穿戴式裝置平台完美融合了技術創新、生活方式變化和人們對全時聯網的強烈需求。穿戴式裝置不久將會發展成為人類社會的主流應用，並在工作生活中發揮更重要的作用。
因為穿戴式裝置能夠與現在流行的保健、健身、通訊和社交等電子產品互聯互通，所以穿戴式技術市場生態系統得到設計人員的高度關注(圖1)。智慧型手表是最受追捧的穿戴式裝置，在2016年之後將會成為穿戴式市場的霸主。總之，穿戴式裝置會讓人們變得更有力量、資訊更為流通、生活品質更高，且工作能力更強。
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| 圖1 穿戴式裝置能夠與現在流行的保健、健身、通訊和社交等電子 產品互聯互通。 |
本文將詳細介紹廠商在穿戴感測器技術領域所取得的進步，這些進展將推動穿戴感測器技術快速成長，並吸引終端使用者和裝置廠商參與這項令人期待的技術。
確保持續運作 穿戴式裝置要求嚴苛
顧名思義，穿戴式裝置是人們長期戴在身上，持續運作並聯網的電子產品，因此典型的穿戴式裝置應具有以下幾項特性：
穿戴式裝置連續運作，為使用者監視或輸出重要資料，可能具備睡眠模式，但是從不關機。
穿戴設備尺寸小，所用電池亦不大，因此耗電量應極低。假如須要經常充電，穿戴式裝置就會失去存在的意義。低功耗技術的出現，使這項工業革命成為可能。
既然是被使用者穿戴在身上，外形設計應小巧、美觀。對於使用者來說，笨重的裝置是一個額外的累贅，不會被市場接受。
環境感知是新功能，也是穿戴式裝置獲得市場認同的關鍵要素。今日的穿戴式裝置不僅能監測使用者活動量資訊，還能監測溫度、濕度、紫外線輻射等參數。
穿戴式裝置應有一定智慧，能夠濾除真實資料中的雜訊。當有重要資訊需要分享時，應能夠向使用者發出通知。例如，當使用者遭遇意外事故或需要急救時，安全手環應該能夠發出求救訊號。
聯網功能是穿戴式裝置出現和獲得認同的最重要因素。透過藍牙(Bluetooth)、Wi-Fi等無線通訊技術，穿戴式裝置可以連接到智慧型手機或平板電腦。此外，還能連接全球衛星定位系統(GPS)衛星，追蹤使用者的地理位置。
內建各類感測器 偵測變化做即時應變
穿戴式裝置內建的感測器、射頻(RF)晶片和類比元件感測器大略包含智慧感測器、紫外線感測器、壓力感測器、濕度感測器等四大類。
智慧感測器內建慣性測量模組
傳統感測器向微控制器(MCU)發送的是未經過處理的原始資料，微控制器須要採集、處理這些資料，並計算出有用的資訊，例如使用者活動識別。這種方法導致微控制器功耗變大。意法半導體(STMicroelectronics)的LIS2DS12加速度計內部有一個專用的處理器架構，可在感測器內部處理運動和加速度檢測任務，包括自由墜落、喚醒、單按兩下檢測、身體運動、非身體運動、橫豎螢幕檢測、計數器和計數檢測，以及大幅動作檢測。感測器本身可以內部處理感測器資料，對裝置的電池續航能力沒有影響。
此外，慣性測量模組LSM6DS3整合加速度計和陀螺儀，內建計步器和身體運動識別功能，內部序列周邊介面(SPI)輔助裝置介面可連接外部感測器。智慧先進先出(FIFO)功能可在感測器內保存最多8KB資料，因此大幅縮短資料處理過程中的通訊間隔。
這些功能讓感測器展現優異的性能和節能效果。另外，廠商還推出同時支援使用者介面及相機防震功能專用的LSM6DSM慣性測量模組，如果使用者不需要額外的陀螺儀來實踐圖像防震功能，可選擇整合加速度計和陀螺儀的LSM303AH，這個模組同樣具有智慧功能和優異的處理性能，例如嵌入磁偏離補償、加速度計數據FIFO，以及先進電源管理功能。
紫外線感測器提供精確量測數據
