可穿戴式計(jì)算機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要點(diǎn)分析

張海娟++李顯娜

摘 要：可穿戴式計(jì)算機(jī)是一種新型計(jì)算機(jī)，能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將使用者與計(jì)算機(jī)連接在一起，其技術(shù)要點(diǎn)包括了芯片技術(shù)、操作系統(tǒng)、傳感器、人機(jī)交互、上下文感知計(jì)算技術(shù)以及無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)。在可穿戴式計(jì)算機(jī)中，運(yùn)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括了WiFi，IRDA，RFID，ZigBee，UWB，GPS/北斗，藍(lán)牙等不同技術(shù)，根據(jù)工作環(huán)境、使用要求、工作頻率等不同需求，選擇不同的技術(shù)組成可穿戴式設(shè)備，使該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。文章對(duì)可穿戴式計(jì)算機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：可穿戴式計(jì)算機(jī)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；技術(shù)要點(diǎn)

可穿戴技術(shù)是一種新型智能技術(shù)，廣泛運(yùn)用于很多智能設(shè)備中，它為配件與服裝提供了計(jì)算能力與感知能力，能夠在連接計(jì)算機(jī)、多媒體、無(wú)線傳播、傳感器等技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)可穿戴智能裝備，穿戴到人身上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。而人們要真正運(yùn)用可穿戴計(jì)算機(jī)技術(shù)為人類信息活動(dòng)提供方便，必須解決一些技術(shù)要點(diǎn)問(wèn)題。

1 可穿戴式計(jì)算機(jī)

可穿戴式計(jì)算機(jī)具有移動(dòng)性、持續(xù)工作性、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信、低功耗、解放雙手、與使用者融為一體、傳感技術(shù)、多樣性等特點(diǎn)[1]?？纱┐饔?jì)算機(jī)是以人機(jī)合一為主要設(shè)計(jì)理念的一種個(gè)人移動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，有機(jī)結(jié)合了芯片、操作系統(tǒng)、傳感器、顯示技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)以及電池等各種技術(shù)，便于穿戴，用戶訪問(wèn)更便利，在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、教育、科研等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

2 可穿戴式計(jì)算機(jī)的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 芯片

可穿戴式計(jì)算機(jī)采取芯片作為計(jì)算中心是其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，將調(diào)度中心、計(jì)算中心集中到一個(gè)體積小、功耗低且質(zhì)量輕的芯片中，完成所需業(yè)務(wù)的調(diào)度與計(jì)算，包括處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器以及控制電路等部分[2]。在集中處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，可以在中央處理器外配置協(xié)處理器，為中央處理器分擔(dān)計(jì)算壓力。芯片的選擇需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求、工作頻率、成本進(jìn)行合理的選擇?？纱┐魇接?jì)算機(jī)的發(fā)展對(duì)芯片提出了更高的技術(shù)要求，低功耗、高集成度是主要要求，因此，芯片技術(shù)也有不同發(fā)展方向：通過(guò)刪除非必要功能制造新架構(gòu)以降低功耗[3]；通過(guò)設(shè)計(jì)、后期封裝與制造提升芯片集成度；通過(guò)專設(shè)的低功耗處理器對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景中的傳感信息進(jìn)行處理等技術(shù)。

2.2 操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是可穿戴式計(jì)算機(jī)技術(shù)的主要技術(shù)之一，可穿戴計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間受到較大限制，操作系統(tǒng)需要有較高的專用度與實(shí)時(shí)性，通過(guò)實(shí)時(shí)技術(shù)、微內(nèi)核技術(shù)組成的嵌入式操作系統(tǒng)，能夠?yàn)榭纱┐魇接?jì)算機(jī)提供強(qiáng)大的多外設(shè)處理能力。

2.3 無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)

無(wú)線自組網(wǎng)即基于一組具有無(wú)線收發(fā)功能的移動(dòng)主機(jī)所組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是不需要確定基礎(chǔ)設(shè)施、不需要集中控制技術(shù)所支持的臨時(shí)性的自治網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線自組網(wǎng)能夠在任意時(shí)間，經(jīng)無(wú)線信道將各節(jié)點(diǎn)連接為一個(gè)任意形式網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些節(jié)點(diǎn)是通信終端與路由器的結(jié)合，因此被稱為自組織網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)都可通過(guò)任意方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連接，并且進(jìn)行自動(dòng)重組，有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2.4 上下文感知計(jì)算技術(shù)

