【導讀】過去十年，微電子與計算機系統領域的飛速發展，催生了許多功能空前強大的傳感器與移動設備。本文介紹了一種為可穿戴設備應用而優化的物聯網（IoT）傳感器系統參考設計，描述了在可穿戴設備可行性研究與設計期間可能遇到的挑戰，并為硬件設計工程師提供了實用建議。
高計算能力、小尺寸和低成本使人們能夠與可穿戴式設備互動，使其融入人們的日常生活。結合傳感器與無線技術的小型可穿戴設備已在許多應用中變得非常流行，如健康和健身跟蹤以及安全等。它們對提供有關我們的活動和行為的準確及可靠信息非常有用，并將引領我們在生活、社交互動和活動方面的革命，如同個人電腦在幾十年前出現時帶來的革命一樣。
用于人類活動監測的傳感器
可穿戴設備可監測人類活動。在醫療應用中，可穿戴設備能夠監測生理活動，測量體溫、心率、腦活動、肌肉運動和其他重要數據，為患者在家中的康復治療（如術后恢復）提供便利。在體育運動和訓練中，可穿戴設備的嵌入式傳感器可跟蹤和分析使用者的身體活動，然后提供諸如步數、燃燒的卡路里數等信息。
人類活動監測系統的基本架構如圖1所示，根據不同的監測任務使用不同類型的傳感器。來自傳感器的原始數據由處理器收集，處理后的數據顯示在可穿戴設備顯示屏上，或者通過無線電收發器無線傳輸到一個中樞設備，例如智能手機。數據在傳感節點上也許可以完全處理好，也許不能，但大多數在中樞設備進行存儲和處理，并以圖形和/或數值方式顯示。
圖1：人類活動監測系統
常用于人類活動監測的傳感器包括：
①加速計沿著量測軸在特定頻率范圍內測量加速度。通常使用3軸加速計，以提供3D定位信息。
②陀螺儀測量X、Y、Z軸旋轉速度。與加速計結合使用時，它們能夠提供更準確的3D定位信息。加速計和陀螺儀的這一組合可提供6軸信息。
③磁強計。使用磁強計（或通常所稱的磁電機）可進一步改進位置檢測。額外的磁場信息使傳感算法能夠對很長時間上的小偏差進行補償，有助于我們更準確地跟蹤位置和方向的絕對變化。磁強計、加速計和陀螺儀的組合可提供9軸信息。
④測量環境溫度、氣壓和濕度的環境傳感器能夠提供有關環境狀況的準確信息，并能通過結合定位信息與環境條件數據，來進一步改進人類活動監測。
⑤此外還有測量體溫和心率的傳感器。隨著人類活動監測應用變得愈加復雜，更多上述傳感器被用于可穿戴設備，從而為應用開發帶來更多自由度（DoF）。
設計12自由度小型可穿戴設備的挑戰
通常，設計可穿戴設備需要考慮三個關鍵參數：
一是所用傳感器的類型。提供步數或睡眠質量信息的典型活動監測設備可結合使用3軸加速計與無線收發器，使我們能夠在PC、平板電腦或智能手機上進行數據收集。要進行更準確的位置和運動跟蹤，就需要更多的軸，另外還可能要添加環境傳感器。對于提供醫學信息的可穿戴設備，可能還要單獨或結合使用心率和體溫傳感器。
二是所用的低功耗無線協議。在目前使用的各種無線協議當中，藍牙智能是功率效率最高的射頻技術。同時，包括平板電腦和智能手機在內的大多數無線個人計算設備都支持藍牙智能協議。
三是尺寸和成本。可穿戴設備傳感器節點需體積小、重量輕，使得它們能輕松整合到手表、手環、首飾等產品之中。可穿戴設備傳感器節點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，用于活動跟蹤的理想可穿戴傳感器設備，巧妙地將9 軸感測功能和環境傳感器（可實現最佳人類活動跟蹤的）與最低功耗藍牙智能無線技術結合起來，成為全能的小系統。
具有 12 個自由度（9 軸跟蹤以及溫度、氣壓和濕度感測）的傳感器系統可提供對人類活動的最佳跟蹤效果，這是因為在環境狀況信息的輔助下，它能夠提供非常準確的定位信息。然而，將所有這些傳感器都包含于一個非常小的系統，進而整合到可穿戴設備之中并不那么容易。
設計小尺寸系統的挑戰包括：
①磁強計布置。在磁強計測量磁場強度時，其工作可能受到其他強磁場或金屬表面的影響。在電池供電的可穿戴設備中，數據準確度會受到射頻信號和天線系統及電池本身的影響。
②電池及電池座布置。在非常小的可穿戴設備系統中，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，會影響磁電機的性能，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。這就需要仔細進行系統設計，以便可穿戴設備具有良好的射頻性能，且磁強計性能不受影響。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點和缺點。
物聯網傳感器參考設計
