可穿戴电子的市场动向及芯片解决方案

消费电子   作者:鲁冰 时间:2019-08-28来源:电子产品世界

  鲁 冰 (《电子产品世界》编辑,北京 100036)

  摘 要:手表手环等可穿戴类电子产品发展迅猛,部分业内有代表性的市场调查公司和芯片厂商介绍了所看好的可穿戴电子产品,以及对芯片厂商的期待,这些企业最新的解方案。

  关键词:可穿戴;手表;保健;医疗;蓝牙

  1 可穿戴市场:智能手表、耳穿戴设备、健身手环增长快

  Strategy Analytics预测,2019年全球可穿戴设备的出货量将达到创纪录的3.25亿部,年同比增长29%。这一数字包括所有智能手表、健身手环、智能眼镜,智能珠宝、智能服装和蓝牙头戴设备的总和。2019年智能手表市场将持续增长,功能手表市场增速放缓,耳穿戴设备市场增长加速,而虚拟现实市场规模缩水,健身手环市场经过几年衰退后,2019年恢复适度增长。 苹果、小米和Fitbit将继续争夺全球可穿戴设备市场的领导地位。

1568179374875650.png

  全球健身手环的出货量在2019年Q2(第2季度)同比增长62%。在2018年遭受持续下滑之后,健身手环市场2019年已经强劲复苏。小米凭借其广受欢迎的低成本小米手环4推动了整个细分市场,并且正在与Ace一起探索儿童定位领域。与此同时,由于华为等竞争对手的激烈竞争,Fitbit正在失势。

  全球智能手表出货量从2018年Q2的860万同比增长44%,到2019年Q2的 1 230万。智能手表增长继续飙升,这是由于消费者越来越多地使用以健身为主导的可穿戴设备来作为他们智能手机的附件。而智能手表的操作系统仍然碎片化严重:苹果的watchOS处于强势地位,而Fitbit OS和其它公司正在苦苦挣扎。

  如今,智能手表和健身手环的“杀手级应用”是健康和健身。世界各地的消费者尤其中国的消费者喜欢用它们监控并测量每日运动数据。例如,慢跑者喜欢在跑步时监视他们的心率,或者消费者来监测每日运动步数和距离。可穿戴设备最终将成为消费者手腕上的实时医生。同时,中国和印度的儿童智能手表市场正经历爆发式增长。诸如Imoo Z5或Z3等机型在儿童定位和父母与孩子进行交流或儿童体育活动方面相对受欢迎。

  2 体征信号检测设备的趋势

  体征信号监测方面的产品主要分为两个主要市场,包括专业的监护类产品(多用于医院内)和可穿戴产品(个人消费品或个人健康产品)。目前院内院外的体征信号监测设备有融合的趋势,ADI认为具有医疗性能的穿戴产品会越来越多地受到市场的欢迎。它们共同的需求是高性能,低功耗,便于穿戴,无线传输,具备医疗性能。

微信截图_20190911132243.png

  ADI在用于穿戴产品的光电技术、生理阻抗测量、生理电势采集、温度、运动状态监测以及环境相关(如气体/CO 2 以及紫外线监测等)等领域都有成熟产品和持续的投资,并得到客户的广泛认可和采纳。

  例如在光电法测量生理体征信号方面,ADI的ADPD系列传感器及信号处理方案,正在被几乎所有大的品牌客户设计使用。ADI专门应用于光电法的各类生理体征信号监测的产品ADPD系列,例如ADPD142、ADPD153、ADPD144以及ADPD174等是目前市面上集成度很高的产品(注:光电二极管+LED+模拟前端+LED驱动器+环境光抑制等,输出的直接是I2C的数字量),而且体积小,功耗低(十分灵活的配置),以及是非常成熟的方案(注:早已有大量出货),可用于诊断级产品,也适用于消费级的产品相关体征信号的采集,例如心率、血氧含量等。ADI公司最新一代的光电测量模块产品ADPD188则进一步提高了进光效率和电流转化率(CTR);使得该类应用在功耗、性能、设计简易度、简化客户的产线流程以及成本等方面又获得了优化和突破进展。

  ADI的系列低功耗、单导联、心电图(ECG)模拟前端 (AFE) AD8233,专为满足新兴的健身设备、便携式/佩戴式监控设备和远程健康监护设备的ECG信号调理要求而设计。

  ADI专门用于高精度阻抗测量的模拟前端AD5940和高精度、低功耗片上计量仪ADucM355为身体生物电阻抗分析(BIA)、皮电活动EDA/GSR等提供了简单易用、一步到位的解决方案。

