高計算能力
、xiaochicunhedichengbenshirenmennenggouyukechuandaishishebeihudong
，shiqirongrurenmenderichangshenghuo。jiehechuanganqiyuwuxianjishudexiaoxingkechuandaishebeiyizaixuduoyingyongzhongbiandefeichangliuxing，rujiankanghejianshengenzongyijianquandeng。tamenduitigongyouguanwomendehuodonghexingweidezhunquejikekaoxinxifeichangyouyong，bingjiangyinlingwomenzaishenghuo

、社交互動和活動方麵的革命

，如同個人電腦在幾十年前出現時帶來的革命一樣。

 

 

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，為患者在家中的康複治療（如術後恢複）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，然後提供諸如步數、燃燒的卡路裏數等信息。

 

人類活動監測係統的基本架構如圖1suoshi，genjubutongdejiancerenwushiyongbutongleixingdechuanganqi。laizichuanganqideyuanshishujuyouchuliqishouji，chulihoudeshujuxianshizaikechuandaishebeixianshipingshang
，huozhetongguowuxiandianshoufaqiwuxianchuanshudaoyigezhongshushebei，liruzhinengshouji。shujuzaichuanganjiedianshangyexukeyiwanquanchulihao
，yexubuneng
，dandaduoshuzaizhongshushebeijinxingcunchuhechuli，bingyituxinghe/或數值方式顯示。

 

圖1：人類活動監測係統

 

常用於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範圍內測量加速度。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ke進jin一yi步bu改gai進jin位wei置zhi檢jian測ce。額e外wai的de磁ci場chang信xin息xi使shi傳chuan感gan算suan法fa能neng夠gou對dui很hen長chang時shi間jian上shang的de小xiao偏pian差cha進jin行xing補bu償chang
，有you助zhu於yu我wo們men更geng準zhun確que地di跟gen蹤zong位wei置zhi和he方fang向xiang的de絕jue對dui變bian化hua。磁ci強qiang計ji
、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
，並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(ci)外(wai)還(hai)有(you)測(ce)量(liang)體(ti)溫(wen)和(he)心(xin)率(lv)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。隨(sui)著(zhe)人(ren)類(lei)活(huo)動(dong)監(jian)測(ce)應(ying)用(yong)變(bian)得(de)愈(yu)加(jia)複(fu)雜(za)，更(geng)多(duo)上(shang)述(shu)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)用(yong)於(yu)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)
，從(cong)而(er)為(wei)應(ying)用(yong)開(kai)發(fa)帶(dai)來(lai)更(geng)多(duo)自(zi)由(you)度(du)（DoF）。

 

 

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、pingbandiannaohuozhinengshoujishangjinxingshujushouji。yaojinxinggengzhunquedeweizhiheyundonggenzong
，jiuxuyaogengduodezhou，lingwaihaikenengyaotianjiahuanjingchuanganqi。duiyutigongyixuexinxidekechuandaishebei

，kenenghaiyaodanduhuojieheshiyongxinlvhetiwenchuanganqi。

 

二(er)是(shi)所(suo)用(yong)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)無(wu)線(xian)協(xie)議(yi)。在(zai)目(mu)前(qian)使(shi)用(yong)的(de)各(ge)種(zhong)無(wu)線(xian)協(xie)議(yi)當(dang)中(zhong)
，藍(lan)牙(ya)智(zhi)能(neng)是(shi)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)最(zui)高(gao)的(de)射(she)頻(pin)技(ji)術(shu)。同(tong)時(shi)
，包(bao)括(kuo)平(ping)板(ban)電(dian)腦(nao)和(he)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)在(zai)內(nei)的(de)大(da)多(duo)數(shu)無(wu)線(xian)個(ge)人(ren)計(ji)算(suan)設(she)備(bei)都(dou)支(zhi)持(chi)藍(lan)牙(ya)智(zhi)能(neng)協(xie)議(yi)。

 

三是尺寸和成本。可穿戴設備傳感器節點需體積小
、重量輕
，使得它們能輕鬆整合到手表
、手環、首飾等產品之中。可穿戴設備傳感器節點還需成本低並且隻需最少的外部元件，將物料需求降到最低。

 

總之
，用於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

，成為全能的小係統。

 

具有 12 個自由度（9 軸跟蹤以及溫度、氣壓和濕度感測）的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)可(ke)提(ti)供(gong)對(dui)人(ren)類(lei)活(huo)動(dong)的(de)最(zui)佳(jia)跟(gen)蹤(zong)效(xiao)果(guo)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)在(zai)環(huan)境(jing)狀(zhuang)況(kuang)信(xin)息(xi)的(de)輔(fu)助(zhu)下(xia)
，它(ta)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)非(fei)常(chang)準(zhun)確(que)的(de)定(ding)位(wei)信(xin)息(xi)。然(ran)而(er)，將(jiang)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)包(bao)含(han)於(yu)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)係(xi)統(tong)，進(jin)而(er)整(zheng)合(he)到(dao)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)之(zhi)中(zhong)並(bing)不(bu)那(na)麼(me)容(rong)易(yi)。

