本文介绍了一种为可穿戴设备运用而优化的物联网(IoT)传感器
体系参阅规划，描绘了在可穿戴设备可行性研究与规划期间或许遇到的应战，并为硬件规划工程师供给了有用主张。
曩昔十年，微电子与核算机体系范畴的飞速发展，催生了许多功用空前强壮的传感器与移动设备。高核算才能、小尺度和低本钱使人们能够与可穿戴式设备互动，使其融入人们的日常日子。结合传感器与无线技能的小型可穿戴设备已在许多运用中变得十分盛行，如健康和健身盯梢以及安全等。它们对供给有关咱们的活动和行为的精确及牢靠信息十分有用，并将引领咱们在日子、社交互动和活动方面的革新，好像个人电脑在几十年前出现时带来的革新相同。
用于人类活动监测的传感器
可穿戴设备可监测人类活动。在医疗运用中，可穿戴设备能够监测生理活动，丈量体温、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医治(如术后康复)供给便当。在体育运动和练习中，可穿戴设备的嵌入式传感器可盯梢和剖析运用者的身体活动，然后供给比如步数、焚烧的卡路里数等信息。
人类活动监测体系的根本架构如图1所示，依据不同的监测使命运用不同类型的传感器。来自传感器的原始数据由处理器搜集，处理后的数据显现在可穿戴设备显现屏上，或许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。数据在传感节点上或许能够彻底处理好，或许不能，但大多数在中枢设备进行存储和处理，并以图形和/或数值方法显现。
图1：人类活动监测体系
常用于人类活动监测的传感器包含：
①加快计沿着量测轴在特定频率范围内丈量加快度。一般运用3轴加快计，以供给3D定位信息。
②陀螺仪丈量X、Y、Z轴旋转速度。与加快计结合运用时，它们能够供给更精确的3D定位信息。加快计和陀螺仪的这一组合可供给6轴信息。
③磁强计。运用磁强计(或一般所称的磁电机)可进一步改善方位检测。额定的磁场信息使传感算法能够对很长时刻上的小误差进行补偿，有助于咱们更精确地盯梢方位和方向的肯定改变。磁强计、加快计和陀螺仪的组合可供给9轴信息。
④丈量环境温度、气压和湿度的环境传感器能够供给有关环境情况的精确信息，并能通过结合定位信息与环境条件数据，来进一步改善人类活动监测。
⑤此外还有丈量体温文心率的传感器。跟着人类活动监测运用变得更加杂乱，更多上述传感器被用于可穿戴设备，然后为运用开发带来更多自由度(DoF)。
规划12自由度小型可穿戴设备的应战
一般，规划可穿戴设备需求考虑三个要害参数：
一是所用传感器的类型。供给步数或睡觉质量信息的典型活动监测设备可结合运用3轴加快计与无线收发器，使咱们能够在PC、平板电脑或智能手机进步行数据搜集。要进行更精确的方位和运动盯梢，就需求更多的轴，别的还或许要增加环境传感器。关于供给医学信息的可穿戴设备，或许还要独自或结合运用心率和体温传感器。
二是所用的低功耗无线协议。在现在运用的各种无线协议傍边，蓝牙智能是功率功率最高的射频技能。一起，包含平板电脑和智能手机在内的大多数无线个人核算设备都支撑蓝牙智能协议。
三是尺度和本钱。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本钱低并且只需最少的外部元件，将物料需求降到最低。
总归，用于活动盯梢的抱负可穿戴传感器设备，奇妙地将9 轴感测功用和环境传感器(可完成最佳人类活动盯梢的)与最低功耗蓝牙智能无线技能结合起来，成为万能的小体系。
具有 12 个自由度(9 轴盯梢以及温度、气压和湿度感测)的传感器体系可供给对人类活动的最佳盯梢作用，这是因为在环境情况信息的辅佐下，它能够供给十分精确的定位信息。但是，将一切这些传感器都包含于一个十分小的体系，然后整合到可穿戴设备之中并不那么简单。
规划小尺度体系的应战包含：
①磁强计安置。在磁强计丈量磁场强度时，其作业或许遭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，数据精确度会遭到射频信号和天线体系及电池自身的影响。
②电池及电池座安置。在十分小的可穿戴设备体系中，电池尺度是决议印刷电路板尺度的首要要素。并且，电池座和电池(一般为钮扣电池)的金属外壳的软铁效应，会影响磁电机的功能，然后给电池安置带来束缚。
③天线安置。天线功能高度依靠其安置和尺度。这就需求细心进行体系规划，以便可穿戴设备具有杰出的射频功能，且磁强计功能不受影响。可运用的天线类型许多，包含印制或陶瓷天线，但每种天线各有其长处和缺陷。
