可穿戴技術的發(fā)展

顏 延 鄒 浩 周 林 袁 嬋 王 磊

1(中國科學院深圳先進技術研究院，深圳 518055)2(深圳低成本健康重點實驗室, 深圳 518055)3(武漢理工大學信息工程學院, 武漢 430070)

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可穿戴技術的發(fā)展

顏 延1,2#鄒 浩1，2#周 林3袁 嬋3王 磊1#*

1(中國科學院深圳先進技術研究院，深圳 518055)2(深圳低成本健康重點實驗室, 深圳 518055)3(武漢理工大學信息工程學院, 武漢 430070)

從可穿戴技術的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，討論可穿戴技術的內涵與外延，回顧可穿戴技術發(fā)展的技術淵源與發(fā)展歷史；從通信技術、芯片技術、傳感器、柔性原件等幾個方面，闡述可穿戴設備的關鍵技術；分析可穿戴設備的交互模式，介紹可穿戴設備中常用的操作系統(tǒng)；綜述可穿戴設備的常見應用場景，指出可穿戴技術的發(fā)展方向。通過對可穿戴技術研究和應用中各個方面的系統(tǒng)論述，為可穿戴技術的研究提供一個基礎框架。

可穿戴技術；交互模式；操作系統(tǒng)；應用模式

引言

可穿戴技術是信息技術和生物醫(yī)學工程的研究熱點，充分體現(xiàn)了智能-生物-技術(intelligent bio-technology, IBT)的融合?？纱┐骷夹g演化出新型商業(yè)模式，使學術界和工業(yè)界迎來一輪新的發(fā)展契機，對提升生活質量和促進經(jīng)濟社會發(fā)展起到了重要作用?？纱┐骷夹g廣泛應用于健康醫(yī)療、養(yǎng)老健身、生物工程、移動通信、時尚文化、教育和工業(yè)等領域，不斷促成新的產(chǎn)業(yè)格局，為智能硬件產(chǎn)品帶來新的想象空間。然而，可穿戴設備的前景看似一片光明，但可穿戴產(chǎn)業(yè)仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，可穿戴市場一直處于“外熱內冷”的尷尬境地。在產(chǎn)品設計上，可穿戴設備廠商受智能手機的定勢影響，缺乏思維創(chuàng)新。面對這些可穿戴熱潮衍生的問題，相應的產(chǎn)生了許多創(chuàng)新性的研究熱點。筆者就可穿戴技術的概念、應用、發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢進行了相關的分析，同時對關鍵技術及核心的解決方案進行綜述。

1 可穿戴技術概念

1.1 可穿戴技術的內涵與外延

可穿戴技術(wearable technology, WT)，最早是20世紀60年代由美國麻省理工學院媒體實驗室提出的創(chuàng)新技術。利用該技術，可以把多媒體、傳感器和無線通信等技術嵌入人們的衣物中，可支持手勢和眼動操作等多種交互方式，主要探索和創(chuàng)造能直接穿在身上或是整合進用戶的衣服、配件的設備[1]，具有低負荷、可移動操作、使用簡便、支持長時連續(xù)工作和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c。隨著計算機標準化軟硬件以及互聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展，可穿戴式智能設備的形態(tài)開始變得多樣化，逐漸在工業(yè)[2]、醫(yī)療健康[3]、軍事[4]、教育[5]、娛樂[6]等諸多領域表現(xiàn)出重要的研究價值和應用潛力。

1.2 可穿戴技術的歷史淵源

可穿戴技術的出現(xiàn)介于互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展之間。互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，為可穿戴應用的思維提供了理論基礎和技術支撐，同時可穿戴技術也推動著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的整體進化?？纱┐鹘】翟O備是隨著可穿戴設備的產(chǎn)生發(fā)展而逐漸衍生出來的可穿戴設備的重要分支。

1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)(Internet)指計算機互聯(lián)網(wǎng)絡，它由許多臺地理位置不同并具有獨立功能的計算機通過特定的通信設備和技術協(xié)議相互連接起來，是實現(xiàn)信息傳輸和資源共享的網(wǎng)絡系統(tǒng)[7]?；ヂ?lián)網(wǎng)誕生至今，從無到有、從小到大，發(fā)展極為迅速，使人類社會傳播活動的格局為之一新(見圖1)。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)應用Fig.1 Internet based applications