上下文感知計(jì)算技術(shù)是可穿戴計(jì)算機(jī)與生俱來(lái)的技術(shù)，可穿戴式計(jì)算機(jī)通過(guò)各類傳感器、信息系統(tǒng)、配置設(shè)定獲取上下文，將傳感器技術(shù)與分類識(shí)別算法技術(shù)相結(jié)合，就構(gòu)成了上下文感知計(jì)算系統(tǒng)。

2.5 傳感器技術(shù)

傳感器是可穿戴式計(jì)算機(jī)獲取上下文信息的硬件系統(tǒng)，是一種小體積、小功耗、低質(zhì)量、高可靠性、易集成和高穩(wěn)定性的傳感器，主要分為運(yùn)動(dòng)感知、環(huán)境感知、生物感知三大類。運(yùn)動(dòng)感知類主要感知用戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及睡眠狀態(tài)；環(huán)境感知類主要用于監(jiān)測(cè)所需要的環(huán)境參數(shù)，為用戶出行及種類生產(chǎn)生活活動(dòng)提供指導(dǎo)；生物感知主要用于感知種類生理參數(shù)。多傳感器數(shù)據(jù)融合是當(dāng)前可穿戴式計(jì)算機(jī)的必然發(fā)展趨勢(shì)。這種技術(shù)主要是由多個(gè)傳感器甚至多類傳感器信息處理系統(tǒng)針對(duì)特定問(wèn)題作出信息處理的技術(shù)，是按照時(shí)序?qū)λ@取的各個(gè)傳感器上下文信息，運(yùn)用一定規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)化分析及優(yōu)化綜合，以作出特定決策和完成任務(wù)而采取的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

2.6 人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互技術(shù)能夠使可穿戴式計(jì)算機(jī)和用戶之間進(jìn)行便捷的通訊，是一種無(wú)形的交互，能夠讓用戶隨時(shí)隨地隨意獲取信息。可穿戴式計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互技術(shù)是以減少雙手占用時(shí)間，提升控制靈活度，達(dá)到人機(jī)合一為目的的。因此，人機(jī)交互技術(shù)的研發(fā)始終是可穿戴式計(jì)算機(jī)的技術(shù)要點(diǎn)。從當(dāng)前已經(jīng)市場(chǎng)化的可穿戴式計(jì)算機(jī)人機(jī)交互技術(shù)來(lái)看，主要包括：身體數(shù)據(jù)感知、肢體動(dòng)作探測(cè)、眼動(dòng)追蹤、實(shí)物交互、語(yǔ)音輸入、肌肉生物電、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等輸入方式；聲音、顯示屏、頭戴式投影、環(huán)境投影、內(nèi)置燈泡、振動(dòng)和溫度等肢體感知信號(hào)、其他平臺(tái)界面顯示等信息輸出方式。

3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

可穿戴式技術(shù)機(jī)要實(shí)現(xiàn)無(wú)線短距離信息傳輸需要通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將用戶、計(jì)算機(jī)、其他移動(dòng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接起來(lái)。這類技術(shù)主要包括WiFi，IRDA，RFID，ZigBee，UWB，GPS/北斗，藍(lán)牙等。

3.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)由于其成本低、功耗低、輻射低、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、組網(wǎng)靈活等方式，是短距離無(wú)線通信技術(shù)的主要技術(shù)。藍(lán)牙用戶在進(jìn)入新地點(diǎn)后，其藍(lán)牙設(shè)備就能對(duì)周?chē){(lán)牙設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)查找，并實(shí)現(xiàn)通信，同時(shí)主動(dòng)獲取附近的各類服務(wù)。藍(lán)牙是由微微網(wǎng)作為一個(gè)單位，由兩個(gè)以上擁有同一個(gè)頻道的藍(lán)牙單元設(shè)備裝置組成一個(gè)微微網(wǎng)，由一個(gè)藍(lán)牙單元作為主單元，其余單元?jiǎng)t作為從單元，每一個(gè)微微網(wǎng)可以擁有8個(gè)左右的藍(lán)牙單元。藍(lán)牙設(shè)備之間處于平等地位，任何一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備要和其他用戶進(jìn)行無(wú)線通信，都能夠發(fā)起呼叫連接，通信結(jié)束后，呼叫連接就會(huì)解散，具有很高的靈活性。

