可穿戴产品的设计思想及市场的制胜之道

 从智能手表到便携式健康和健身追踪器，可穿戴设备正在日益改变着我们日常生活的方方面面。20世纪80年代的台式电脑革命为信息时代带来了空前的个人生产力大爆发。20世纪90年代便携式计算机的出现，与互联网的发展相一致，把我们从电源线和网线的束缚中解放出来。然后蜂窝电话和智能手机的爆炸式增长又为我们带来了前所未有的移动性和无线连接能力。当今的“腕上革命”，连同物联网(IoT)的异军突起，正在把“移动”推向一个全新的高度：可穿戴计算。

腕上革命正在重写便携式电子产品的设计历史。在本文中，我们将重点研究隐藏在用户-体验-驱动(user-experience-driven)设计方法背后的设计思想。通过应用这些设计思想，多种成功的可穿戴产品已经面市。我们也将讨论影响可穿戴产品能耗预算和计算需求的特性和功能，包括如何选择适合产品设计需求的微控制器(MCU)。

腕上革命的现状

智能手表、活动追踪器、可穿戴GPS设备、心率监视器和智能眼镜是可穿戴产品的主要应用形态，根据Futuresource Consulting的统计，2013年可穿戴设备全球销售额约为80亿美元。通过创新性的融合了成熟完善的功能性、简单易用的连接性、紧凑的外形尺寸、超低功耗处理和无线连接性，可穿戴设备正在成为全新的个人电子设备类别，帮助我们变得更加健康，获得更多的信息和更好的装备。

几年前，虽然一些领先的智能手机制造商已经开始试验性推出基于他们现有手机产品的腕上产品，但是它们相当笨重。直到2012年初，当新型公司(例如Pebble Smartwatch)绕过智能手机制造商而推出全新的轻量级腕上设备时，腕上革命才真正开始快速发展。这些产品使得最终用户可以更充分的利用他们已有的智能手机。Garmin、Samsung、Sony、Fitbit、Magellan(见图1)和其他消费类电子设备制造商也已经推出他们自己的智能手表、活动追踪器和其他可穿戴产品，从而成为腕上革命的有力竞争者。

图1：在单块CR2032纽扣电池供电条件下，Magellan Echo智能运动腕表利用Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU实现电池寿命扩展到11个月

这种充分竞争的市场环境也鼓励小型化的灵敏型初创公司推出特色创新产品，例如Misfit Shine健身追踪器(如图2所示)正在不断抢占竞争对手的市场份额。

图2：Misfit Shine是一款设计优雅的健身追踪器，它通过采用EFM32 Gecko MCU实现卓越的能效和很长的电池寿命

一个成功的可穿戴设备必须提供合适的价格、性能、功能和电池寿命，以及独特的外观、触感和作用，以便从竞争对手产品中脱颖而出。MCU、传感器、无线电子器件和极具吸引力的用户接口，这些都必须被装进一个小尺寸封装中，从而可以舒适的佩戴在一个人的手腕或者其他地方。由于这种外形尺寸极大限制了留给供电的电池所占空间，因此可穿戴系统必须是非常节能的，以便尽可能使电池更换和充电的时间间隔维持最长的运行周期。

用户体验驱动制胜设计

要把这些不同元素融入到获得市场认可的产品中，需要一个复杂的设计去有所取舍的平衡功耗、性能、功能和外形尺寸等参数。通过采用所谓的“用户体验驱动”设计方法，一些制造商已经成功的度过难关，进入到这个不太熟悉的领域。尽管这些设计方法颠覆了许多嵌入式开发人员的传统思维和实践方法。

嵌入式系统的设计过程通常开始于功能和性能定义，这将作为项目的顶级驱动力。相反，设计一个可穿戴产品通常开始于需要获得的最终“用户体验”定义。这些产品需求的定义体现在外观、触感和与最终用户的交互，也包括它带来的印象、感觉和情绪。设计过程的下一个步骤是把用户体验转化成“用例(use case)”——用于定义产品硬件和软件单元的一系列顶级功能需求。

