智能可穿戴設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計研究

摘? 要：可穿戴設(shè)備是一種新型的智能設(shè)備，它可被人們放進(jìn)衣服里面，也可以穿戴于人體。事實上，不同時期的可穿戴設(shè)備會有不同的定義。隨時隨地可以穿戴于人體上的設(shè)備可成為更加貼近自然的互聯(lián)網(wǎng)入口。從技術(shù)上突破可穿戴設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計了可以幫助人們解決生活中的實際問題，提高人們的生活質(zhì)量和生活情趣。

關(guān)鍵詞：可穿戴設(shè)備;開發(fā)設(shè)計;智能化

中圖分類號：TP368.3;TN876? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）23-0044-02

Research on the Development and Design of Intelligent Wearable Devices

CHEN Yangjian

（Fujian Landi Commercial Equipment Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou? 350003，China）

Abstract：Wearable device is a new type of intelligent device，which can be put into clothes or put on human body. In fact，wearable devices in different periods have different definitions. Devices that can be worn on the human body anytime and anywhere can become more natural internet access. The development and design of wearable devices can help people to solve the practical problems in life and improve the quality and interest of life.

Keywords：wearable devices;development and design;intellectualization

0? 引? 言

可穿戴產(chǎn)品可被穿戴人體的各個部位，產(chǎn)品類型也變得越來越豐富。其中最為常見的有手環(huán)和手表、眼鏡及飾品等。目前，又出現(xiàn)了LED外套等各種可穿戴于身上的電子織物，未來可能會將可穿戴產(chǎn)品發(fā)展成為嵌入皮膚的電路紋身，甚至于隱形眼鏡也可成為可穿戴設(shè)備。隨著科技水平的不斷提高，未來可穿戴產(chǎn)品會逐漸擁有較為理想的效果。

1? 可穿戴設(shè)備的發(fā)展

20世紀(jì)70～80年代。1975年12月，第一款計算機(jī)手表被推出，當(dāng)時這款智能化計算機(jī)受到公眾市場的歡迎。1981年，史蒂夫·曼恩給帶有鋼架的背包安裝了計算機(jī)，也就是做了一件可穿戴設(shè)備，這款設(shè)備可以很方便地控制攝影設(shè)備。其中的取景器是事先安裝在頭盔上的。這也為之后的可穿戴設(shè)備的設(shè)計提供了扎實的基礎(chǔ)。讓智能手環(huán)、頭扎式攝像機(jī)器、智能運(yùn)動手表等可穿戴設(shè)備變?yōu)榭赡?。另外，由于這幾款可穿戴設(shè)備的研發(fā)，讓人們對可穿戴設(shè)備有了更進(jìn)一步的了解，這點是很關(guān)鍵的。

20世紀(jì)末～21世紀(jì)。在背負(fù)式計算機(jī)發(fā)明的13年后的1994年，史蒂夫·曼恩又打造了首款可穿戴無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭，并且可以不斷地上傳圖片。此時可穿戴設(shè)備才真正進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時代。2000年首款藍(lán)牙耳機(jī)誕生，便捷的使用使其一直流傳至今。從2015年開始，我國越來越多的人選擇適合自己的可穿戴設(shè)備。從市場成熟度和規(guī)模上來看，智能手環(huán)類仍屬于主流產(chǎn)品形態(tài)，比如在整個行業(yè)中小米手環(huán)是主要代表，以及華米所推出的具有行業(yè)開創(chuàng)性的米動健康手環(huán)等產(chǎn)品是目前市場比較受歡迎的。再比如能夠支持多種便攜式醫(yī)療和可穿戴領(lǐng)域高精度計量儀，目前已經(jīng)在國內(nèi)外等一些具有代表性的大客戶中得到里程碑式發(fā)展，這種芯片能夠融合接入包括光電、運(yùn)動、生理阻抗測量和多種模擬數(shù)字信號輸出的傳感器，真正實現(xiàn)多傳感器的有效融合。

2? 可穿戴設(shè)備的開發(fā)

2.1? 遵循的法規(guī)

