如何设计可(kě)穿戴技术产品

2021-11-04

如何设计可(kě)穿戴技术产品

开发可(kě)穿戴電(diàn)子产品涉及以与更传统的设计截然不同的方式处理(lǐ)设计约束和妥协。

本文(wén)讨论了可(kě)穿戴技术产品的主要设计权衡。

产品要求

首先列出您的所有(yǒu)硬件功能(néng)要求。尽管这对任何产品都至关重要，但对于空间和電(diàn)池寿命有(yǒu)限的可(kě)穿戴设备来说更為(wèi)重要。

要求可(kě)能(néng)包括以下任何一项：Wi-Fi、蓝牙、GSM/LTE无線(xiàn)電(diàn)、音频、相机、视频显示器、GPS、加速度计、3D手势传感器、气压传感器、环境光传感器、距离传感器、生物(wù)识别传感器、无線(xiàn)充電(diàn)、触觉反馈等。

如果您正在使用(yòng)这些类型的功能(néng)，您将需要足够的電(diàn)池来提供必要的電(diàn)力。您还需要一块容量足以為(wèi)设备供電(diàn)至少几个小(xiǎo)时的電(diàn)池。

能(néng)量消耗

问自己以下问题。Wi-Fi、蓝牙和任何其他(tā)无線(xiàn)功能(néng)是否需要同时激活？他(tā)们需要一直活跃，还是只在某些时候活跃？

减少与无線(xiàn)功能(néng)相关的大量功耗的一种方法是添加能(néng)够确定您的设备在任何给定时间处于什么状态的传感器。

添加加速度计、磁力计、接近传感器或压力传感器等传感器可(kě)以确定您的产品何时以及是否需要处于活动状态。

这些类型的传感器可(kě)用(yòng)于让您的产品进入睡眠模式，例如，当产品未主动使用(yòng)时。

您能(néng)否通过关闭显示器来节省電(diàn)池寿命，例如，当它处于无法读取的位置时。或者，如果传感器检测到环境光源低，您的显示器亮度是否可(kě)以调低？

假设您的设备使用(yòng)GPS。例如，如果设备自上次更新(xīn)其位置后没有(yǒu)移动，您能(néng)否通过关闭 GPS接收器来节省電(diàn)量。

卸载处理(lǐ)器工作负载

认真考虑使用(yòng)尺寸限制比可(kě)穿戴产品少的处理(lǐ)器代理(lǐ)。大多(duō)数情况下，可(kě)穿戴产品的代理(lǐ)将是智能(néng)手机，它可(kě)以执行您想要的产品的许多(duō)功能(néng)。

智能(néng)手机可(kě)以通过蓝牙与您的设备进行通信。然后，您的产品可(kě)以利用(yòng)智能(néng)手机的高速处理(lǐ)器、蜂窝连接和Wi-Fi。

对于某些可(kě)穿戴产品，您可(kě)以将智能(néng)手机用(yòng)作辅助用(yòng)户界面。例如，这是iWatch使用(yòng)的设置，它的所有(yǒu)无線(xiàn)功能(néng)都取决于手机。

选择合适的電(diàn)池

大多(duō)数可(kě)穿戴产品都需要具有(yǒu)高能(néng)量密度的電(diàn)池，以便在预期的运行时间内运行。可(kě)穿戴产品使用(yòng)锂离子電(diàn)池技术必不可(kě)少。

一定要选择信誉良好的供应商(shāng)。您不希望您的可(kě)穿戴设备意外着火并烧毁您的客户！

您需要在对高電(diàn)压和高能(néng)量密度電(diàn)池的需求与客户安全之间取得平衡。可(kě)穿戴产品有(yǒu)更严格的安全要求，因為(wèi)它们会接触您的身體(tǐ)。

此外，请特别注意妥善保护您的電(diàn)池。这包括電(diàn)气保护以及為(wèi)電(diàn)池创建受保护的机械外壳。

例如，您不希望電(diàn)池在产品外壳内滚动。您希望它们紧密贴合，但您还需要考虑随着时间的推移会发生的任何自然肿胀。

锂离子電(diàn)池可(kě)能(néng)非常危险，因此必须非常小(xiǎo)心地处理(lǐ)和设计它们。

您可(kě)能(néng)还需要考虑使用(yòng)弯曲或不规则形状的電(diàn)池。它们可(kě)以帮助您最大限度地利用(yòng)可(kě)用(yòng)空间。但请记住，在大多(duō)数情况下，它们需要进行定制设计。

请注意，选择定制電(diàn)池设计需要额外的安全认证。您的产品需要的任何额外认证都会增加前期成本。这意味着您可(kě)能(néng)要坚持購(gòu)买现成的電(diàn)池，因為(wèi)它们已经过预先认证。

