如何設計可穿戴技術(shù)產(chǎn)品

2021-11-04

如何設計可穿戴技術(shù)產(chǎn)品

開(kāi)發(fā)可穿戴電子產(chǎn)品涉及以與更傳統的設計截然不同的方式處理設計約束和妥協(xié)。

本文討論了可穿戴技術(shù)產(chǎn)品的主要設計權衡。

產(chǎn)品要求

首先列出您的所有硬件功能要求。盡管這對任何產(chǎn)品都至關(guān)重要，但對于空間和電池壽命有限的可穿戴設備來(lái)說(shuō)更為重要。

要求可能包括以下任何一項：Wi-Fi、藍牙、GSM/LTE無(wú)線(xiàn)電、音頻、相機、視頻顯示器、GPS、加速度計、3D手勢傳感器、氣壓傳感器、環(huán)境光傳感器、距離傳感器、生物識別傳感器、無(wú)線(xiàn)充電、觸覺(jué)反饋等。

如果您正在使用這些類(lèi)型的功能，您將需要足夠的電池來(lái)提供必要的電力。您還需要一塊容量足以為設備供電至少幾個(gè)小時(shí)的電池。

能量消耗

問(wèn)自己以下問(wèn)題。Wi-Fi、藍牙和任何其他無(wú)線(xiàn)功能是否需要同時(shí)激活？他們需要一直活躍，還是只在某些時(shí)候活躍？

減少與無(wú)線(xiàn)功能相關(guān)的大量功耗的一種方法是添加能夠確定您的設備在任何給定時(shí)間處于什么狀態(tài)的傳感器。

添加加速度計、磁力計、接近傳感器或壓力傳感器等傳感器可以確定您的產(chǎn)品何時(shí)以及是否需要處于活動(dòng)狀態(tài)。

這些類(lèi)型的傳感器可用于讓您的產(chǎn)品進(jìn)入睡眠模式，例如，當產(chǎn)品未主動(dòng)使用時(shí)。

您能否通過(guò)關(guān)閉顯示器來(lái)節省電池壽命，例如，當它處于無(wú)法讀取的位置時(shí)?；蛘?，如果傳感器檢測到環(huán)境光源低，您的顯示器亮度是否可以調低？

假設您的設備使用GPS。例如，如果設備自上次更新其位置后沒(méi)有移動(dòng)，您能否通過(guò)關(guān)閉 GPS接收器來(lái)節省電量。

卸載處理器工作負載

認真考慮使用尺寸限制比可穿戴產(chǎn)品少的處理器代理。大多數情況下，可穿戴產(chǎn)品的代理將是智能手機，它可以執行您想要的產(chǎn)品的許多功能。

智能手機可以通過(guò)藍牙與您的設備進(jìn)行通信。然后，您的產(chǎn)品可以利用智能手機的高速處理器、蜂窩連接和Wi-Fi。

對于某些可穿戴產(chǎn)品，您可以將智能手機用作輔助用戶(hù)界面。例如，這是iWatch使用的設置，它的所有無(wú)線(xiàn)功能都取決于手機。

選擇合適的電池

大多數可穿戴產(chǎn)品都需要具有高能量密度的電池，以便在預期的運行時(shí)間內運行?？纱┐鳟a(chǎn)品使用鋰離子電池技術(shù)必不可少。

一定要選擇信譽(yù)良好的供應商。您不希望您的可穿戴設備意外著(zhù)火并燒毀您的客戶(hù)！

您需要在對高電壓和高能量密度電池的需求與客戶(hù)安全之間取得平衡?？纱┐鳟a(chǎn)品有更嚴格的安全要求，因為它們會(huì )接觸您的身體。

此外，請特別注意妥善保護您的電池。這包括電氣保護以及為電池創(chuàng )建受保護的機械外殼。

例如，您不希望電池在產(chǎn)品外殼內滾動(dòng)。您希望它們緊密貼合，但您還需要考慮隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )發(fā)生的任何自然腫脹。

鋰離子電池可能非常危險，因此必須非常小心地處理和設計它們。

您可能還需要考慮使用彎曲或不規則形狀的電池。它們可以幫助您最大限度地利用可用空間。但請記住，在大多數情況下，它們需要進(jìn)行定制設計。

請注意，選擇定制電池設計需要額外的安全認證。您的產(chǎn)品需要的任何額外認證都會(huì )增加前期成本。這意味著(zhù)您可能要堅持購買(mǎi)現成的電池，因為它們已經(jīng)過(guò)預先認證。

