摘要：本文介紹了一種為可穿戴設(shè)備應(yīng)用而優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器系統(tǒng)參考設(shè)計,，描述了在可穿戴設(shè)備可行性研究與設(shè)計期間可能遇到的挑戰(zhàn),，并為硬件設(shè)計工程師提供了實用建議,。

       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(shè)備,。高計算能力,、小尺寸和低成本使人們能夠與可穿戴式設(shè)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(shè)備已在許多應(yīng)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(shè)備可監(jiān)測人類活動,。在醫(yī)療應(yīng)用中，可穿戴設(shè)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(fù)治療（如術(shù)后恢復(fù)）提供便利。在體育運動和訓(xùn)練中,，可穿戴設(shè)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(wù)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(shè)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(shè)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(shè)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：

· 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。

· 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。

· 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,。

· 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。

       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(yīng)用變得愈加復(fù)雜,，更多上述傳感器被用于可穿戴設(shè)備，從而為應(yīng)用開發(fā)帶來更多自由度（DoF）,。

設(shè)計12自由度小型可穿戴設(shè)備的挑戰(zhàn)

       通常,，設(shè)計可穿戴設(shè)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(shè)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(xué)信息的可穿戴設(shè)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(shè)備都支持藍牙智能協(xié)議,。三是尺寸和成本,。可穿戴設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備之中并不那么容易。

設(shè)計小尺寸系統(tǒng)的挑戰(zhàn)包括：

· 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(shè)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,。

· 電池及電池座布置。在非常小的可穿戴設(shè)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(yīng),，會影響磁電機的性能,，從而給電池布置帶來約束。

· 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(shè)計，以便可穿戴設(shè)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(shè)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(shè)計,，以及實現(xiàn)可穿戴設(shè)備應(yīng)用最佳系統(tǒng)尺寸的硬件設(shè)計考慮事項。該參考設(shè)計基于Dialog半導(dǎo)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(shè)計先進物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要的所有關(guān)鍵硬件和軟件。

       該參考設(shè)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(dǎo)航應(yīng)用設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)備及室內(nèi)應(yīng)用而設(shè)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(shè)備上安裝的應(yīng)用程序始終在線。

       BMM150（地磁傳感器）：是一種用于指南針應(yīng)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(shè)備應(yīng)用（如電子指南針,、導(dǎo)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(yīng)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(yīng)時間,，可滿足新興應(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)計的整體布局。

圖2：實際可穿戴設(shè)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(yīng)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(shè)計如圖2所示。參考設(shè)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(shè)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(shè)備處于移動狀態(tài)的情況下測得,。這也證實了該參考設(shè)計的省電特點,。