這里我們介紹一種包含上述所有特征的物聯網傳感器參考設計，以及實現可穿戴設備應用最佳系統尺寸的硬件設計考慮事項。該參考設計基于Dialog半導體公司的高度集成DA14583藍牙智能控制器，可減小系統尺寸和成本。它包括用于加快設計先進物聯網設備需要的所有關鍵硬件和軟件。
該參考設計是為可穿戴計算、浸入式游戲、增強現實以及3D室內地圖和導航應用設計運動感測模塊的完整開發平臺。它結合了藍牙無線通信和ARM Cortex-M0處理器與加速計、陀螺儀、磁強計和環境傳感器，非常適合資源有限的系統，因為它可以最大限度降低內存和處理要求及功耗。該參考設計的主要元件是DA14583系統級芯片（SoC）和博世傳感器。
DA14583 SoC具有針對藍牙智能技術的完全集成式無線電收發器和基帶處理器。它可以用作獨立應用處理器或托管系統中的數據泵。DA14583藍牙智能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的功耗達到了空前低的水平。其在睡眠模式（僅為保留內存供電）下的電流消耗僅0.5 μA，當為所有系統內存供電時，睡眠電流為1.2 μA。在3V電源電壓條件下，發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化電池尺寸。非常小的電池就能讓SoC使用幾個月之久。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/數轉換器的模擬數據。
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。
該參考設計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位慣性測量單元，針對需要高度準確的實時傳感器數據的移動設備及室內應用而設計。在完全工作模式下，加速計和陀螺儀啟用，電流消耗典型值為950 μA，能夠確保電池供電式設備上安裝的應用程序始終在線。
BMM150（地磁傳感器）：是一種用于指南針應用的低功耗、低噪聲 3 軸數字式地磁傳感器。基于博世的專有 FlipCore 技術，BMM150 的性能和特性經過仔細調優，可完全滿足 3 軸移動設備應用（如電子指南針、導航和增強現實）的苛刻要求。
BME280（環境傳感器）：是一種專為低功耗應用開發的集成式環境傳感器。內置濕度傳感器具有極快的響應時間，可滿足新興應用（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量精度。濕度傳感器具有極快的響應時間，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。
在進行系統設計時必須確保實現不受干擾的高性能，同時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帶來的限制因素。磁電機應當距紐扣電池3 mm - 5 mm遠，距大電流跡線（如鄰近DC/DC轉換器和電感的跡線）10 mm遠。同時建議與電源軌保持3 mm - 4 mm的距離。值得注意的是，磁電機可以置于接地（GND）平面之上而無需留有間隙。
在系統中，電池扮演著重要角色，因為其尺寸決定著可穿戴設備印刷電路板的尺寸和產品的總功率。通常，鈕扣電池在可穿戴設備上的理想位置是在印刷電路板下面。這可確保與磁電機間的最大距離，并優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。
該參考設計可選擇兩種天線：印刷電路或陶瓷片。選擇陶瓷片天線因為其小尺寸、可靠性、多用途性和易于調諧。由于可穿戴設備印刷電路板的尺寸小，所以天線布置仍然是一個挑戰。通常情況下，天線應放在印刷電路板的角部，確保遵守其數據表中描述的連接焊盤說明和接地（GND）間隙要求。圖2是該參考設計的整體布局。
圖2：實際可穿戴設備印刷電路板裝配，頂視圖（左）和底視圖（右）
通常，目標印刷電路板厚度應當約為1.6mm，這還可以確保磁電機與鈕扣電池及電池座間的額外距離。在遵守相關說明條件下，裝配完成后的印刷電路板設計如圖2所示。參考設計中使用的是4層印刷電路板。
測量結果表明，在睡眠模式下，該參考設計僅消耗11uA（平均值）電流。在廣播模式下，電流消耗上升至110uA（平均值）。當連接至主機，在沒有運動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備處于移動狀態的情況下測得。這也證實了該參考設計的省電特點。
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