低功耗与传感技术为穿戴电子技术核心

基本穿戴式装置的感应器系统架构图 (fp7-smac.org)

穿戴式装置搭配手持式装置与网际网络的连结，构建出包含生活、运动、医疗…等各种领域等更多生活上的应用。由于穿戴式装置体积小巧且更贴近人体，其设计上对于体积重量、发热、EMI、电源管理、防触电、防湿防水防尘、舒适度甚至在时尚感有更严苛的要求，因此市场也针对穿戴式装置，推出各式专用的微机电电子元件与传感技术…

穿戴式装置专用之微机电元件

拜MEMS(微机电)元件技术的进步，让各式传感器能轻松嵌入到手持式装置、穿戴式装置之中，使科技应用无所不在。由于穿戴式装置是穿戴于人体身上，故比手持式装置更贴近人类，能够延伸更多生活上应用，或忠实侦测与纪录人体生理机能的反应。目前已知的穿戴式装置，可提供人类在科技应用(语音通讯/增实境/个人助理)、生活品质(食品热量、睡眠提示、节食建议)、运动健身(比赛纪录、训练健身、虚拟教练)、医疗辅助(心电图、脉搏记录、睡眠改善…等生理机能量测仪)、旅游辅助(路线建议、导航指示、旅程纪录)、公益应用(孩童/宠物/老人失踪协寻)等各种贴心的应用。

由于穿戴式装置的体积更小，更贴近人体，且必须长时间穿戴，因此这些装置对于发热、EMI (电磁干扰)、电源管理、防触电、防汗/防水/防尘、舒适度、精准度、体积重量，甚至时尚等要求，都比手持式装置更为严格，因此各厂商在设计产品时，就必须顾虑到这些课题。而MEMS微机电零件供应商，也提供各种不同等级的产品，以符合系统厂商在设计穿戴式装置时的需求。

穿戴式元件的市场与趋势

因应穿戴式装置的市场起飞，让物联网(Internet of Things；IoT)的应用得以实现，不管在医疗保健、运动健身、娱乐信息、工业产品、国防安全等领域都将用得到，使得MEMS元件与感应器的需求跟着水涨船高。据Research and Markets研究机构的数据，2013年全球消费电子用的传感器市场规模为152.7亿美元，并以9.7%的平均复合年增率，预计在2020年达到292.5亿美元。

MarketsandMarkets的研究报告中说明，医学专用图像传感器市场规模在2018年将达到107.5亿美元，平均复合年增率为3.84%。出货量部份，2013年达16亿个，预计2018年将达到30亿个。

至于Image Sensor(影像传感器)部份，依据Grand View Research研究机构的预测，到2020年的全球出货量可望达30.092亿个，2014~2020年平均复合年增率为6.7%，到2020年将达到120亿美元。

穿戴式装置的元件－CPU、MCU

当今高端手持式装置的CPU(处理器)，已经迈向八核心的里程碑，处理速度更快。然为了减少传感器在全天候侦测、蒐集与处理上的电能消耗，许多产品已开始搭配MCU(微控制器)，来担任动作感应专用的协同处理器(Motion Co-processor)。

以苹果iPhone 5s、iPad Air、iPad mini 2内建的M7为例，便是一款协同处理器，采用NXP LPC1800系列的定制化Cortex-M3微控制器，运作时脉为150MHz，可蒐集、量测、储存感应到的数据(来自STM三轴陀螺仪、Bosch三轴加速器、AKM电子罗盘等感应器信息)，纵使手机在待机中亦能运作，继续将传感数据记录下来，待装置唤醒后就能够继续处理数据，这样的设计可让装置在长时间的运作下(例如运动)，更为省电。

在穿戴式装置的应用上，大多采用Sensor Hub MCU，亦即采用ARM Cortex M系列的MCU来当主要控制器，以达到高效能、低耗电的目的。例如Fitbit智能手环，便是采用ST的STM32L151C6 Cortex-M3低功耗16位元32MHz MCU、Jawbone UP智能手环采用TI的MSP430F5528 16位元25MHz MCU。而Pebble智能手表采用ST的STM32F205RE Cortex-M3架构的32位元120MHz MCU、Sony SmartWatch SW2也采用ST MCU，时脉为180MHz。