物联网传感器参阅规划
这儿咱们介绍一种包含上述一切特征的物联网传感器参阅规划，以及完成可穿戴设备运用最佳体系尺度的硬件规划考虑事项。该参阅规划根据Dialog半导体公司的高度集成DA14583蓝牙智能操控器，可减小体系尺度和本钱。它包含用于加快规划先进物联网设备需求的一切要害硬件和软件。
该参阅规划是为可穿戴核算、浸入式游戏、增强实践以及3D室内地图和导航运用规划运动感测模块的完好开发渠道。它结合了蓝牙无线通信和ARM Cortex-M0处理器与加快计、陀螺仪、磁强计和环境传感器，十分合适资源有限的体系，因为它能够最大极限下降内存和处理要求及功耗。该参阅规划的首要元件是DA14583体系级芯片(SoC)和博世传感器。
DA14583 SoC具有针对蓝牙智能技能的彻底集成式无线电收发器和基带处理器。它能够用作独立运用处理器或保管体系中的数据泵。DA14583蓝牙智能SoC带有集成式SPI闪存，且需求的外部元件十分少。别的，它还选用十分小的QFN40封装。
DA14583的功耗达到了空前低的水平。其在睡觉形式(仅为保存内存供电)下的电流耗费仅0.5 μA，当为一切体系内存供电时，睡觉电流为1.2 μA。在3V电源电压条件下，发射和接纳形式下的全体电流耗费分别为4.8mA和5.1mA。这一低功耗有助于优化电池尺度。十分小的电池就能让SoC运用几个月之久。该DA14583是高度可装备的，它支撑OTP，为衔接传感器供给了很多接口，并能读取来自集成式模/数转换器的模仿数据。
挑选博世传感器的原因是其低功耗、杰出的软件支撑和高度可装备性，能轻松习惯客户的需求。此外，博世传感器集成度高，并选用十分小的封装。
该参阅规划中运用的传感器描绘如下：
BMI160(惯性传感器 – 陀螺仪)：是一种低功耗、低噪声16位惯性丈量单元，针对需求高度精确的实时传感器数据的移动设备及室内运用而规划。在彻底作业形式下，加快计和陀螺仪启用，电流耗费典型值为950 μA，能够保证电池供电式设备上装置的运用程序一直在线。
BMM150(地磁传感器)：是一种用于指南针运用的低功耗、低噪声 3 轴数字式地磁传感器。根据博世的专有 FlipCore 技能，BMM150 的功能和特性通过细心调优，可彻底满意 3 轴移动设备运用(如电子指南针、导航和增强实践)的严苛要求。
BME280(环境传感器)：是一种专为低功耗运用开发的集成式环境传感器。内置湿度传感器具有极快的呼应时刻，可满意新式运用(如情境感知)的功能要求。该传感器在宽温度范围上供给高丈量精度。湿度传感器具有极快的呼应时刻，而压力传感器是彻底气压式的，具有反常高的精度和分辨率及十分低的噪声。
在进行体系规划时有必要保证完成不受搅扰的高功能，一起坚持低功耗和占用最小的PCB面积。PCB布线期间有必要考虑磁电机带来的约束要素。磁电机应当距扣子电池3 mm – 5 mm远，距大电流迹线(如附近DC/DC转换器和电感的迹线)10 mm远。一起主张与电源轨坚持3 mm – 4 mm的间隔。值得注意的是，磁电机能够置于接地(GND)平面之上而无需留有空隙。
在体系中，电池扮演着重要人物，因为其尺度决议着可穿戴设备印刷电路板的尺度和产品的总功率。一般，钮扣电池在可穿戴设备上的抱负方位是在印刷电路板下面。这可保证与磁电机间的最大间隔，并优化印刷电路板面积的运用。别的这还能将与其他传感器的搅扰或许性降到最低。
该参阅规划可挑选两种天线：印刷电路或陶瓷片。挑选陶瓷片天线因为其小尺度、牢靠性、多用途性和易于调谐。因为可穿戴设备印刷电路板的尺度小，所以天线安置仍然是一个应战。一般情况下，天线应放在印刷电路板的角部，保证恪守其数据表中描绘的衔接焊盘阐明和接地(GND)空隙要求。图2是该参阅规划的全体布局。
图2：实践可穿戴设备印刷电路板安装，顶视图(左)和底视图(右)
一般，方针印刷电路板厚度应当约为1.6mm，这还能够保证磁电机与钮扣电池及电池座间的额定间隔。在恪守相关阐明条件下，安装完成后的印刷电路板规划如图2所示。参阅规划中运用的是4层印刷电路板。
丈量结果表明，在睡觉形式下，该参阅规划仅耗费11uA(均匀值)电流。在播送形式下，电流耗费上升至110uA(均匀值)。当衔接至主机，在没有运动且一切传感器均通电的情况下，均匀电流耗费为560uA。1.35mA(均匀值)的最大电流耗费是在可穿戴设备处于移动状况的情况下测得。这也证明了该参阅规划的省电特色。
