可穿戴设计的传感器技术_凯利讯

　　针对可穿戴的应用，有各种各样的传感器被评估，新的设计架构正在涌现，其目的是促进新的应用，减少系统的尺寸和重量，并延长电池寿命。

　　可穿戴设计中的传感器可以从一个简单的传感器改变，它通过一个被动的无线连接连接到一个集线器设备，一直通过智能手表到一个充满不同传感和无线技术的便携包。所有这些都导致不同的传感器架构，这取决于目标应用，这反过来又是驱动模块化开发系统，可以应付可能需要的各种传感器和实现。

　　加速度计和数字罗盘传感器正被用于导航，因为这些可穿戴设计是可移动的，但是这些设备也越来越多地被用作管理其他传感器的集线器。加速度计，如飞思卡尔的XTrimual MMA9553不仅用于导航，而且还用于手势控制。这允许新的应用来控制诸如智能手表之类的可穿戴系统，而不必使用小键盘或语音输入。相反，该装置的关键动作可以触发事件以进行传感器测量。

　　飞思卡尔XMID9553加速度计示意图

　　图1：飞思卡尔的XMID9M5953加速度计已经被专门设计成可穿戴设计中的其他传感器的集线器。

　　通过将微控制器包括在传感器旁边，设备可以管理可穿戴设计中的其他传感器。这降低了硬件设计的复杂性，通过将计算负载远离中央处理器，并减少了需要使所有传感器直接连接。这又降低了整个系统的功耗，延长了电池寿命。

　　健康监测

　　在可穿戴设计中最直接的应用是用一系列新的医用传感器来测量身体的性能，这些传感器是专门考虑这种可穿戴设计而开发的。越来越多的公众对健康生活的兴趣推动了活动监视器的出现，许多设备已经上市。

　　在IMEC比利时和HELST中心开发的身体区域网络(BANS)技术的健康监测装置能够实现具有临床分级功能的精确无创监测。这为更有效和更经济的医疗保健铺平了道路。

　　三星正在与IMEC合作，该平台可以将不同的健康传感器以新的方式结合起来，并将数据开放到云。SimBand平台是在埃因霍温的HOLST研究中心开发的，使用来自其母公司IMEC的技术。这是作为开发人员使用的参考平台，将新的传感器与现有的可穿戴设计结合起来。

　　三星SimBand图像

　　图2：三星开发的SimBand使用了一种新的LED传感器技术，来自IMEC，霍尔斯特，用于健康测量。

　　由IMEC开发的光学传感器使用产生光频率范围的LED。这些被用来测量皮肤中不同层的血液中的氧，并给出脉搏的读数。将此与ECG电测量相结合，给出血液到达手腕的时间，提供血压的估计。SimBand测量14×34毫米，并使用1 GHz双核ARM A7 28纳米芯片，结合处理器、Wi-Fi和蓝牙链路。它还使用了一种新的基于云的开放软件平台，称为三星架构，用于多模式交互(安德烈·萨米)。这从一系列来源收集数据，聚集它并在可穿戴设备上显示它。它通过允许传感器安全地将数据存储在云中而不考虑源的格式或结构来扩展这一点。安德烈·萨米还将允许数据由个体生成，而不是由第三方控制，从而可以更好地保护个人健康数据。

　　IMEC还与多家公司在可穿戴技术方面进行合作。随着霍尔斯特，它与奥林巴斯合作开发一种新的低功耗单通道心电图(ECG)采集芯片，可以植入体内。芯片中的模拟特征提取允许通过智能手表中的数字信号处理器精确监测所选频带中的信号活动。

　　IMEC和奥林巴斯低功率单通道心电传感器图像

　　图3:一个低功耗单通道ECG传感器已经由IMEC和奥林巴斯开发。

　　新的低功耗ECG采集芯片在所有功能都是激活的情况下，仅消耗680NA，并提供了竞争性能，如输入信噪比大于70dB，共模抑制CMRR>90dB，无需任何外部无源元件。