20世紀后半葉，計算機技術、通信技術和網(wǎng)絡技術3個方面的發(fā)展，為網(wǎng)絡傳播的實現(xiàn)提供了必要的條件。1969年，美國國防部資助了一個有關廣域網(wǎng)絡的項目，開發(fā)出一個運用包交換(packet switch)技術的網(wǎng)絡，稱作ARPANET[8]；1990年APANET宣告退役，NSFNET正式取而代之[9]。從1991年開始，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展逐步走向了商業(yè)化，大批商業(yè)機構開始投入網(wǎng)絡，并于1993年推廣了萬維網(wǎng)[10]。商業(yè)化的運作和萬維網(wǎng)的推廣，帶來了因特網(wǎng)的歷史性飛躍，使得它在通信、檢索和客戶服務等方面的巨大潛力得以充分發(fā)揮，吸引了越來越多的用戶。1995年，美國國家科學基金會宣布，不再向因特網(wǎng)提供資金，因特網(wǎng)從此完全走上了商業(yè)化的道路[11]。同時，世界各國紛紛加快了計算機網(wǎng)絡發(fā)展的步伐。

物聯(lián)網(wǎng)技術即物物相連的互聯(lián)網(wǎng)[12]。這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信也就是物物相連。

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早于1991年由麻省理工學院(MIT)的Kevin Ashton教授提出[13]。2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》。至此，物聯(lián)網(wǎng)的概念及其發(fā)展才在世界各國受到重視。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術與普適計算，廣泛應用于網(wǎng)絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮?；ヂ?lián)網(wǎng)技術與物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，是可穿戴技術出現(xiàn)的先期條件。

1.2.2 可穿戴技術的歷史變革

智能可穿戴相關的概念及產(chǎn)品于2010年開始逐漸成為產(chǎn)業(yè)和學術熱點，其起源最早可追溯至20世紀六七十年代。在文獻[14]中，作者對可穿戴設備的歷史發(fā)展進行了較為全面的描述，將其大體分為4個階段：20世紀60年代因賭博而產(chǎn)生了可穿戴概念，出現(xiàn)了的相關設備皆用于賭場的相關應用；20世紀70年代涌現(xiàn)出了可穿戴設備的原型，但由于技術發(fā)展的限制，大多停留在實驗室階段，少部分進入市場，將可穿戴設備的概念進行了普及；20世紀末，真正意義上的可穿戴計算由于互聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術的進展得到了進一步的發(fā)展，出現(xiàn)了消費類的可穿戴式設備。

從2012年開始，經(jīng)過了長時間的沉寂與技術培育，在技術、產(chǎn)業(yè)及用戶需求的共同作用下，可穿戴設備在市場上頻繁出現(xiàn)并得到了快速的發(fā)展。例如，2013年，可穿戴技術在健康領域的應用發(fā)展迅速，智能腕表和健康手環(huán)市場需求在逐步擴大。相對于智能眼鏡，該市場吸引的廠家數(shù)量更多，也更早實現(xiàn)產(chǎn)品化，而且部分產(chǎn)品已開始更新?lián)Q代。在這一市場中，Nike、Fitbit、Jawbone、Thalmic Labs、InteraXon、ZetrOZ、小米、百度、索尼、三星、微軟、蘋果、卡西歐等眾多機構都在加快創(chuàng)新和研發(fā)的步伐。目前，市場上可穿戴產(chǎn)品形態(tài)各異，主要包括智能眼鏡、智能手表、智能腕帶、智能跑鞋、智能戒指、智能臂環(huán)、智能腰帶、智能頭盔和智能紐扣等。

2014年被稱為“可穿戴設備元年”[15]，蘋果公司的Apple Watch等產(chǎn)品相繼出現(xiàn)。在當年的國際消費電子展(CES 2014)上，許多可穿戴設備已經(jīng)嶄露頭角，而且競爭日趨激烈。據(jù)知名科技博客網(wǎng)站Business Insider旗下的市場研究部門 BI預測，2017年全球可穿戴設備的出貨量將達到2.6億臺，2018年全球可穿戴設備的市場規(guī)模預計達到120億美元[16]。市場調研公司Canalys預測，2014年全球將銷售800萬個手環(huán)，2015年將會增長到2 300萬個，2017年，銷售量很有可能突破4 500萬個，全球市場的銷售額將會達到155億美元[17]。根據(jù)專注于互聯(lián)網(wǎng)等領域的調研機構艾瑞咨詢的有關數(shù)據(jù)，預計2015年中國可穿戴設備市場出貨量將達到4 000萬部；中國可穿戴設備市場規(guī)模2012年是6.1億元，預計2015年將達到114.9億元[18]。

以蘋果、谷歌為代表的IT巨頭在軟硬件關鍵技術、核心解決方案方面具有較為深厚的積累，因此在可穿戴設備的制造、創(chuàng)新上具有無可比擬的優(yōu)勢，同時伴隨軟件技術的發(fā)展，新的應用不斷被開發(fā)出來，其典型代表如Android智能手表(見圖2)、谷歌智能眼鏡(見圖3)等。

