全能12自由度IoT模块设计：Dialog蓝牙控制器+博世传感器

本文介绍了一种为可穿戴设备应用而优化的物联网(IoT)传感器系统参考设计，描述了在可穿戴设备可行性研究与设计期间可能遇到的挑战，并为硬件设计工程师提供了实用建议。

过去十年，微电子与计算机系统领域的飞速发展，催生了许多功能空前强大的传感器与移动设备。高计算能力、小尺寸和低成本使人们能够与可穿戴式设备互动，使其融入人们的日常生活。结合传感器与无线技术的小型可穿戴设备已在许多应用中变得非常流行，如健康和健身跟踪以及安全等。它们对提供有关我们的活动和行为的准确及可靠信息非常有用，并将引领我们在生活、社交互动和活动方面的革命，如同个人电脑在几十年前出现时带来的革命一样。

用于人类活动监测的传感器

可穿戴设备可监测人类活动。在医疗应用中，可穿戴设备能够监测生理活动，测量体温、心率、脑活动、肌肉运动和其他重要数据，为患者在家中的康复治疗(如术后恢复)提供便利。在体育运动和训练中，可穿戴设备的嵌入式传感器可跟踪和分析使用者的身体活动，然后提供诸如步数、燃烧的卡路里数等信息。

人类活动监测系统的基本架构如图1所示，根据不同的监测任务使用不同类型的传感器。来自传感器的原始数据由处理器收集，处理后的数据显示在可穿戴设备显示屏上，或者通过无线电收发器无线传输到一个中枢设备，例如智能手机。数据在传感节点上也许可以完全处理好，也许不能，但大多数在中枢设备进行存储和处理，并以图形和/或数值方式显示。

图1：人类活动监测系统

常用于人类活动监测的传感器包括：

①加速计沿着量测轴在特定频率范围内测量加速度。通常使用3轴加速计，以提供3D定位信息。

②陀螺仪测量X、Y、Z轴旋转速度。与加速计结合使用时，它们能够提供更准确的3D定位信息。加速计和陀螺仪的这一组合可提供6轴信息。

③磁强计。使用磁强计(或通常所称的磁电机)可进一步改进位置检测。额外的磁场信息使传感算法能够对很长时间上的小偏差进行补偿，有助于我们更准确地跟踪位置和方向的绝对变化。磁强计、加速计和陀螺仪的组合可提供9轴信息。

④测量环境温度、气压和湿度的环境传感器能够提供有关环境状况的准确信息，并能通过结合定位信息与环境条件数据，来进一步改进人类活动监测。

⑤此外还有测量体温和心率的传感器。随着人类活动监测应用变得愈加复杂，更多上述传感器被用于可穿戴设备，从而为应用开发带来更多自由度(DoF)。

设计12自由度小型可穿戴设备的挑战

通常，设计可穿戴设备需要考虑三个关键参数：

一是所用传感器的类型。提供步数或睡眠质量信息的典型活动监测设备可结合使用3轴加速计与无线收发器，使我们能够在PC、平板电脑或智能手机上进行数据收集。要进行更准确的位置和运动跟踪，就需要更多的轴，另外还可能要添加环境传感器。对于提供医学信息的可穿戴设备，可能还要单独或结合使用心率和体温传感器。

二是所用的低功耗无线协议。在目前使用的各种无线协议当中，蓝牙智能是功率效率最高的射频技术。同时，包括平板电脑和智能手机在内的大多数无线个人计算设备都支持蓝牙智能协议。

三是尺寸和成本。可穿戴设备传感器节点需体积小、重量轻，使得它们能轻松整合到手表、手环、首饰等产品之中。可穿戴设备传感器节点还需成本低并且只需最少的外部元件，将物料需求降到最低。

总之，用于活动跟踪的理想可穿戴传感器设备，巧妙地将9 轴感测功能和环境传感器(可实现最佳人类活动跟踪的)与最低功耗蓝牙智能无线技术结合起来，成为全能的小系统。

具有 12 个自由度(9 轴跟踪以及温度、气压和湿度感测)的传感器系统可提供对人类活动的最佳跟踪效果，这是因为在环境状况信息的辅助下，它能够提供非常准确的定位信息。然而，将所有这些传感器都包含于一个非常小的系统，进而整合到可穿戴设备之中并不那么容易。

设计小尺寸系统的挑战包括：

①磁强计布置。在磁强计测量磁场强度时，其工作可能受到其他强磁场或金属表面的影响。在电池供电的可穿戴设备中，数据准确度会受到射频信号和天线系统及电池本身的影响。

②电池及电池座布置。在非常小的可穿戴设备系统中，电池尺寸是决定印刷电路板尺寸的主要因素。而且，电池座和电池(通常为钮扣电池)的金属外壳的软铁效应，会影响磁电机的性能，从而给电池布置带来约束。

③天线布置。天线性能高度依赖其布置和尺寸。这就需要仔细进行系统设计，以便可穿戴设备具有良好的射频性能，且磁强计性能不受影响。可使用的天线类型很多，包括印制或陶瓷天线，但每种天线各有其优点和缺点。

