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低功耗與感測技術為穿戴電子技術核心

  • DIGITIMES企劃
基本穿戴式裝置的感應器系統架構圖 (fp7-smac.org)

穿戴式裝置搭配手持式裝置與網際網路的連結,構建出包含生活、運動、醫療…等各種領域等更多生活上的應用。由於穿戴式裝置體積小巧且更貼近人體,其設計上對於體積重量、發熱、EMI、電源管理、防觸電、防濕防水防塵、舒適度甚至在時尚感有更嚴苛的要求,因此市場也針對穿戴式裝置,推出各式專用的微機電電子元件與感測技術…

穿戴式裝置專用之微機電元件

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醫療穿戴式裝置的資訊傳遞系統架構圖 (Intersive)

手持式裝置主要元件運用在穿戴式裝置的現況

拜MEMS(微機電)元件技術的進步,讓各式傳感器能輕鬆嵌入到手持式裝置、穿戴式裝置之中,使科技應用無所不在。由於穿戴式裝置是穿戴於人體身上,故比手持式裝置更貼近人類,能夠延伸更多生活上應用,或忠實偵測與紀錄人體生理機能的反應。目前已知的穿戴式裝置,可提供人類在科技應用(語音通訊/擴增實境/個人助理)、生活品質(食品熱量、睡眠提示、節食建議)、運動健身(比賽紀錄、訓練健身、虛擬教練)、醫療輔助(心電圖、脈搏記錄、睡眠改善…等生理機能量測儀)、旅遊輔助(路線建議、導航指示、旅程紀錄)、公益應用(孩童/寵物/老人失蹤協尋)等各種貼心的應用。

由於穿戴式裝置的體積更小,更貼近人體,且必須長時間穿戴,因此這些裝置對於發熱、EMI (電磁干擾)、電源管理、防觸電、防汗/防水/防塵、舒適度、精準度、體積重量,甚至時尚等要求,都比手持式裝置更為嚴格,因此各廠商在設計產品時,就必須顧慮到這些課題。而MEMS微機電零件供應商,也提供各種不同等級的產品,以符合系統廠商在設計穿戴式裝置時的需求。

穿戴式元件的市場與趨勢

因應穿戴式裝置的市場起飛,讓物聯網(Internet of Things;IoT)的應用得以實現,不管在醫療保健、運動健身、娛樂資訊、工業產品、國防安全等領域都將用得到,使得MEMS元件與感應器的需求跟著水漲船高。據Research and Markets研究機構的數據,2013年全球消費電子用的感測器市場規模為152.7億美元,並以9.7%的平均複合年增率,預計在2020年達到292.5億美元。

MarketsandMarkets的研究報告中說明,醫學專用圖像感測器市場規模在2018年將達到107.5億美元,平均複合年增率為3.84%。出貨量部份,2013年達16億個,預計2018年將達到30億個。

至於Image Sensor(影像感測器)部份,依據Grand View Research研究機構的預測,到2020年的全球出貨量可望達30.092億個,2014~2020年平均複合年增率為6.7%,到2020年將達到120億美元。

穿戴式裝置的元件-CPU、MCU

當今高階手持式裝置的CPU(處理器),已經邁向八核心的里程碑,處理速度更快。然為了減少感測器在全天候偵測、蒐集與處理上的電能消耗,許多產品已開始搭配MCU(微控制器),來擔任動作感應專用的協同處理器(Motion Co-processor)。

以蘋果iPhone 5s、iPad Air、iPad mini 2內建的M7為例,便是一款協同處理器,採用NXP LPC1800系列的客製化Cortex-M3微控制器,運作時脈為150MHz,可蒐集、量測、儲存感應到的資料(來自STM三軸陀螺儀、Bosch三軸加速器、AKM電子羅盤等感應器資訊),縱使手機在待機中亦能運作,繼續將感測資料記錄下來,待裝置喚醒後就能夠繼續處理資料,這樣的設計可讓裝置在長時間的運作下(例如運動),更為省電。

