可穿戴式设备之智能手环

智能手环作为一种可穿戴式设备，可以通过手环记录日常运动、睡眠等数据，并可与手机、平板、电脑等进行同步数据，进行运动监测和日常的健康管理。

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从消费电子产品历史发展的情况来看，正在经历从移动化、便携化向穿戴化产品方向发展，可穿戴式产品在手机之后正引领一个全新的电子产品时代。各种新的电子器件的应用（如MEMS等）带来了一些创新的产品，给生活工作方方面面带来了更多的改变和新的体验。可穿戴式产品在健康、娱乐、医疗、保健、工业和企业等应用越来越多。在可以预见的未来，越来越多的可穿戴式产品将会出现。

可穿戴式产品市场规模

根据IDC报告，2015年全年出货量为2,370万台，比2014年成长428.1%。2016年大陆市场将保持52.9%的高速成长，到2020年预计出货量将达到8,300万台，未来5年复合成长率将达28.5%。大陆穿戴式产品市场规模虽然比不上智能型手机，未来5年前景看好。

下图是DIGITIMES对于智能手表和智能手环的出货量变化预测：

在移动产品和可穿戴式设备应用领域中，基于ARM公司内核的产品无疑是主流的，ARM公司又是怎样认识可穿戴式架构和技术的呢？我们可以从ARM公司的白皮书中了解一二。下面的翻译来自于ARM白皮书《Advanced Architectures and Technologies for the Development of Wearable Devices》的部分内容。

ARM白皮书《可穿戴式设备开发的高级架构和技术》

应用

多数产品并非独立而存在，连接是可穿戴产品的重要需求。可穿戴式设备亦是多种多样，许多是采用3G或4G连接并与Wi-Fi一起用于高速本地连接；低功耗驱动的可穿戴设备常设计为“应用配件”，这些设备通过Bluetooth LE (Low Energy) 或 BT (Bluetooth) Smart连接到智能手机或平板电脑以利用其用户界面或显示，或者处理并发送数据到互联网或云上，从而连接到服务和实现了物联网中的某个点。由于低功耗的要求，短距离Bluetooth LE技术预计将会继续成为可穿戴设备主要的无线接口。

开发者需要以合适的价位明确定位其产品的目标用户，主要使用案例包括健身运动中的健康跟踪和技能监测，产品从相对低成本的腕带设备（如不到100美元的运动跟踪器）到成本数百美元的定位极限户外活动的高端产品（如滑雪、攀岩、蹦极、抬头显示/HUD、GPS，视频记录、通信）。可穿戴设备还与社交网络APP结合使用，可使用户将数据信息传达到其连接的社区。与用户相关的汇总数据，依据其位置提供关联服务，这意味着应用程序可能将这种穿戴设备扩展到以监测和提高生产力为目标的场景。

挑战

可穿戴技术通过低功耗微控制器或应用处理器、低功耗无线芯片和传感器来实现，如基于运动设备的MEMS和其他环境传感器。下一代的可穿戴设备将会看到这些设备进一步小型化，高度集成解决方案和越来越小的电池，在越来越小的封装形式里提供更多功能。此外，高端产品将会提供越来越先进的显示和处理能力。

要求

对于任何可穿戴设备设计，一个关键要求就是始终开启运行的处理器的使用，处理传感器的连续监测（如加速度计、陀螺仪、GPS、温度和压力传感器）。处理器必须管理日益复杂的算法，通过滤波和解析所有传感器的数据执行“传感器融合”，为用户提供更好的数据信息。需要一个强大的32位处理器内核，在片上做所有的处理，从而减少发送数据量，使电源功耗保持最低。

在功能方面，一个基本的可穿戴设备（如运动跟踪器）可能具有一个简单的OS和Bluetooth Smart连接到移动设备，用或不用显示。另一个方面，一个中档smartwatch，例如运行一个基于Linux的操作系统，带彩显、图像、音频、可能还有蓝牙和Wi-Fi。一个高端的smartwatch，运行一个完整的APP生态系统的操作系统，如Android Wear，要求所有中档可穿戴设备的功能，以及增加更好图形显示、GPS、蜂窝连接和摄像头，可能还有HD高清视频。

在架构方面，可穿戴设备使用32位ARM Cortex-M级别的MCU作为始终运行的CPU，可运行一个简单的RTOS，如FreeRTOS或NetBSD，需要SARAM、ROM、Flash，但没有内存管理单元（MMU）。采用32位ARM Cortex-A处理器可穿戴设备可以运行如Android或Android Weare操作系统，DRAM、ARM Mali GPU、MMU和可能一个ARM Mali显示处理单元（DPU），或者ARM Mali视频处理单元（VPU）。

架构

ARM公司提供了不同系列的Cortex-M和Cortex-A架构产品，用于不同细分可穿戴市场的专用SoC开发，涵盖了从低端到高端的应用。下面用一张图概括了可穿戴设备的系统架构：

智能手环解决方案选择

从目前市场上的手环产品来看，有处理器（Processor）和微控制器（MCU）两种方案。MCU方案不需要复杂的显示，成本较低，更容易为人所接受。采用处理器的方案多搭配一个低功耗的MCU来处理传感器数据信息，处理器方案搭配APP用户体验相对好。

智能手环功能框图

下面是两种方案简单的功能框图：

智能手环中的半导体产品

从媒体曝光的一些产品信息来看，在以微控制器（MCU）为主的产品中，采用STM32的产品比较多。从具体产品来看，智能手环多以基于ARM Cortex-M4内核的STM32F4为主。从产品性能来看STM32L4系列似乎更适合智能手环的应用，毕竟超低功耗的MCU最为适合电池供电的场合。

意法半导体可穿戴产品

总结

作为高端的可穿戴产品苹果Apple Watch，据报道称，在2015年出货约1100万~1200万台，不及预期。高端的可穿戴产品的性价比和用户体验还有待于继续提升，仍会有很大的发展空间。

随着芯片技术的发展和应用深入，可穿戴产品将会融入更多技术。物联网技术中的低功耗广域网（如LoRa等）或许会为手环等可穿戴应用带来一些新的机遇。