結合感測器和無線技術的穿戴式裝置可達成眾多應用。為提供更即時有效的服務，並滿足穿戴式裝置日益精巧的體積，晶片商致力提升感測器及無線傳輸技術，使其更小、更省電，以創造更多創新應用。
結合了感測器及無線技術的小型穿戴式裝置在許多應用中都大受歡迎，包括健康和健身追蹤，以及安全用途等。圖1展示數個範例，這些裝置能針對個人的活動和行為提供精確與可靠的資訊，就如同數十年前的個人電腦一般，看起來它們也將革新一般人的生活、社交互動及活動方式。
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| 圖1 穿戴式裝置範例 |
在醫療應用中，穿戴式裝置能監測生理活動。在病患的復原期間，例如手術後，測量身體溫度、心率、腦部活動、肌肉動作及其他重要數據的感測器有利於進行居家治療。藉由穿戴式感測器的協助，醫生、護士或照護者能遠距監測病患的醫療數據和生理活動。這些裝置也通常用於照護老年人或體弱多病之人，例如跌倒偵測等。此外，穿戴式智慧緊急求助按鈕，也能讓長者心安。
隨著智慧手表、追蹤裝置、智慧眼鏡及類似裝置越來越普及，運動和訓練方面穿戴式感測器的使用也越來越多。這些裝置具有可追蹤及分析生理活動的嵌入式感測器，因此能提供使用者像是步數、燃燒的卡路里等資訊。
圖2顯示人類活動監控系統的基本架構。根據監測任務的種類會採用不同型式的感測器。來自感測器的原始數據是由處理器收集。數據經過處理後，將顯示在穿戴式裝置的螢幕上，或是無線傳輸至某個中樞，例如透過射頻(RF)傳送至智慧型手機。數據不一定在感測節點被完全處理，但大部分都會在中樞被儲存及處理，並以圖像形式顯現或存為數據，或是兩者皆有。
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| 圖2 人類活動監控系統 |
各類感測器各司其職 監測人類活動資訊
以下是常被用於監控人類活動的感測器，分別加以說明。
會沿著量測軸(Sensitive Axis)和特定的頻率範圍測量加速度。三軸加速度計通常被用來提供三維(3D)定位資訊。
用於量測X、Y、Z軸上的旋轉速率。與加速度計結合，它們能提供更精確的3D定位資訊。加速度計和陀螺儀的結合，可提供六軸資訊。
藉由磁力計或是磁電機(Magneto)的使用，可以獲得更精密的定位資訊。額外的磁場資訊讓感測演算法可用來補償因為時間太長所產生的些微偏離，如此就能更精確地追蹤位置和方向的絕對變化。磁力計、加速度計和陀螺儀的結合可提供九軸資訊。
用來測量環境溫度、氣壓及濕度，能明確地描摹出環境條件，與位置資訊和環境條件數據的結合，則可應用於更精密的人類活動監控。
除此之外，其他常用來監測人類活動，特別針對醫療應用的感測器則包括：
量測皮膚溫度的變化，可以得知個人生理情況和活動程度。
這是精確的規則變量，在人體健康中扮演重要角色。
隨著監控人類行為的應用變得越來越複雜，穿戴式裝置越來越常使用上述的感測器組合，為應用開發提供了更大的自由度(Degree of Freedom, DoF)。
設計穿戴式裝置 留意三大關鍵參數
在設計穿戴式裝置時，有三大關鍵參數必須加以考量，以下分別加以說明。
在穿戴式裝置中採用感測器組合，追蹤人類行為更有效果。一個典型的提供步數或睡眠品質資訊的活動監控裝置，就結合了一個三軸加速度計和一個無線收發器，讓個人電腦、平板裝置或智慧型手機能夠收集這些數據。而為了更精確地追蹤位置和動作，就需要更多軸數，環境感測器的數目可能也得增加。提供醫療資訊的穿戴式裝置可能還得採用個別或組合形式的心率和體溫感測器。
在今日所採用的各種無線協定中，藍牙智慧(Bluetooth Smart)是能源效率最佳的無線技術。再者，Bluetooth Smart已取得大部分個人無線裝置的支援，包括平板裝置和智慧型手機等。