物联网传感器参考设计

这里我们介绍一种包含上述所有特征的物联网传感器参考设计，以及实现可穿戴设备应用最佳系统尺寸的硬件设计考虑事项。该参考设计基于Dialog半导体公司的高度集成DA14583蓝牙智能控制器，可减小系统尺寸和成本。它包括用于加快设计先进物联网设备需要的所有关键硬件和软件。

该参考设计是为可穿戴计算、浸入式游戏、增强现实以及3D室内地图和导航应用设计运动感测模块的完整开发平台。它结合了蓝牙无线通信和ARM Cortex-M0处理器与加速计、陀螺仪、磁强计和环境传感器，非常适合资源有限的系统，因为它可以最大限度降低内存和处理要求及功耗。该参考设计的主要元件是DA14583系统级芯片(SoC)和博世传感器。

DA14583 SoC具有针对蓝牙智能技术的完全集成式无线电收发器和基带处理器。它可以用作独立应用处理器或托管系统中的数据泵。DA14583蓝牙智能SoC带有集成式SPI闪存，且需要的外部元件非常少。另外，它还采用非常小的QFN40封装。

DA14583的功耗达到了空前低的水平。其在睡眠模式(仅为保留内存供电)下的电流消耗仅0.5 μA，当为所有系统内存供电时，睡眠电流为1.2 μA。在3V电源电压条件下，发射和接收模式下的总体电流消耗分别为4.8mA和5.1mA。这一低功耗有助于优化电池尺寸。非常小的电池就能让SoC使用几个月之久。该DA14583是高度可配置的，它支持OTP，为连接传感器提供了大量接口，并能读取来自集成式模/数转换器的模拟数据。

选择博世传感器的原因是其低功耗、卓越的软件支持和高度可配置性，能轻松适应客户的需要。此外，博世传感器集成度高，并采用非常小的封装。

该参考设计中使用的传感器描述如下：

BMI160(惯性传感器 – 陀螺仪)：是一种低功耗、低噪声16位惯性测量单元，针对需要高度准确的实时传感器数据的移动设备及室内应用而设计。在完全工作模式下，加速计和陀螺仪启用，电流消耗典型值为950 μA，能够确保电池供电式设备上安装的应用程序始终在线。

BMM150(地磁传感器)：是一种用于指南针应用的低功耗、低噪声 3 轴数字式地磁传感器。基于博世的专有 FlipCore 技术，BMM150 的性能和特性经过仔细调优，可完全满足 3 轴移动设备应用(如电子指南针、导航和增强现实)的苛刻要求。

BME280(环境传感器)：是一种专为低功耗应用开发的集成式环境传感器。内置湿度传感器具有极快的响应时间，可满足新兴应用(如情境感知)的性能要求。该传感器在宽温度范围上提供高测量精度。湿度传感器具有极快的响应时间，而压力传感器是完全气压式的，具有异常高的精度和分辨率及非常低的噪声。

在进行系统设计时必须确保实现不受干扰的高性能，同时保持低功耗和占用最小的PCB面积。PCB布线期间必须考虑磁电机带来的限制因素。磁电机应当距纽扣电池3 mm - 5 mm远，距大电流迹线(如邻近DC/DC转换器和电感的迹线)10 mm远。同时建议与电源轨保持3 mm - 4 mm的距离。值得注意的是，磁电机可以置于接地(GND)平面之上而无需留有间隙。

在系统中，电池扮演着重要角色，因为其尺寸决定着可穿戴设备印刷电路板的尺寸和产品的总功率。通常，钮扣电池在可穿戴设备上的理想位置是在印刷电路板下面。这可确保与磁电机间的最大距离，并优化印刷电路板面积的使用。另外这还能将与其他传感器的干扰可能性降到最低。

该参考设计可选择两种天线：印刷电路或陶瓷片。选择陶瓷片天线因为其小尺寸、可靠性、多用途性和易于调谐。由于可穿戴设备印刷电路板的尺寸小，所以天线布置仍然是一个挑战。通常情况下，天线应放在印刷电路板的角部，确保遵守其数据表中描述的连接焊盘说明和接地(GND)间隙要求。图2是该参考设计的整体布局。

图2：实际可穿戴设备印刷电路板装配，顶视图(左)和底视图(右)

通常，目标印刷电路板厚度应当约为1.6mm，这还可以确保磁电机与钮扣电池及电池座间的额外距离。在遵守相关说明条件下，装配完成后的印刷电路板设计如图2所示。参考设计中使用的是4层印刷电路板。

测量结果表明，在睡眠模式下，该参考设计仅消耗11uA(平均值)电流。在广播模式下，电流消耗上升至110uA(平均值)。当连接至主机，在没有运动且所有传感器均通电的情况下，平均电流消耗为560uA。1.35mA(平均值)的最大电流消耗是在可穿戴设备处于移动状态的情况下测得。这也证实了该参考设计的省电特点。