单片机开发设计可穿戴设备的7条规则

2021-01-04

过去的一年无疑是半导体行业激动人心的时刻。由于最近对新产品的兴趣和需求增加，硅公司之间的共同热情一直在上升，这些新产品可以补充通常基于智能手机和平板电脑的移动体验。

造成这种现象的主要原因是可穿戴技术。诸如衣物，眼镜，珠宝和手表之类的熟悉物品都配备了传感器，处理器和显示器-这些以前在这些日常物品中都找不到的技术。这个市场的潜力非常可观。

因此，如果可穿戴设备成为每个人都热衷的东西，为什么似乎很少有公司真正知道如何设计它们呢？本指南概述了在设计下一代可穿戴技术时如何解决可穿戴设备市场面临的当前问题。

规则1：扩充，请勿复制

可穿戴设备的一个重要方面是用户体验和界面。可穿戴设备的界面设计应基于消费者的使用方式，而不是基于复制智能手机或平板电脑的体验。

即使使用流行的，现成的操作系统（如Android）听起来像是对带有屏幕的设备的快速便捷的修复，还是最好设计一个定制的，完全皮肤化的界面，以适合微型显示表面的范围。

更重要的是，可穿戴设备应该增加其他移动设备，而不是尝试替代其功能（部分）。尝试使用清单方法填充功能会导致用户很快放弃的功率不足的设备。

相反，设计人员应专注于优化用户和机器界面，以确保可穿戴设备与其他移动设备一起良好工作。

规则2：设计，请勿重复使用

每个工程师都听说过“设计和重用”方法。但是，该原理仅适用于已证明可以通用的设备。可穿戴设备并非如此。

即使可穿戴设备是移动设备的核心，它们对智能手机和平板电脑也有不同且特定的要求（稍后会详细介绍）。

在所有可穿戴设备（智能手表，智能眼镜，智能腕带等）上重复使用移动SoC是不可持续的，这不仅是因为这些设备的形状和尺寸各不相同，而且主要是因为它们的功耗特性可能会发生根本性的变化。

就电池寿命而言，当今的可穿戴设备通常相差很大。当前大多数可穿戴健身设备通常应持续两到三天，而这些设备应持续数周或数月。有报道称，一些智能手表的电池寿命不足一天。大多数消费者期望至少一个星期。人们对智能手机/平板电脑和可穿戴设备的期望不同，并且通常不会将充电方案纳入这些超便携设备的日常习惯中。

另外，如果应该将智能手表在白天用作常规手表，在晚上用作睡眠健康监控器，则用户何时需要对其充电？

规则3：一种尺寸不适合所有尺寸

可穿戴设备具有不同的功能，并且需要特定类型的SoC。如果要为智能设备创建计算平台，则要考虑两个主要类别：

输入可穿戴设备

输入可穿戴设备是健身带，心率监测器，睡眠监测器和近场通信（NFC）环等设备。它们本质上是智能的，连接的传感器，具有最少的显示或没有显示的显示，它们的功耗要求极低。它们的主要作用是收集原始数据，然后进行过滤并将其发送到中央集线器，无论是移动设备（智能手机或平板电脑）还是联网家庭中的住宅网关。在集线器上，此数据被转换为可用信息。然后，其他功能可以根据该信息启用自动操作或警报。

对于此类别，必不可少的元素是设计尽可能低的电源连接。这些设备通常需要高性能的32位MCU类处理器来进行快速，高效的处理，理想情况下，它们是紧凑型，统一的MCU / MPU和DSP嵌入式处理器内核。设计人员还需要为基带通信选择解决方案。在一个小型的集成无线电解决方案中将Bluetooth LE（低能耗）与FM相结合，是超低功耗可穿戴应用的理想选择。

根据应用领域，设计人员还可以包括专用硬件，以支持陀螺仪或运动传感器。

输出可穿戴设备

输出可穿戴设备是诸如智能手表或智能眼镜之类的设备，它们可以快速，轻松地快速访问即时信息。此信息通常可以放在一个小屏幕上，并且可以快速，实时地提供给用户。输出可穿戴设备旨在加速日常工作，并提供了一种与技术进行交互的更直观的方式。

