【導讀】過去十年，微電子與計算機系統(tǒng)領(lǐng)域的飛速發(fā)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(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器系統(tǒng)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(zhàn)，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(jié)合傳感器與無線技術(shù)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(guān)我們的活動和行為的準確及可靠信息非常有用，并將引領(lǐng)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(xiàn)時帶來的革命一樣。
用于人類活動監(jiān)測的傳感器
可穿戴設備可監(jiān)測人類活動。在醫(yī)療應用中，可穿戴設備能夠監(jiān)測生理活動，測量體溫、心率、腦活動、肌肉運動和其他重要數(shù)據(jù)，為患者在家中的康復治療（如術(shù)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(shù)、燃燒的卡路里數(shù)等信息。
人類活動監(jiān)測系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示，根據(jù)不同的監(jiān)測任務使用不同類型的傳感器。來自傳感器的原始數(shù)據(jù)由處理器收集，處理后的數(shù)據(jù)顯示在可穿戴設備顯示屏上，或者通過無線電收發(fā)器無線傳輸?shù)揭粋€中樞設備，例如智能手機。數(shù)據(jù)在傳感節(jié)點上也許可以完全處理好，也許不能，但大多數(shù)在中樞設備進行存儲和處理，并以圖形和/或數(shù)值方式顯示。
圖1：人類活動監(jiān)測系統(tǒng)
常用于人類活動監(jiān)測的傳感器包括：
①加速計沿著量測軸在特定頻率范圍內(nèi)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(zhuǎn)速度。與加速計結(jié)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?qū)荛L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(huán)境溫度、氣壓和濕度的環(huán)境傳感器能夠提供有關(guān)環(huán)境狀況的準確信息，并能通過結(jié)合定位信息與環(huán)境條件數(shù)據(jù)，來進一步改進人類活動監(jiān)測。
⑤此外還有測量體溫和心率的傳感器。隨著人類活動監(jiān)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(fā)帶來更多自由度（DoF）。
設計12自由度小型可穿戴設備的挑戰(zhàn)
通常，設計可穿戴設備需要考慮三個關(guān)鍵參數(shù)：
一是所用傳感器的類型。提供步數(shù)或睡眠質(zhì)量信息的典型活動監(jiān)測設備可結(jié)合使用3軸加速計與無線收發(fā)器，使我們能夠在PC、平板電腦或智能手機上進行數(shù)據(jù)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(huán)境傳感器。對于提供醫(yī)學信息的可穿戴設備，可能還要單獨或結(jié)合使用心率和體溫傳感器。
二是所用的低功耗無線協(xié)議。在目前使用的各種無線協(xié)議當中，藍牙智能是功率效率最高的射頻技術(shù)。同時，包括平板電腦和智能手機在內(nèi)的大多數(shù)無線個人計算設備都支持藍牙智能協(xié)議。
三是尺寸和成本。可穿戴設備傳感器節(jié)點需體積小、重量輕，使得它們能輕松整合到手表、手環(huán)、首飾等產(chǎn)品之中。可穿戴設備傳感器節(jié)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(huán)境傳感器（可實現(xiàn)最佳人類活動跟蹤的）與最低功耗藍牙智能無線技術(shù)結(jié)合起來，成為全能的小系統(tǒng)。
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(tǒng)可提供對人類活動的最佳跟蹤效果，這是因為在環(huán)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(tǒng)，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(tǒng)的挑戰(zhàn)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(shù)據(jù)準確度會受到射頻信號和天線系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)點和缺點。
物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)傳感器參考設計，以及實現(xiàn)可穿戴設備應用最佳系統(tǒng)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(tǒng)尺寸和成本。它包括用于加快設計先進物聯(lián)網(wǎng)設備需要的所有關(guān)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(xiàn)實以及3D室內(nèi)地圖和導航應用設計運動感測模塊的完整開發(fā)平臺。它結(jié)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(huán)境傳感器，非常適合資源有限的系統(tǒng)，因為它可以最大限度降低內(nèi)存和處理要求及功耗。該參考設計的主要元件是DA14583系統(tǒng)級芯片（SoC）和博世傳感器。
DA14583 SoC具有針對藍牙智能技術(shù)的完全集成式無線電收發(fā)器和基帶處理器。它可以用作獨立應用處理器或托管系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)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(nèi)存供電）下的電流消耗僅0.5 μA，當為所有系統(tǒng)內(nèi)存供電時，睡眠電流為1.2 μA。在3V電源電壓條件下，發(fā)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(yōu)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(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬數(shù)據(jù)。
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(shù)據(jù)的移動設備及室內(nèi)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(shù)字式地磁傳感器。基于博世的專有 FlipCore 技術(shù)，BMM150 的性能和特性經(jīng)過仔細調(diào)優(yōu)，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(xiàn)實）的苛刻要求。
BME280（環(huán)境傳感器）：是一種專為低功耗應用開發(fā)的集成式環(huán)境傳感器。內(nèi)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(tǒng)設計時必須確保實現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)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(chǎn)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(yōu)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(diào)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(zhàn)。通常情況下，天線應放在印刷電路板的角部，確保遵守其數(shù)據(jù)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(guān)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(jié)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(tài)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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