由Ayla物联与京东JD+开放孵化器联合举办的“互联网+硬件”物联网技术大师中国首场公开课在深圳软件园智能奶茶馆举行，会场上来自斯坦福大学教授TOM Lee、Ayla物联CEO David Friedman、TCL通讯应用智能化业务部总经理Daniel以及科通芯城&硬蛋创始人Jeffery Kan分享了对物联网时代的看法，探讨未来物联网发展趋势以及面临的主要挑战，现场一片火爆。

　　大咖谈物联网：未来一片光明要带墨镜

　　在这个信息不断加速的时代，仿佛已经超越了临界点，而物联网将是一个重要的发展方向。据相关统计得出，每小时超过250000条信息被发送，全球每天销售超过四百万部手机，如此大的信息量在传递，这无疑对硬件以及网路提出了更高的需求，那么如何看待目前无线技术走势？进入物联网时代还有那些挑战，应该如何去超越为此，电子发烧友特参加了此次会议，为发烧友们解开心中的疑惑。

　　向“人与人”演进的无线技术

　　硅谷物联网技术大师TOM Lee表示，移动时代确实带来了奇迹，从2002年无线通讯超过有限通讯，到目前有超过70亿移动用户，现在我们已然成为无线通讯的一代人。随着无线技术不断发展，到2016年使用无线服务的端口将超过地球上的总人口。

　　大咖谈物联网：未来一片光明要带墨镜

　　进而谈到，从科技发展的角度来看，从西联无线汇款到端到端电报发明，这其实就是一场有限的革命，开始是不向大众使用。当然，这也是促使轮船有史以来第一次可以与陆地和其他船只互相联系，从而使得无线电报的使用超过了有线电报，满足了大规模的需求。

　　无线技术的发展开始是向“人与人”演进的，经过20世纪30到50年代的发展，广播通讯得到爆炸式发展，以至于达到百万规模，先是电台、然后是电视。TOM Lee举例说道，在二战中人与人之间的无线沟通首次大规模应用，个人移动无线通讯被士兵所称赞，所以二战以后促使了移动电话服务。从此，人们为获取移动电话服务不惜排队等候，真正的无线时代来临了！

　　在1978年蜂窝式通讯技术开始在芝加哥实验成功，这是一个令人震惊的时段。到1981年有研究预测，2000年将会有90万移动电话用户，而2000年实际数字为1.09亿，竟然超过了预测值得120倍。对此TOM Lee表示，千兆级的人对人蜂窝式通讯技术是最成功的，而且人的数量远远多于基站的数量，然而工程师必须面对的惊人趋势，当时在深圳华强北2014年带摄像头和QQ软件的GSM功能机是9美元一台，智能手机是45美元一部，第三代硬件已经商业化普及，而芯片行业很让人揪心。

　　物的时代是一个技术变革的时代

　　那么无线时代如何变革才能超越TOM Lee表示，每一个技术变革时代要在商业增长上实现飞跃，都是通过大量的深度用户增长来实现。TOM Lee指出，下一个时代是关于物的时代，是机器对机器、人对机器的交互的时代，不仅仅是简单的“IOT物联网”，也不仅限于万物互联IOE，未来将出现比人更多的物，物联网将会是最大的网络。

　　当然，你无法控制不可衡量的东西，但物联网可以让你衡量和掌控一切。那么面临的挑战有哪些

　　其一，要构建万亿数量级设备，先需要设计出它们；

　　其二，需要定义它们的特征、功能、连接以及如何解决NRE（Non-RecurringEngineering）的问题；

　　其三，需要给它们供电，估计需要一万亿电池；

　　其四，需要它们物尽其用（SAAS或者PaaS）；

　　其五，需要确保安全性，一万亿连接的设备将是历史上最大的受攻击面。

　　TOM Lee进而表示，万物互联将是第一个亿万级的互联网络，但物的定义与以往不同，物联网市场将永远是去中心化的，这使其很难发展规模经济，可能的解决方案主要有五类。

