基于可穿戴的計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)研究

摘 要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)得以迅速發(fā)展，可穿戴的計(jì)算機(jī)（Wearable Computer，WearComp）應(yīng)運(yùn)而生?；谟布w系結(jié)構(gòu)的不同，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)人機(jī)交互方式相比，可穿戴計(jì)算機(jī)的人體交互方式存在著明顯的差異。基于此，本文首先闡述了可穿戴計(jì)算機(jī)硬件的組成部分，然后研究了可穿戴計(jì)算機(jī)硬件體系的具體結(jié)構(gòu)方式，即集中式結(jié)構(gòu)與分布式結(jié)構(gòu)，其中集中式結(jié)構(gòu)是基于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模式發(fā)展而來的，其適用范圍為快速實(shí)現(xiàn)可穿戴計(jì)算機(jī)的開發(fā)與研制；而分布式結(jié)構(gòu)一如了模塊化的概念，其適用范圍為滿足人體的穿戴要求。

關(guān)鍵詞：可穿戴計(jì)算機(jī)；硬件；體系結(jié)構(gòu)；研究

中圖分類號(hào)：TP368.33

基于可穿戴計(jì)算機(jī)的研究可追溯到上世紀(jì)六十年代，當(dāng)前，國外關(guān)于可穿戴計(jì)算技術(shù)的研究已經(jīng)取得了階段性的成果，并推出了具有實(shí)用價(jià)值的可穿戴計(jì)算機(jī)，而國內(nèi)在可穿戴計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域中起步較晚，尚處于起步階段?？纱┐饔?jì)算機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中的一個(gè)階段，真正的體現(xiàn)出了“Personal Computer”的含義及價(jià)值，這是因?yàn)榭纱┐饔?jì)算機(jī)能夠通過穿戴與人體衣物相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)間的便捷、有效溝通。

1 可穿戴計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)成部分

當(dāng)前，可穿戴計(jì)算機(jī)的主要成品形式是將計(jì)算機(jī)電子設(shè)備微型化，然后與可穿戴技術(shù)相結(jié)合，從而形成初步意義上的可穿戴計(jì)算機(jī)。但是，此種形式上的可穿戴計(jì)算機(jī)與構(gòu)想形式還是存在著很大的差距，并沒有從根本上實(shí)現(xiàn)可穿戴計(jì)算的人機(jī)無縫結(jié)合。但從其應(yīng)用中來看，已突顯出其實(shí)用價(jià)值?？纱┐饔?jì)算機(jī)硬件構(gòu)成為：

1.1 主機(jī)子系統(tǒng)

主機(jī)子系統(tǒng)為可穿戴計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心部分，其在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素為：體積、重量、抗震性能、功耗以及可穿戴性，其性能主要由同一時(shí)期計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用性能與應(yīng)用目的所決定。比如：第一代可穿戴計(jì)算的研制是基于同一時(shí)期Apple Ⅱ處理器[1]。

1.2 頭戴顯示子系統(tǒng)

頭戴顯示系統(tǒng)是可穿戴計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作構(gòu)想中的重要組成部分，也是當(dāng)前應(yīng)用相對(duì)較為廣泛的人機(jī)交互裝置。以結(jié)構(gòu)形式劃分，頭戴顯示系統(tǒng)大致分為如下三種顯示器：頭佩戴式、頭戴式以及頭盔式；以工作方式劃分，頭戴顯示系統(tǒng)能夠分為以下兩類：透視與非透視。

1.3 通信子系統(tǒng)

可穿戴計(jì)算機(jī)的人機(jī)協(xié)作能夠?qū)崿F(xiàn)與人活動(dòng)同步的新型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。其在移動(dòng)工作時(shí)，通信子系統(tǒng)則需要與本身所處的計(jì)算環(huán)境進(jìn)行信息交互，基于此種需求，無線網(wǎng)絡(luò)要比有線網(wǎng)絡(luò)更適用于可穿戴計(jì)算機(jī)在通信方面的要求。當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)有以下三種：IEEE802.11x、家庭網(wǎng)絡(luò)（Home RF）、藍(lán)牙（Blue Tooth）。

1.4 輸入輸出子系統(tǒng)

輸入輸出子系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)主要是根據(jù)可穿戴計(jì)算機(jī)在應(yīng)用過程中的實(shí)際需求，以及實(shí)現(xiàn)減少使用者雙手使用率的目的。當(dāng)前，其在使用時(shí)脫離雙手操作的研究還處于初級(jí)階段，如采用語音控制、姿勢(shì)控制等系統(tǒng)，而當(dāng)前能夠?qū)崿F(xiàn)輸入子系統(tǒng)以減少雙手使用率為目的的設(shè)計(jì)為單手輸入控制設(shè)備。單手控制輸入設(shè)備的硬件設(shè)備為：前臂鍵盤、虛擬鍵盤以及數(shù)據(jù)首套等。

1.5 電源子系統(tǒng)

可穿戴計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)之一是工作時(shí)間長短，而工作時(shí)間的長短主要有以下兩方面因素決定：系統(tǒng)的損耗功率以及電源子系統(tǒng)的容量和性能。因此，要想提高可穿戴計(jì)算機(jī)的性能，就要盡可能的降低系統(tǒng)的損耗，并提升電源子系統(tǒng)的容量，確保電源子系統(tǒng)的性能。

1.6 支撐子系統(tǒng)

可穿戴計(jì)算機(jī)的硬件組成部分離不開支撐子系統(tǒng)，比如：馬甲、背心、腰帶等。可穿戴計(jì)算機(jī)并不是像手表一樣穿戴在身上即可，其在設(shè)計(jì)上必須充分的考慮到人體工學(xué)理論，確?？纱┐饔?jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠以最佳的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)人機(jī)無縫結(jié)合，從而提升可穿戴計(jì)算機(jī)的使用性能，并提高其在穿戴過程中的舒適度。