  ADI新推出的最新一代高性能多模传感前端ADPD4000系列,可以同时支持PPG、ECG和生物阻抗(Bio-Z),并且在信噪比、功耗上进一步提升,为小体积、高性能的整体穿戴解决方案提供了更便捷设计。

  3 智能手表和微型可穿戴医疗设备的趋势

  德州仪器(TI)发言人指出,在当前全球都在部署BT5.0和5G的大环境下,智能手表等可穿戴设备以及健康监护等物联网设备正在不断扩大其市场。而这些应用也面临着共同的挑战:

  •终端用户对可穿戴产品中健康数据的准确度和精确度的要求与日俱增,这就要求我们将高度集成和具备精准信号处理的方案带给市场;

  •随着市场对系统整体功能提升及功能的添加,设计人员针对功耗和电池寿命的要求也随之提高。因此,如何让小型化可穿戴产品中配备尺寸小、功耗低的芯片解决方案也是业内关注的领域;

  •“如何在市场中实现产品的差异化”也是设计人员在思考的问题,寻找产品的潜在附加价值成为一个值得探索的话题,如室内定位等。

  为此,这里介绍 TI 的三大类解决方案。

  3.1 具备专业医疗功能的信号链解决方案

  TI专注于医疗市场,并不断推出新的模拟前端(AFE)产品系列及方案,获得了下游厂商和市场的认可。TI为智能手表和微型可穿戴医疗设备提供高精度、高效率以及高集成度的解决方案,并凭借全球领先的技术获得了良好的市场声誉:

  1)TI的专利性架构帮助产品厂商实现更高的信噪比(>100dB SNR),从而优化产品的测量灵敏度;

  2)TI的专利模拟信号处理为产品带来更多功能:光学心率检测,脉搏血氧饱和度(SpO2);

  3)在不影响产品性能的前提下,TI 的产品拥有业界低级别的功耗(<0.8 µV/Hz)。

  从2013年发布的高级别SNR(信噪比)产品,到后来业内首个完全集成ECG(心电图)和PPG(光电容积图)的产品AFE4900,TI致力于实现对用户身体状况更全面的监测。

  1)AFE4900:设计人员可以利用其同步采集ECG和PPG数据,计算脉冲传输时间(PTT),从而有效帮助检测血压;2)AFE4420:该器件可以用于心率和血氧饱和度的测量。它支持多达4个可切换发光二极管(LED)和4个光电二极管,可以定义多达 16 个信号相位,并且可以以同步方式从每个相位获取信号,并将其存储在128 样本的先入先出 (FIFO) 块中。AFE4420集成在2.6mm×2.1 mm DSBGA 的超小封装内,可以支持高达100dB的动态范围并且以极低的功耗运行(典型值LED为15 µA, 接收器为20 µA),从而保证对心率的精确及持续监测。

  3.2 助力低功耗、小体积、高性能的电源开发设计

  TI的降压转换器产品可为负载极轻的系统(低于100 μA)提供更长的电池寿命,并允许设计人员使用更少或更小的电池,缩小其整体电源解决方案尺寸(设计人员可使用4节AAA电池代替4节AA电池,可节省16 980 mm3的空间)。

  1)TPS62840。具有业界最低的静态电流(60nA),可以在1 µA的负载下实现80%的效率,比业界同类产品高出30%。

  2)电池充电产品如BQ25125 和 BQ25150/155/155。具有超低的静态电流、微小的芯片尺寸、集成电源轨以及精确的充电技术。其充电参数可通过I2C编程,并集成ADC的系统监控,使得电池充电更为灵活安全。

  3.3 室内定位功能助力设计人员开发差异化产品

微信截图_20190911132345.png

  随着可穿戴市场的发展,产品同质化竞争不可避免,室内定位功能是开发差异化产品的思路之一。利用定位技术,设计人员可以为可穿戴产品扩展室内定位功能提供底层的软件基础,从而拓展穿戴产品的应用场景。

  结合蓝牙5.0技术,TI在CC2642/CC2640R2F SDK中提供RTLS(实时定位系统)工具箱,同时支持RSSI(接收信号强度)/AOA(到达角度)/TOF(飞行时差测距)三种不同定位技术。

  4 NFC和MCU助力可穿戴开发

微信截图_20190911132404.png

  过去几年,可穿戴产品正在消费者的日常生活中扮演越来越重要的角色。我们可以看到,可穿戴产品的形态越来越多样化,从智能手环到智能手表,再到TWS(真正无线立体声)耳机等等,其功能也随之丰富。