圖2 基于Android的智能手表Fig.2 An Android based smartwatch

圖3 谷歌智能眼鏡Fig.3 The Google Glass

2 可穿戴設備的關鍵技術

2.1 通信技術

隨著穿戴式設備的逐漸普及，穿戴式設備之間的互聯(lián)互通問題逐漸呈現(xiàn)?？纱┐鳟a(chǎn)品具有小型化、便攜式、一體化等特點，其初期的發(fā)展必然依附于移動終端。無線通信功能是穿戴式設備應用拓展的基礎，需要解決其必備的連接和數(shù)據(jù)通信能力。穿戴式設備之間的通信要求具有低功耗、高安全性、高傳輸數(shù)據(jù)率和穩(wěn)定信號傳輸?shù)忍攸c。

2.1.1 藍牙

藍牙通信最早于1994年由電信商愛立信(Ericsson)研發(fā)[19]，它是在移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通信連接的方法。經(jīng)過20年的發(fā)展，目前最新的藍牙版本為藍牙4.2，于2014年年底發(fā)表，屬于藍牙第四代通信協(xié)議，它為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了核心動力。藍牙BLE是一項專門為移動設備開發(fā)的低功耗的移動無線通信技術[20]，通過減少待機功耗、使用高速連接及降低峰值功率3種方法來實現(xiàn)功耗的降低。低功耗藍牙(BLE)是物聯(lián)網(wǎng)的一個關鍵構件，在可穿戴技術中也具有較大的使用價值。

2.1.2 Wi-Fi

Wi-Fi技術是一個基于IEEE 802.11標準的無線局域網(wǎng)技術，也常有人把它當做IEEE 802.11標準的同義術語[21]。IEEE 802.11的第一個版本發(fā)表于1997年，其中定義了介質訪問接入控制層和物理層。從第一代的IEEE 802.11到第五代的802.11ac，所使用的ISM 頻段從2.4 GHz發(fā)展到5 GHz。在現(xiàn)有技術標準的基礎之上，針對可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)的低功耗需求，陸續(xù)有低功耗的Wi-Fi解決方案推出，如TI的CC3100及CC3200低功耗Wi-Fi解決方案[22]。

2.1.3 GPS

可穿戴設備GPS借助衛(wèi)星信號，提供設備的位置信息，進一步提供設備佩戴者的位置信息。目前的全球定位系統(tǒng)不僅包括了美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，還出現(xiàn)了俄羅斯的格洛納斯、中國的北斗系統(tǒng)等[23]?？纱┐鳟a(chǎn)品的導航、安全應用以及多種與位置相關的場景都需要GPS技術的支持，而多種低功耗的GPS解決方案也應運而生[24]。

2.1.4 人體通信

傳統(tǒng)通信方式的功耗相對比較高，不能滿足穿戴式設備長時間工作的需求。人體通信技術是一種以“人體”為信號傳輸介質的數(shù)據(jù)通信技術，可通過人體耦合方式建立信號傳輸通道，從而方便地實現(xiàn)穿戴式設備之間的高效數(shù)據(jù)傳輸。人體通信具有低功耗、高安全性及高數(shù)據(jù)率等優(yōu)點，而且不需要天線設計，可以容易地集成在穿戴式設備中[25]。

2.1.5 NFC、ZigBee等

近場通信(near field communication, NFC)是由非接觸式射頻識別演變而來的，是一種短距離高頻的無線電技術，其卡模式常用于大量的IC卡應用、移動支付等場景[26]。ZigBee[27]也是一種短距離、低功耗的無線通信技術，主要用于控制領域。受限于其傳輸速率，ZigBee不適用于大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膽脠鼍?，在可穿戴技術中應用比較少。

2.2 芯片技術

2.2.1 模擬前端芯片

模擬前端芯片應用于微弱信號的采集中，主要應用領域是在個人健康信息中[28]。低頻率、低噪聲、低功耗的醫(yī)學芯片及系統(tǒng)級集成，是實現(xiàn)低負荷、高精度的個人健康信息系統(tǒng)的關鍵技術之一。低頻率、低噪聲、低功耗的BSN專用醫(yī)學集成電路芯片組，可實現(xiàn)高共模、強干擾環(huán)境下的心電信息采集處理，達到系統(tǒng)噪聲的最小化。醫(yī)學芯片的低功耗設計非常重要，可有效延長低負荷、高精度的個人健康信息的連續(xù)工作時間。采用低頻率、低噪聲、低功耗醫(yī)學芯片設計的低負荷、高精度的個人健康信息系統(tǒng)，可以有效減少設備的幾何尺寸，增加其“可穿戴性”，對人們日常起居和活動等的干擾可減至最低。

