低功耗与传感技术为穿戴电子技术核心

　　穿戴式装置搭配手持式装置与网际网路的连结，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感测技术…

　　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/扩增实境/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(InternetofThings;IoT)的应用得以实现，不管在医疗保健、运动健身、娱乐资讯、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ResearchandMarkets研究机构的数据，2013年全球消费电子用的感测器市场规模为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，医学专用图像感测器市场规模在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ImageSensor(影像感测器)部份，依据GrandViewResearch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

　　当今高阶手持式装置的CPU(处理器)，已经迈向八核心的里程碑，处理速度更快。然为了减少感测器在全天候侦测、搜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(MotionCo-processor)。

　　以苹果iPhone5s、iPadAir、iPadmini2内建的M7为例，便是一款协同处理器，采用NXPLPC1800系列的客制化Cortex-M3微控制器，运作时脉为150MHz，可搜集、量测、储存感应到的资料(来自STM三轴陀螺仪、Bosch三轴加速器、AKM电子罗盘等感应器资讯)，纵使手机在待机中亦能运作，继续将感测资料记录下来，待装置唤醒后就能够继续处理资料，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SensorHubMCU，亦即采用ARMCortexM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智慧手环，便是采用ST的STM32L151C6Cortex-M3低功耗16位元32MHzMCU、JawboneUP智慧手环采用TI的MSP430F552816位元25MHzMCU。而Pebble智慧手表采用ST的STM32F205RECortex-M3架构的32位元120MHzMCU、SonySmartWatchSW2也采用STMCU，时脉为180MHz。

　　至于Samsung的GalaxyGear智慧手表，仍采用自家Exynos800MHz单核CPU来做感测运算处理，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Gear2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

　　在感测器方面，穿戴式装置目前配置的基本三个体感/动态感测元件，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(Proximitysensor)、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)或相机模组(CameraModule)、麦克风(Mic)等元件内建，以做简单的手势、语音辨识。例如GoogleGlass就包含了光度感应器(AmbientLightSensor)、接近感应器，做为调整亮度与物体侦测之用。

　　在软体技术方面，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体产品。如Nike+RunningApp(跑步训练程式)、JawboneUp、Fitbit系列手环，便是采用FullPower公司的MotionX技术。

　　医疗、保健等感测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讯号传递出来，不需要再连接一堆电线，使病人能够行动自如。

　　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资讯，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，成为一个身体网路(BodyAreaNetwork;BAN)，同时也可以将资料回传至医疗院所以利于后续追踪，如此进而达到居家照护、远距医疗之应用。

　　医学界所需要的穿戴式装置种类繁多，如智慧衣、智慧夹克、智慧帽、智慧腰带、智慧裤、智慧鞋、智慧鞋垫与智慧袜等，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「智慧型人体感测网络衣」─简称智慧衣(SmartClothes)，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讯号(ECG)、呼吸、体液、加速与温度等感测功能，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。并可透过手机或资料上传至云端，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资讯。

　　至于智慧袜(SmartSock)部份，有一家叫Heapsylon的公司，推出了SenSoria智慧袜，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。