在穿戴式裝置的應用上,大多採用Sensor Hub MCU,亦即採用ARM Cortex M系列的MCU來當主要控制器,以達到高效能、低耗電的目的。例如Fitbit智慧手環,便是採用ST的STM32L151C6 Cortex-M3低功耗16位元32MHz MCU、Jawbone UP智慧手環採用TI的MSP430F5528 16位元25MHz MCU。而Pebble智慧手錶採用ST的STM32F205RE Cortex-M3架構的32位元120MHz MCU、Sony SmartWatch SW2也採用ST MCU,時脈為180MHz。

至於Samsung的Galaxy Gear智慧手錶,仍採用自家Exynos 800MHz單核CPU來做感測運算處理,可惜搭配的電池容量太小,連續使用25小時就要充電,雖效能強、但持續力不佳,市場反應冷淡。因此,Samsung在MWC發表的Gear 2家族,採用MCU設計,使用時間可達2~3天。由此可見,為了功耗與增加電池壽命,未來將會有更多穿戴式產品改用MCU來當主要處理器。

穿戴式裝置的元件-MEMS、Sensor

在感測器方面,穿戴式裝置目前配置的基本三個體感/動態感測元件,就是電子羅盤(magnetometer)、三軸陀螺儀(gyroscope)、三軸加速器(accelerometer),可以用來計步、偵測心跳、生理追蹤等等。

至於在環境感應器部份,則是依照產品的應用需求再加入。例如接近感應器(Proximity sensor)、溫度計(Thermometer)、濕度計(Hygrometer)或氣壓計(Barometer)等等。若有輔助操控部份,如手勢、語音等輸入,則會選擇將紅外線(Infrared)或相機模組(Camera Module)、麥克風(Mic)等元件內建,以做簡單的手勢、語音辨識。例如Google Glass就包含了光度感應器(Ambient Light Sensor)、接近感應器,做為調整亮度與物體偵測之用。

在軟體技術方面,已有許多廠商開發出自家專利的演算法,應用在各穿戴式應用的軟硬體產品。如Nike+ Running App(跑步訓練程式)、Jawbone Up、Fitbit系列手環,便是採用FullPower公司的MotionX技術。

醫療、保健等感測器專用之穿戴式裝置的元件

消費級的穿戴式裝置,可提供個人保健、節食塑身、手機延伸應用等。至於專業級的產品,則有不同的訴求。在醫療院所裡,量測專用的穿戴式裝置其實早行之有年,近年來由於科的進步,當許多量測裝置的體積能夠縮小,且透過無線的方式將訊號傳遞出來,不需要再連接一堆電線,使病人能夠行動自如。

醫學或健康產業所設計的穿戴式裝置,大多內建上述的感應器架構,而醫學復健的感應器,還會加上體感技術。這類產品的功能訴求單純,主要用於量測個人生理資訊,數值量測的要求上,則是必須非常精確,且裝置要能夠長時間使用,並可透過內建的GSM或Wi-Fi無線通訊,將身上的各種儀器串連起來,成為一個身體網路(Body Area Network;BAN),同時也可以將資料回傳至醫療院所以利於後續追蹤,如此進而達到居家照護、遠距醫療之應用。

醫學界所需要的穿戴式裝置種類繁多,如智慧衣、智慧夾克、智慧帽、智慧腰帶、智慧褲、智慧鞋、智慧鞋墊與智慧襪等,這些產品必須依照不同的個人Size去設計。此外,醫療照護是從醫院延伸到老人機構,再從機構再跨到一般社區。

長庚醫院在2012年發表的「智慧型人體感測網絡衣」─簡稱智慧衣(Smart Clothes),就具備了健康促進、健康老化監控與異常警示功能。其細節應用上整合了心電圖訊號(ECG)、呼吸、體液、加速與溫度等感測功能,並可偵測到細微汗漬,同時能夠做到24小時監控照護,持續記錄。並可透過手機或資料上傳至雲端,來提供運動健身、體態姿勢、體溫偵測、睡眠品質、心肺功能等多種個人健康資訊。

至於智慧襪(Smart Sock)部份,有一家叫Heapsylon的公司,推出了SenSoria智慧襪,將各式感應器與傳輸元件直接織入襪子布料中,穿著舒適,洗曬都不怕。在功能上,可偵測心跳、脈搏、所受外力,並分析腳掌的著力點,可記錄站立、跑步、走路的時間,同時能透過手機App來自我檢測,在姿勢不對時,亦可適時提醒用戶以做改善。