2.2.2 主控芯片

可穿戴設備的內置芯片主要包括了SoC、AP芯片、MCU等。SoC主控芯片主要支持通信功能，類似于手機芯片。AP芯片即應用芯片，支持較為復雜的運算和因公場景，對特定的應用具有特定的模塊支持；較多的是AP芯片加MCU的模式，加入微控制器芯片來管理多個傳感器。MCU即微控制器，是可穿戴設備中必不可少的一類產(chǎn)品，傳感器的管理、數(shù)據(jù)的傳輸都要通過MCU來實現(xiàn)。

2.2.3 專用芯片

除了主控芯片外，低功耗藍牙芯片、Wi-Fi、GPS、NFC及基帶芯片都是可穿戴設備應用于不同場景中的基本配置。不同的目標產(chǎn)品和應用場景也可以將各種功能芯片進行重新組合，單一類型的芯片往往應用于功能單一的設備及物聯(lián)網(wǎng)領域中。

2.3 傳感器

穿戴式設備因其面向對象和應用場景的不同，需要不同類型的傳感器來實現(xiàn)感知的功能。傳感器是可穿戴設備必不可少的核心部件，從功能方面可以分為運動傳感器、生物傳感器和環(huán)境傳感器。

2.3.1 運動傳感器

加速度角速度傳感器、陀螺儀、地磁傳感器等測定姿態(tài)、位置以及測定運動相關傳感信息的傳感器都可以稱為運動傳感器，被廣泛應用于運動監(jiān)測、導航、人機交互等方面。較為常見的六軸傳感器即包括了陀螺儀和加速度的傳感器，集成磁力計之后稱之為九軸傳感器。在目前市場上的芯片產(chǎn)品中，已經(jīng)有相應的九軸傳感器芯片。運動傳感器廣泛應用于可穿戴運動檢測，在康復[29]、健身等應用中具有重要的價值。

2.3.2 生物傳感器

血糖傳感器[30]、血壓傳感器[31]、心電肌電傳感器[32]、體溫傳感器等生命體征檢測裝置都可以納入到生物傳感器的范疇，其主要應用場景為健康監(jiān)控、病情預警。醫(yī)務人員可以通過此類傳感器收集到的信息，豐富診療參考信息。通過生物傳感器的生命體征監(jiān)測和疾病監(jiān)控，衍生出較多的新型醫(yī)療模式。

2.3.3 環(huán)境傳感器

這類傳感器包括溫度濕度傳感器、氣體傳感器、pH傳感器、紫外線傳感器[33]、氣壓傳感器等監(jiān)測環(huán)境條件的傳感器?；诖祟悅鞲衅鳎瓿森h(huán)境檢測、天氣預報、健康提醒等功能。

目前，運動傳感器在市場上占據(jù)主導地位，生物傳感器和環(huán)境傳感器在特定的場合中也具有重要的應用。隨著MEMS技術的普及和應用，更多類型的傳感器可以集成到可穿戴設備中，根據(jù)面向的用戶和使用場景的差異進行細分。

2.4 柔性原件

由于可穿戴設備的產(chǎn)品形態(tài)多與人體特定部位的形態(tài)相關，長時間佩戴對產(chǎn)品的觸感、舒適度都具有較高的要求，貼近人體的外形設計、柔軟度都是可穿戴產(chǎn)品的必備特性，所以柔性原件在產(chǎn)品工業(yè)設計中占有重要的位置。

2.4.1 柔性電路板

柔性電路板是通過使用柔性絕緣材料(主要是聚酰亞胺或聚酯薄膜)制成的印刷電路板，可以自由地彎曲、卷繞或者折疊，它在三維空間內的伸縮性能、散熱性能都比傳統(tǒng)印刷電路板優(yōu)秀[34]。目前，這種電路板在連接電路、輔助電路上都有所應用，主板的柔性化還需要技術的進一步完善，而其尺寸及耐折性需要進一步調整才能適合可穿戴設備的應用。

2.4.2 柔性屏幕

柔性屏幕通常使用有機發(fā)光二極管材質，被安裝到塑料或金屬薄片等柔性材料上，舍棄了傳統(tǒng)的玻璃面板固定方案[35]。柔性屏幕不僅在體積上更加輕薄，功耗上也有所降低。柔性屏幕的發(fā)展包括固定式彎曲(曲面屏幕見圖4(a))、彎曲屏幕(機身可彎曲，見圖4(b))、折疊式屏幕(見圖4(c))?，F(xiàn)階段的柔性屏幕尚處于固定式彎曲階段，無法變形或者折疊。