3.2 WiFi技術(shù)

WiFi技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高速率傳輸，并且有很好的移動(dòng)性，通過(guò)無(wú)線信號(hào)，可穿戴式計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行各種多媒體信息傳輸，傳輸范圍超過(guò)100 m以上，同時(shí)能夠?qū)⒂脩艉途W(wǎng)絡(luò)相連接，用戶可以接收到無(wú)線上網(wǎng)服務(wù)。endprint

3.3 IRDA技術(shù)

紅外數(shù)據(jù)協(xié)議（Infrared Data Association，IRDA）能夠使移動(dòng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)進(jìn)行快捷的無(wú)線通信，擁有紅外接口的其他設(shè)備，也能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。紅外技術(shù)需要對(duì)接才能進(jìn)行無(wú)線通信，安全性較高，但傳輸距離很短，也只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，需要通信設(shè)備之間不能有障礙，也很難實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，因此，紅外技術(shù)在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用范圍很狹窄。

3.4 RFID技術(shù)

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能夠在不接觸目標(biāo)的前提下同時(shí)識(shí)別多目標(biāo)，具有讀寫(xiě)速度快、存儲(chǔ)空間大、工作距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穿透性好、外形多樣化、組網(wǎng)靈活、成本低、安全性高等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)標(biāo)簽等應(yīng)答器、讀寫(xiě)器及應(yīng)用系統(tǒng)組成一個(gè)RFID系統(tǒng)，通過(guò)空間視頻信號(hào)進(jìn)行雙向無(wú)線信息傳輸?？纱┐饔?jì)算機(jī)運(yùn)用RFID標(biāo)簽作為無(wú)線通信模式，利用RFID讀寫(xiě)器為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，就能夠自由組建一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行互補(bǔ)。由于RFID標(biāo)簽是由天線與芯片組成，在可穿戴條件下，天線會(huì)出現(xiàn)彎曲形跡，從而影響其功能，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)天線技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠適用于可穿戴式計(jì)算機(jī)的無(wú)線通信模塊構(gòu)造。

3.5 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的短距離、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)成本低、通信距離近、功耗低、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大、自組織強(qiáng)，在自動(dòng)控制等領(lǐng)域有很強(qiáng)的適用性。但由于ZigBee技術(shù)通信范圍較為狹窄、功率較低，因此，更適用于數(shù)據(jù)流量較小的通信業(yè)務(wù)，可以用于遙測(cè)遙控、醫(yī)療護(hù)理、工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

3.6 UWB技術(shù)

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)是基于MB-OFDM協(xié)議發(fā)展而來(lái)，其通信機(jī)制是一種超幀結(jié)構(gòu)，根據(jù)這一協(xié)議，UWB網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)都是平等的，不存在協(xié)調(diào)控制功能的節(jié)點(diǎn)，是一個(gè)完全的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各節(jié)點(diǎn)也不配置中心協(xié)調(diào)器，因此，要實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的信息交互，就需要先進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過(guò)各節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行一種信標(biāo)幀廣播完成協(xié)調(diào)。這種技術(shù)是一種高速率、短距離無(wú)線通信方式，其工作頻率為非工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（Industrial Scientific Medical，ISM）公共頻段，有很寬的傳輸寬帶，抗干擾能力極強(qiáng)，并且能夠滿足高速傳輸需求。

3.7 GPS/北斗

GPS/北斗是可穿戴式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品發(fā)展需求的反映，隨著可穿戴式計(jì)算機(jī)功能的發(fā)展，定位成為人們?nèi)粘Ｐ枨笾?。在可穿戴式?jì)算機(jī)中添加GPS/北斗傳感器，增加其定位功能，由時(shí)鐘信號(hào)或者串口線連接可穿戴計(jì)算機(jī)，就能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線串行通信。

4 結(jié)語(yǔ)

可穿戴式計(jì)算機(jī)為當(dāng)前市場(chǎng)提供了豐富多樣的可穿戴設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等提供了極大的便利。圍繞可穿戴式計(jì)算機(jī)及其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的各項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)也在不斷發(fā)展，使可穿戴式計(jì)算機(jī)具備了更為豐富的功能、更靈活的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及更可靠的服務(wù)，使其市場(chǎng)前景更為廣闊。

[參考文獻(xiàn)]

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