　　一是利用自动化设计工具，倍增生产力；

　　二是无线充电以及循环能源收集，以减少电池需求；

　　三是采用FPTAs，从而分摊大量芯片的NRE；

　　四是使用PaaS服务，减少开发时间增加价值；

　　五是使用可调整的安全引擎，具备可信赖、可验证的随机数发生器RNG。

　　当然时间上也是一个重要的问题，如何能快速实现连接？在网络运营商在过往的成就光辉下，是否会面临停滞发展状态？TOM Lee表示，随着摩尔定律结束，半导体行业面临更大的挑战，比如当无线数据ARPU值超过语音时，所有人都在寻找高CAPEX和高消费者感知极限，使得单纯的提高数据流量消费已经不再有效，而物联网可以为网络运营商和任何其他人带来可持续发展的商业模式。

　　TOM Lee最后谈到，物联网已经处于早期发展阶段，从2013年的默默无闻到2015年的人尽皆知，物联网将以无法想象的方式改变人类的生活，物联网里的杀手级应用还没有出现，或将是多种技术并存，目前会有很多工作要做。总的来说，物联网是一座创新金矿，未来一片光明，TOM Lee表示要带上墨镜。腕戴式健身手环和智慧手表正大举纳入心率监测功能，半导体厂因应此一发展，推出高效能整合型光感测器方案，以及经过临床实验的心率演算法，协助穿戴式装置开发人员克服准确度、耗电量、尺寸与厚度等设计挑战。

　　腕戴式健身手环和智慧手表正从基本的加速计式“智慧型计步器”，迈向纳入心率监测器等生物辨识感测功能的新一代产品发展。带动这股趋势的背后原因，是制造商为了在成长迅速的穿戴装置市场中寻求区隔，以及消费者对想要达到更有效的训练，以提升健身效果与体能。

　　即时而持续的心率监测有助于刺激消费者根据心率区的反馈来调整本身健身方式。将心率监测套用在下一代穿戴装置产品中时，设计人员面临多项挑战，包括心率测量准确度、运动时的追踪准确度、验证诸多独立个体效能、缩小穿戴式设计尺寸与厚度，以及延长电池寿命。

　　穿戴式系统设计人员可选择非侵入式的光或电技术。电技术一般是用胸带，靠皮肤上的两个接触点来测量心率。这种方法通常很准确，但终端用户必须在胸部绑上附有电池和无线通讯的笨重束带，所以可能会不舒服又不方便。光技术则较理想，因其排除不舒服的胸带，而是用腕带来整合光发射器和感测器。

　　腕型光学心率监测　采PPG技术

　　发光二极体(LED)的红外线(IR)光照在用户手腕的皮肤上，如图1所示，照进皮肤的光会被组织、骨头、静脉和动脉吸收、打散和反射，这些微弱的反射是靠光感测器来侦测。

　　图1　心率监测系统的红外线光侦测

　　组织和骨头所反射的光为非时变性(Time-Invariant)，所形成的等级只有直流(DC)。当心跳动时，动脉血液所反射的光会改变并形成交流(AC)讯号。进阶数位讯号处理会去掉DC讯号，并从微弱的AC讯号计算心率，这套处理技术会产生光体积描记图(PPG)讯号。

　　PPG讯号在光学设计中的准确度，是取决于光发射器波长、系统在这些波长中的灵敏度、发射器和感测器的间距、LED所发出的光量、发射器数目，以及系统杂讯。

　　腕式心率监测设计考量

　　对某个用户理想的心率监测系统不见得适用于另一个用户，因为个别手腕的肤色和其他生理特征会有所不同。设计人员必须小心选择，并利用可能的调整技术来配合广泛消费群。如果无法达到此点可能会造成顾客不满，以及穿戴式产品的退货率偏高。

