如何設計可穿戴技術產品

2021-11-04

如何設計可穿戴技術產品

開發可穿戴電子產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。

本文討論了可穿戴技術產品的主要設計權衡。

產品要求

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

要求可能包括以下任何一項：Wi-Fi、藍牙、GSM/LTE無線電、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、環境光傳感器、距離傳感器、生物識別傳感器、無線充電、觸覺反饋等。

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

能量消耗

問自己以下問題。Wi-Fi、藍牙和任何其他無線功能是否需要同時激活？他們需要一直活躍，還是只在某些時候活躍？

減少與無線功能相關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間處于什么狀態的傳感器。

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品何時以及是否需要處于活動狀態。

這些類型的傳感器可用于讓您的產品進入睡眠模式，例如，當產品未主動使用時。

您能否通過關閉顯示器來節省電池壽命，例如，當它處于無法讀取的位置時?；蛘撸绻麄鞲衅鳈z測到環境光源低，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有移動，您能否通過關閉 GPS接收器來節省電量。

卸載處理器工作負載

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

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

對于某些可穿戴產品，您可以將智能手機用作輔助用戶界面。例如，這是iWatch使用的設置，它的所有無線功能都取決于手機。

選擇合適的電池

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

一定要選擇信譽良好的供應商。您不希望您的可穿戴設備意外著火并燒毀您的客戶！

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

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建受保護的機械外殼。

例如，您不希望電池在產品外殼內滾動。您希望它們緊密貼合，但您還需要考慮隨著時間的推移會發生的任何自然腫脹。

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。您的產品需要的任何額外認證都會增加前期成本。這意味著您可能要堅持購買現成的電池，因為它們已經過預先認證。

為您的可穿戴產品選擇電池時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時間，所以如果你走這條路，一定要盡早完成你的電池設計。

您很可能會通過USB連接器等充電觸點為電池充電。不幸的是，這些連接器在佩戴時會暴露在灰塵、污垢或汗水中，因此應適當考慮以確保可靠的充電連接。

為可穿戴產品使用無線或太陽能充電怎么樣？這些往往不適用于可穿戴產品，因為接收線圈或太陽能電池需要較大的表面積。

尺寸限制

產品的物理尺寸和形式決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品功能上妥協以適應尺寸限制。但請記住，即使產品尺寸增加 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品都非常小巧——想想用戶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品尺寸內工作，這里有一些注意事項：

對于可穿戴產品，考慮采用高度集成的芯片解決方案，而不是使用多個分立的芯片。然而，定制芯片開發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。

空間有限的產品也可能意味著您不能使用任何類型的預認證模塊（它們往往很大）。

需要注意的一個關鍵特性是用于制造硅SoC的工藝的最小特征尺寸。一般來說，特征尺寸越小，芯片就越密集。反過來，芯片越密集，單個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，其可靠性會降低。

另一個考慮是用戶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說仍然是相當安全的。

因此，設備與用戶實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，實際上已經公布了可接受的最高溫度限制。這些限制因材料的實際類型而異。

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

無線可穿戴設備

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

此外，如果您選擇帶有集成射頻開關的SOC，您可以減少所需的天線數量。如果共享單個天線，它還可以消除對單獨天線開關的需要。

如果可能，共享單個天線以降低成本和尺寸。例如，藍牙和Wi-Fi都使用2.4GHz的載波頻率。這意味著它們可以共享單個天線。這反過來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，一個或多個內核專用于運行應用軟件。

如果您無法使用單個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，以簡化電源傳輸和管理。

如果無線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開關轉換器集成到空間中。

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

另一種選擇是使用一個FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片來做多個芯片的工作。不利的一面是，您可能需要為此花費大量開發時間。

但是，如果您選擇FPGA，您通常會降低產品成本和所需的整體尺寸。

使用ASIC（專用集成電路）是最終的解決方案。ASIC是為個別應用開發的定制芯片。

話雖如此，對于初創公司來說，開發ASIC的成本通常太高（且復雜）。但是，如果您的銷量足以證明額外的開發成本是合理的，請考慮使用ASIC。

產品測試

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

這意味著可穿戴設備需要更嚴格的沖擊、振動、跌落和翻滾測試制度，以確保產品在產品的整個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型。您希望在任何潛在問題對您的產品的成功造成災難性影響之前確定它們。

認證

與幾乎所有電子產品的情況一樣，您的可穿戴設備需要獲得FCC認證，以確保產品的電磁干擾(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的電子產品都需要獲得聯邦通信委員會(FCC)認證。

在歐洲，有一項名為CISPR 22的類似規定。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。這取決于您的產品是否具有無線功能，例如藍牙、Wi-Fi、蜂窩或任何其他類型的無線電發射器。

為這些無線功能使用預先認證的模塊將使您能夠將您的產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用。

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

結論

開發可穿戴技術產品本質上比設計具有類似功能的非可穿戴產品更加復雜和昂貴。

嚴重受限的空間是一個嚴重的設計約束，通常需要大量的設計權衡。

設計可穿戴產品時，電池壽命和產品尺寸是需要權衡的兩個主要因素。您在產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。