為(wèi)您的可(kě)穿戴产品选择電(diàn)池时要考虑的最后一件事是您的電(diàn)池需要能(néng)够一次又(yòu)一次地充電(diàn)。

如果您选择了定制電(diàn)池设计，则需要进行生命周期测试以确保它可(kě)以正常充電(diàn)。这种测试可(kě)能(néng)需要很(hěn)長(cháng)时间，所以如果你走这条路，一定要尽早完成你的電(diàn)池设计。

您很(hěn)可(kě)能(néng)会通过USB连接器等充電(diàn)触点為(wèi)電(diàn)池充電(diàn)。不幸的是，这些连接器在佩戴时会暴露在灰尘、污垢或汗水中，因此应适当考虑以确保可(kě)靠的充電(diàn)连接。

為(wèi)可(kě)穿戴产品使用(yòng)无線(xiàn)或太阳能(néng)充電(diàn)怎么样？这些往往不适用(yòng)于可(kě)穿戴产品，因為(wèi)接收線(xiàn)圈或太阳能(néng)電(diàn)池需要较大的表面积。

尺寸限制

产品的物(wù)理(lǐ)尺寸和形式决定了许多(duō)重要的规格，例如電(diàn)池的尺寸和形状。它还决定了用(yòng)户界面有(yǒu)多(duō)少可(kě)用(yòng)空间。

它还将定义您选择使用(yòng)的所有(yǒu)電(diàn)子设备的最大尺寸。请记住，如果您的产品超出尺寸标准，则将不可(kě)行。

由于可(kě)穿戴设备往往很(hěn)小(xiǎo)，您可(kě)能(néng)不得不在某些产品功能(néng)上妥协以适应尺寸限制。但请记住，即使产品尺寸增加 1 毫米，也可(kě)以极大地提高其電(diàn)池容量。

许多(duō)流行的可(kě)穿戴产品都非常小(xiǎo)巧——想想用(yòng)户不想太重或太笨重的Fitbit 或智能(néng)手表。如果您在非常有(yǒu)限的产品尺寸内工作，这里有(yǒu)一些注意事项：

对于可(kě)穿戴产品，考虑采用(yòng)高度集成的芯片解决方案，而不是使用(yòng)多(duō)个分(fēn)立的芯片。然而，定制芯片开发不是你应该考虑的事情，它通常只适用(yòng)于数十亿美元的公司。

空间有(yǒu)限的产品也可(kě)能(néng)意味着您不能(néng)使用(yòng)任何类型的预认证模块（它们往往很(hěn)大）。

需要注意的一个关键特性是用(yòng)于制造硅SoC的工艺的最小(xiǎo)特征尺寸。一般来说，特征尺寸越小(xiǎo)，芯片就越密集。反过来，芯片越密集，单个芯片上的功能(néng)就越多(duō)。

元件放置

将所有(yǒu)组件放在一起通常需要多(duō)个堆叠在一起的薄基板PCB。还应考虑使用(yòng)柔性PCB，以最大限度地利用(yòng)可(kě)用(yòng)空间。

互连不容忽视，连接器需要非常小(xiǎo)且可(kě)靠性高。

热管理(lǐ)将在很(hěn)大程度上决定元件在PCB上的放置。首先，如果组件太热，其可(kě)靠性会降低。

另一个考虑是用(yòng)户可(kě)能(néng)不希望感到身體(tǐ)佩戴的设备感到不舒服的温暖，即使它对组件本身来说仍然是相当安全的。

因此，设备与用(yòng)户实际物(wù)理(lǐ)接触的部分(fēn)应避免使用(yòng)高散热组件。对于接触人體(tǐ)皮肤的设备，实际上已经公布了可(kě)接受的最高温度限制。这些限制因材料的实际类型而异。

关于電(diàn)池腔，它也应该设计有(yǒu)某种形式的泄压口。如果发生（希望很(hěn)少见）灾难性故障，它应该遠(yuǎn)离用(yòng)户。

无線(xiàn)可(kě)穿戴设备

您的可(kě)穿戴设备是否需要无線(xiàn)功能(néng)？如果是这样，那么您希望选择集成尽可(kě)能(néng)多(duō)的所需无線(xiàn)電(diàn)的SoC。

此外，如果您选择带有(yǒu)集成射频开关的SOC，您可(kě)以减少所需的天線(xiàn)数量。如果共享单个天線(xiàn)，它还可(kě)以消除对单独天線(xiàn)开关的需要。