 

設計小尺寸係統的挑戰包括：

 

①ciqiangjibuzhi。zaiciqiangjiceliangcichangqiangdushi，qigongzuokenengshoudaoqitaqiangcichanghuojinshubiaomiandeyingxiang。zaidianchigongdiandekechuandaishebeizhong，shujuzhunqueduhuishoudaoshepinxinhaohetianxianxitongjidianchibenshendeyingxiang。

 

②電池及電池座布置。在非常小的可穿戴設備係統中，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。

 

③tianxianbuzhi。tianxianxingnenggaoduyilaiqibuzhihechicun。zhejiuxuyaozaixijinxingxitongsheji，yibiankechuandaishebeijuyoulianghaodeshepinxingneng
，qieciqiangjixingnengbushouyingxiang。keshiyongdetianxianleixinghenduo，baokuoyinzhihuotaocitianxian，danmeizhongtianxiangeyouqiyoudianhequedian。

 

 

這zhe裏li我wo們men介jie紹shao一yi種zhong包bao含han上shang述shu所suo有you特te征zheng的de物wu聯lian網wang傳chuan感gan器qi參can考kao設she計ji
，以yi及ji實shi現xian可ke穿chuan戴dai設she備bei應ying用yong最zui佳jia係xi統tong尺chi寸cun的de硬ying件jian設she計ji考kao慮lv事shi項xiang。該gai參can考kao設she計ji基ji於yuDialog半導體公司的高度集成DA14583藍牙智能控製器
，可減小係統尺寸和成本。它包括用於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
、浸入式遊戲、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台。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係統
，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係統級芯片（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係統中的數據泵。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，當為所有係統內存供電時，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。這一低功耗有助於優化電池尺寸。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，並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
，能輕鬆適應客戶的需要。此外
，博世傳感器集成度高
，並采用非常小的封裝。

 

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(wei)慣(guan)性(xing)測(ce)量(liang)單(dan)元(yuan)


，針(zhen)對(dui)需(xu)要(yao)高(gao)度(du)準(zhun)確(que)的(de)實(shi)時(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)的(de)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)及(ji)室(shi)內(nei)應(ying)用(yong)而(er)設(she)計(ji)。在(zai)完(wan)全(quan)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)下(xia)，加(jia)速(su)計(ji)和(he)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)啟(qi)用(yong)
，電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)典(dian)型(xing)值(zhi)為(wei)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）：是一種用於指南針應用的低功耗
、低噪聲 3 軸數字式地磁傳感器。基於博世的專有 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）dexingnengyaoqiu。gaichuanganqizaikuanwendufanweishangtigonggaoceliangjingdu。shiduchuanganqijuyoujikuaidexiangyingshijian，eryalichuanganqishiwanquanqiyashide


，juyouyichanggaodejingduhefenbianlvjifeichangdidezaosheng。

 

在進行係統設計時必須確保實現不受幹擾的高性能，同時保持低功耗和占用最小的PCB麵積。PCB布線期間必須考慮磁電機帶來的限製因素。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，磁電機可以置於接地（GND）平麵之上而無需留有間隙。

 

在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)，電(dian)池(chi)扮(ban)演(yan)著(zhe)重(zhong)要(yao)角(jiao)色(se)，因(yin)為(wei)其(qi)尺(chi)寸(cun)決(jue)定(ding)著(zhe)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)產(chan)品(pin)的(de)總(zong)功(gong)率(lv)。通(tong)常(chang)，鈕(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)在(zai)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)上(shang)的(de)理(li)想(xiang)位(wei)置(zhi)是(shi)在(zai)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)下(xia)麵(mian)。這(zhe)可(ke)確(que)保(bao)與(yu)磁(ci)電(dian)機(ji)間(jian)的(de)最(zui)大(da)距(ju)離(li)

，並(bing)優(you)化(hua)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)的(de)使(shi)用(yong)。另(ling)外(wai)這(zhe)還(hai)能(neng)將(jiang)與(yu)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)幹(gan)擾(rao)可(ke)能(neng)性(xing)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)。

 

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、duoyongtuxingheyiyutiaoxie。youyukechuandaishebeiyinshuadianlubandechicunxiao，suoyitianxianbuzhirengranshiyigetiaozhan。tongchangqingkuangxia

，tianxianyingfangzaiyinshuadianlubandejiaobu，quebaozunshouqishujubiaozhongmiaoshudelianjiehanpanshuominghejiedi（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，裝配完成後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於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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