2 可穿戴計(jì)算硬件體系的具體結(jié)構(gòu)方式

2.1 分布式可穿戴計(jì)算機(jī)

分布式可穿戴計(jì)算機(jī)是通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)的連接技術(shù)將各模塊進(jìn)行連接，形成身體網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)模塊都是身體網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用者根據(jù)所處環(huán)境場(chǎng)合的不同，選擇所需要的模塊，其相對(duì)較為靈活的系統(tǒng)配置為使用者帶來了極大的方便。分布式可穿戴計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)為：低功耗計(jì)算核心系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、身體網(wǎng)絡(luò)以及身體總線。其核心系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)提供計(jì)算資源的工作，其系統(tǒng)除了普通可穿戴計(jì)算機(jī)的輸入輸出系統(tǒng)外，還需包括具有特殊用途的傳感器，從而完成人機(jī)交互工作以及對(duì)外信息的采集工作。BODY BUS以及BODY NEYWORK將計(jì)算機(jī)的各個(gè)部分相連接，從而就形成了一個(gè)完整的可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，且單電纜有效實(shí)現(xiàn)了人體上各設(shè)備的連接，從而簡化了人體上物理網(wǎng)絡(luò)的連接形式。BODY NEYWORK的模塊連接形式，不僅包括了基于TCP/IP協(xié)議的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Ethernet，還包括了電源控制網(wǎng)絡(luò)；BODY BUS則是將可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部設(shè)備以及傳感器與可穿戴計(jì)算機(jī)的核心系統(tǒng)相連接，從而能夠?yàn)橐曨l采集以及音頻的輸入輸出等工作提供高寬帶的USB連接；MIThril則是將整個(gè)連接過程所涉及到的線路都完美的隱藏于馬甲中，但其中不包括鍵盤鼠標(biāo)與頭帶顯示器HMD，并且如果不使用以上設(shè)備時(shí)，還可以將其放入衣袋內(nèi)[2]。此種穿戴方式使可穿戴計(jì)算機(jī)在使用上更加的方便且舒適，其在物理形式上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了可穿戴計(jì)算機(jī)的穿戴性能，因此成為了可穿戴計(jì)算機(jī)的一大主要研究與設(shè)計(jì)方向。

2.2 集中式可穿戴計(jì)算機(jī)

集中式可穿戴計(jì)算機(jī)是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)形成并發(fā)展的，其實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與可穿戴技術(shù)的結(jié)合，因此，集中式可穿戴計(jì)算機(jī)具備著計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，可穿戴計(jì)算機(jī)是當(dāng)前研發(fā)可穿戴計(jì)算機(jī)的主要方向，其所具備的最大優(yōu)勢(shì)是在采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上采用COST產(chǎn)品，從而使其適用于各種研究目的的樣機(jī)生產(chǎn)。由于可穿戴計(jì)算機(jī)需要長時(shí)間的穿戴與人體身上，因此，實(shí)現(xiàn)可穿戴計(jì)算機(jī)的微型化是當(dāng)前集中式可穿戴計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的重點(diǎn)。與此同時(shí)，集中式可穿戴計(jì)算機(jī)在采用PC系統(tǒng)框架移植的同時(shí)，還存在著很多缺少實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)構(gòu)，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上與質(zhì)量體積控制上都具有一定難度。當(dāng)前，在歐美發(fā)達(dá)國家的市場(chǎng)上，能夠見到MAV式可穿戴計(jì)算機(jī)，從其各各方面性能來看，集中式可穿戴計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)與研發(fā)上已經(jīng)取得了顯著成績，其體積與重量都較之前減少很多，但是，如果長時(shí)間佩戴，依舊會(huì)給使用者帶來不舒服的感覺。MVA式可穿戴計(jì)算機(jī)支持多種外部總線以及多種接口，這種復(fù)雜的接線結(jié)構(gòu)定然會(huì)增加其重量和體積，因而需要簡化其總線接口。當(dāng)前，在研究領(lǐng)域中最可行方案為：內(nèi)部系統(tǒng)在采用傳統(tǒng)總線連接方式的基礎(chǔ)上，使用PCI并行總線，外部設(shè)備則統(tǒng)一采用USB總線連接[3]。此可行性方案簡化了連線口所占用的質(zhì)量與體積，整個(gè)系統(tǒng)中只有PCI與USB兩條總線，從而在降低系統(tǒng)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了質(zhì)量并減小了體積。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)硬件構(gòu)成以及硬件體系結(jié)構(gòu)的分析，可穿戴計(jì)算機(jī)是以人體衣物為支撐，改變了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的存在形態(tài)，為使用者帶來了方便且快捷的體驗(yàn)與享受。當(dāng)前，可穿戴式計(jì)算機(jī)的研究正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，這就意味著可穿戴計(jì)算機(jī)將是未來一段時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)形態(tài)的主要發(fā)展趨勢(shì)，最終將可穿戴計(jì)算機(jī)進(jìn)行廣泛推廣，從而使人們打造出隨時(shí)隨地應(yīng)用計(jì)算機(jī)的科技環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳東義，BLAIR M.可穿戴計(jì)算與系統(tǒng)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010（36）：133-134.

[2]蒲旺，李桂岑，黃志奇.可穿戴計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（39）：34-37.

[3]ZIENIEWICZ M J，JOHNSON D C，WONG D C.The evolution of army-wearable computers[J].Pervasive Computing，2010（16）：136-137.

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