圖4 柔性屏幕。(a)曲面屏幕；(b)機身可彎曲；(c)折疊式屏幕Fig.4 Flexible screen. (a) Curved plane screen；(b) Machine bendable；(c)Foldaway screen

3 可穿戴設備的交互模式

基于觸控的交互模式顛覆了傳統(tǒng)的基于鍵盤鼠標外設的交互方式，但是多點觸控在可穿戴設備的應用中同樣具有較大的局限性。通過手勢(非觸控式)、眼動、姿勢、語音等方式進行交互，使得可穿戴產(chǎn)品更具有普及性。

3.1 語音交互

語音交互的技術基礎是語音識別技術。語音識別技術就是要使機器能夠理解語言指令，將語音信號轉換為相應的計算機指令，即自然語言處理技術[36]。

目前，語音識別技術隨著機器學習領域內深度學習算法的研究發(fā)展，以及云計算、高速移動網(wǎng)絡的普及，其技術水平已經(jīng)達到了一個前所未有高度。各種類型的語音對話機器人、語音助手工具層出不窮，知名的產(chǎn)品如Siri、Cortana[37]、科大訊飛、百度語音等，已經(jīng)大量應用到智能終端中。

3.2 手勢交互

姿勢交互是通過采集人體不同部位的姿勢，利用計算機圖形學的相關技術，轉化為計算機指令來操作，手勢是其中一個比較重要的方面[38]。手勢技術讓用戶的生活更簡單，無需持有或點擊設備，便能為用戶提供互動。

3.3 眼動交互

眼動交互是依靠計算機識別、紅外檢測或者無線傳感器等方式，實現(xiàn)設備的控制和交互。眼動控制最易于被接受，一些肢體障礙患者仍能自如地控制眼睛。 基于眼動的交互系統(tǒng)的研究始于100多年前，技術關鍵點在于眼動的記錄，并將其解析成具體的指令,以達到交互的目的。目前，眼球運動的探測方法主要有磁搜索線圈技術[39]、眼電圖技術、紅外眼動圖法[40]、視頻記錄法[41]。

4 可穿戴設備操作系統(tǒng)

當前可穿戴設備仍處在發(fā)展初期，各大廠商在推出不同可穿戴產(chǎn)品的同時，也希望打造自己的生態(tài)系統(tǒng)，包括定制操作系統(tǒng)、界面交互、提供API給開發(fā)者等。與可穿戴設備情況相同，當前用于可穿戴設備的操作系統(tǒng)非常碎片化，不同開發(fā)平臺之間互不兼容，這導致不同應用之間信息不能共享、開發(fā)效率低下。

可穿戴設備操作系統(tǒng)可分為兩大類：一類是適用于手環(huán)等基礎設備的實時操作系統(tǒng)(RTOS)，另一類是適用于智能手表和智能眼鏡的Android 相關系統(tǒng)、蘋果的Watch OS、三星的Tizen、騰訊的TencentOS和阿里巴巴的YunOS。

4.1 實時操作系統(tǒng)RTOS

實時操作系統(tǒng)(real-time operating system, RTOS)，是指當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規(guī)定的時間內來控制生產(chǎn)過程或對處理系統(tǒng)做出快速響應，調度一切可利用的資源來完成實時任務，并控制所有實時任務協(xié)調一致運行的操作系統(tǒng)[42]。由于RTOS對硬件的要求較低，使其成為可穿戴設備重要的操作系統(tǒng)。

可穿戴設備搭載的多為開源免費的RTOS，如FreeRTOS[43]、RTEMS[44]、eCos[45]等。因對硬件要求低，市面上的智能手環(huán)基本都采用RTOS，如Jawbone、Fitbit、FuelBand等，也有交互簡單的智能手表，如Pebble等。相對地，RTOS也有缺點，其功能和軟件相對固定，在功能擴展方面受到限制，后續(xù)開發(fā)需要投入大量精力。

4.2 Android 相關系統(tǒng)

2014年，谷歌公司推出官方可穿戴開發(fā)平臺Android Wear[46]。和Android一樣，Android Wear是一個開放平臺，它允許第三方廠商加入進來生產(chǎn)各式各樣的Android Wear兼容設備——主要就是各種智能手表。Android Wear交互設計的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 自動觸發(fā) (launched automatically)。Android Wear 可通過識別時間、位置和用戶身體狀態(tài)，在最合適的時間，通過卡片的形式，向用戶推送最相關的信息內容。

2) 快速瀏覽 (glanceable)。谷歌認為，用戶在安卓手表上獲取信息的體驗應該和用傳統(tǒng)手表看時間一樣優(yōu)雅和精準，只需要眼角余光一瞥，一切盡在掌握。只有這樣，用戶才能更快速地回到現(xiàn)實生活中，活在當下，享受生命的每一刻。

