不断演变的可穿戴设备。

趋势

小型设备的发展

可穿戴电子设备已经从救生用设备演变为时尚配饰,从运动监测手环、智能手表和智能眼镜到支持 GPS 功能的鞋履一应俱全:现在所有这些产品的市场需求量都在不断增长。

其实早在几十年前,就已经有了可穿戴电子设备的运用,彼时的助听器、起搏器和其他一些医疗器械如今已然十分常见。 实际上,许多像手机这样的消费类电子产品有时也会被当作便携式音乐播放器佩戴在身上,但它们在最初设计时并无此意,而是随着消费者对功能和连接性的需求变化做出的适时调整。可穿戴电子设备已经从救生用设备演变为时尚配饰,从运动监测手环、智能手表和智能眼镜到支持 GPS 功能的鞋履一应俱全:现在所有这些产品的市场需求量都在不断增长。
尽管可穿戴电子设备的出现主要是源于消费者需求,但可穿戴设备的应用范围十分广泛,包括:

  • 信息娱乐:用于通知信息和休闲娱乐,包括音乐、照片、视频、方位定向和电子邮件。
  • 活动追踪:用于监测人体活动和机能(例如步行、睡眠、心率和摄食量),以便即时为消费者个人提供重要的反馈信息,使其可相应地改变自己的行为。
  • 健康监测:用于监测确诊疾病,很快将能支持诊断,但此类技术的监管要求和关于隐私的担忧还必须经过一段漫长的发展期和反复的测试。
  • 工业和企业:这一领域关注的焦点是佩戴在手腕上的终端,目的在于提供实时数据,包括监测工厂流程和更新仓库库存。预计智能眼镜和手环将能迅速获得工业领域中的远程无电脑工作者的广泛采用。
  • 单兵系统:集成个人网络、传感器、外部通讯和电源以管理这些系统。一个目标是将士兵链接到更大的战场,并使用连接器和电缆来连接子系统,而这些子系统必须具有较高的性能且坚固耐用,同时减轻总重量,以便于徒步行走的士兵佩戴。
健身手环
健身手环
智能眼镜
智能眼镜
智能服装
智能服装
医疗
医疗

可穿戴电子设备应该是智能的,并能够接受输入、处理该输入并提供有意义的输出。 例如,运动手环的一个功能就是接收传感器的原始数据并进行处理,然后生成有关给定时间段内的总步数的报告。传感器可跟踪运动情况,且足够智能,可区分行走步数和其他运动数据。

传感器

传感器是可穿戴电子设备中的一个重要部件,且未来的趋势将是越来越小、越来越精细。目前市面上有各种类型的传感器可用,但最常见的一种还是惯性测量装置,通常就是指加速度计。加速度计可以跟踪特定的运动数据、方向及其强度或速度。加速度计的一个简单示例是当移动电话或平板电脑旋转(输入)时,设备会对该运动进行处理,然后相应地旋转屏幕(输出)。
其他常见的传感器包括压力、温度、位置和湿度传感器,支持指南针、GPS 和陀螺仪等应用以检测运动。医疗应用中所使用的传感器可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。最成功的可穿戴设备就是使用特定算法来处理原始传感数据并转换成可操作、有意义的结果,以供用户使用。

通信

输入/输出

可穿戴电子设备必须能够与外界通信。虽然通过短程无线电或其他无线协议实现无线连接的做法很常见,但通常还是需要通过 USB 端口进行有线连接。

电源

许多可穿戴设备都会有一个视频显示屏或触摸屏,以便进行用户交互。此类小显示屏的一大挑战是易用性。即使是智能手表上的高分辨率显示屏也无法提供太多的空间。若要保持可用性,就需要在屏幕上可容纳的信息量与生成信息的可读性之间实现良好的平衡。管理这些显示屏的功耗是行业领先的可穿戴设备制造商的主要研发动力。他们广泛采用了电子墨水或电子纸张等低功率的替代方案,而不是全彩色 LCD 或 OLED 显示屏。与任何电子设备一样,可穿戴设备也必须通过充电电池或其他充电方法进行供电。这通常需要有一个专门的端口用于连接电源,以便对电池进行充电。无线电力传输逐渐成为新型可穿戴设备中要集成的一项关键特性,同时对设备提出了防水要求。

处理

可穿戴电子设备的另一个常见标志是能够在更新或更改一个应用的同时运行多个应用。例如,智能手表与移动电话十分相似。它就是一个小型计算机,使佩戴者能够执行多项不同的任务,同时独立连接到互联网以更新和下载关键应用程序。

可穿戴电子设备是物联网 (IoT) 中的一个子集。 物联网让互联网延伸到除人之外的更大范围。例如,使用智能手机或手表就能从世界上的任何角落远程开家门、控制自动调温器以及启用或解除安全系统。
而且即使没有人的参与,物联网也能正常运行。通过智能手表的预设置,在寒冷的早晨自动调高暖气温度,到了夜晚再将暖气调小,或者能够根据天气预报,智能调整室内温度。

