穿戴式電子裝置的難題

穿戴式電子的運用歷史其實已有數十年，包括助聽器、心律調節器以及其他現代社會常見的醫療裝置等。 實際上，許多消費性電子產品（如手機就時常穿戴在身上當作可攜式音樂播放器）的原始設計，在一開始並非此用途，而是依據消費者對於功能以及行動連線的需求所因應。 穿戴式電子已經從醫療救命裝置演進成時尚配件，從活動監測手環、智慧手錶、智慧眼鏡到 GPS 功能的鞋子等，目前皆有蓬勃的市場需求。

圖 1：智慧型穿戴式電子裝置。

穿戴式電子裝置的興起雖然大多是基於消費者需求日益攀升所致，但仍然有許多種穿戴式應用，包括：

車用資訊娛樂：用於通知與娛樂，包括音樂、相片、影片、行車方向和電子郵件。

活動追蹤：用於監測諸如步行、睡眠、心率和攝食量等各種活動和功能，以針對個人消費者提供即時且重要的資訊回饋，以便調整行為，採取因應行動。

健康狀況監測：用於監測診斷後的狀況並儘速提供診斷支援，此類技術需要經過長時間開發與測試，以滿足相關法規要求和隱私考量。

工業與企業：以腕戴式終端機為主，提供即時資料，包括監測工廠製程和更新庫存。 智慧眼鏡與腕帶預期將迅速進行調整，以便工業領域的遠端「無桌面系統」工作者使用。

士兵系統：整合個人網路、感測器、外部通訊以及管理這些系統的能力。 目標在於讓士兵瞭解大規模戰地情況，因此連接器和纜線連接子系統必須具備高效能、耐用以及堅固的特性，但重量必須輕盈以便士兵徒步行進。

穿戴式電子裝置的定義

穿戴式電子裝置可定義為具有智慧功能、可接收和處理輸入項目並且提供具意義之輸出的裝置。 以活動手環的其中一項功能為例，其可接收並處理來自感測器的原始資料，並針對指定期間所行走的步數產生報告。 感測器具備足夠的智慧功能，可追蹤動作以區別行走和其他動作。

感測器是穿戴式電子裝置的重要零件，正朝更加迷你精密的趨勢演進。 儘管有眾多類型的感測器可以使用，但最常見的是慣性量測單元，通常是加速計。 加速計可追蹤特定動作、動作方向及其強度或速度。 關於加速計的其中一個簡單例子是，當旋轉手機或平板電腦（輸入）時，裝置會處理動作並據此旋轉畫面（輸出）。

其他常見的感測器包括壓力、溫度、位置和濕度感測器，可支援多種應用，例如指南針、GPS 和陀螺儀，以便偵測動作。 醫療應用感測器可用於量測和監測血流、脈搏、血壓、血氧濃度、肌肉動作、體脂肪和體重。 最為成功的穿戴式電子裝置，可運用演算法將原始感測資料處理成可供使用者操作的實用分析資訊。

穿戴式電子裝置必須具備與外界通訊的能力。 透過短距無線電或其他無線通訊協定傳送的無線連線十分風行，但市場上普遍要求透過 USB 連接埠進行有線連線。

許多穿戴式裝置具備可供使用者互動操作的視訊顯示器或觸控式螢幕。 使用簡便性是此類小型顯示器最顯著的挑戰。 即便智慧手錶裝配高解析度螢幕，但無法提供太多顯示空間。 為了維持使用性，就必須要在螢幕可納入多少項目的調適能力與最終資訊的可閱讀性之間取得正確平衡。 管理這些顯示器的耗電量，是穿戴式裝置領先廠商的主要努力目標。 這些廠商廣泛使用低功率的替代方案，例如電子墨水或電子紙技術，而非全彩 LCD 或 OLED 顯示器。 如同其他所有電子裝置，穿戴式裝置必須由充電式電池或其他充電方式供電。 這通常需要使用一個連接埠，以連接電力為電池充電。 無線電力傳輸是整合至新型穿戴式裝置的一種新興重要功能，且帶來防水需求。

穿戴式電子裝置的另一項常見代表性優勢，就是能在更新或變更應用程式時執行各式各樣的應用。 例如，智慧手錶就非常像行動電話。 您可將智慧手錶視為一台電腦，可在獨立連線至網際網路進行重要的應用程式更新和下載時，同時讓穿戴者執行各式各樣的工作。

穿戴式電子裝置屬於「物聯網」(IoT) 的範疇。 IoT 是將網際網路的範圍延伸至人以外的層面。 舉例而言，您可在任何地方使用智慧手機或手錶透過遠端方式解除住家門禁、控制空調，並可啟動或解除保全系統。

IoT 亦可自行運作，無須人工介入。 智慧手錶可預先編程，即可在寒冷的早晨開啟暖氣、在晚上關閉暖氣，或是檢查天氣預報並根據預報資訊調整室溫。

使用「網際網路通訊協定」(IP) 是 IoT的重要因素。 IP 是乙太網路和網際網路所使用的一種通訊協定，用於控制資訊的流量。 每個連線的裝置皆具有一個 IP 位址。 每個具有 IP 位址的裝置，皆可與其他所有 IP 裝置通訊。 防火牆、密碼和其他安全措施可控制裝置間是否可彼此通訊。 穿戴式電子裝置藉由 IP 位址加入 IoT。