  其实,消费者对每一种可穿戴产品都有不同的需求,例如穿戴舒适和更长的待机时间,以及智能手环手表更加独立的工作能力:不仅需要支持健康数据记录,还需要支持更多消费者日常使用场景,比如支付和蜂窝网络的无线连接等等。

  为了满足并解决产品开发和使用中的各种“痛点”,终端产品厂商对于元器件有3个维度的期待:

  •支持更丰富的产品功能;

  •更低的功耗和封装布板面积;

  •应用服务的快速一站式接入能力。

  为了更好地满足可穿戴市场的消费者和产品厂商的需求,恩智浦推出了多种创新性产品和解决方案,典型地,有如下三方面产品。

  1)NFC产品。恩智浦最新推出的SN100/110系列产品,可谓业内首个40 nm单芯片解决方案。相较于上一代产品,该系列产品基于全新的软硬件解决方案,在NFC支付交易速度提升30%、布板面积减少30%的基础上,还带来了1.5倍~2倍的NFC RF性能提升。

  2)MCU产品。恩智浦新的i.MX 7ULP双核产品,包括一个Cortex-A7核和一个Cortex-M4核,两个核处于完全独立的两个域。Cortex-A7可以运行在Linux操作系统上,Cortex-M4则是非常低功耗的核。在绝大多数情况下,Cortex-A7核处于关闭状态,此时Cortex-M4会处理一些基本的任务,保证设备低功耗运行。该产品的一个很好的应用场景是智能手表。

  3)Secure Service2Go端到端解决方案。NFC的应用服务上线一直是客户的痛点之一。而为了解决这一痛点,恩智浦开发了一整套端到端的解决方案,支持客户的产品接入全球支付网络和公交收费系统,该方案已经在一些主流的可穿戴客户的产品上落地。

  此外,恩智浦还有很多的解决方案,包括为支持无线充电功能而设计的更加灵活的NFC充电方案、支持双耳超低功耗无线传输的NFMI解决方案等。

  5 医用助听器与蓝牙芯片方案

微信截图_20190911132426.png

  如今,可穿戴产品的演变从人们当初单纯的便携娱乐需求转变到现在附带各种身体健康参数的测试和提醒,通过这种功能达到对自己身体健康负责的态度。人类身体健康指标有很多种,诸如血糖、血压、心率、体温等各种指标,每种指标的测试方式都不一样,如果把所有的指标测试的硬件堆叠在一个可穿戴设备上,这个设备的体积不可想象,肯定不会满足“可穿戴”形式要求,给用户会带来极大的不便利性。

  同时可穿戴医疗产品区别于传统医疗产品之处就是其便利性和实时性,这就需要可穿戴产品可持续工作的时间可以满足用户使用的频率,因此对产品的功耗有极其苛刻的要求。

  为了提升客户的体验,随着5G时代万物互联的时代到来,用户也期望可穿戴医疗产品可以与手机直联,同时把监测医疗健康数据存入云端进行大数据分析,从而得出更合理的健康指导。

  基于以上阐述,元器件供应商需要提供高集成度、低功耗、带无线连接功能等特点的芯片方案,同时测试的性能上要求准确可信。

  安森美半导体是业界少有的在公开市场上提供专业助听器芯片的厂商,目前推出高集成度、低功耗的小型芯片Ezairo7160, 采用65 nm技术,把多路A/D、D/A、DSP、EEPROM、无线蓝牙低功耗(BLE)、晶振等功能模块集成到3.8 mm×6.6 mm的系统单芯片(SoC)封装里面,设计成四核375 MIPS的处理能力,而功耗平均为700 µA。下一代产品将采用更加先进的22 nm技术,以达到更高的集成度和低功耗的特点。

  同时,安森美半导体医疗部门根据市场需求推动超低功耗BLE 5.0芯片RSL10,这款芯片同时采用双核架构,集成了先进优化的M3内核和DSP内核,而尺寸只有2.3 mm×2.3 mm,深度睡眠状态下的功耗仅为50nA。这种产品革新了BLE 5.0芯片架构和功耗,契合了可穿戴医疗产品的特点。

  6 可穿戴设备需要极低功耗和高集成度

微信截图_20190911132448.png

  目前,智能手表和手环依然是主流的可穿戴产品,现在在硬件层面都有极大的提升,例如更强的处理器、彩屏和全屏触控的支持、语音助理等。当然可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备,更能通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。

