【導(dǎo)讀】過(guò)去十年,微電子與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域的飛速發(fā)展,催生了許多功能空前強(qiáng)大的傳感器與移動(dòng)設(shè)備。本文介紹了一種為可穿戴設(shè)備應(yīng)用而優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器系統(tǒng)參考設(shè)計(jì),描述了在可穿戴設(shè)備可行性研究與設(shè)計(jì)期間可能遇到的挑戰(zhàn),并為硬件設(shè)計(jì)工程師提供了實(shí)用建議。
高計(jì)算能力、小尺寸和低成本使人們能夠與可穿戴式設(shè)備互動(dòng),使其融入人們的日常生活。結(jié)合傳感器與無(wú)線技術(shù)的小型可穿戴設(shè)備已在許多應(yīng)用中變得非常流行,如健康和健身跟蹤以及安全等。它們對(duì)提供有關(guān)我們的活動(dòng)和行為的準(zhǔn)確及可靠信息非常有用,并將引領(lǐng)我們?cè)谏?、社交互?dòng)和活動(dòng)方面的革命,如同個(gè)人電腦在幾十年前出現(xiàn)時(shí)帶來(lái)的革命一樣。
用于人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)的傳感器
可穿戴設(shè)備可監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)。在醫(yī)療應(yīng)用中,可穿戴設(shè)備能夠監(jiān)測(cè)生理活動(dòng),測(cè)量體溫、心率、腦活動(dòng)、肌肉運(yùn)動(dòng)和其他重要數(shù)據(jù),為患者在家中的康復(fù)治療(如術(shù)后恢復(fù))提供便利。在體育運(yùn)動(dòng)和訓(xùn)練中,可穿戴設(shè)備的嵌入式傳感器可跟蹤和分析使用者的身體活動(dòng),然后提供諸如步數(shù)、燃燒的卡路里數(shù)等信息。
人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示,根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)使用不同類型的傳感器。來(lái)自傳感器的原始數(shù)據(jù)由處理器收集,處理后的數(shù)據(jù)顯示在可穿戴設(shè)備顯示屏上,或者通過(guò)無(wú)線電收發(fā)器無(wú)線傳輸?shù)揭粋€(gè)中樞設(shè)備,例如智能手機(jī)。數(shù)據(jù)在傳感節(jié)點(diǎn)上也許可以完全處理好,也許不能,但大多數(shù)在中樞設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)和處理,并以圖形和/或數(shù)值方式顯示。
圖1:人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
常用于人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)的傳感器包括:
①加速計(jì)沿著量測(cè)軸在特定頻率范圍內(nèi)測(cè)量加速度。通常使用3軸加速計(jì),以提供3D定位信息。
②陀螺儀測(cè)量X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)速度。與加速計(jì)結(jié)合使用時(shí),它們能夠提供更準(zhǔn)確的3D定位信息。加速計(jì)和陀螺儀的這一組合可提供6軸信息。
③磁強(qiáng)計(jì)。使用磁強(qiáng)計(jì)(或通常所稱的磁電機(jī))可進(jìn)一步改進(jìn)位置檢測(cè)。額外的磁場(chǎng)信息使傳感算法能夠?qū)荛L(zhǎng)時(shí)間上的小偏差進(jìn)行補(bǔ)償,有助于我們更準(zhǔn)確地跟蹤位置和方向的絕對(duì)變化。磁強(qiáng)計(jì)、加速計(jì)和陀螺儀的組合可提供9軸信息。
④測(cè)量環(huán)境溫度、氣壓和濕度的環(huán)境傳感器能夠提供有關(guān)環(huán)境狀況的準(zhǔn)確信息,并能通過(guò)結(jié)合定位信息與環(huán)境條件數(shù)據(jù),來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)。
⑤此外還有測(cè)量體溫和心率的傳感器。隨著人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用變得愈加復(fù)雜,更多上述傳感器被用于可穿戴設(shè)備,從而為應(yīng)用開(kāi)發(fā)帶來(lái)更多自由度(DoF)。
設(shè)計(jì)12自由度小型可穿戴設(shè)備的挑戰(zhàn)
通常,設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備需要考慮三個(gè)關(guān)鍵參數(shù):