如果可(kě)能(néng)，共享单个天線(xiàn)以降低成本和尺寸。例如，蓝牙和Wi-Fi都使用(yòng)2.4GHz的载波频率。这意味着它们可(kě)以共享单个天線(xiàn)。这反过来又(yòu)减少了所需的空间。

此外，像这样的 SoC 将具有(yǒu)紧密耦合的多(duō)核处理(lǐ)器和集成内存，一个或多(duō)个内核专用(yòng)于运行应用(yòng)软件。

如果您无法使用(yòng)单个SoC，请确保您所有(yǒu)的各种芯片都具有(yǒu)兼容的通信通道，如I2C、SPI 或USART。

选择运行一组通用(yòng)電(diàn)源轨的SoC，以简化電(diàn)源传输和管理(lǐ)。

如果无線(xiàn)功能(néng)需要更高的電(diàn)压轨，与使用(yòng)分(fēn)立转换器相比，SoC还应将其自己的DC/DC开关转换器集成到空间中。

SoC 由德州仪器、高通、ST等公司制造。您可(kě)能(néng)需要进行一些研究以选择最适合您个人产品需求的产品。高通也倾向于只与大公司合作，因此它们可(kě)能(néng)对初创公司不可(kě)行。

另一种选择是使用(yòng)一个FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片来做多(duō)个芯片的工作。不利的一面是，您可(kě)能(néng)需要為(wèi)此花(huā)费大量开发时间。

但是，如果您选择FPGA，您通常会降低产品成本和所需的整體(tǐ)尺寸。

使用(yòng)ASIC（专用(yòng)集成電(diàn)路）是最终的解决方案。ASIC是為(wèi)个别应用(yòng)开发的定制芯片。

话虽如此，对于初创公司来说，开发ASIC的成本通常太高（且复杂）。但是，如果您的销量足以证明额外的开发成本是合理(lǐ)的，请考虑使用(yòng)ASIC。

产品测试

将放在办公桌上的产品与随身携带的产品进行比较。可(kě)穿戴产品比固定产品更容易受到机械使用(yòng)和滥用(yòng)。

这意味着可(kě)穿戴设备需要更严格的冲击、振动、跌落和翻滚测试制度，以确保产品在产品的整个生命周期内保持可(kě)靠和运行。

跟踪您的故障率并分(fēn)析您的故障类型。您希望在任何潜在问题对您的产品的成功造成灾难性影响之前确定它们。

认证

与几乎所有(yǒu)電(diàn)子产品的情况一样，您的可(kě)穿戴设备需要获得FCC认证，以确保产品的電(diàn)磁干扰(EMI)充分(fēn)降低，以免干扰其他(tā)形式的RF通信。

在美國(guó)，任何振荡频率高于9 kHz的電(diàn)子产品都需要获得联邦通信委员会(FCC)认证。

在欧洲，有(yǒu)一项名為(wèi)CISPR 22的类似规定。要求与FCC要求非常相似，但在某些频率下的 RF辐射方面更為(wèi)严格。

其他(tā)國(guó)家和地區(qū)对電(diàn)磁辐射有(yǒu)类似的规定，并且大多(duō)数都非常接近 FCC 的要求。

FCC认证可(kě)以分(fēn)為(wèi)两种：有(yǒu)意辐射體(tǐ)和非故意辐射體(tǐ)。这取决于您的产品是否具有(yǒu)无線(xiàn)功能(néng)，例如蓝牙、Wi-Fi、蜂窝或任何其他(tā)类型的无線(xiàn)電(diàn)发射器。

為(wèi)这些无線(xiàn)功能(néng)使用(yòng)预先认证的模块将使您能(néng)够将您的产品认证為(wèi)非故意散热器，这比故意散热器认证更便宜且更容易获得。

不幸的是，由于可(kě)穿戴设备的尺寸限制，使用(yòng)预先认证的模块通常不实用(yòng)。

虽然 EMI 认证涉及产品对其他(tā)電(diàn)子设备的干扰，但对可(kě)穿戴设备的另一个重要要求是比吸收率 (SAR)，它与人體(tǐ)对電(diàn)磁能(néng)的吸收有(yǒu)关。

结论

开发可(kě)穿戴技术产品本质上比设计具有(yǒu)类似功能(néng)的非可(kě)穿戴产品更加复杂和昂贵。

严重受限的空间是一个严重的设计约束，通常需要大量的设计权衡。

设计可(kě)穿戴产品时，電(diàn)池寿命和产品尺寸是需要权衡的两个主要因素。您在产品中加入的功能(néng)越多(duō)，消耗的電(diàn)量就越多(duō)。

消耗的電(diàn)量越多(duō)，您的電(diàn)池就需要越大，或者您需要接受更短的電(diàn)池寿命。