Apple是这种战略的早期实践者之一。他们使用这种战略成功的定义了全新市场，并且一直处于领先地位。如果你对于精心设计用户体验的重要性还心存怀疑，仔细考虑一下Apple iPod独特的控制滚轮、宝石般的机壳设计和易于使用的iTunes软件是如何帮助公司转变并且最终主宰了整个数字音乐播放器市场。

定义用户体验

定义可穿戴产品的用户体验需求可以归为以下两类：

●功能性——区别其他可穿戴产品的独特外观、触感、特性和功能。

●易用性——轻松设置、直观操作和减小维护的一系列需求。长电池使用寿命在易用性中具有非常重要的作用，因为如果一个可穿戴设备每几天就不得不重新充电，那将是一件令人沮丧的事情，并且容易导致用户放弃该产品。

同时，定义用户体验的这些元素能够容易的转换成用例，从而构成产品设计的基础。根据应用的不同，定义用户体验可能涉及到构造一个可穿戴产品实体，使之具有极具吸引力的质感、符合人体工程学的外形和传达特定感觉的设计元素。其他产品可能需要为控制和显示创建特别的视觉模型，使复杂的操作变得简单和直观。

定义用例

一旦产品的用户体验得到明确定义，它必须被转换成一个用例，用例的功能性需求将驱动可穿戴产品的设计。详细的用例能够提供重要信息，使得它能够更容易的为可穿戴产品设计的各个方面进行准确的比较研究。

用例应当包含可穿戴设备预计要执行的任务、需要的资源和执行的环境。这些细节通常包括设备要收集的数据类型，如何与用户或其他设备交互，预期的运行环境(温度、耐水性、耐冲击性等)，操作模式(数据收集和分析、用户交互、通信等)，以及与其他设备进行数据同步的频率。

有了这些指导方针，设计团队就可以开始确定满足应用需求的传感、计算和通信组件。同时，物料清单(BOM)成本和功耗预算也可以与初步设计需求同时进行，为团队提供必需的参数以便集中汇总成最佳设计方案。

用例辅助进行能源管理

因为电池的使用寿命在可穿戴设计中起着如此重要的角色，因此这里我们有必要仔细分析一下用例驱动设计过程中与能源管理相关的部分。

为了准确的模拟设计选择如何影响可穿戴设备的电池寿命，用例应当包括影响能耗因素的详细描述，例如：

●备必须从外部环境收集的数据类型和频率。

●用户是否通过App、触摸屏、按键或以上两者与设备交互。如果是，那么通信的信息类型和使用的频率如何。

●设备如何同其他可穿戴设备、智能手机、本地网络或互联网进行通信。电源需求的变化依赖于所采用的无线接口(例如Bluetooth、Wi-Fi或ZigBee)，这是如何实现的。

●设备与他的同类或主机系统进行同步或交换数据的频率如何。(与诸如智能手机的主机系统频繁同步将显著降低电池寿命。)

一旦信息收集完毕，用例应当提供系统各种操作模式的详细描述和每种模式下的运行时间。这将成为系统能耗预算和为最大化电池寿命而进行任何设计折中的基础。

用例辅助进行MCU选择和优化

用例与能耗相关的部分应当尽可能多的包括可穿戴设备执行传感、控制和计算任务的有关信息，也包括哪些任务由MCU执行，哪些任务由外设执行。这将有助于选择最适合可穿戴应用需求和开发策略的MCU产品，充分利用MCU能源友好的特性。

通过识别必须执行的软件功能和逻辑算法，以及它们发生的频率，你能够构建出恰当的初始估算或者可穿戴应用的计算需求。假设有一个健身监视器，它的MCU通过一个多轴加速计感应用户的身体活动，使用一个IR接近传感器监视脉搏，使用其他传感器检测温度、湿度、血氧等级，甚至紫外线(UV)强度(见图3)。然后MCU必须在确定真实步数和频率之前过滤掉掺杂在原始传感器数据中的噪声和干扰，或者结合心率数据以区别是特定活动类型还是其他生物特征输入。

