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可穿戴电子设备实际上已有数十年的使用历史,如助听器、心脏起搏器和其它医疗设备在当今人们的生活中很常见。 实际上,许多消费电子产品已经变成与原始设计初衷并不一致,如手机有时是作为音乐播放器携带的,这并非其设计初衷,但由于消费者对功能和连接便携性的需要,就自然而然变成这样了。 可穿戴电子产品已由救生设备发展到时尚配饰,从活动监控手环、智能手表、智能眼镜到 gps 定位鞋:所有这些产品的市场需求目前都在增长。

图 1:智能可穿戴电子设备。

可穿戴电子设备的兴起虽然大多是消费者的需求推动所致,但可穿戴电子设备的应用领域亦是应有尽用:

资讯娱乐:用于了解资讯和娱乐,包括音乐、照片、视频、导航和电子邮件。

活动追踪:用于监控步行、睡眠、心率和摄食量等活动和身体机能,给个人消费者提供即时重要反馈,以便其据此采取行动来调整自身行为。

健康监控:用于监控被诊断的条件,以快速辅助诊断(不过考虑到隐私问题和法律法规的强制要求,此类技术必须经过较长的开发和测试周期)。

工业和企业:主要是可提供实时数据的腕戴式终端设备,包括监控工厂流程和更新库存数据。 智能眼镜和手环预计会获得工业细分市场中远程“无电脑”工作者的快速采用。

单兵系统:集成个人网络、传感器、外部通信和电源来管理系统。 单兵系统的目的之一在于,让士兵通过与子系统相连的连接器和电缆连入更广的战场网络。子系统性能高、坚固耐用、重量轻,从而便于士兵徒步行动。

定义可穿戴电子设备

可穿戴电子设备可定义为可接收输入、处理接收的输入和提供有用输出的智能设备。 以活动手环的一项功能为例,该功能可接收并处理从传感器接收的原始数据,随后生成某个时间内行走步数的报告。 传感器可对动作进行智能追踪,分辨是步行还是其他动作。

传感器是可穿戴电子设备的重要部件,小巧而精密化是其发展趋势。 目前可用的传感器种类繁多,最常见的是惯性测量装置,通常是加速计。 加速计可追踪特定动作、动作方向及其强度或速度。 以一个简单的加速计应用为例:当旋转手机或平板电脑(输入)时,设备会对此动作进行处理,相应旋转屏幕画面(输出)。

其他常见的传感器包括压力、温度、位置和湿度传感器,它们支持罗盘、gps 和陀螺仪等应用来检测动作。 医疗应用中使用的传感器用于测量和监控血流量、脉搏、血压、血氧含量、肌肉运动、体脂和体重等数据。 最成功的可穿戴电子设备,可运用算法将检测到的原始数据处理成可供用户操作的实用分析数据。

可穿戴电子设备必须具备与外界通信的能力。 尽管通过短距离无线电或其他无线协议进行无线连接十分常见,但市场上普遍要求通过 usb 端口进行有线连接。

许多可穿戴电子设备配有可供用户交互的视频显示屏或触摸屏。 易用性是此类小显示屏设备的一项重大挑战。 智能手表上即便采用高分辨率显示屏,可操作的空间亦是十分有限。 要想保持易用性,则需要在屏幕空间的占用比和结果信息的可读性间做出适当的权衡。 显示屏的功耗管理是可穿戴设备领先制造商发展的主要动力。 他们广泛使用功耗较全彩 lcd 或 oled 显示屏低的产品,例如电子墨水或电子纸等。 和任何电子设备一样,可穿戴电子设备必须由可充电电池或其他充电方式供电。 这通常需要可连接电源的端口来给电池充电。 无线电力传输正在兴起,将是集成在未来可穿戴设备中的一项关键功能,同时带动用户对防水功能的需求。

此外,可穿戴电子设备的另一共性是:可在某个应用程序进行更新或修改时,运行其他应用程序。 以与手机类似的智能手表为例。 智能手表就如同一台计算机,穿戴者可在执行多种任务的同时,单独连接到互联网,进行关键的应用程序更新和下载。

可穿戴电子设备和物联网

可穿戴电子设备是物联网 (iot) 的子集。 iot 是互联网“无远弗届”特性的迁移。 举例来说,您可以在世界任何地方使用智能手机或智能手表远程解锁住宅、控制温控器,或者启动或解除安防系统的防护。

iot 还可在无人工干预的情况下运作。 智能手表可通过预编程来在寒冷的早晨调高温度,在夜晚调低温度,或者查看天气预报并相应调节室内温度。

物联网协议无处不在:iot 的关键

iot 的关键因素是互联网协议 (ip) 的使用。 ip 是以太网和互联网用于控制信息流的通信协议。 每台连网的设备都有一个 ip 地址。 每台具有 ip 地址的设备都能与其他具有 ip 地址的设备通信。 防火墙、密码和其他安全措施用于控制哪些设备间可以相互通信。 可穿戴电子设备通过 ip 地址连入 iot。