至于Samsung的Galaxy Gear智能手表，仍采用自家Exynos 800MHz单核CPU来做传感运算处理，可惜搭配的电池容量太小，连续使用25小时就要充电，虽效能强、但持续力不佳，市场反应冷淡。因此，Samsung在MWC发表的Gear 2家族，采用MCU设计，使用时间可达2~3天。由此可见，为了功耗与增加电池寿命，未来将会有更多穿戴式产品改用MCU来当主要处理器。

穿戴式装置的元件－MEMS、Sensor

在传感器方面，穿戴式装置目前配置的基本三个体感/动态传感元件，就是电子罗盘(magnetometer)、三轴陀螺仪(gyroscope)、三轴加速器(accelerometer)，可以用来计步、侦测心跳、生理追踪等等。

至于在环境感应器部份，则是依照产品的应用需求再加入。例如接近感应器(Proximity sensor)、温度计(Thermometer)、湿度计(Hygrometer)或气压计(Barometer)等等。若有辅助操控部份，如手势、语音等输入，则会选择将红外线(Infrared)或镜头模块(Camera Module)、麦克风(Mic)等元件内建，以做简单的手势、语音识别。例如Google Glass就包含了光度感应器(Ambient Light Sensor)、接近感应器，做为调整亮度与物体侦测之用。

在软件技术方面，已有许多厂商开发出自家专利的演算法，应用在各穿戴式应用的软硬件产品。如Nike+ Running App(跑步训练程序)、Jawbone Up、Fitbit系列手环，便是采用FullPower公司的MotionX技术。

医疗、保健等传感器专用之穿戴式装置的元件

消费级的穿戴式装置，可提供个人保健、节食塑身、手机延伸应用等。至于专业级的产品，则有不同的诉求。在医疗院所里，量测专用的穿戴式装置其实早行之有年，近年来由于科的进步，当许多量测装置的体积能够缩小，且透过无线的方式将信号传递出来，不需要再连接一堆电线，使病人能够移动自如。

医学或健康产业所设计的穿戴式装置，大多内建上述的感应器架构，而医学复健的感应器，还会加上体感技术。这类产品的功能诉求单纯，主要用于量测个人生理信息，数值量测的要求上，则是必须非常精确，且装置要能够长时间使用，并可透过内建的GSM或Wi-Fi无线通讯，将身上的各种仪器串连起来，成为一个身体网络(Body Area Network；BAN)，同时也可以将数据回传至医疗院所以利于后续追踪，如此进而达到居家照护、线上医疗之应用。

医学界所需要的穿戴式装置种类繁多，如智能衣、智能夹克、智能帽、智能腰带、智能裤、智能鞋、智能鞋垫与智能袜等，这些产品必须依照不同的个人Size去设计。此外，医疗照护是从医院延伸到老人机构，再从机构再跨到一般社区。

长庚医院在2012年发表的「智能人体传感网络衣」─简称智能衣(Smart Clothes)，就具备了健康促进、健康老化监控与异常警示功能。其细节应用上整合了心电图信号(ECG)、呼吸、体液、加速与温度等传感功能，并可侦测到细微汗渍，同时能够做到24小时监控照护，持续记录。并可透过手机或数据上传至云端，来提供运动健身、体态姿势、体温侦测、睡眠品质、心肺功能等多种个人健康信息。

至于智能袜(Smart Sock)部份，有一家叫Heapsylon的公司，推出了SenSoria智能袜，将各式感应器与传输元件直接织入袜子布料中，穿着舒适，洗晒都不怕。在功能上，可侦测心跳、脉搏、所受外力，并分析脚掌的着力点，可记录站立、跑步、走路的时间，同时能透过手机App来自我检测，在姿势不对时，亦可适时提醒用户以做改善。