由Ayla物聯(lián)與京東JD+開(kāi)放孵化器聯(lián)合舉辦的“互聯(lián)網(wǎng)+硬件”物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大師中國(guó)首場(chǎng)公開(kāi)課在深圳軟件園智能奶茶館舉行，會(huì)場(chǎng)上來(lái)自斯坦福大學(xué)教授TOM Lee、Ayla物聯(lián)CEO David Friedman、TCL通訊應(yīng)用智能化業(yè)務(wù)部總經(jīng)理Daniel以及科通芯城&硬蛋創(chuàng)始人Jeffery Kan分享了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的看法，探討未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)以及面臨的主要挑戰(zhàn)，現(xiàn)場(chǎng)一片火爆。
大咖談物聯(lián)網(wǎng)：未來(lái)一片光明要帶墨鏡
在這個(gè)信息不斷加速的時(shí)代，仿佛已經(jīng)超越了臨界點(diǎn)，而物聯(lián)網(wǎng)將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)得出，每小時(shí)超過(guò)250000條信息被發(fā)送，全球每天銷售超過(guò)四百萬(wàn)部手機(jī)，如此大的信息量在傳遞，這無(wú)疑對(duì)硬件以及網(wǎng)路提出了更高的需求，那么如何看待目前無(wú)線技術(shù)走勢(shì)？進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代還有那些挑戰(zhàn)，應(yīng)該如何去超越為此，電子發(fā)燒友特參加了此次會(huì)議，為發(fā)燒友們解開(kāi)心中的疑惑。
向“人與人”演進(jìn)的無(wú)線技術(shù)
硅谷物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大師TOM Lee表示，移動(dòng)時(shí)代確實(shí)帶來(lái)了奇跡，從2002年無(wú)線通訊超過(guò)有限通訊，到目前有超過(guò)70億移動(dòng)用戶，現(xiàn)在我們已然成為無(wú)線通訊的一代人。隨著無(wú)線技術(shù)不斷發(fā)展，到2016年使用無(wú)線服務(wù)的端口將超過(guò)地球上的總?cè)丝凇?/p>
大咖談物聯(lián)網(wǎng)：未來(lái)一片光明要帶墨鏡
進(jìn)而談到，從科技發(fā)展的角度來(lái)看，從西聯(lián)無(wú)線匯款到端到端電報(bào)發(fā)明，這其實(shí)就是一場(chǎng)有限的革命，開(kāi)始是不向大眾使用。當(dāng)然，這也是促使輪船有史以來(lái)第一次可以與陸地和其他船只互相聯(lián)系，從而使得無(wú)線電報(bào)的使用超過(guò)了有線電報(bào)，滿足了大規(guī)模的需求。
無(wú)線技術(shù)的發(fā)展開(kāi)始是向“人與人”演進(jìn)的，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)30到50年代的發(fā)展，廣播通訊得到爆炸式發(fā)展，以至于達(dá)到百萬(wàn)規(guī)模，先是電臺(tái)、然后是電視。TOM Lee舉例說(shuō)道，在二戰(zhàn)中人與人之間的無(wú)線溝通首次大規(guī)模應(yīng)用，個(gè)人移動(dòng)無(wú)線通訊被士兵所稱贊，所以二戰(zhàn)以后促使了移動(dòng)電話服務(wù)。從此，人們?yōu)楂@取移動(dòng)電話服務(wù)不惜排隊(duì)等候，真正的無(wú)線時(shí)代來(lái)臨了！
在1978年蜂窩式通訊技術(shù)開(kāi)始在芝加哥實(shí)驗(yàn)成功，這是一個(gè)令人震驚的時(shí)段。到1981年有研究預(yù)測(cè)，2000年將會(huì)有90萬(wàn)移動(dòng)電話用戶，而2000年實(shí)際數(shù)字為1.09億，竟然超過(guò)了預(yù)測(cè)值得120倍。對(duì)此TOM Lee表示，千兆級(jí)的人對(duì)人蜂窩式通訊技術(shù)是最成功的，而且人的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于基站的數(shù)量，然而工程師必須面對(duì)的驚人趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)在深圳華強(qiáng)北2014年帶攝像頭和QQ軟件的GSM功能機(jī)是9美元一臺(tái)，智能手機(jī)是45美元一部，第三代硬件已經(jīng)商業(yè)化普及，而芯片行業(yè)很讓人揪心。
物的時(shí)代是一個(gè)技術(shù)變革的時(shí)代