為您的可穿戴產(chǎn)品選擇電池時(shí)要考慮的最后一件事是您的電池需要能夠一次又一次地充電。

如果您選擇了定制電池設計，則需要進(jìn)行生命周期測試以確保它可以正常充電。這種測試可能需要很長(cháng)時(shí)間，所以如果你走這條路，一定要盡早完成你的電池設計。

您很可能會(huì )通過(guò)USB連接器等充電觸點(diǎn)為電池充電。不幸的是，這些連接器在佩戴時(shí)會(huì )暴露在灰塵、污垢或汗水中，因此應適當考慮以確?？煽康某潆娺B接。

為可穿戴產(chǎn)品使用無(wú)線(xiàn)或太陽(yáng)能充電怎么樣？這些往往不適用于可穿戴產(chǎn)品，因為接收線(xiàn)圈或太陽(yáng)能電池需要較大的表面積。

尺寸限制

產(chǎn)品的物理尺寸和形式?jīng)Q定了許多重要的規格，例如電池的尺寸和形狀。它還決定了用戶(hù)界面有多少可用空間。

它還將定義您選擇使用的所有電子設備的最大尺寸。請記住，如果您的產(chǎn)品超出尺寸標準，則將不可行。

由于可穿戴設備往往很小，您可能不得不在某些產(chǎn)品功能上妥協(xié)以適應尺寸限制。但請記住，即使產(chǎn)品尺寸增加 1 毫米，也可以極大地提高其電池容量。

許多流行的可穿戴產(chǎn)品都非常小巧——想想用戶(hù)不想太重或太笨重的Fitbit 或智能手表。如果您在非常有限的產(chǎn)品尺寸內工作，這里有一些注意事項：

對于可穿戴產(chǎn)品，考慮采用高度集成的芯片解決方案，而不是使用多個(gè)分立的芯片。然而，定制芯片開(kāi)發(fā)不是你應該考慮的事情，它通常只適用于數十億美元的公司。

空間有限的產(chǎn)品也可能意味著(zhù)您不能使用任何類(lèi)型的預認證模塊（它們往往很大）。

需要注意的一個(gè)關(guān)鍵特性是用于制造硅SoC的工藝的最小特征尺寸。一般來(lái)說(shuō)，特征尺寸越小，芯片就越密集。反過(guò)來(lái)，芯片越密集，單個(gè)芯片上的功能就越多。

元件放置

將所有組件放在一起通常需要多個(gè)堆疊在一起的薄基板PCB。還應考慮使用柔性PCB，以最大限度地利用可用空間。

互連不容忽視，連接器需要非常小且可靠性高。

熱管理將在很大程度上決定元件在PCB上的放置。首先，如果組件太熱，其可靠性會(huì )降低。

另一個(gè)考慮是用戶(hù)可能不希望感到身體佩戴的設備感到不舒服的溫暖，即使它對組件本身來(lái)說(shuō)仍然是相當安全的。

因此，設備與用戶(hù)實(shí)際物理接觸的部分應避免使用高散熱組件。對于接觸人體皮膚的設備，實(shí)際上已經(jīng)公布了可接受的最高溫度限制。這些限制因材料的實(shí)際類(lèi)型而異。

關(guān)于電池腔，它也應該設計有某種形式的泄壓口。如果發(fā)生（希望很少見(jiàn)）災難性故障，它應該遠離用戶(hù)。

無(wú)線(xiàn)可穿戴設備

您的可穿戴設備是否需要無(wú)線(xiàn)功能？如果是這樣，那么您希望選擇集成盡可能多的所需無(wú)線(xiàn)電的SoC。

此外，如果您選擇帶有集成射頻開(kāi)關(guān)的SOC，您可以減少所需的天線(xiàn)數量。如果共享單個(gè)天線(xiàn)，它還可以消除對單獨天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的需要。

如果可能，共享單個(gè)天線(xiàn)以降低成本和尺寸。例如，藍牙和Wi-Fi都使用2.4GHz的載波頻率。這意味著(zhù)它們可以共享單個(gè)天線(xiàn)。這反過(guò)來(lái)又減少了所需的空間。