  在可预见的将来,可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。极低的待机功耗和高度的集成度依然是产品厂商的期望,因为这会给产品的设计者带来更多的设计选择和自由。

  凭借对可穿戴产品市场的观察和强大的硬件和软件整合能力,Dialog在2019年2月推出了3核的DA1469x系列高集成度SoC,将传感、处理和通信集成到一起。该SoC系列具有先进的内置电源管理单元,将模拟和数字外设进行了独特结合。例如在音频部分,支持两路的音频输入和输出,可以支持立体声音频。针对有屏幕的应用,例如游戏控制器,内置了ERM和LRA驱动器,为用户提供触觉反馈。当然一如既往,Dialog对安全的关注和支持提高到了一个新的高度。同时由于采用CMAC,DA1469x系列的芯片很容易支持新的标准和应用,比如最新的蓝牙5.1标准。其中一个蓝牙5.1标准特性就是应用到达角度(AoA)和离开角度(AoD)进行寻向定位,可以应用于室内定位、物品追踪、门禁、无钥开锁等方案。

  7 可穿戴产品的无线连接案例及动向

  传感器技术的进步使得健身腕带和跟踪器能够监测多种身体运动和空间定位。例如深圳市隐秀科技有限公司的“米家石英表(Mi Quartz)”健身手表等设备系围绕Nordic的nRF52832 SoC(系统级芯片)而设计,通过在用户智能手机(iOS或安卓OS)上运行的应用程序,以无线方式报告一系列运动指标数据。

  同样在医疗领域,传感器技术的进步使得医护人员能够通过轻便且舒适的可穿戴设备对患者进行24小时/7天远程监控。例如,Actigraph为其CentrePoint InsightWatch选择了nRF52832,这款手表专为医疗应用而设计,用于临床试验和健康研究人员。

微信截图_20190911132515.png

  用户希望这些健康设备可靠且轻巧,并同时提供一系列功能。此外,他们还想从微型电池中获得长使用寿命,这些需求意味着制造商面临严峻的设计挑战。为此,Nordic可以提供经过严格测试的通用多协议通信SoC,提供了包括低功耗蓝牙连接的超低功耗无线通信功能,以期确保出色的电池使用寿命。

  例如上两例提到的nRF52832,是蓝牙5/低功耗蓝牙SoC。它采用一个64 MHz的32位Arm Cortex-M4F处理器,可在512 kB闪存中存储数据,而64 kB RAM则支持许多可穿戴应用的典型算法过滤需求。

  虽然nRF52840通常被认为是Nordic的高端SoC,但也可用于可穿戴设备。例如深圳市爱都科技有限公司的ID205智能手表采用nRF52840 SoC,以无线方式访问和控制用户智能手机的某些功能,是拥有超过14种运动模式的运动手表。

  迄今为止,大多数可穿戴设备都是配合智能手机使用的伴侣设备。凭借对可穿戴设备未来发展的预判,Nordic最近推出的nRF51系列支持全球蜂窝物联网(cIoT)上的LTE-M/NB-IoT通信。例如,nRF9160将一个应用MCU、全LTE调制解调器、RF前端和电源管理集成在10 mmx16 mmx1 mm SiP(系统级封装)中,为可穿戴设备提供了小型化外形尺寸,这些可穿戴设备设计用于通过cIoT进行单独的低功耗广域网(LPWAN)通信。

  参考文献

  [1]王莹,毛烁.元器件在可穿戴产品中运用的流行趋势.电子产品世界,2018(9):8-14.

  [2]迎九.Bosch Sensortec对可穿戴和物联网传感器的市场和技术考虑.电子产品世界,2019(5): 22-25.

  [3]迎九.ST对MEMS传感器的定位和研发考虑.电子产品世界,2019(5):26-28.

  [4]黄雨薇,董壮壮,张雨亭,等.研究可穿戴设备血压监测功能的精准性.电子产品世界,2019(7):54-56.

  [5]ROHM SEMICONDUCTOR.可穿戴设备用光学式脉搏传感器技术难点及应用事例.电子产品世界,2018(3):65-67.

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第8页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

关键词: 201909 可穿戴 手表 保健 医疗 蓝牙

加入微信
获取电子行业最新资讯
搜索微信公众号:电子产品世界

或用微信扫描左侧二维码

相关文章


用户评论

请文明上网,做现代文明人
验证码:
查看电脑版