穿戴式感測器節點必須夠小夠輕，才容易跟手表、手環、首飾等產品整合。穿戴式感測器節點的成本也必須夠低，所需外部元件數量須減至最少，如此才能將系統材料成本降到最低。
總而言之，理想中的追蹤活動穿戴式裝置結合了九軸及環境感測器，追蹤人類活動效果最佳，加上最低功率的Bluetooth Smart無線技術，則能讓工程師設計出極小的系統。
如前文指出，結合12自由度(12 DoF)(九軸追蹤及溫度、氣壓和濕度感測)的感測器系統，追蹤人類活動的效果最佳，因為它能利用環境條件的相關資訊提供更精密的定位。
結合12自由度 裝置小型化挑戰大
然而，要將所有這些感測器放進一個非常小的系統內，並與穿戴式裝置整合，其實非常不容易。總歸來說，設計生產小型系統尺寸的挑戰在於：
磁力計的功用是測量磁場，所以運作可能連帶受其他強大磁場或金屬表面干擾。在一個無線傳輸而由電池供電的系統，例如穿戴式裝置，數據精確度會受到射頻訊號、天線系統以及電池本身的影響。
電池大小是決定極小型穿戴式系統的印刷電路板尺寸的決定性因素。再者，電池座的軟磁干擾以及電池的金屬表面(通常是鈕扣電池)會影響磁力計的效能，也就限制了電池的布局。
天線的效能非常依賴於其布局和尺寸。系統設計須非常小心謹慎，穿戴式裝置才能具有良好的射頻效能，同時磁力計的效能仍不受影響。可以使用的天線種類頗為多元，包括印刷式或陶瓷天線，但各有優缺點。
除了上述所列挑戰，要實現面積優化系統的關鍵，其一是元件的實體尺寸，再者是能降低材料成本的高水準功能整合程度。
在此要介紹一個物聯網(IoT)感測器參考設計，這個設計解決上述所有的挑戰，並將探討要達到穿戴式應用最佳系統尺寸而必須考量的硬體設計。此一參考設計採用戴樂格(Dialog)的高度整合DA14583 Bluetooth Smart控制器及最新一代的Bosch感測器。
物聯網感測器 設計實例介紹
此一物聯網感測器參考設計，能讓追蹤人類相關活動的應用更容易實現。DA14583 Bluetooth Smart控制器硬體與感測器的結合，可設計出低功率及最小的12自由度無線感測模組，縮減系統尺寸和成本，並包含各種重要的軟硬體，加速先進物聯網裝置的設計製造。
此參考設計是一個完整的開發平台，適用於設計穿戴式運算、沈浸式遊戲、擴增實境及3D室內地圖和導航的動作感測模組。它結合藍牙(Bluetooth)無線通訊和安謀國際(ARM)Cortex-M0處理器，以及加速度計、陀螺儀、磁力計和環境感測器。這對於資源受限的系統而言極為理想，因為能夠最小化記憶體、處理需求及功耗。
此參考設計的主要元件是DA14583系統單晶片(System-on-Chip, SoC)及Bosch感測器，接著分別加以介紹。
善用DA14583系統單晶片
DA14583 SoC擁有完全整合的Bluetooth Smart射頻收發器及基頻處理器。能夠單獨作為應用處理器，或是主機系統中的數據幫浦(Data Pump)。DA14583 Bluetooth Smart SoC帶有一個整合型序列周邊介面(SPI)快閃記憶體(Flash Memory)，所需的外部元件極少，並且採用尺寸極小的QFN40封裝。
DA14583擁有超低功耗。在深度睡眠時僅消耗0.5微安培(μA)，只有記憶體維持運作；而當所有系統記憶體維持運作時，延長休眠的電流為1.2微安培。傳輸及接收模式期間的耗電分別為4.8毫安培(mA)和5.1毫安培，以3伏特(V)供電。這樣的低功耗讓電池尺寸得以最佳化，很小的電池就能為系統單晶片供電長達數月。DA14583可配置性甚高，支援一次性編程(OTP)，提供數個連結感測器的介面，並能讀取整合型類比至數位轉換器的類比數據。
選用低功耗Bosch感測器
此參考設計之所以選擇採用Bosch感測器，是因為它們能提供低功耗、傑出的軟體支援與高度可配置性，很容易地就能適用於客戶需求。此外，Bosch感測器的整合度極高，且封裝尺寸極小。此參考設計所使用的感測器說明如下：
