滿足穿戴式應用需求　GNSS模組邁向低功耗/小體積

健身/醫療需求帶動穿戴裝置加速成長

根據市場研究機構Gartner發布的報告指出(表1)，2016年全球將銷售兩億七千四百六十萬台穿戴式裝置，較2015年成長18.4%，並將創造287億美元的營收，其中有115億美元來自智慧手表。

表1 Gartner全球穿戴式裝置預測 (單位：百萬台)

在預測的兩億七千四百六十萬台裝置中，占最大比例的是藍牙耳機(一億兩千八百五十萬台)、其次是智慧手表(五千零四十萬台)及健康手環(三千五百萬台)。雖然Apple推出的Apple Watch已為智慧手表樹立了業界標準，但健身用穿戴式裝置的需求亦強勁成長，包括運動手表、健身手環，以及跑者、單車騎士和水上運動玩家廣泛使用的生理訊號監控裝置等。

Gartner指出，由於採用特殊的特定應用使用者介面，並需要環境耐用性與先進的感測器與分析技術，這類穿戴式裝置的平均零售價格在未來幾年內都會維持一定的水準。因此，為了從智慧手表市場中爭奪更多的市佔率，健身手環製造商非常熱衷於提供能與智慧型手機競爭的多樣化功能，像是行動支付。

這些製造商也同時積極地開發優質的雲端付費服務，以分析由裝置所產生的數據資料。而健身手環與胸扣帶也可用來做為健康促進計畫所使用的裝置。由於全球醫療專家相信，個人的活動程度與身體健康息息相關，因此在美國，這類裝置一開始是由醫療機構來推動的。許多健康計畫甚至會支付酬勞來鼓勵他們維持固定運動的習慣，以防止由於缺乏運動造成未來龐大的醫療照護成本。

選擇適合連接技術滿足不同傳輸量/功耗

不管是哪一種穿戴式裝置，連接技術都是重要的需求之一。常用的方式包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee和蜂巢式技術，每種技術都各有優點。舉例來說，開發新款健身手環時，工程師必須考慮資料傳輸量的大小、傳輸次數多寡，以及距離遠近等問題。

針對每種應用，會需要考量不同的傳輸範圍、傳輸速率及使用案例。使用案例的考量包括，健身手環是否須連結至智慧型手機，再將收集到的資料傳送到雲端，以及智慧型手機應用程式是在近端或是雲端分析數據，這些都會影響到設計決策的制訂。

穿戴式裝置一定是用電池供電方式，這也會影響通訊連接技術的選用。藍牙低功耗(BLE)是專為低功耗需求所設計的，同時也適用於數據傳輸量較少的應用。現在幾乎任何一款的智慧型手機都能支援藍牙低功耗通訊標準。然而，如果需要傳輸較大的數據，像是幾MB的數據量，那麼設計人員最好考慮採用傳統藍牙或Wi-Fi，然後再考量所需的傳輸範圍。藍牙低功耗通常能在視距直線範圍內傳輸超過30公尺。

在健身手環的例子中，若穿戴者隨身帶著智慧型手機，傳輸距離就不會有問題。但是，有些穿戴式應用僅適合使用蜂巢式通訊技術，因為它們必須獨立運作且不倚賴其他的通訊方式。舉例來說，像是單獨在隔離環境中作業的工人所使用的追蹤手環就是很好的例子。

其他的例子包括，能夠提供近乎即時定位訊息的兒童與寵物追蹤器。以u-blox的SARA-U2為例，便是可提供蜂巢式連接技術的模組。該產品LGA封裝元件尺寸僅有16×26×3mm，而且重量不到3公克，是空間受限的穿戴式產品的理想選擇。此模組可提供高速的5.76Mb/s(HSUPA)與7.2Mb/s HSDPA資料傳輸速率，並有低電流消耗的待機模式，電流值只有0.9mA。

GNSS實現穿戴式裝置定位設計

除了連接功能之外，許多穿戴式裝置還須要追蹤與記錄穿戴者的位置。運動成果監控器與自行車手表會利用它來記錄穿戴者的心跳、正確的經緯度與海拔。有兩種方式可在設計中納入定位功能。最常見的方式是利用全球導航衛星系統(GNSS)接收器，但穿戴式應用則需要以最精巧、最省電的方式來實現才行。

以u-blox的EVA-M8M為例，該產品是適用於任何一種穿戴式設計的43接腳、LGA封裝、GNSS模組。它的尺寸為7×7×1.1mm，這款表面黏著裝置重量僅0.13克，在完全的連續運作模式下，最高功耗僅25mA電流，並在省電模式時降低至5.5mA，這時GNSS資料是每秒更新一次。圖1所示為EVA-M8M模組的方塊圖，可看出在其精巧封裝中包含了完備的功能性。