图3：健康和健身追踪器以及其他可穿戴设备包含各类传感器，以测量身体活动和其他生物特征，例如UV照射强度

在用于现代MCU的几个优秀的32位处理器架构之中，ARM Cortex系列32位RISC CPU已经成为嵌入式设计中领先的处理器内核，这主要归功于它高效的架构、易于扩展的指令集、大量开发工具和代码库。在过去的几年中，ARM已经创建了几个系列的Cortex CPU，每一种都针对特殊的需求而优化。ARM Cortex-M系列处理器内核是特别针对嵌入式MCU而开发的，在这些应用中性能需求必须与能耗和低成本解决方案相适应。Cortex-M系列提供内核选项，满足各种可穿戴设备属性需求，包括价格、电池寿命、处理要求和显示类型等(见表1)。

表1：设计旨在满足多样性设计需求的ARM Cortex-M系列

在Cortex-M系列内，M3和M0+内核针对成本敏感的应用而设计，并且满足这些应用同时所需的高性能计算、外界事件快速系统响应、以及低动态和静态功耗。更复杂和功能强大的M4内核能够快速完成生物监视应用中常见的计算密集型算法。它的增强指令集包括功能强大的数字信号处理(DSP)功能库。M4内核的单精度浮点数处理单元(FPU)能够显著的缩短运行时间、减少MCU处于活动状态的时间，从而最大限度的降低整体能源消耗。

深度睡眠延长电池寿命

为了降低可穿戴平台能耗预算中MCU的影响，重要的是要将“需要把MCU从低功耗休眠模式中唤醒的任何任务的执行频率和时间”最小化。因此用例应该包括MCU上各种任务的预期发生频率，以及它们的执行是否是事件或者计划驱动的。

优化低功耗嵌入式设计的主要方式之一是找到仍然能够对外界事件进行足够响应的最低休眠模式。大多数使用Cortex-M处理内核的MCU支持多种休眠模式。

Silicon Labs的EFM32 Gecko系列产品采用标准的32位ARM Cortex-M内核，结合了能耗优化的多种外设和时钟架构。EFM32架构特别针对功耗敏感型应用而设计。该架构利用各种功耗模式，使得开发人员能够为可穿戴设备提供最佳的能源效率(见表2)。

休眠/待机(Sleep/Standby)(即EFM32 MCU的EM1模式)——能够以稍高点的功耗代价快速返回到活动模式(通常通过中断方式)。这种模式中，EFM32功耗为45μA/MHz;而其他32位MCU通常为200μA。

深度休眠(Deep Sleep)(EFM32的EM2模式)——保留MCU的关键单元处于活动模式，同时禁止高频系统时钟和其他非必要载荷。在这种模式下，EFM32功耗低至900nA;而其他32位MCU通常为10-50μA。

停机(Stop)(EFM32的EM3模式)——深度休眠模式的增强版本，能够进一步节省功耗，同时保持有限的自治性外设活动和快速唤醒能力。在这种模式下，EFM32功耗为0.59μA;而其他32位MCU通常为10-30μA。

关机(Off)(EFM32的EM4或者关断模式)——这种“near-death”状态保存最小的可被外界刺激触发的唤醒功能。这种节能效率的代价是显著增加唤醒时间。在这种模式下，EFM32功耗为20nA(RTC运行时是420nA);而其他32位MCU通常为1.5μA。

后备电池模式(Backup Battery Mode)——EFM32的独特特性，提供一个可替代关机模式的极具吸引力的替代模式，保留更多关键功能，并且支持更快的唤醒能力。

表2 ：EFM32 MCU为可穿戴应用提供的一系列功耗模式

智能外设就是智能设计

许多MCU都至少拥有几个外设用于执行周期性任务、I/O和内务处理任务，而同时CPU能够保持在它的低功耗休眠模式之一。一些MCU也拥有自治性外设，用以执行多种无需CPU干预的功能(例如计数器/定时器、ADC、DAC、GPIO、串行收发器等)。例如所有被EFM32 Gecko MCU支持的片上外设都拥有自治功能，可以在一个或多个设备休眠模式上保持活动状态。这与那些在最低能耗模式下仅支持有限活动功能(例如GPIO唤醒和RTC操作)的MCU形成鲜明对比。