此外，像這樣的 SoC 將具有緊密耦合的多核處理器和集成內存，一個(gè)或多個(gè)內核專(zhuān)用于運行應用軟件。

如果您無(wú)法使用單個(gè)SoC，請確保您所有的各種芯片都具有兼容的通信通道，如I2C、SPI 或USART。

選擇運行一組通用電源軌的SoC，以簡(jiǎn)化電源傳輸和管理。

如果無(wú)線(xiàn)功能需要更高的電壓軌，與使用分立轉換器相比，SoC還應將其自己的DC/DC開(kāi)關(guān)轉換器集成到空間中。

SoC 由德州儀器、高通、ST等公司制造。您可能需要進(jìn)行一些研究以選擇最適合您個(gè)人產(chǎn)品需求的產(chǎn)品。高通也傾向于只與大公司合作，因此它們可能對初創(chuàng )公司不可行。

另一種選擇是使用一個(gè)FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片來(lái)做多個(gè)芯片的工作。不利的一面是，您可能需要為此花費大量開(kāi)發(fā)時(shí)間。

但是，如果您選擇FPGA，您通常會(huì )降低產(chǎn)品成本和所需的整體尺寸。

使用ASIC（專(zhuān)用集成電路）是最終的解決方案。ASIC是為個(gè)別應用開(kāi)發(fā)的定制芯片。

話(huà)雖如此，對于初創(chuàng )公司來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)ASIC的成本通常太高（且復雜）。但是，如果您的銷(xiāo)量足以證明額外的開(kāi)發(fā)成本是合理的，請考慮使用ASIC。

產(chǎn)品測試

將放在辦公桌上的產(chǎn)品與隨身攜帶的產(chǎn)品進(jìn)行比較?？纱┐鳟a(chǎn)品比固定產(chǎn)品更容易受到機械使用和濫用。

這意味著(zhù)可穿戴設備需要更嚴格的沖擊、振動(dòng)、跌落和翻滾測試制度，以確保產(chǎn)品在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內保持可靠和運行。

跟蹤您的故障率并分析您的故障類(lèi)型。您希望在任何潛在問(wèn)題對您的產(chǎn)品的成功造成災難性影響之前確定它們。

認證

與幾乎所有電子產(chǎn)品的情況一樣，您的可穿戴設備需要獲得FCC認證，以確保產(chǎn)品的電磁干擾(EMI)充分降低，以免干擾其他形式的RF通信。

在美國，任何振蕩頻率高于9 kHz的電子產(chǎn)品都需要獲得聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)認證。

在歐洲，有一項名為CISPR 22的類(lèi)似規定。要求與FCC要求非常相似，但在某些頻率下的 RF輻射方面更為嚴格。

其他國家和地區對電磁輻射有類(lèi)似的規定，并且大多數都非常接近 FCC 的要求。

FCC認證可以分為兩種：有意輻射體和非故意輻射體。這取決于您的產(chǎn)品是否具有無(wú)線(xiàn)功能，例如藍牙、Wi-Fi、蜂窩或任何其他類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器。

為這些無(wú)線(xiàn)功能使用預先認證的模塊將使您能夠將您的產(chǎn)品認證為非故意散熱器，這比故意散熱器認證更便宜且更容易獲得。

不幸的是，由于可穿戴設備的尺寸限制，使用預先認證的模塊通常不實(shí)用。

雖然 EMI 認證涉及產(chǎn)品對其他電子設備的干擾，但對可穿戴設備的另一個(gè)重要要求是比吸收率 (SAR)，它與人體對電磁能的吸收有關(guān)。

結論

開(kāi)發(fā)可穿戴技術(shù)產(chǎn)品本質(zhì)上比設計具有類(lèi)似功能的非可穿戴產(chǎn)品更加復雜和昂貴。

嚴重受限的空間是一個(gè)嚴重的設計約束，通常需要大量的設計權衡。

設計可穿戴產(chǎn)品時(shí)，電池壽命和產(chǎn)品尺寸是需要權衡的兩個(gè)主要因素。您在產(chǎn)品中加入的功能越多，消耗的電量就越多。

消耗的電量越多，您的電池就需要越大，或者您需要接受更短的電池壽命。