一是所用傳感器的類型。提供步數(shù)或睡眠質(zhì)量信息的典型活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備可結(jié)合使用3軸加速計(jì)與無(wú)線收發(fā)器,使我們能夠在PC、平板電腦或智能手機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。要進(jìn)行更準(zhǔn)確的位置和運(yùn)動(dòng)跟蹤,就需要更多的軸,另外還可能要添加環(huán)境傳感器。對(duì)于提供醫(yī)學(xué)信息的可穿戴設(shè)備,可能還要單獨(dú)或結(jié)合使用心率和體溫傳感器。
二是所用的低功耗無(wú)線協(xié)議。在目前使用的各種無(wú)線協(xié)議當(dāng)中,藍(lán)牙智能是功率效率最高的射頻技術(shù)。同時(shí),包括平板電腦和智能手機(jī)在內(nèi)的大多數(shù)無(wú)線個(gè)人計(jì)算設(shè)備都支持藍(lán)牙智能協(xié)議。
三是尺寸和成本??纱┐髟O(shè)備傳感器節(jié)點(diǎn)需體積小、重量輕,使得它們能輕松整合到手表、手環(huán)、首飾等產(chǎn)品之中??纱┐髟O(shè)備傳感器節(jié)點(diǎn)還需成本低并且只需最少的外部元件,將物料需求降到最低。
總之,用于活動(dòng)跟蹤的理想可穿戴傳感器設(shè)備,巧妙地將9 軸感測(cè)功能和環(huán)境傳感器(可實(shí)現(xiàn)最佳人類活動(dòng)跟蹤的)與最低功耗藍(lán)牙智能無(wú)線技術(shù)結(jié)合起來(lái),成為全能的小系統(tǒng)。
具有 12 個(gè)自由度(9 軸跟蹤以及溫度、氣壓和濕度感測(cè))的傳感器系統(tǒng)可提供對(duì)人類活動(dòng)的最佳跟蹤效果,這是因?yàn)樵诃h(huán)境狀況信息的輔助下,它能夠提供非常準(zhǔn)確的定位信息。然而,將所有這些傳感器都包含于一個(gè)非常小的系統(tǒng),進(jìn)而整合到可穿戴設(shè)備之中并不那么容易。
設(shè)計(jì)小尺寸系統(tǒng)的挑戰(zhàn)包括:
①磁強(qiáng)計(jì)布置。在磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí),其工作可能受到其他強(qiáng)磁場(chǎng)或金屬表面的影響。在電池供電的可穿戴設(shè)備中,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度會(huì)受到射頻信號(hào)和天線系統(tǒng)及電池本身的影響。
②電池及電池座布置。在非常小的可穿戴設(shè)備系統(tǒng)中,電池尺寸是決定印刷電路板尺寸的主要因素。而且,電池座和電池(通常為鈕扣電池)的金屬外殼的軟鐵效應(yīng),會(huì)影響磁電機(jī)的性能,從而給電池布置帶來(lái)約束。
③天線布置。天線性能高度依賴其布置和尺寸。這就需要仔細(xì)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),以便可穿戴設(shè)備具有良好的射頻性能,且磁強(qiáng)計(jì)性能不受影響??墒褂玫奶炀€類型很多,包括印制或陶瓷天線,但每種天線各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
物聯(lián)網(wǎng)傳感器參考設(shè)計(jì)
這里我們介紹一種包含上述所有特征的物聯(lián)網(wǎng)傳感器參考設(shè)計(jì),以及實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備應(yīng)用最佳系統(tǒng)尺寸的硬件設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。該參考設(shè)計(jì)基于Dialog半導(dǎo)體公司的高度集成DA14583藍(lán)牙智能控制器,可減小系統(tǒng)尺寸和成本。它包括用于加快設(shè)計(jì)先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要的所有關(guān)鍵硬件和軟件。
該參考設(shè)計(jì)是為可穿戴計(jì)算、浸入式游戲、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及3D室內(nèi)地圖和導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)感測(cè)模塊的完整開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它結(jié)合了藍(lán)牙無(wú)線通信和ARM Cortex-M0處理器與加速計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)和環(huán)境傳感器,非常適合資源有限的系統(tǒng),因?yàn)樗梢宰畲笙薅冉档蛢?nèi)存和處理要求及功耗。該參考設(shè)計(jì)的主要元件是DA14583系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)和博世傳感器。
DA14583 SoC具有針對(duì)藍(lán)牙智能技術(shù)的完全集成式無(wú)線電收發(fā)器和基帶處理器。它可以用作獨(dú)立應(yīng)用處理器或托管系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)泵。DA14583藍(lán)牙智能SoC帶有集成式SPI閃存,且需要的外部元件非常少。另外,它還采用非常小的QFN40封裝。