除了拥有其他MCU所提供的计数器/定时器、ADC、DAC、GPIO和串行通信单元之外，EFM32 MCU系列产品的外设集还包括：

●电容感应控制器——感应NxN网格(最大16点)内触摸板触点和坐标，而无需CPU干预，并且CPU可以保持在EM2能耗模式。

●LCD驱动程序——可以从内存通过DMA驱动段码型LCD或TFT显示屏，而无需CPU干预。

●模拟比较器——可以监视警报/报警条件的门限电压，而无需CPU干预。

●带有DMA功能的Low Energy UART(LEUART)——可以在CPU处于EM2功耗模式下保持数据接收能力，无需唤醒CPU。

●Low Energy Sensor(LESENSE)接口——可以与最大16个模拟传感器(包括电阻型、电感型和电容型)协同工作，构成一个自治状态机。

大多数外设功能的活动，包括串口通信、计数器/定时器、模拟和数字比较器、高级I/O，都由专门的低功耗反射总线(称为Peripheral Reflex System或者PRS)进行协调。来自一个外设的事件和信号能够作为输入信号，或者被其他外设作为触发器，从而确保时序关键的操作并减少软件负荷。这些高级特性使得EFM32 Gecko MCU能够提供优秀的32位计算性能，同时使得可穿戴产品设计具有超低功耗和更长电池寿命。

最小化能耗中的软件力量

为了简化开发过程、缩短上市时间、获得最佳能效，可穿戴产品设计者必须考虑MCU供应商所提供的开发生态系统的有效性和易用性。为了使开发过程更加容易、快速和有效，开发人员应当使用完整、简单易用的平台，该平台能够为他们提供完成项目所需的一切资源，从初始概念设计到最终产品。同样重要的是，生态系统应当提供可以使开发人员优化产品能耗的辅助设计工具。

例如，Silicon Labs的Simplicity Studio开发平台包括了实时能耗配置和分析工具，是为了估算能耗、平衡性能和能效。Simplicity Studio energyAware Battery Calculator帮助开发人员评估电流消耗和电池寿命。开发人员能够选择EFM32 MCU Energy Mode和电池配置，并且在编写任何代码之前评估功耗。energyAware Profiler(见图4)实时分析电流消耗，如果电流消耗太高，可以帮助开发人员识别应当被优化的代码区域。

图4：诸如Simplicity Studio energyAware Profiler的开发工具能够帮助设计人员调整他们的可穿戴应用以优化能源效率

通过简单的观察电流消耗的图形输出，开发人员可以快速查看是否有任何功耗显著增加。要采取进一步措施，可以单击图表上一个点，选定应用并显示与电流消耗相关的C代码行，这对于开发人员来说非常有价值。这种能力能够帮助开发人员追踪电流消耗中异常数值到特定代码行，并进行优化。最后，这种能耗感知能力对于电池供电的可穿戴应用来说特别关键，它能够让开发人员了解每个mA数(甚至μA数)消耗在何处。

结论

为了集成复杂技术和高性能组件到空间和能耗都受限的设计中，为腕上革命而设计的制胜产品需要对可穿戴应用需求的现状以及最新的设计方法有深度的理解。智能手表、便携式健身追踪器、智能眼镜和其他可穿戴计算设备正在改变着我们所知的与便携式电子产品设计有关的一切事项。

可穿戴设备也正在改变着设计工程师的设计规则，他们必须完美的集成精密传感、计算、显示和无线技术到成本受限、引人入胜、超级紧凑的设计中，并且能够在单一可替换电池或其他受限电源供电下工作数月。新型的可穿戴计算产品正在以更快的速度出现在市场中，每一个设计创新都在打破着我们对最终用户体验的预期。腕上革命才刚刚开始!