您所有的各种芯片都具有兼容的通信通道，如I2C、SPI 或USART。

选择运行一组通用电源轨的SoC，以简化电源传输和管理。

如果无线功能需要更高的电压轨，与使用分立转换器相比，SoC还应将其自己的DC/DC开关转换器集成到空间中。

SoC 由德州仪器、高通、ST等公司制造。您可能需要进行一些研究以选择最适合您个人产品需求的产品。高通也倾向于只与大公司合作，因此它们可能对初创公司不可行。

另一种选择是使用一个FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片来做多个芯片的工作。不利的一面是，您可能需要为此花费大量开发时间。

但是，如果您选择FPGA，您通常会降低产品成本和所需的整体尺寸。

使用ASIC（专用集成电路）是最终的解决方案。ASIC是为个别应用开发的定制芯片。

话虽如此，对于初创公司来说，开发ASIC的成本通常太高（且复杂）。但是，如果您的销量足以证明额外的开发成本是合理的，请考虑使用ASIC。

产品测试

将放在办公桌上的产品与随身携带的产品进行比较。可穿戴产品比固定产品更容易受到机械使用和滥用。

这意味着可穿戴设备需要更严格的冲击、振动、跌落和翻滚测试制度，以确保产品在产品的整个生命周期内保持可靠和运行。

跟踪您的故障率并分析您的故障类型。您希望在任何潜在问题对您的产品的成功造成灾难性影响之前确定它们。

认证

与几乎所有电子产品的情况一样，您的可穿戴设备需要获得FCC认证，以确保产品的电磁干扰(EMI)充分降低，以免干扰其他形式的RF通信。

在美国，任何振荡频率高于9 kHz的电子产品都需要获得联邦通信委员会(FCC)认证。

在欧洲，有一项名为CISPR 22的类似规定。要求与FCC要求非常相似，但在某些频率下的 RF辐射方面更为严格。

其他国家和地区对电磁辐射有类似的规定，并且大多数都非常接近 FCC 的要求。

FCC认证可以分为两种：有意辐射体和非故意辐射体。这取决于您的产品是否具有无线功能，例如蓝牙、Wi-Fi、蜂窝或任何其他类型的无线电发射器。

为这些无线功能使用预先认证的模块将使您能够将您的产品认证为非故意散热器，这比故意散热器认证更便宜且更容易获得。

不幸的是，由于可穿戴设备的尺寸限制，使用预先认证的模块通常不实用。

虽然 EMI 认证涉及产品对其他电子设备的干扰，但对可穿戴设备的另一个重要要求是比吸收率 (SAR)，它与人体对电磁能的吸收有关。

结论

开发可穿戴技术产品本质上比设计具有类似功能的非可穿戴产品更加复杂和昂贵。

严重受限的空间是一个严重的设计约束，通常需要大量的设计权衡。

设计可穿戴产品时，电池寿命和产品尺寸是需要权衡的两个主要因素。您在产品中加入的功能越多，消耗的电量就越多。

消耗的电量越多，您的电池就需要越大，或者您需要接受更短的电池寿命。