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2017-03-04

(上图为ROHM半导体(上海)有限公司  设计中心  高级工程师  孙彬

进入2017年,就在业界为即将到来的物联网产业大机遇而倍感兴奋的时候,Gartner的一份最新调查却迎头泼了一盆凉水:消费者最初被可穿戴设备的新奇功能和华丽外表所吸引而购买,但是有近三分之一的用户在使用一段时间后感到无聊然后抛弃了它们,智能手表弃用率为29%、健身类可穿戴设备弃用率为30%。

除了可穿戴设备外,智能手机与平板电脑也进入了创新乏善可陈的境地。根据Gartner,2016年全年智能手机销售量15亿部、较2015年增加5%,其中虽然苹果在两年后重夺全球智能手机龙头厂商,但在2016年第四季度与三星销售量的差距却是史上最小,说明手机的差异化正在迅速缩小,平板电脑就更不用提了。

在可穿戴设备、智能手机和平板电脑等智能硬件进入创新窘境的时候,一个新的差异化创新点却悄然出现了,这就是低功耗、高精度的光学脉搏传感器。由电信号到生理信号,一个智能硬件的新价值空间正在被打开。

独特的光学脉博传感器

ROHM罗姆半导体是一家著名的全球半导体制造商,自1958年在日本成立以来历经半个世纪的发展已经成为全球系统IC和首屈一指的半导体生产制造商,产品涉及IC、分立元器件、光学元器件、无源元件、模块、半导体应用产品以及医疗器具等。

2017年2月21日,ROHM罗姆半导体在北京推出了最新研发及量产的光学脉搏传感器BH1790GLC。脉搏是指随着心脏输出血液发生的血管的容积变化,ROHM半导体(上海)有限公司设计中心高级工程师孙彬介绍说,BH1790GLC主要利用的是绿光达到人体血管后进行散射回来的结果:当血管中的血流变多的时候,反射回来的绿光强度就会变小,血流变小的时候绿光强度就会变大,最终出现的就是一个脉冲的信号,通过脉冲的数量可以计算人体的脉搏数。

(上图为脉搏波传感器原理)

此前曾有红外脉搏传感器,但难以适应室外等干扰光强烈的场景。BH1790GLC利用ROHM的传感器技术优势,采用非常适合脉搏检测的符合绿色光波长的LED光电二极管,同时感光部采用绿色光的滤光片和红外 (IR) 截止滤光片相结合的脉搏传感器专有的滤光片结构,不仅实现了高精度检测,而且将红外线的影响降低到以往产品的1/10以下,即使在剧烈运动和太阳光等红外线干扰较强的环境下,也可获得稳定的脉搏数据。

(上图为光学脉搏传感器BH1790GLC的滤光原理)

孙彬强调,在室外检测脉搏的时候,往往导致较差的检测精度。这是因为太阳光谱是一个复杂的光谱,除了可见光之外还有紫外光和红外光,红外光还可以穿透人体,这样就会叠加上一个噪声,非常难以来计算脉搏数。为了解决这个问题,ROHM采用了专门的红外线去除措施,加了两层滤光片:一个是红外滤光片,一个是彩色滤光片。红外滤光片可以把外界的红外光全部过滤掉,彩色滤光片可以将可见光当中除了绿光的部分全部过滤掉,只让绿光通过,这样就突出了绿光、达到高精度的检测。

BH1790GLC的另一个优势是低功耗。脉搏传感器的功耗主要来源于两个方面,一是LED的驱动电流,另外一个是芯片内部的功耗。因为BH1790GLC产品可以达到高精度检测,因此驱动LED灯就不需要很强的电流,这部分的电流可以削减掉。BH1790GLC内部还优化了电路构造,放大器采用了电容式的积分放大器代替传统的跨阻式的放大器,也减少了电流的消耗。孙彬表示,BH1790GLC的整体功耗比以往的产品下降了74%左右,实现了业界最小级别的低功耗,有助于延长可穿戴式设备的电池寿命。

此外,由于脉搏传感器应用最多的是运动手表、移动手环之类的产品,在户外运动时通常会与人体之间产生相对运动而产生噪音,ROHM针对这种情况开发了一个专门的脉搏计算算法。该方法利用了ROHM集团旗下Kionix公司的加速度传感器与脉搏传感器同时采集信号,然后通过快速傅里叶变换在频域中找出跟加速度传感器信号频率一致的脉搏噪音,将之去除掉后还原出纯粹的脉搏信号。通过测试,BH1790GLC在高速运动下始终与标准测试仪器测试出来的结果吻合。

BH1790GLC的优势还包括采用低亮度、低VF电压的LED元件,不再需要以往所需的LED电源用DCDC电路,与以往产品相比可减少达30%的安装面积,有助于减轻设计负荷。