加入 IoT 的其中一項優勢，在於穿戴式電子裝置不再以獨立裝置形式存在。 您可將健身手環產生的活動資料，下載至電腦上的應用程式。 此應用程式可提供長期趨勢分析以協助您追蹤進度。 手錶上的音樂播放器可使用雲端運算（以下稱「雲端」）擷取歌曲。 其最終成果在於讓人們超越地點限制與各種物品進行互動（例如電視、住家、車輛、電器和救命裝置），因此只要配戴這些小型裝置，即可讓您深入探究體驗穿戴式電子裝置和 IoT 的豐富領域。

元件小型化與整合是促成穿戴式電子裝置的原因，可將眾多強大功能納入到很小的空間內。 諸如感測器、電腦晶片、相機、喇叭和其他元件，皆朝更加迷你且功能更強大的目標演進。

將這些元件裝入適當的尺寸並達到適當的製造能力是一大挑戰。 領先連接廠商 TE Connectivity 與穿戴式電子裝置的設計人員與廠商密切合作。 圖 2 顯示適用於智慧手錶的一般連接器解決方案。 大部分解決方案與其他元件的重要特色，即是小尺寸薄型設計。 薄型高度對於確保裝置本身維持小巧設計而言尤其重要。

圖 2：智慧手錶的連接器解決方案。

在空間有限的前提下，零件整合不僅在於精簡系統，更必須著重在發揮最大的空間利用效率。 如圖 3 所示，行動電話的天線可直接內嵌至外殼中。 此類模製互連裝置 (MID) 與新興印刷天線技術，可將電路走線、接地層和屏蔽整合至模製零件中。 基板可採用工程塑料或複合材料。 複合材料可提高材料強度，並且能以高成本效益的方式進行壓製和金屬化，因此在市場上逐漸廣受採用。

圖 3：天線與其他電路元件可內嵌至塑膠基板。

許多穿戴式系統是針對運動和從事其他激烈活動時穿戴所設計。 堅固耐用是一種相對概念，且僅能根據應用方式定義。 譬如，心率監測器的堅固耐用需求就與單車騎士穿戴的活動監測器不同。 軍用穿戴式裝置適用的堅固耐用等級則完全不同，其要求支援更寬廣的溫度範圍、具備更優異的防振和防衝擊能力，同時並可阻絕化學物質與溶劑，以免電子裝置受損。

讓穿戴式電子裝置針對各種環境危險具備更高的抵禦能力，可使其更加可靠且容易使用。 您可使用防潑濺 USB 連接埠和橡膠外蓋提供一定程度的耐天候能力，但並不表示裝置具備防水功能。 設計人員努力尋求裝置開口的封閉方法，以達成 IP67/68 的防水設計密封要求。 侵入防護 (IP) 可指出電子設備外殼的環境防護能力。 防水功能不僅造就更加堅固耐用的設計，也可提升使用簡便性。 市場上出現了各種新興技術，例如無線電力傳輸。

磁性連接纜線：USB 與類似連接器使用摩擦結構確保連接器順利配接。 如圖 4 所示，另一種方式是使用磁鐵將連接器固定於纜線端的彈簧加載型觸點。 裝置端的觸點和磁鐵可採密封設計，以避免液體和濕氣侵入裝置。 與 micro USB 連接器配接不同，磁鐵可協助您將纜線拉到適當的位置。

圖 4：磁性連接纜線。

非接觸式數據連線：在裝置與纜線組件中使用磁性連接裝置與收發器，即可建立無線連線。 此方式可支援諸如 USB 2.0 和 3.0 等高速 I/O 通訊協定。 收發器間的距離較短，能達到高能效連接。

無線充電：無須直接連接電力即可為電池充電。 無線充電（即電磁感應充電）使用充電單元和電子裝置中的電感線圈來為裝置充電。 充電線圈建立的電磁場可將電力傳輸至接收線圈，如同變壓器。 無線充電具備以下優勢：

• 提升耐用度：連接器不會磨損
• 提升可靠度：沒有連接埠，因此污染物無法侵入
• 使用簡便：無需配接小型連接器
• 設計自由度：工業設計人員可針對裝置自由打造新型、獨特外型
• 續航力更久：將電力發射器納入日常物品中，即可持續為裝置充電

無線充電的缺點包括效率較低、發熱溫度較高以及充電速度較慢。 這些問題彼此相關，且可透過更新的線圈結構及提高耦合頻率加以改進。 絕大部分的穿戴式裝置皆僅需極低電力，因此這些缺點的影響其實微乎其微。

穿戴式電子裝置的另一項發展趨勢，即是將感測器和電子裝置內嵌至布料中，包括從專用運動服裝到日常服飾。 其挑戰在於讓電子服飾如同其他衣物般舒適、彈性且可清洗。 互連元件與電子裝置必須不明顯且堅固耐用。 因此必須具備以下要求：

• 絕緣、堅固耐用且防水的可靠端接
• 彈性的服裝設計天線和收發器解決方案
• 延展導電絕緣電線
• 小型乾電池
• 防皺防捲曲 PCB/FPC

穿戴式電子裝置面臨的挑戰，就是打造可提供實用資料以改善人們生活的裝置。 無論是穿戴在手腕、頭部或腳部，穿戴式裝置皆必須時尚、耐用且易易充電。