圖1 u-blox的EVA-M8M GNSS模組方塊圖

跟GNSS系統相同，要取得可靠的位置定位是取決於天線是否能夠「看到」衛星。在室內，或是衛星訊號被大型建築物遮蔽的環境，像是大樓林立的市中心或是訊號微弱的區域，這都會是主要的設計挑戰。有些穿戴式設計可能需要可靠的室內接收功能，例如，之前提到的單獨作業工人。

這些需求都應該納入設計考量，而主要的通訊方式是透過蜂巢式技術，然後利用以行動網路為基礎的定位方式，便能與GNSS數據互補。透過蜂巢式服務來維護蜂巢式網路的定位資料，例如u-blox的CellLocate(圖2)，能根據其他支援CellLocate功能的模組先前所觀察到的結果，估算出裝置的大略位置。

圖2 行動網路定位技術方塊圖

輕薄短小為穿戴式裝置設計關鍵

在面對穿戴式設計的挑戰時，工程師須採取哪些主要步驟才能開始著手設計？第一個步驟是，須透徹瞭解裝置的需求：此穿戴式應用要監測的資料有哪些？須採用哪一種感測器，以及有哪些潛在的應用案例？審視應用案例尤其重要，因為它能突顯出像是產品大小、可用空間，以及生命週期等重要的設計因素。這些因素將會影響電池的可用空間，並對電池容量帶來直接的影響，當然也會與充電週期及電池壽命等特性有直接關聯。

各種不同的使用案例也有助於確認所需的通訊方式。它是否需要利用智慧型手機做為與雲端應用相連的閘道器，或者它是利用自己的蜂巢式數據連接來直接通訊？對許多物聯網(IoT)裝置來說，一個日益重要的考量是能否透過空中傳輸(OTA)方式來更新裝置韌體，而不需要使用者從製造商網站下載新的裝置版本到PC中，再將其上傳至穿戴式裝置。採用OTA方式所需的主機處理器規格與記憶體容量應謹慎評估，以確保它的可行性。

大部分穿戴式裝置都會受到與穿戴者相同環境因素影響，因此雨水、濕度、灰塵及溫度變化等都須納入產品設計，考量它是否需要防水防塵等級認證(IP)，以滿足行銷訴求及使用者的期望與體驗。

此外，最終設計完成的穿戴式裝置，使用者是否會因為它的大小、重量與形狀而感到不舒服，這些都是攸關產品未來能否成功的關鍵要素。工程師不僅需要考量選用元件的電氣規格，還必需重視它們的物理特性。如同上文中提到的SARA-U2蜂巢式模組及EVA-M8M GNSS模組，它們的重量加起來只有3.13公克，是各類型穿戴式設計的理想選擇。

搶攻穿戴式裝置商機　降低功耗不可少

在為產品做行銷需求分析時，也同時要估算可能的銷售數量。這不僅攸關生產決策，還會影響整體的物料清單(BOM)目標。從通訊連接技術來看，許多工程師可能會評估採用分離式元件是否會優於模組方案。不過，成本與代價的差異往往是一門艱難的課題。分離式元件設計的BOM可能會比較便宜一些，但是它的測試與認證成本卻會顯著增加，以致最終成本其實差異不大。

若是在PCB上建置已經預先通過全球大多數無線規範機構認證的模組，產品便能銷售至更多地區，還能節省大量的產品開發、測試與認證時間。此外，RF設計更是一項特殊技術且需要特定的測試儀器和設備。由於元件的設計布局不佳而造成EMI問題，可能導致工程師須花費數星期來解決問題，甚至還可能被迫重新設計PCB，這些問題都會抵銷採取分離式元件設計所取得的成本效益。

許多嵌入式工程師必須在不斷嘗試錯誤的過程中，學習盡量延長電池壽命的技巧。為穿戴式設計選用通訊連接與GNSS模組時，工程師也須要謹慎評估模組的技術文件，清楚它如何將功耗降至最低，而且不會影響裝置的反應速度，特別是與使用者互動有關的功能。

目前，市場中大部分的微控制器與模組都能提供多種不同的省電模式，工程師須仔細評估，才能找出最適合其應用需求的方案。通常，這些模式會選擇性地開啟或關閉某些模組功能。舉例來說，透過將部分的GNSS接收器開啟或關閉，u-blox EVA-M8M能利用省電模式來降低系統功耗，圖3為此流程狀態方塊圖。

圖3 u-blox EVA-M8M GNSS模組的省電模式狀態圖

EVA-M8M GNSS模組省電模式有五個不同的狀態，分別定義為：停止(等待下一次的定位、下一次的搜尋)、擷取、追蹤及功率最佳化追蹤。每個狀態各有不同的功耗條件，其中擷取會消耗最多的功率，功耗最低的是停止，因為在此狀態中，接受器的大部分功能都會被關閉。

透過充分利用GNSS模組中的這些省電模式，以及通訊連接模組提供的類似方法，將能顯著延長穿戴式裝置的電池壽命，並提升使用者體驗。最後，所有這些因素都將決定產品是否能商業化成功，以及是否能提升製造商的品牌聲譽。

(本文作者為u-blox首席策略長)