3) 智能推送與搜索 (suggest and demand)?；?Google Now 的引擎，安卓手表力圖成為用戶最隨身的智能助手。谷歌的賬號服務系統(tǒng)可以學習用戶的喜好，只推送最相關、最及時的資訊。只可惜目前谷歌的服務在中國大陸無法使用，大大降低了安卓手表的實用性。

4) 零打擾 (zero or low interaction)。很多時候 Android Wear 會自動識別用戶的需求，幫用戶自動輸入內容，用戶僅需要確認或者取消。UI 元素采用大塊點擊、大動作滑動和手勢識別，并不需要精確的觸摸操作。谷歌舉了個有趣的比喻：每次推送消息給用戶，就好像現(xiàn)實生活中有人突然拍一下用戶的肩膀一樣，是種很親密的行為；但如果這樣的行為被濫用，用戶很快就會厭煩，并且將被用戶拋棄(Android Wear可以自定義哪些App 有權限推送消息到手表上)。

4.3 蘋果Watch OS

2014年，蘋果公司發(fā)布了其首款智能手表Apple Watch，并于同年11月發(fā)布了WatchKit 開發(fā)工具，揭開了 Apple Watch 交互邏輯和諸多 UI 元素細節(jié)。用戶可以最簡單的視覺閱讀方式，獲取個人的數(shù)據(jù)。蘋果公司強調了3點交互原則[47]：

1) 個人化 (personal)。因為手表是最貼近人體、最“無感”的智能設備，因此天然具備充當個人與虛擬世界交互入口的潛質。每當用戶抬起手腕的時候，蘋果手表能夠自動呈現(xiàn)相關信息提醒和個人健康數(shù)據(jù)。

2) 整體性 (holistic)。從iPhone5和iOS7開始，蘋果公司開始追求軟硬件結合的一體化極致體驗。Retina視網(wǎng)膜屏、渾圓過渡的鵝卵石狀外殼、數(shù)字表冠(digital crown)和內置的Taptic精確振動引擎，都是這一理念的在手表上的進一步實踐。蘋果公司建議開發(fā)者在開發(fā)手表App時盡量使用黑色背景，并把UI元素盡量布局到屏幕邊緣，也是為了從視覺上模糊屏幕軟件與表殼硬件之間邊界。

3) 輕交互(lightweight)。蘋果公司認為，手表上的交互應該是快速便捷、無需復雜輸入和操作的。通過抬起手腕，提醒會自動顯示；手腕放下的時候，提醒自動消失，用戶無需額外的觸摸交互。掃視界面(glance)把所有重要信息集中在一屏之內展示，并提供快速的操作入口以便某些場景下的進一步交互。

Watch OS采用的是圓形UI設計，所有的元素都是以圓形呈現(xiàn)，如圖5所示。相比Android Wear更平面的卡片式設計，Watch OS支持頂層操作，更具立體感。

圖5 蘋果Watch OS界面設計。(a)App圖標；(b)掃描界面glances；(c)可執(zhí)行的提醒卡片F(xiàn)ig.5 Apple Watch OS UI. (a)WatchKit Apps; (b) The Glances; (c) Actionable notifications

4.4 三星Tizen

Tizen[48]是由英特爾、三星聯(lián)合其他智能手機廠商開發(fā)，針對手機和其他設備的操作系統(tǒng)。Tizen系統(tǒng)是英特爾MeeGo系統(tǒng)與三星LiMo系統(tǒng)的混合體，是基于Linux的開源軟件平臺，可運行在智能手機、平板、上網(wǎng)本、車載信息系統(tǒng)和智能電視上。Tizen操作系統(tǒng)的交互是以滑動為主、語音為輔，并搭載了S Voice實現(xiàn)語音操作。Tizen的應用程序接口是基于HTML5和其他Web開放標準。除了HTML5應用程序外，Tizen的SDK包括原生開發(fā)工具包。從核心系統(tǒng)到核心應用，Tizen的整個軟件堆棧都會對外開放。2014年，三星推出搭載Tizen的智能可穿戴設備Gear2、Gear2 Neo、Gear Fit及Gear S。其中，影響力最大的是智能手表Gear S，它是一款不通過手機也能直接打電話的智能手表。但搭載Tizen的智能設備只能與三星的高端手機搭配，無法支持其他智能手機；若未來不能解決與其他智能手機支持的問題，則只能成為小眾市場。