　　温度传感也是可穿戴设计中的关键元件，Microchip技术中的线性有源热敏电阻的MCP97 900/97 00和MCP9701/9701A系列包括低成本、低功耗传感器，其精度从±2°C到0°C到+70°C，从McP900A/9701A和±4°C从0°C到+7。0℃的MCP97 00 / 9701，而通常消耗6μA的电流。与电阻传感器(如热敏电阻)不同，线性有源热敏电阻IC不需要附加的信号调理电路。这消除了偏置电路的开销，因为电压输出引脚可以直接连接到微控制器的ADC输入，从而降低了成本和功耗。

　　对MCP900 /97 00 A和MCP9701/9701A温度系数进行缩放，以提供一个8位ADC的1°C/bit分辨率，其参考电压为2.5 V和5 V。这为需要外部温度变化的测量的应用提供了低成本的解决方案。铝的温度或佩戴者的温度。当测量温度从±25°C的相对变化时，可以达到±1°C的典型精度。

　　这些器件也对寄生电容的影响有免疫力，并且可以驱动大的电容性负载。这提供了PCB布局的灵活性，因为该设备可以从微控制器远程定位，当空间在可穿戴设计中溢价时，有助于能力。在输出中增加一些电容也有助于减少过冲或欠冲输出瞬态响应。然而，电容负载不需要传感器输出稳定性。

　　飞思卡尔在塔式开发系统中集成了一系列传感器，可用于不同技术的可穿戴系统原型。塔式控制器是模块化和可扩展的模块，它提供易于使用、可重新配置的硬件，以及可互换的外围模块，用于通信、存储器和图形LCD，使定制变得容易。开源硬件和标准化规范促进了附加模块的开发，以增加功能和定制。

　　除了塔式系统之外，飞思卡尔还设计了一个开源的、可扩展的参考平台，使OEM成为需要从通用平台快速开发广泛的可穿戴产品设计的构建块。

　　飞思卡尔塔式开发系统的影像

　　图4：飞思卡尔的塔式开发系统允许多个传感器和控制技术相结合，并易于编程，以加速可穿戴系统的设计。

　　与其他可穿戴解决方案不同，新平台不仅限于一个形状因子或产品类别。高度灵活、系统级的设计套件支持嵌入式无线充电，将处理器和传感器结合在混合架构中，以实现可扩展性和灵活性，并附带开源软件。可穿戴参考平台(WARP)针对多个垂直段，如运动监视器、智能眼镜、活动跟踪器、智能手表和医疗/医疗应用。

　　该平台是以飞思卡尔的I.MX 6SaloReo臂CordX-A9 APP处理器为核心处理单元，支持Android操作系统，集成了生产级的硅、软硬件。混合架构是优化的低材料清单(BOM)和飞思卡尔的XMID9M53转键计步器，FXOS90000电子罗盘和ARM CORTEX-M0+KYTIES KL16微控制器的特点。

　　MMA9553结合了加速度计MEMS换能器、信号调理、数据转换和32位可编程微控制器，用于智能、高精度、运动传感平台，能够管理多个传感器输入。该设备可以作为其他传感器的中枢，使得系统级的决策需要复杂的应用，如手势识别、计步器功能、倾斜补偿和校准和活动监测。

　　MMA955 XL设备的编程和配置与Code Davor开发工作室的微控制器软件，版本10.1或更高版本。该标准集成设计环境(IDE)能够快速实现自定义算法和特征以匹配应用程序。MM955 XL设备采用主I C端口，可以管理压力传感器、磁强计、陀螺仪等二次传感器。这允许传感器初始化、校准、数据补偿和计算功能从系统应用处理器卸载。MMA955 XL还充当智能传感中枢和高度可配置的决策引擎。总的系统功耗被保持在最小值，因为应用处理器断电直到需要。

　　混合架构允许设计者解决随着市场的发展而带来的新的机会，并从硬件和软件的角度来扩展和定制它们的设计，以开发单个产品或具有不同传感器范围的设备组合。

　　结论

　　在可穿戴设计中，传感器的使用越来越多，推动了传感器技术和系统架构的创新。使用可编程的、可变的LED来提供与云连接的医学感测，正在驱动来自三星等全球巨头的新一代健康监测应用和设备。

　　使用诸如加速度计之类的关键传感器作为其他传感器的中枢，允许系统设计者最小化中央处理器上的负载，减小尺寸和成本并提高电池寿命。以这种方式，仔细考虑传感器架构允许开发新一代可穿戴设备和应用。