那么無(wú)線時(shí)代如何變革才能超越TOM Lee表示，每一個(gè)技術(shù)變革時(shí)代要在商業(yè)增長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)飛躍，都是通過(guò)大量的深度用戶增長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。TOM Lee指出，下一個(gè)時(shí)代是關(guān)于物的時(shí)代，是機(jī)器對(duì)機(jī)器、人對(duì)機(jī)器的交互的時(shí)代，不僅僅是簡(jiǎn)單的“IOT物聯(lián)網(wǎng)”，也不僅限于萬(wàn)物互聯(lián)IOE，未來(lái)將出現(xiàn)比人更多的物，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)是最大的網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)然，你無(wú)法控制不可衡量的東西，但物聯(lián)網(wǎng)可以讓你衡量和掌控一切。那么面臨的挑戰(zhàn)有哪些
其一，要構(gòu)建萬(wàn)億數(shù)量級(jí)設(shè)備，先需要設(shè)計(jì)出它們；
其二，需要定義它們的特征、功能、連接以及如何解決NRE（Non-RecurringEngineering）的問(wèn)題；
其三，需要給它們供電，估計(jì)需要一萬(wàn)億電池；
其四，需要它們物盡其用（SAAS或者PaaS）；
其五，需要確保安全性，一萬(wàn)億連接的設(shè)備將是歷史上最大的受攻擊面。
TOM Lee進(jìn)而表示，萬(wàn)物互聯(lián)將是第一個(gè)億萬(wàn)級(jí)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，但物的定義與以往不同，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將永遠(yuǎn)是去中心化的，這使其很難發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟(jì)，可能的解決方案主要有五類。
一是利用自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，倍增生產(chǎn)力；
二是無(wú)線充電以及循環(huán)能源收集，以減少電池需求；
三是采用FPTAs，從而分?jǐn)偞罅啃酒腘RE；
四是使用PaaS服務(wù)，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間增加價(jià)值；
五是使用可調(diào)整的安全引擎，具備可信賴、可驗(yàn)證的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器RNG。
當(dāng)然時(shí)間上也是一個(gè)重要的問(wèn)題，如何能快速實(shí)現(xiàn)連接？在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在過(guò)往的成就光輝下，是否會(huì)面臨停滯發(fā)展?fàn)顟B(tài)？TOM Lee表示，隨著摩爾定律結(jié)束，半導(dǎo)體行業(yè)面臨更大的挑戰(zhàn)，比如當(dāng)無(wú)線數(shù)據(jù)ARPU值超過(guò)語(yǔ)音時(shí)，所有人都在尋找高CAPEX和高消費(fèi)者感知極限，使得單純的提高數(shù)據(jù)流量消費(fèi)已經(jīng)不再有效，而物聯(lián)網(wǎng)可以為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和任何其他人帶來(lái)可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式。
TOM Lee最后談到，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)處于早期發(fā)展階段，從2013年的默默無(wú)聞到2015年的人盡皆知，物聯(lián)網(wǎng)將以無(wú)法想象的方式改變?nèi)祟惖纳睿锫?lián)網(wǎng)里的殺手級(jí)應(yīng)用還沒(méi)有出現(xiàn)，或?qū)⑹嵌喾N技術(shù)并存，目前會(huì)有很多工作要做。總的來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是一座創(chuàng)新金礦，未來(lái)一片光明，TOM Lee表示要帶上墨鏡。腕戴式健身手環(huán)和智慧手表正大舉納入心率監(jiān)測(cè)功能，半導(dǎo)體廠因應(yīng)此一發(fā)展，推出高效能整合型光感測(cè)器方案，以及經(jīng)過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)的心率演算法，協(xié)助穿戴式裝置開(kāi)發(fā)人員克服準(zhǔn)確度、耗電量、尺寸與厚度等設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