4.5 其他

TencentOS (TOS)是騰訊官方適配的安卓手機系統(tǒng)[49]，它基于TOS為智能手表、微游戲機、虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品三大智能硬件提供了系統(tǒng)解決方案。目前，搭載TOS的智能手表有映趣的inWatch T和中興的AXON Watch。YunOS[50]是阿里巴巴集團旗下的一款智能設備操作系統(tǒng)產(chǎn)品，融合了阿里巴巴在云數(shù)據(jù)存儲、云計算服務以及智能設備操作系統(tǒng)等多領域的技術成果，并且可搭載于智能手機、智能機頂盒(DVB/IPTV/OTT)、互聯(lián)網(wǎng)電視等多種智能終端設備上。

總體來看，在可穿戴設備領域中，操作系統(tǒng)競爭激烈。RTOS優(yōu)勢在于低功耗，對硬件要求低，是目前手環(huán)設備的首選系統(tǒng)，但功能擴展復雜；Android相關系統(tǒng)有從手機延續(xù)過來的生態(tài)優(yōu)勢，但尚不成熟。三星雖極力推動Tizen，但從產(chǎn)品和應用來看，還是無法同Android Wear和Watch OS相抗衡；蘋果公司的Watch OS在設計與交互上都有好的體驗，但同iOS一樣是封閉系統(tǒng)，不開放給其他廠商。

5 可穿戴技術研究的發(fā)展方向

可穿戴設備在感知與運用兩個維度的變化，為其應用領域的拓展提供了各種可能性。隨著相關技術的日趨成熟，各種產(chǎn)品即將大規(guī)模地進入普通人生活的各個角落，為人類帶來重大的科技變革。目前，可穿戴設備最具有應用前景的領域是醫(yī)療、運動和娛樂。

5.1 智能醫(yī)療

智能醫(yī)療通過使用智能終端、移動通信及云計算等技術提供醫(yī)療服務，可穿戴設備技術為智能醫(yī)療的應用和擴展提供了重要的支持。從內容上講，可穿戴的主要醫(yī)療應用包括如下3個方面。

5.1.1 生命體征監(jiān)測

人們日常使用的生活物品，譬如眼鏡、手表、手環(huán)、服飾，可以緊身佩戴來實現(xiàn)體征參數(shù)感知的目的?？纱┐麽t(yī)療設備利用生物傳感器，采集獲取人體的生理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過各類通信方式與數(shù)據(jù)中心進行交互，并在數(shù)據(jù)中心分包進行信息解讀并反饋到個體，實現(xiàn)體征參數(shù)的智能監(jiān)測。

心電圖信號是人體一個較為重要的生命體征參數(shù)，基于可穿戴心電圖設備的心臟病監(jiān)測應用已經(jīng)有較為清晰的系統(tǒng)架構和技術模式(見圖6)。通過可穿戴設備，可以方便地幫助用戶記錄心電圖數(shù)據(jù)，并及時發(fā)現(xiàn)常規(guī)心電圖中難以發(fā)現(xiàn)的心律失常和心肌缺血，為臨床分析提供客觀依據(jù)[51]。

圖6 可穿戴心電監(jiān)測系統(tǒng)架構Fig.6 The wearable ECG monitor based healthcare system diagram

5.1.2 遠程診療協(xié)助

在監(jiān)測之外，穿戴式設備集成的電極、振動反饋等功能可以為醫(yī)護人員提供遠程治療的技術支持。例如，在上述可穿戴心電監(jiān)測系統(tǒng)中，可以通過設備實現(xiàn)信號的采集獲取、存儲、反饋等。但是，在突發(fā)情況中，更進一步的需求是能夠提供急救或干預機制。比如穿戴式的除顫器，在感知電極傳感器中加入除顫電極，當監(jiān)測到異常時，報警器會通知醫(yī)護人員進行除顫或者自動除顫[52]。這樣做，既實現(xiàn)了心電參數(shù)的監(jiān)測，又為防止惡性事件的發(fā)生提供了干預手段，是可穿戴在智能遠程醫(yī)療中的重要發(fā)展方向。類似的電極刺激等方式，也應用于老年癡呆的緩解治療中[53]。

5.1.3 可穿戴醫(yī)療應用的問題

目前已有的一些遠程診療或體征檢測模式難以回避的幾個問題，在于其仍然缺乏與智能醫(yī)療相契合的特質，表現(xiàn)在人機交互的便捷性缺乏、數(shù)據(jù)和信息的專業(yè)性高、數(shù)據(jù)安全保障差。設備的用戶黏度在于佩戴的舒適性、操作的便利程度，可穿戴醫(yī)療設備的設計理念、應用手段、操作方法都應當更加便捷，才能保障其長期可使用性，從而發(fā)揮其預警或診療的價值。同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)的可解釋性存在較大的弱項，只有專業(yè)醫(yī)療機構的介入才可能將數(shù)據(jù)充分與臨床和健康結合起來，目前這方面的服務和數(shù)據(jù)解讀并不理想。另外，可穿戴使用環(huán)境的非封閉性可能導致的隱私問題也是應用中的重大隱患。