面向开发者的多种算法和开发平台

在2016年6月至8月间,Gartner对来自澳大利亚、英国和美国的9500多名消费者进行了调查,调查他们对可穿戴设备的态度以及购买行为等。调查显示,消费者之所以丢弃可穿戴设备是因为它们缺乏实用性或是亮点不足,而45岁以下的人更倾向于使用智能手机解决所需的一切。

显然BH1790GLC光学脉搏传感器的面世对于可穿戴设备、平板电脑和智能手机来说是一个福音,可以获得实用性和差异化的竞争点。BH1790GLC虽然名为光学脉搏传感器,但基于脉搏的测量可以计算出更多更有价值的数据。测量最大摄氧量是衡量一个人有氧运动水平常用的方法,一种比较直观的测法就是在人运动的时候用专门仪器收集呼出的气体,再用气体分析仪去分析,这种测量的成本高且复杂;另一种比较简单的方法,就是根据最大摄氧量和人体脉搏数的数学关系,利用脉搏数来推测出人体的最大摄氧量。

BH1790GLC的其它潜在应用场景包括玩家在玩游戏机的时候,在游戏机手柄下面安放一个脉搏传感器,用于监测用户的心跳,从而在游戏中给出某种反馈信号,这也可以通过脉搏传感器实现。ROHM还在开发一个新的算法,利用人体的脉搏数来计算人体的血压。而在一些智能软件里,还可以通过人的脉搏数来反映一个人当前的精神状态。开发者可以根据自己的需求,自行开发相关的算法,进一步丰富BH1790GLC的应用场景。

近年来业内有越来越多的开发人员用到Arduino开放平台,可以非常便利的做软件开发与产品评估。ROHM从2016年10开始已经在官网上售卖传感器评估套件,这个评估套件支持Arduino开放平台。而ROHM的传感器扩展板完全兼容Arduino Uno开发板,扩展板上可以接插罗姆的各种传感器,如今还推出了一个脉搏传感器的扩展板,从2017年2月开始可以在官网上购买。

BH1790GLC已于2016年10月开始出售样品(600日元/个:不含税),于2016年11月开始暂以月产50万个的规模投入量产,前期工序的生产基地为ROHM Apollo Co., Ltd.(日本福冈县),后期工序的生产基地为ROHM Electronics Philippines Inc.(菲律宾)。

差异化的智能设备与终端市场

BH1790GLC光学脉搏传感器的问世对于可穿戴设备以及智能手机、平板等智能终端市场来说,将带来什么样的可能变化呢?

ROHM Co., Ltd. LSI商品开发本部传感解决方案LSI商品开发部传感器开发课经理山岸信之表示,原本脉搏传感器只是用在专业的医疗领域,随着大众对健康管理意识的不断提高,现在也不断普及到智能手表、运动手环中,ROHM也因此特别推出了相应产品。可穿戴设备市场是ROHM第一步计划,接下来也会进入包括在车内监控人体脉搏等各种生命体征等市场。

山岸信之表示,虽然之前也有很多公司推出类似的消费级产品,但是总体来说在精度、功耗等各方面没有完全达到医疗级要求。山岸信之认为,BH1790GLC在标准的心率带检测等方面已经接近于医疗级应用,ROHM主要是希望在高端应用上有所作为。除了检测脉搏,包括测血压、测精神状态等都能带来更高的精度和更快的速度。

ROHM Co., Ltd. LSI商品开发本部传感解决方案LSI商品开发部传感器开发课技术调查主任相良武志则表示,由于种种原因导致当前市场对于个人可穿戴设备的需求达到一定瓶颈,但就健康理念来说应该还会产生更多需求,包括养老、医院辅助护理、保险、员工健康管理等,ROHM更看重这些长线市场。比如,保险公司想要对签保的用户进行健康管理,工厂想要对员工进行健康管理等,都是潜在应用场景。

当然,尤其对于老年人健康管理来说,这是一个巨大的市场。根据投中集团2015年的报告,我国从2001年到2020年是快速老龄化阶段,中国将平均每年新增596万老年人口、年均增长速度达到3.28%,到2020年老年人口将达到2.48亿、老龄化水平将达到17.17%。其中,80岁及以上老年人口将达到3067万人,占老年人口的12.37%。不断膨胀的老年市场,给光学脉搏传感器带来了巨大的想像空间。

值得一提的是,BH1790GLC实际上是集ROHM集团下属三家公司的合力而成。除了ROHM罗姆半导体之外,ROHM集团旗下还有Kionix公司和蓝碧石半导体(LAPIS Semiconductor)。Kionix公司是2009年罗姆收购的一家美国知名半导体企业,拥有世界领先的电容式MEMS开发技术以及加速度传感器、陀螺仪传感器和相关产品组合。蓝碧石半导体的前身是日本的OKI半导体,由ROHM于2008年收购,主要产品包括低功耗的MCU、语音合成芯片、无线通讯模块等等。

BH1790GLC的出现表明,随着传感器技术的进步,可穿戴智能设备和智能终端市场仍有着创新和想像空间,这为创业者和大公司创新提供了新思路和新方向。(文/宁川,云科技时代)