连入 iot 的好处之一是,可穿戴电子设备无需以独立设备的形式存在。 健身手环连入物联网后,活动数据可下载到计算机的应用程序中。 随后应用程序会随时间的推移提供详细的趋势分析信息,以便追踪健身进度。 智能手表的音乐播放器可使用云计算(简称“云”)来检索歌曲。 深入探索可穿戴电子设备与 iot 的世界,人们最终可实现随处与各种物品进行互动,包括电视、房屋、汽车、电器和救生设备。此外,由于体积小巧,可穿戴电子设备还便于随身携带或佩戴。

小即是美:封装挑战

电子元件的微型化和集成化促成了可穿戴电子设备的发展,能够将众多强大的功能整合到很小的空间内。 传感器、计算机芯片、摄像头、扬声器和其他电子元件在体积越来越小的同时,其功能越来越强大。

将这些电子元件封装到合适的外形尺寸并保证适当的生产能力是一大挑战。 作为连接产品的领先制造商,te connectivity 由此与可穿戴电子设备的设计人员和制造商们展开着紧密合作。 图 2 为典型的智能手表的连接器解决方案。 大部分解决方案以及其他组件的主要特点是扁平、基底面小。 外型扁平对设备本身呈现出纤薄设计而言尤其重要。

图 2:智能手表连接器解决方案。

由于空间十分有限,部件集成不仅可简化系统结构,还可充分利用可用空间发挥最大效能。 如图 3 所示,手机天线可直接嵌入外壳中。 使用此类模塑互连器件 (mid) 和新兴印刷天线技术,可在模制部件中集成电路走线、接地层和屏蔽层。 基底的材质可以是工程塑料,也可以是复合材料。 复合材料可提高材料强度,且模制和金属化制作的性价比高,因此日益受到青睐。

图 3:天线与其他电路元件可嵌入塑料基底中。

坚固耐用

许多可穿戴系统采用专门的设计,适合在从事运动或其他激烈活动时穿戴使用。 坚固耐用是一种相对概念,定义会依应用而异。 就耐用性要求而言,心脏监控器和自行车运动员活动监控设备是不同的。 单兵可穿戴设备必须在完全不同等级的耐用性条件下使用,需要承受更宽的温度范围、具备更大的抗冲击抗振能力、更强的耐化学品或溶剂腐蚀性能,以防消费电子产品受损。

可穿戴电子设备越是能抵抗环境危害,其可靠性和易用性也就越强。 使用防溅 usb 端口和橡胶保护层可实现一定程度的耐候性,但并不能使设备真正具备防水性能。 设计人员希望关闭设备开口,实现防水设计 ip67/68 密封要求。 侵入防护 (ip) 等级用来指定电子设备周围的外壳的环境防护能力。 防水功能不仅加强了设备的坚固耐用性,也提升了易用性。 市场上正在兴起无线电力传输等方法。

磁连接电缆:usb 和同类连接器通过摩擦 配合来保持连接器的接合。 如图 4 所示,另一种方法是使用磁铁将连接器固定在电缆侧的弹簧加压触点上。 设备侧的触点和磁铁可密封,以防液体和湿气进入设备。 与接合 micro usb 连接器不同,磁铁可有助于将电缆拉入合适位置。

图 4:磁连接电缆。

非接触式数据连接:在设备和电缆组件中通过磁性连接件和收发器来建立无线连接。 此方法可支持 usb 2.0 和 3.0 等高速 i/o 协议。 收发器间距离短,可实现节能连接。

无线充电:不用直接电气连接即可为电池充电。 无线充电(即感应充电)使用充电装置和电子设备中的感应线圈来为设备充电。 充电线圈产生的电磁场可让能量如同变压器样传送到接收线圈。 无线充电的优点包括:

耐用性更强:对连接器无磨损

可靠性更高:污物无法再从连接器端口进入

易用性更佳:无需接合小型连接器

设计无约束:工业设计人员可无约束地创造独特新颖的设备外形

寿命更持久:功率变送器制成常用物件,便于设备持续充电

无线充电的缺点包括:能效较低、发热较多和充电较慢。 这些缺点彼此关联,可通过更新线圈结构和提高耦合频率来改善。 大部分可穿戴设备能耗极低,因此这些缺点所带来的影响微乎其微。

智能纺织品和电子衣物

可穿戴电子设备的另一发展趋势在于,纺织品中嵌入传感器和电子设备,从专用运动装到日常衣物都可实现。 挑战在于,制造出的电子衣物需要与普通衣物无异,舒适性好、柔性佳且耐洗。 嵌入的互连器件与电子设备须自然隐蔽且稳固。 必须符合以下要求:

终端须稳固可靠、绝缘且防水

天线和收发器解决方案须内嵌于衣物且柔性佳

导电线缆绝缘且可伸展

小型可烘干电池

pcb/fpc 抗皱耐压接

当今可穿戴电子设备市场的挑战在于,生产的设备要能提供可改善我们生活的实用数据。 不论是戴于腕部、头部或是脚部,可穿戴电子设备都必须具备时尚、耐用和易充电的特点。

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