人們開始意識到紫外線輻射是全世界導致癌變的主要誘因，因此測量紫外線輻射度變得非常重要。UVIS25是一個數位紫外線指數感測器，能夠精確測量日照紫外線輻射指數(UVI)。這款感測器包括一個感測器單元和一個混合訊號特殊應用積體電路(ASIC)，透過I2C和SPI介面提供紫外線指數資料。
為了提供最精確的紫外指數測量資料，UVIS25測量紫外線指數無須使用專門的紫外線指數演算法，而且廠商不必在生產線上校準感測器。當跨越閾值點或產生新資料時，這個感測器可以生成中斷事件，可用於各種穿戴式產品中，包括智慧手表、手機、雨傘、眼鏡和服飾等。
壓力感測器檢測地球大氣壓力
壓力感測器可以檢測地球大氣壓力，用於開發氣壓計和高度計。LPS22HB壓力感測器精度極高，能夠檢測到使用者所在的樓層。
濕度感測器檢測相對濕度變化
濕度感測器可以檢測濕度參數，應用於包括氣象站、凝結度監測、空氣密度監測和氣體感測器測量校準。濕度感測器HTS221包括一個感測單元和一個類比前端，透過一個數位序列介面提供測量資訊。感測單元是一個聚合物介質的平面電容結構，能夠檢測相對濕度變化。
因應人機互動 麥克風/音訊放大不可少
在音訊方面，主要包括微機電系統(MEMS)麥克風和音訊放大器。
MEMS麥克風將聲音訊號轉化成電訊
MEMS麥克風是一種能夠將聲音訊號轉化成電訊的音訊感測器。因為訊噪比高、外觀尺寸小、數位介面、射頻雜訊耐受度高、抗振性能強，MEMS麥克風的市場關注度日漸超越傳統麥克風。麥克風使人機互動變得更容易、快速及順暢。省去大量的按鈕開關，產品設計變得更為時尚和美觀。
音訊放大器傳送高品質訊號
驅動揚聲器，播放歌曲、語音或聲音提示，還需要音訊放大器。高效音訊放大器能夠提供小巧的低功耗裝置傳送高品質的音訊訊號，因此很多穿戴式裝置都需要一個高效的音訊放大器。
維持裝置長時運作 低功耗藍牙應運而生
智慧藍牙又稱為低功耗藍牙(BLE)，能夠讓穿戴式裝置具有低功耗通訊功能，在穿戴式裝置與智慧型手機、平板電腦、筆電或私人閘道器等主設備之間雙向通訊。智慧藍牙讓穿戴式裝置擁有令人難以置信的電池續航力，這是Wi-Fi和傳統藍牙(Classical Bluetooth)等傳統無線技術難以實現的。
低功耗藍牙作業頻率為2.4GHz工業、科學與醫學(ISM)免費頻段。該標準由藍牙技術聯盟(SIG)管理，支援所有的主要智慧型手機品牌，其適用於低速率傳輸應用，例如感測器資料和控制訊號傳輸。
BLE還支援藍牙標準服務規範，例如心率、血壓和體溫測量、通知、尋我(Find Me)、接近檢測、人機介面裝置(HID)等。藍牙標準服務規範亦支援硬體與應用停止連結等功能。因此，硬體可以向任何使用相同的藍牙標準服務規範的智慧型手機和應用軟體提供藍牙標準服務規範。為確保藍牙在不同裝置的相容性，藍牙技術聯盟還提供藍牙標準服務規範證書。現有的智慧藍牙裝置可分為以下兩大類：
網路處理器是一種智慧藍牙協定的裝置，包括控制器、主機和協定堆疊，還需要另外一個主微控制器來執行BLE藍牙標準服務規範和應用軟體。這是一個獨立的藍牙處理平台，使用者可以靈活地選擇微控制器和最適合的作業系統。例如，BlueNRG-MS是一款網路處理器，其與BLE 4.1標準相容，可以同時是主機和從機。採用這款晶片的智慧手表是智慧型手機的從設備，同時亦是珠寶手飾、智慧鞋、心率附件等穿戴式裝置的主裝置。
系統單晶片(SoC)是一個獨立的晶片組，包括控制器、主機、協定推疊(Protocol Stack)、服務規範和應用軟體。系統單晶片適用於比較簡單的藍牙應用，例如不需要複雜的處理和外設的手環。
穩定運作至關重要 電源管理力求精準
電源管理方面，可以從電池監測、智能復位(Reset)、即時時鐘(RTC)三方面來加以探討。
由於穿戴式裝置的電源是一顆小電池，所以必須以最優化的方式使用電池。精確的電池測量功能可以讓使用者準確掌握電量資訊，並採行智慧化的電池使用方式。例如，當低電量時，即時通知使用者或關閉耗電的模組。