　　发射器的波长

　　穿戴式装置光发射器使用黄色和绿色LED皆可(表1)，但要在提高成本和耗电上稍加权衡。调整技术则可用来选取最佳的讯号，以计算每个独特个人的心率。

　　皮肤光耦合度

　　手腕和穿戴式装置间的光讯号耦合良好很重要，因为气隙会降低准确度，有弹性腕带就能戴得服贴而舒适。假如带子太紧，血流可能会受限，使准确度变差；假如带子太松，则会乱晃。单颗LED系统有个普遍的问题是，腕带可能需要往手臂上方多挪动一点或稍微转动，才能发挥最佳的效能。

　　用两颗LED摆在光感测器的两端则能尽量减少配戴带子和歪斜的问题。当腕带一边对皮肤耦合良好，另一边有气隙时，在运动中可能就会发生歪斜问题。穿戴式设计以使用三颗LED为宜，以便为形形色色的终端用户确保最高的准确度。例如高效能的Scosche Rhythm Plus健身手环就是用两颗绿色LED和一颗黄色LED摆成三角形。

　　发射器的光能

　　发射器的光能主要取决于LED的驱动电流、电压、脉冲启动时间、半角(Half-Angle)和发光强度。只要有光感测器系统能控制其中多个参数，软体就能为每个独特个人自行组构到最适合的状态，例如顺向电压高的绿色LED或许必须在LED的电压和电力输出上有所取舍。

　　LED电压较高并非都行得通，所以可以用较长的脉冲启动时间来提高发射器光能，同时保持在LED正常运作参数内，自动感测功能可以调整LED的驱动电流和/或LED启动时间，以最佳化独特个人的反射讯号。这种自动DC感测有助于系统的类比数位转换器(ADC)把动态距离要求降到最低，并把讯号置于最适当的距离来侦测微弱AC心率讯号。

　　运动时追踪准确度

　　市面上大多数腕戴型装置的最大缺点，是在用户运动时无法准确追踪心率。穿戴装置一般都会采用加速器，只要配合先进的讯号处理来减少移动假影(Motion Artifact)，就能发挥作用。这些演算法可以透过加速器数据来排除被杂讯破坏的心率样本，或是主动消除杂讯。

　　尽管有这些演算法，心率讯号还是有可能临时断讯。调整式演算法是靠品质评级来分辨感测器的数据什么时候无效，使估算技术能在用户运动时提供一贯的追踪准确度。以代表不同肤色、种族、年龄和体重的大量用户样本来验证演算法也很重要。

　　缩小终端产品尺寸/厚度

　　在穿戴式设计中加入心率感测器需要较大空间。目前有很多心率感测穿戴装置的设计是用分离式大型光电二极体搭配类比前端(AFE)和微控制器。类比前端包括LED驱动器、类比数位转换器(ADC)、类比滤波与控制。把较小型的高灵敏度光电二极体跟类比数位转换器整合起来，加上类比滤波与LED驱动器，这样就能大幅降低杂讯层，使用较少位元数的类比数位转换器，并且缩小体积。

　　提高电池寿命

　　心率监测器耗电最多的部分一般都是LED取样用电，以及为了减少移动假影的讯号处理。耗电关键因素则是所使用的取样速率。当运动的每分钟心跳数(BPM)偏高时，心率监测就要有较快的取样速率才能准确，根据每分钟心跳数，利用动态演算法来改变取样速率，这样就能保持准确并且尽量降低用电。

　　对样本插补值(Interpolation)也比调高取样速率更能降低用电。能动态改变LED驱动电流的感测器可以自动感测DC等级，以降低用电并改善效能。在系统设计中动态使用一颗、两颗或三颗LED也能保持高效能，并尽量减少耗电。

　　高整合方案降低设计挑战

　　为了使光学心率监测在快速成长的消费型穿戴装置市场上成为不可或缺的功能，半导体厂无不使出浑身解数。然而，把光学心率监测解决方案设计到穿戴产品中有许多技术上的挑战。藉由高效能的整合式光感测解决方案搭配上经临床研究验证的心率演算法，开发人员就能设计出强大的穿戴式系统，使腕型心率监测装置的电池寿命尽量拉长，实体尺寸则尽量缩小。