5.2 運動健身

可穿戴設備在健身領域的產(chǎn)品主要面向關注運動健身的人群，通過移動終端周邊的可穿戴運動傳感器及部分生物傳感器，實時記錄運動量[54]、消耗熱量、心率[55]、睡眠狀態(tài)[56]等參數(shù)，特別適用于健身目標跟蹤及監(jiān)測。

手表、手環(huán)類的產(chǎn)品是目前應用最為廣泛的設備。這些產(chǎn)品對日常健身運動中的基本體征監(jiān)測及睡眠體征數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析并給出建議，在肌肉鍛煉跟蹤、姿態(tài)管理、運動數(shù)據(jù)采集、運動風險評估、訓練數(shù)據(jù)分析方面都有新的應用。

這類產(chǎn)品存在較大的不足，如基本淪為了“智能手機的附屬配件”，諸多的運動解決方案、睡眠監(jiān)測解決方案在技術發(fā)展的浪潮之中極易被智能手機所替代。例如，記錄睡眠狀態(tài)及行動路徑的手環(huán)在帶有振動傳感器和GPS定位的智能手機的市場中將失去競爭力。

5.3 其他應用

智能家居方面，穿戴式設備將人類個體指令的覆蓋范圍擴大到了整個居住環(huán)境[57]，包括了居室內部的家電、燈光、老人看護設備。

軍事應用方面，單兵作戰(zhàn)設備集成多種環(huán)境傳感器來更好地偵測戰(zhàn)場環(huán)境[58]，應用生物傳感器檢測士兵的體能狀態(tài)來提供保障服務等。

游戲方面，基于多種可穿戴設備及新型交互模式的產(chǎn)品產(chǎn)生了各種具有市場價值的應用，顛覆了傳統(tǒng)電子游戲的鼠標加鍵盤的方式。在新的解決方案中，可以采用體感、姿勢、聲音及意念等方式娛樂。

6 結語

可穿戴設備產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展、產(chǎn)品功能、商業(yè)模式、競爭格局仍在探索和形成過程中。從產(chǎn)品角度來看，微型化、時尚化、個性化、多屏互聯(lián)是可穿戴設備的主要發(fā)展方向，豐富的內容信息以及高質量、精準化、個性化、及時性的服務都將是可穿戴設備產(chǎn)業(yè)核心競爭力的重要組成部分。從技術角度來看，可穿戴設備對芯片的功耗、傳感技術的融合發(fā)展、新型顯示、創(chuàng)新性的人機交互方式、大數(shù)據(jù)處理等提出了更高的要求。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，需要從業(yè)者在掌握芯片、操作系統(tǒng)、關鍵器件等核心技術的同時，構建可穿戴設備產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，這是掌握產(chǎn)業(yè)主導權的關鍵。筆者對這幾個方面的內容進行了梳理及分析，為可穿戴的研究提供了一個系統(tǒng)的研究框架。

(致謝 本文在撰寫過程中得到了中國科學院深圳先進技術研究院王磊博士課題研究組多位同事的支持，他們是：秦興彬、吳亦哥、王澄、徐彤、羅瑋，在此一并致謝。)

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The Development of Wearable Technologies

Yan Yan1，2Zou Hao1，2Zhou Lin3Yuan Chan3Wang Lei1#*

1(ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnologies,ChineseAcademyofSciences,Shenzhen518055,China)2(ShenzhenKeyLaboratoryofLow-CostHealthcare,Shenzhen518055,China)3(SchoolofInformationEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

In this paper, the connotations and extensions of wearable technologies were expounded, and the origins of the technique development and histories were summarized from the state-of-art of wearable technologies. Then the key technologies were introduced mainly including communication technology, chips, sensors and flexible components. The wearable operation systems and interactive models were concluded. The common application scenes were stated as well as the research orients. The study discussed the research contents and applications of wearable technologies, which formed a research frame of wearable technologies.

wearable technology; interactive model; operating system; application model

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.002

2015-10-12， 錄用日期:2015-11-02

國家自然科學基金重點項目(71531004)；國家高技術研究發(fā)展計劃(2012AA02A604)；深圳市科技研發(fā)資金(JCYJ20150402095641631)

R318

A

0258-8021(2015) 06-0644-010

# 中國生物醫(yī)學工程學會會員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:wang.lei@siat.ac.cn