无处不在的互联网

通往物联网的钥匙

物联网的关键因素是使用互联网协议 (IP)。IP 是指以太网和互联网用来控制信息流的一种通信协议。每个联网设备都有一个 IP 地址。每个拥有 IP 地址的设备都能与其他所有 IP 设备进行通信。防火墙、密码和其他安全措施可控制哪些设备可互相通信。可穿戴电子设备也是凭借 IP 地址加入物联网。
加入物联网的一大优势是可穿戴电子设备不必一定作为独立设备而存在。可将健身手环中收集的运动数据下载到计算机上的某个应用程序中。此应用程序可提供特定时间段内的详细趋势分析,以便跟踪进度。手表中的音乐播放器可使用云计算(“云”)检索歌曲。最终结果是无论身处何方,只需一个靠近身体或佩戴在身上的小设备,人们就能与各式各样的物体进行交互 – 电视机、家、汽车、家用电器和救生设备,尽情探索可穿戴电子设备和物联网的精彩世界。

可穿戴电子设备中集成了许多微型组件, 也就是说许多强大的功能都要整合在一个非常狭小的空间内。传感器、计算机芯片、摄像头、扬声器和其他组件将越来越小,同时功能越来越强大。

包装挑战

将这些组件集成在合适的外形尺寸中并保持适当的可制造性水平是一大挑战。作为连接领域的领导者,TE Connectivity 与可穿戴电子设备的设计人员和制造商展开密切合作。图 2 显示了智能手表中常用的连接器解决方案。这些以及其他组件大多具有一个关键特性,就是外形小巧且占用空间少。外形小巧尤其重要,这样设备本身才能采用超薄设计。

图 2 – 智能手表连接器解决方案

图 2 – 智能手表连接器解决方案

空间十分有限,因此部件集成后不仅能简化系统,还能在可用空间内实现效率最大化。天线可直接嵌入在壳体内,如图 3 的移动电话中所示。有了此类模制互连器件 (MID) 和新兴天线技术,可将电路迹线、接地层和屏蔽层集成到模缩套内。基质可以是精心设计制作的塑料或复合物。复合物变得越来越具有吸引力,因为它们能提高材料强度,并能以极具成本效益的方式进行模制和金属化。

图 3 - 天线和其他电路元件可嵌入在塑料基质中。
图 3 - 天线和其他电路元件可嵌入在塑料基质中。

许多可穿戴系统的设计都很难避免在体育运动和其他激烈活动中产生磨损。 坚固性的概念是相对的,只能针对不同的应用条件进行定义。心脏监护器的坚固性要求不同于自行车骑行者佩戴的运动监测器的坚固性要求。士兵可穿戴设备又是完全不同的坚固性要求,需要具有更大的温度范围、更佳的抗冲击和防震性,并能有效防御可能让一般消费类设备损毁的化学品或溶剂。
增强可穿戴电子设备抵御环境危害的能力将能使设备更加可靠且更易于使用。通过使用防溅 USB 端口和橡胶保护层,可实现一定程度的防水性能,但并不能使设备完全防水。设计人员寻找各种方法,想要闭合设备中的开口以达到 IP67/68 级密封,从而实现防水设计。入口保护 (IP) 用于指定电子设备周围外壳的环境保护。防水不仅能带来更稳固的设计,还能提高易用性。市场上逐渐兴起了一些新方法,例如无线电力传输。

图 4 - 磁性连接电缆
图 4 - 磁性连接电缆

磁性连接电缆: USB 和类似的连接器都是利用摩擦配合原理进行连接器插接。图 4 中所示的备选方法是使用磁铁将连接器固定就位,并将回弹式端子固定在线端。设备端的端子和磁铁可加以密封,以避免液体和湿气进入设备。与插接微型 USB 连接器相反,磁铁可帮助将电缆拉动到适当的位置。

非接触式数据连接: 在设备和线束中使用磁性附着体和收发器以建立无线连接。此方法可支持 USB 2.0 和 3.0 等高速 I/O 协议。收发器之间的距离较短,因此连接更加节能。

无线充电: 无需直接电气连接即可对电池进行充电。无线充电又称为感应充电,使用充电装置和电子设备中的感应线圈对设备进行充电。充电线圈形成的电磁场使能量传输到接收线圈,作用类似于变压器。无线充电的优势包括:

  • 提高了耐用性:对连接器没有磨损
  • 提高了可靠性:没有连接器端口,也就不会有污染物进入
  • 更易于使用:没有小连接器需要插接
  • 设计自由:工业设计人员可以自由创造新颖的、非同寻常的设备形态
  • 更长的使用寿命:将电力变压器内置到通用对象中,即可连续对设备充电

无线充电的缺点包括:效率更低、发热更高和充电更慢。这些问题都彼此相关,通过采用更新的线圈结构和更高的耦合频率即可加以改善。大多数可穿戴设备的功率极低,因此这些缺点的影响可能微乎其微。

可穿戴设备的另一趋势是将传感器和电子设备嵌入在纺织品中, 从专业运动服装到日常服饰无所不包。困难在于创造像其他衣物一样,既舒适柔软又可清洗的电子服装。互连和电子设备必须坚固而又不引人注目。这就需要:

  • 绝缘、稳固、防水的可靠终端
  • 灵活的、基于服装的天线和收发器解决方案
  • 弹性导电的绝缘导线
  • 小型可干燥电池
  • 抗皱、耐卷曲的 PCB/FPC

电子可穿戴设备市场面临的挑战是创造出的设备应能提供有用的数据,帮助改善我们的生活。无论是佩戴在手腕上、头上还是脚上,可穿戴设备必须外观时尚、坚固耐用并可轻松充电。