DA14583的功耗達(dá)到了空前低的水平。其在睡眠模式(僅為保留內(nèi)存供電)下的電流消耗僅0.5 μA,當(dāng)為所有系統(tǒng)內(nèi)存供電時(shí),睡眠電流為1.2 μA。在3V電源電壓條件下,發(fā)射和接收模式下的總體電流消耗分別為4.8mA和5.1mA。這一低功耗有助于優(yōu)化電池尺寸。非常小的電池就能讓SoC使用幾個(gè)月之久。該DA14583是高度可配置的,它支持OTP,為連接傳感器提供了大量接口,并能讀取來(lái)自集成式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬數(shù)據(jù)。
選擇博世傳感器的原因是其低功耗、卓越的軟件支持和高度可配置性,能輕松適應(yīng)客戶的需要。此外,博世傳感器集成度高,并采用非常小的封裝。
該參考設(shè)計(jì)中使用的傳感器描述如下:
BMI160(慣性傳感器 – 陀螺儀):是一種低功耗、低噪聲16位慣性測(cè)量單元,針對(duì)需要高度準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)的移動(dòng)設(shè)備及室內(nèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在完全工作模式下,加速計(jì)和陀螺儀啟用,電流消耗典型值為950 μA,能夠確保電池供電式設(shè)備上安裝的應(yīng)用程序始終在線。
BMM150(地磁傳感器):是一種用于指南針應(yīng)用的低功耗、低噪聲 3 軸數(shù)字式地磁傳感器?;诓┦赖膶S?FlipCore 技術(shù),BMM150 的性能和特性經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)優(yōu),可完全滿足 3 軸移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用(如電子指南針、導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))的苛刻要求。
BME280(環(huán)境傳感器):是一種專為低功耗應(yīng)用開(kāi)發(fā)的集成式環(huán)境傳感器。內(nèi)置濕度傳感器具有極快的響應(yīng)時(shí)間,可滿足新興應(yīng)用(如情境感知)的性能要求。該傳感器在寬溫度范圍上提供高測(cè)量精度。濕度傳感器具有極快的響應(yīng)時(shí)間,而壓力傳感器是完全氣壓式的,具有異常高的精度和分辨率及非常低的噪聲。
在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須確保實(shí)現(xiàn)不受干擾的高性能,同時(shí)保持低功耗和占用最小的PCB面積。PCB布線期間必須考慮磁電機(jī)帶來(lái)的限制因素。磁電機(jī)應(yīng)當(dāng)距紐扣電池3 mm - 5 mm遠(yuǎn),距大電流跡線(如鄰近DC/DC轉(zhuǎn)換器和電感的跡線)10 mm遠(yuǎn)。同時(shí)建議與電源軌保持3 mm - 4 mm的距離。值得注意的是,磁電機(jī)可以置于接地(GND)平面之上而無(wú)需留有間隙。
在系統(tǒng)中,電池扮演著重要角色,因?yàn)槠涑叽鐩Q定著可穿戴設(shè)備印刷電路板的尺寸和產(chǎn)品的總功率。通常,鈕扣電池在可穿戴設(shè)備上的理想位置是在印刷電路板下面。這可確保與磁電機(jī)間的最大距離,并優(yōu)化印刷電路板面積的使用。另外這還能將與其他傳感器的干擾可能性降到最低。
該參考設(shè)計(jì)可選擇兩種天線:印刷電路或陶瓷片。選擇陶瓷片天線因?yàn)槠湫〕叽?、可靠性、多用途性和易于調(diào)諧。由于可穿戴設(shè)備印刷電路板的尺寸小,所以天線布置仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。通常情況下,天線應(yīng)放在印刷電路板的角部,確保遵守其數(shù)據(jù)表中描述的連接焊盤說(shuō)明和接地(GND)間隙要求。圖2是該參考設(shè)計(jì)的整體布局。
圖2:實(shí)際可穿戴設(shè)備印刷電路板裝配,頂視圖(左)和底視圖(右)
通常,目標(biāo)印刷電路板厚度應(yīng)當(dāng)約為1.6mm,這還可以確保磁電機(jī)與鈕扣電池及電池座間的額外距離。在遵守相關(guān)說(shuō)明條件下,裝配完成后的印刷電路板設(shè)計(jì)如圖2所示。參考設(shè)計(jì)中使用的是4層印刷電路板。
測(cè)量結(jié)果表明,在睡眠模式下,該參考設(shè)計(jì)僅消耗11uA(平均值)電流。在廣播模式下,電流消耗上升至110uA(平均值)。當(dāng)連接至主機(jī),在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)且所有傳感器均通電的情況下,平均電流消耗為560uA。1.35mA(平均值)的最大電流消耗是在可穿戴設(shè)備處于移動(dòng)狀態(tài)的情況下測(cè)得。這也證實(shí)了該參考設(shè)計(jì)的省電特點(diǎn)。