隨著穿戴式裝置趨於智慧化，為管理所有感測器的資訊，軟體複雜程度亦加速提升。隨著產品功能增加，產品終端使用者的錯誤操作頻率也會增加。系統可能會發生衝突，因此必須提供一個讓應用能夠重啟的換碼序列，並保持產品品質和品牌在使用者心目中的形象。例如，STM6519晶片就可讓一個按鍵執行兩個功能(圖2)。
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| 圖2 STM6519晶片可讓一個按鍵執行兩個功能 |
穿戴式裝置的即時時鐘不僅負責計時，還能將系統切換到低功耗的省電模式。電池供電裝置的體積很小，因此需要低功耗、小尺寸的即時時鐘。例如，M41T62即時時鐘採用超小封裝，內建晶體，其功耗為350奈安培(nA)(圖3)。
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| 圖3 具低功耗、小尺寸的即時時鐘控制晶片 |
各類感測器優劣不一 軟體演算法補不足
軟體庫在將原始資料轉化成有用資訊過程中扮演一個重要角色。軟體演算法能夠使感測器的功能超出最初定義的功能，另可以合併不同感測器輸入的資料，產生輸出一個有上下文感知資料的資訊。
加速度計、陀螺儀、電子羅盤三種運動感測器各有優缺點。限制感測器性能的因素包括校準不完美、單位時間或溫度內的漂移或隨機雜訊。磁力計和加速度計有失真問題，而陀螺儀本身就有飄移問題。感測器整合軟體庫，使三個感測器相互校準，為所有感測器都能輸出精確結果創造條件。軟體庫不只是提供一個校準的感測器輸出，還提供角度和航向的資訊。
活動識別軟體庫可以獲取感測器資料，並讓使用者了解當前的活動狀態，例如步行、騎車、開車，或者靜止、步行、快走、慢跑。
穿戴式裝置可以有各種外觀形狀，例如智慧手表、智慧鞋、智慧眼鏡、手環和腰環等。同樣地，使用者可以手持手機或放在桌子上。軟體演算法只有知道裝置在什麼位置，才能更準確地工作，而位置定位軟體就是做這項工作。
電子羅盤是一個重要的定向感測器，不過非常容易受到軟硬磁鐵和操作角度的影響。硬磁鐵干擾是指在感測器附近放置硬鐵永久磁性材料，導致羅盤讀數有一個固定數值的偏離。軟磁鐵干擾是指在電子羅盤附近放置弱鐵磁性材料、電路跡線等，導致感測器讀數不規則的變化。因此，須要使用磁感測器校準演算法庫濾除這些異常現象。演算法庫可以快速完成校準，基本上不須要使用者介入。
計步器軟體庫用於步伐檢測和計步。精確、智慧、錯誤率低、功耗極低是對計步軟體庫的基本要求。一個智慧計步器軟體庫還需要上述提及的使用者活動識別和放置位置軟體庫。穿戴式裝置浪潮的推動者主要是創業公司和年輕的工程師。此外，市場發展速度非常快，產品能否成功在很大程度上取決於研發所用時間和成本，擁有一個經濟實惠、配置靈活、可擴展的開放式平台，對於開發人員具有非常重要的意義。
意法半導體的STM32開放式平台(圖4)讓使用者可以藉由使用微控制器、感測器、射頻晶片和類比元件靈活、經濟地開發產品。硬體平台配套軟體包括驅動器、韌體和應用軟體，以及相關的Android和iOS軟體代碼。
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| 圖4 STM32開放式平台讓使用者可以藉由使用微控制器、感測器、 射頻晶片和類比元件靈活、經濟地開發產品。 |
透過線上簽署一份簡單的使用授權合約，使用者還可以使用很多先進的軟體庫。在平台測試完成後，設計人員可開發自訂的印刷電路板(PCB)，然後安裝在這個平台上開發的中介軟體庫。只有當使用者想在自訂的電路板測試時，才須要簽署軟體庫生產授權合約。
(本文作者為意法半導體東盟澳洲紐西蘭區類比元件和MEMS產品部射頻、感測器和類比元件產品制定高階技術市場經理)