腕戴式健身手環(huán)和智慧手表正從基本的加速計(jì)式“智慧型計(jì)步器”，邁向納入心率監(jiān)測(cè)器等生物辨識(shí)感測(cè)功能的新一代產(chǎn)品發(fā)展。帶動(dòng)這股趨勢(shì)的背后原因，是制造商為了在成長(zhǎng)迅速的穿戴裝置市場(chǎng)中尋求區(qū)隔，以及消費(fèi)者對(duì)想要達(dá)到更有效的訓(xùn)練，以提升健身效果與體能。
即時(shí)而持續(xù)的心率監(jiān)測(cè)有助于刺激消費(fèi)者根據(jù)心率區(qū)的反饋來(lái)調(diào)整本身健身方式。將心率監(jiān)測(cè)套用在下一代穿戴裝置產(chǎn)品中時(shí)，設(shè)計(jì)人員面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)，包括心率測(cè)量準(zhǔn)確度、運(yùn)動(dòng)時(shí)的追蹤準(zhǔn)確度、驗(yàn)證諸多獨(dú)立個(gè)體效能、縮小穿戴式設(shè)計(jì)尺寸與厚度，以及延長(zhǎng)電池壽命。
穿戴式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可選擇非侵入式的光或電技術(shù)。電技術(shù)一般是用胸帶，靠皮膚上的兩個(gè)接觸點(diǎn)來(lái)測(cè)量心率。這種方法通常很準(zhǔn)確，但終端用戶必須在胸部綁上附有電池和無(wú)線通訊的笨重束帶，所以可能會(huì)不舒服又不方便。光技術(shù)則較理想，因其排除不舒服的胸帶，而是用腕帶來(lái)整合光發(fā)射器和感測(cè)器。
腕型光學(xué)心率監(jiān)測(cè) 采PPG技術(shù)
發(fā)光二極體(LED)的紅外線(IR)光照在用戶手腕的皮膚上，如圖1所示，照進(jìn)皮膚的光會(huì)被組織、骨頭、靜脈和動(dòng)脈吸收、打散和反射，這些微弱的反射是靠光感測(cè)器來(lái)偵測(cè)。
圖1 心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的紅外線光偵測(cè)
組織和骨頭所反射的光為非時(shí)變性(Time-Invariant)，所形成的等級(jí)只有直流(DC)。當(dāng)心跳動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血液所反射的光會(huì)改變并形成交流(AC)訊號(hào)。進(jìn)階數(shù)位訊號(hào)處理會(huì)去掉DC訊號(hào)，并從微弱的AC訊號(hào)計(jì)算心率，這套處理技術(shù)會(huì)產(chǎn)生光體積描記圖(PPG)訊號(hào)。
PPG訊號(hào)在光學(xué)設(shè)計(jì)中的準(zhǔn)確度，是取決于光發(fā)射器波長(zhǎng)、系統(tǒng)在這些波長(zhǎng)中的靈敏度、發(fā)射器和感測(cè)器的間距、LED所發(fā)出的光量、發(fā)射器數(shù)目，以及系統(tǒng)雜訊。
腕式心率監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)考量
對(duì)某個(gè)用戶理想的心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不見(jiàn)得適用于另一個(gè)用戶，因?yàn)閭€(gè)別手腕的膚色和其他生理特征會(huì)有所不同。設(shè)計(jì)人員必須小心選擇，并利用可能的調(diào)整技術(shù)來(lái)配合廣泛消費(fèi)群。如果無(wú)法達(dá)到此點(diǎn)可能會(huì)造成顧客不滿，以及穿戴式產(chǎn)品的退貨率偏高。
發(fā)射器的波長(zhǎng)
穿戴式裝置光發(fā)射器使用黃色和綠色LED皆可(表1)，但要在提高成本和耗電上稍加權(quán)衡。調(diào)整技術(shù)則可用來(lái)選取最佳的訊號(hào)，以計(jì)算每個(gè)獨(dú)特個(gè)人的心率。
皮膚光耦合度
手腕和穿戴式裝置間的光訊號(hào)耦合良好很重要，因?yàn)闅庀稌?huì)降低準(zhǔn)確度，有彈性腕帶就能戴得服貼而舒適。假如帶子太緊，血流可能會(huì)受限，使準(zhǔn)確度變差；假如帶子太松，則會(huì)亂晃。單顆LED系統(tǒng)有個(gè)普遍的問(wèn)題是，腕帶可能需要往手臂上方多挪動(dòng)一點(diǎn)或稍微轉(zhuǎn)動(dòng)，才能發(fā)揮最佳的效能。
用兩顆LED擺在光感測(cè)器的兩端則能盡量減少配戴帶子和歪斜的問(wèn)題。當(dāng)腕帶一邊對(duì)皮膚耦合良好，另一邊有氣隙時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中可能就會(huì)發(fā)生歪斜問(wèn)題。穿戴式設(shè)計(jì)以使用三顆LED為宜，以便為形形色色的終端用戶確保最高的準(zhǔn)確度。例如高效能的Scosche Rhythm Plus健身手環(huán)就是用兩顆綠色LED和一顆黃色LED擺成三角形。
發(fā)射器的光能