BMI160是一個低功率、低雜訊的16位元慣性測量單元，設計用於需要高度精確、即時的感測器數據的行動及室內應用。在全運作模式中，加速度計和陀螺儀一起運作，耗電一般是950微安培，可支援電池供電裝置的永遠在線(Always-on)應用。BMI160結合加速度計和陀螺儀，具有16位元解析度並採用極小尺寸封裝。
BMM150是一個低功率及低雜訊的三軸數位地磁感測器，用於指南針應用。基於Bosch的專利FlipCore技術，BMM150的效能及特性經過仔細調整，能完美符合三軸行動應用，例如電子羅盤、導航及擴增實境的嚴苛要求。
BME280是一個特別針對低功率應用所開發的整合型環境感測器。內建的溼度感測器具有非常快速的反應時間，能支援情境感知(Context Awareness)等新興應用的效能需求。溫度感測器則具有寬溫度範圍的高精確度。濕度感測器具有非常快速的反應時間，壓力感測則是絕對壓力感測器，具有超高精確度、解析度及極低的雜訊。
Bosch感測器非常適用於穿戴式應用的物聯網感測器參考設計。在單一晶片中結合加速度計和陀螺儀功能，並整合三項環境感測器，因此能達到極小的尺寸。磁力計也非常小。這些感測器皆有傑出的軟體支援。
規劃感測器系統 電路板使用最佳化
為確保高效能不受干擾，並維持低功耗及占用最少的印刷電路板面積，有些須考慮的系統設計考量。
克服磁電機的布局挑戰
在進行印刷電路板(PCB)布局時，得考量磁電機所加諸的限制。磁電機應遠離鈕扣電池3毫米(mm)至5毫米，且須與高電流線路維持10毫米的距離，這些高電流線路包括直流對直流(DC-DC)轉換器及電感附近的電路。再者，最好是能與電源軌(Power Rail)維持3毫米至4毫米的距離。值得注意的是，磁電機可以被放在接地(GND)面上，無須保留間隙。
與鈕扣電池結合
電池的角色極為重要，因為它的尺寸決定了穿戴式裝置的印刷電路板大小，且限定了產品的總電量。較大的電池具有更多的電量，因此運作壽命也得以加長。
一般而言，穿戴式裝置中鈕扣電池的理想位置是在印刷電路板下方。這可確保與磁電機維持最遠的距離，並最佳化印刷電路板面積的使用。與此同時，這也能盡可能地降低與其他感測器互為干擾的可能性。
解決天線問題
此穿戴式設計可考慮使用的天線有印刷電路或陶瓷天線兩種。之所以選擇陶瓷晶片型天線，是基於它的小尺寸、可靠性、通用性及易於調整。
對於小尺寸的穿戴式印刷電路板而言，天線的布局依然是一大挑戰。天線一般應被放置於印刷電路板的角落，以確保符合其產品規格表中所列的接合點(Landing Pad)指示及接地間距。
全部組裝在一起
整體而言，印刷電路板的厚度應是1.6毫米左右，這也能讓磁電機與鈕扣電池及電池座之間有更遠的距離。遵循指示後，最後組裝完成的印刷電路板設計如圖3所示。此參考設計採用四層印刷電路板。
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| 圖3 實際的穿戴式電路板組裝(PCBA)，上方(圖左)及下方(圖右) |
低功耗設計奏效 電源量測結果達標
此處所介紹的穿戴式設計相當注重低功耗考量。所有元件，從Bluetooth Smart控制器到Bosch感測器，都是經過謹慎選擇以符合此需求。此外，隨附的軟體程式可以充分發揮Dialog DA14583和Bosch感測器的高度可配置特性。
表1說明了Bosch感測器在正常及睡眠模式下運作的電流消耗，證明此穿戴式設計的功耗特性已是最佳化，而這些是在最糟糕情況下所收集到的數據。
在睡眠模式下，物聯網感測器參考設計本身僅耗電11微安培(平均)。在通知模式下則提高至110微安培(平均)。當連線至主機，沒有移動而所有感測器皆啟動時，平均耗電是560微安培。當穿戴式裝置移動時，會量測到1.35毫安培(平均)，這是最高的功耗。
(本文作者任職於戴樂格半導體)