【技术】HRM的普及与多传感器融合

时间： 2019-09-04 来源：Silicon Labs

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SILICON LABS物联网产品应用工程总监 Colin Tompkins先生日前受邀行业媒体专访，针对现在炙手可热的可穿戴市场发展进行探讨，并特别著重在人气暴涨的心率监测（HRM）传感器应用，以及更先进的多传感器融合设计趋势。

三大传感器撑起可穿戴应用
在可穿戴市场中，主要有3类传感器：运动传感器、环境传感器和生物计量传感器（biometric sensors）。每类传感器都可对终端用户的活动、周围环境和健康提供独特的信息。当与可穿戴系统结合时，这些传感器可能会变得更强大，以支持各种健康和健身应用场景。

在可穿戴系统中添加和使用传感器需要考虑许多设计权衡因素，包括系统性能与功耗比和解决方案的成本等。例如，一款光学传感器要求使用可以传输光的专用封装材料。某些传感器的功耗可能需要被限定，以至于它们不会给电池带来恒定负荷而限制了电池续航时间，但是该方法增加了设计复杂度和最终成本。

心率监测功能成为市场宠儿
越来越多的可穿戴设备制造商正在为其可穿戴产品增加心率监测(HRM)功能。高集成度有助于降低HRM应用中所用传感器的成本。目前，HRM传感器正将诸如模拟前端(AFE)、PD和LEDs等分立元器件整合到高度集成的模块中。这些模块降低了将HRM功能添加到可穿戴产品中时的成本和复杂度。

HRM算法正变得越来越精妙，同时还专为不同的使用场景、环境条件和活动要求进行了优化。一些算法强调高性能，却带来了更高的功耗;而其它的算法通过提供功率效率，从而带来更长的电池续航时间。

可穿戴产品的外形设计也在稳步地发生变化。虽然胸带产品已有效地服务于健康和健身市场，但目前HRM正在转移到腕带式的可穿戴产品中。光学感应技术和高性能且低功耗处理器方面的进展使得腕带式外形设计成为可能;HRM算法的精确度也已经达到了腕带式外形设计可接受的水准。其它新型可穿戴传感设备的外形设计和使用位置也在不断出现，如发带、运动和健身衣物以及耳塞式耳机等。然而，目前和近期的大多数可穿戴生物计量传感应用还将会聚焦在腕带式产品上，而固态传感器将继续为那些腕带式可穿戴产品的用户体验提供基础支持。

多传感器融合为下阶段重点
为了实现传感器融合，开发人员必须优化其系统架构。例如，要在低功耗状态下实现传感器融合，就需要一种不同于为更高性能而进行优化的方法。如果功耗不是一项设计所关心的问题，那么传感器融合可以通过系统主处理器的持续运算来实现。

传感器融合可以被运用于生物计量检测可穿戴应用中，以说明最终用户的模式。例如，一款环境光传感器可表明用户是否处于黑暗的房间中;一款运动传感器可感知用户静止不动而可能在睡觉;然而一款HRM传感器同时又提供了一种正常的心率，暗示用户躺在床上，但不一定是睡着了。在过去，睡眠监测往往由运动传感器单独完成;而通过将环境光和HRM传感器增加到系统中，可穿戴产品可对睡眠模式进行更精密的分析。

另外，光学心率传感器可为加速度计增加一个接口，来协助实现光学和加速计的同步采样。这种硬件架构设计方式允许两种不同类型的传感器互相协作，来提高心率生物监测的性能。

Silicon Labs为可穿戴应用提供多样化的传感器、低功耗Gecko MCU、Wireless Gecko片上系统(SoC)器件、无线模块、软件协议栈和开发工具。Silicon Labs的多传感器产品组合包括光学传感器、生物监测/心率监测传感器、I2C数字接口相对湿度和温度传感器芯片、以及电容式触摸感应MCU器件。它们为各种应用提供了高可靠性、紧凑的面积、高集成度以及易用性。

Silicon Labs提供完整的可穿戴传感方案
Silicon Labs的光学传感器系列能够感应紫外线(UV)指数、环境光、长距离范围内的接近、心率/脉搏血氧饱和度、以及2D或3D的手势动作。公司主要的光学传感器产品包括：
1）Si1153传感器：其为一款环境光、接近和手势监测器件，它带有I2C数字接口和可编程的事件中断输出。该传感器具有以下特性：双23位模数转换器(ADC)，一个片上高灵敏度可见光和红外光电二极管阵列、一个数字信号处理器(DSP)和3个集成化的、具有可编程驱动等级的LED驱动器。Si1153可在大动态范围内和包括直射阳光在内的各种光源下提供优异的性能，也可以在黑暗的玻璃罩下工作。

2）Si1133传感器：其为一款UV指数和环境光感测器件，具有I2C数字接口和可编程事件中断输出功能。该传感器包括双23位ADC和一个片上高灵敏度UV、可见光和红外光电二极管阵列。

3）Si1143/44心率监测(HRM)解决方案：其结合了一个高精度光学传感器、一个LED光源和一种专有HRM算法，以提供超低功耗、动态化HRM解决方案。其目标市场包括：健身手环、智能手表和消费性健康应用。除了提供低功耗以实现更长的电池续航时间外，Si1143/44解决方案还提供了可与传统胸带竞争的性能。Si1144/43仅使用了一个绿光LED，这使它能够采用一个非常小型化的封装(2.9mm x 4.9mm)。性能如此优越的方案，其售价仅为市场上最好方案的零头。

通过充分发挥我们经过验证的光学传感器架构、软件和系统专业知识，Silicon Labs正在不断地推动生物检测传感技术走向更加完美。我们的路线图包括新一代光学传感器产品，它们可提供更高的准确性、更高的精确度、更低的功耗和额外的感测技术。这些新一代光学传感器都是专为应对可穿戴市场中面临的性能、成本和功效等艰巨挑战而设计。