發(fā)射器的光能主要取決于LED的驅(qū)動(dòng)電流、電壓、脈沖啟動(dòng)時(shí)間、半角(Half-Angle)和發(fā)光強(qiáng)度。只要有光感測(cè)器系統(tǒng)能控制其中多個(gè)參數(shù)，軟體就能為每個(gè)獨(dú)特個(gè)人自行組構(gòu)到最適合的狀態(tài)，例如順向電壓高的綠色LED或許必須在LED的電壓和電力輸出上有所取舍。
LED電壓較高并非都行得通，所以可以用較長(zhǎng)的脈沖啟動(dòng)時(shí)間來(lái)提高發(fā)射器光能，同時(shí)保持在LED正常運(yùn)作參數(shù)內(nèi)，自動(dòng)感測(cè)功能可以調(diào)整LED的驅(qū)動(dòng)電流和/或LED啟動(dòng)時(shí)間，以最佳化獨(dú)特個(gè)人的反射訊號(hào)。這種自動(dòng)DC感測(cè)有助于系統(tǒng)的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)把動(dòng)態(tài)距離要求降到最低，并把訊號(hào)置于最適當(dāng)?shù)木嚯x來(lái)偵測(cè)微弱AC心率訊號(hào)。
運(yùn)動(dòng)時(shí)追蹤準(zhǔn)確度
市面上大多數(shù)腕戴型裝置的最大缺點(diǎn)，是在用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確追蹤心率。穿戴裝置一般都會(huì)采用加速器，只要配合先進(jìn)的訊號(hào)處理來(lái)減少移動(dòng)假影(Motion Artifact)，就能發(fā)揮作用。這些演算法可以透過(guò)加速器數(shù)據(jù)來(lái)排除被雜訊破壞的心率樣本，或是主動(dòng)消除雜訊。
盡管有這些演算法，心率訊號(hào)還是有可能臨時(shí)斷訊。調(diào)整式演算法是靠品質(zhì)評(píng)級(jí)來(lái)分辨感測(cè)器的數(shù)據(jù)什么時(shí)候無(wú)效，使估算技術(shù)能在用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)提供一貫的追蹤準(zhǔn)確度。以代表不同膚色、種族、年齡和體重的大量用戶樣本來(lái)驗(yàn)證演算法也很重要。
縮小終端產(chǎn)品尺寸/厚度
在穿戴式設(shè)計(jì)中加入心率感測(cè)器需要較大空間。目前有很多心率感測(cè)穿戴裝置的設(shè)計(jì)是用分離式大型光電二極體搭配類比前端(AFE)和微控制器。類比前端包括LED驅(qū)動(dòng)器、類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)、類比濾波與控制。把較小型的高靈敏度光電二極體跟類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器整合起來(lái)，加上類比濾波與LED驅(qū)動(dòng)器，這樣就能大幅降低雜訊層，使用較少位元數(shù)的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，并且縮小體積。
提高電池壽命
心率監(jiān)測(cè)器耗電最多的部分一般都是LED取樣用電，以及為了減少移動(dòng)假影的訊號(hào)處理。耗電關(guān)鍵因素則是所使用的取樣速率。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的每分鐘心跳數(shù)(BPM)偏高時(shí)，心率監(jiān)測(cè)就要有較快的取樣速率才能準(zhǔn)確，根據(jù)每分鐘心跳數(shù)，利用動(dòng)態(tài)演算法來(lái)改變?nèi)铀俾剩@樣就能保持準(zhǔn)確并且盡量降低用電。
對(duì)樣本插補(bǔ)值(Interpolation)也比調(diào)高取樣速率更能降低用電。能動(dòng)態(tài)改變LED驅(qū)動(dòng)電流的感測(cè)器可以自動(dòng)感測(cè)DC等級(jí)，以降低用電并改善效能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中動(dòng)態(tài)使用一顆、兩顆或三顆LED也能保持高效能，并盡量減少耗電。
高整合方案降低設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
為了使光學(xué)心率監(jiān)測(cè)在快速成長(zhǎng)的消費(fèi)型穿戴裝置市場(chǎng)上成為不可或缺的功能，半導(dǎo)體廠無(wú)不使出渾身解數(shù)。然而，把光學(xué)心率監(jiān)測(cè)解決方案設(shè)計(jì)到穿戴產(chǎn)品中有許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。藉由高效能的整合式光感測(cè)解決方案搭配上經(jīng)臨床研究驗(yàn)證的心率演算法，開(kāi)發(fā)人員就能設(shè)計(jì)出強(qiáng)大的穿戴式系統(tǒng)，使腕型心率監(jiān)測(cè)裝置的電池壽命盡量拉長(zhǎng)，實(shí)體尺寸則盡量縮小。