在设计用于输出可穿戴设备的芯片组时，设计人员需要确保SoC内部的每个处理器都得到尽可能有效的利用。在设计底层系统时，低功耗仍然是主要因素，但是重点应该放在创建通用平台上，该平台执行智能手机或平板电脑可能执行的部分任务。

可以通过将低功耗，高性能CPU与最小的可用OpenGL ES 3.0 / OpenCL GPU，支持H.264的硬件视频转码器，可配置的OpenVX就绪ISP管道配对来设计此类智能眼镜平台的示例，以及支持Wi-Fi 802.11n 1x1和蓝牙的连接处理器。

规则四：永远思考，低功耗思考

可穿戴设备的小尺寸要求使用极小的电池，这限制了这些设备的电池寿命。因此，可穿戴设备需要在设计的各个方面实现低功耗方法的智能技术。这是为了确保处理器尽可能高效地运行，并以适合短时激烈活动的方式运行，然后适应更长的空闲时间。设计人员必须实施（或选择已实施的处理器）先进的电源管理技术，例如自动启用的时钟门控，智能开启/关闭特定内核或集群电源以及智能使用微内核固件将更低延迟的工作负载反馈到系统的能力。 DVFS和电源管理决策过程。

为了补充硬件，可穿戴设备需要支持适当的低功耗标准，以实现长期的“始终在线”功能。尽管有很多选项可供选择，但标题的主要竞争者是Bluetooth LE。

蓝牙LE是蓝牙无线技术的节能版本，旨在为大众市场提供实用的连接。蓝牙LE的能效使需要长时间用小电池消耗的设备成为可能。更好的是，蓝牙与现有的智能手机和平板电脑兼容，可实现设备之间的通信。

规则5：安全至上

由于可穿戴设备有权访问以下数据，因此它们需要多层安全保护：

设备安全性：可穿戴设备需要安全地运行操作系统和应用程序；这需要对多个安全环境的支持

链接安全性：可穿戴设备和中央集线器之间的信息传输必须受到保护和加密

云安全性：个人信息存储是另一个脆弱的领域；消费者想知道他们的详细信息远离不必要的入侵者

这些安全层应同时在硬件和软件中启用，并且可以从核心级别一直扩展到系统级别。实施核心级安全性的一个示例是基于虚拟化的方法，其中多个操作系统可以在多个安全上下文中共存，从而在多个应用程序和内容源之间支持安全的内容交付，安全的支付，身份保护等。

规则6：建立可行的生态系统

越来越多的公司开始意识到开发者生态系统对任何消费者平台的成功至关重要的现实。相同的规则适用于可穿戴设备：开发人员需要查看可穿戴设备的增值因素，否则他们将不会创建多个应用程序。

为可穿戴设备创造繁荣环境的另一个重要因素是API和设备互通的开放方法。例如，将兼容性限制为仅某些品牌的设备意味着，除非他们拥有该特定品牌，否则消费者将没有购买可穿戴设备的动机。为了建立平台和API的开放标准，最近的AllSeen联盟等努力是朝着正确方向迈出的一步。

规则7：正确定价

最后，可穿戴设备需要采用类似于其智能手机和平板电脑兄弟的三级定价模型，从而使尽可能多的消费者可以使用它们。围绕可穿戴设备的讨论如此之多，以至于像耐克这样的时尚品牌也开始涉足这一新产品类别。通过创建入门级，中端和高端设备，公司可以创建能够满足不断增长的消费者需求的即时，引人注目的和完整的设备系列。

设计可穿戴设备的未来

考虑到它们的潜力，可穿戴设备显然有成功的机会，考虑到从芯片制造商和OEM到消费者和运营商的所有人，相信在未来十年中对这类设备的需求将很高。一旦达到临界质量，可穿戴技术将嵌入到我们生活的各个方面，使我们能够做得更好，更快，更简单。