如果可穿戴設(shè)備是直接內(nèi)置無線芯片，可以直接連接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品，就應(yīng)符合工業(yè)和信息化部制定的《電信設(shè)備進(jìn)網(wǎng)管理辦法》，必須為產(chǎn)品申請進(jìn)網(wǎng)許可證。如果可穿戴設(shè)備需要采集用戶信息，例如搜集用戶的位置信息、外出就餐習(xí)慣等，從而利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行商業(yè)開發(fā)的話，那么對應(yīng)的《全國人民代表大會常務(wù)委員會關(guān)于加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信息保護(hù)的決定》《最高人民法院關(guān)于審理利用信息網(wǎng)絡(luò)侵害人身權(quán)益民事糾紛案件適用法律若干問題的規(guī)定》、工信部頒布的《電信和互聯(lián)網(wǎng)用戶個人信息保護(hù)規(guī)定》，以及國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會頒布的《信息安全技術(shù)公共及商用服務(wù)信息系統(tǒng)個人信息保護(hù)指南》等，則是研發(fā)者需要在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)考慮的重要規(guī)范。更為熱門的采集用戶健康信息，最終用于醫(yī)療目的的可穿戴產(chǎn)品研發(fā)，除了上述規(guī)則之外，更需要考慮到它可能會被歸于“醫(yī)療器械”范疇，有著所有民用產(chǎn)品中最為嚴(yán)格和最為漫長的醫(yī)療器械審批制度。

2.2? 市場技術(shù)熱點

硬件技術(shù)與移動設(shè)備上的軟件，在智能手機(jī)的推動下得到了長足的發(fā)展?？纱┐髟O(shè)備產(chǎn)品的硬件與軟件設(shè)計方面都借鑒了智能手機(jī)的長處?？纱┐髟O(shè)備的上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)涉及傳感器、存儲器、電池、觸控模組、語音交互技術(shù)、體感相關(guān)產(chǎn)品等諸多環(huán)節(jié)。可穿戴產(chǎn)品的需求大量存在，只是技術(shù)/產(chǎn)業(yè)鏈還沒能同時解決三大公共難題而引爆市場：功能、功耗、工業(yè)設(shè)計。而其中，最影響使用體驗的莫過于功耗問題。

無線充電和太陽能供電這類充電方式在便捷性和效率方面存在比較多的漏洞。以無線充電為例，目前還很難做到遠(yuǎn)距離50cm以上大于50%有效傳輸效率的無線充電，再看無線充電三大標(biāo)準(zhǔn)的競爭格局，（A4WP）和（PMA）雖然已合并，但與（Qi）的競爭與兼容依然是攔路虎。太陽能供電也只能夠使用在某些特殊的應(yīng)用場景中。目前實用化的供電技術(shù)還有待時日，最靠譜且廣為大眾所接受的方式還是需要從降低功耗入手。當(dāng)前的諸多可穿戴設(shè)備開發(fā)平臺和整體解決方案在低功耗方面有幾個共同的思路，如下所述。

2.2.1? 降低連接的功耗

無線連接是最大的功耗殺手之一。要降低無線系統(tǒng)的功耗，我們需要考慮如下幾個因素：

（1）選擇合適的無線系統(tǒng)。使用無線類型取決于幾個因素，其中主要是數(shù)據(jù)速率、功耗、通信范圍和運(yùn)營成本。選擇范圍非常廣泛，從短距離ZigBee、藍(lán)牙和Wi-Fi，到遠(yuǎn)程低功率無線LoRa或窄帶蜂窩解決方案。目前藍(lán)牙依舊是賦予穿戴產(chǎn)品最大希望的傳輸方式，產(chǎn)品通常會采用支持BLE的BT產(chǎn)品，因為可以在極低的功耗下工作;

（2）盡量發(fā)送廣播而不是監(jiān)聽。如果設(shè)備通常處于待機(jī)狀態(tài)，僅低頻度醒來廣播發(fā)射，基本只需考慮其深度睡眠功耗。但如果設(shè)備需要長時間收聽網(wǎng)絡(luò)，那么控制器工作功耗就是功耗的關(guān)鍵因素;

（3）發(fā)射器脈沖。當(dāng)發(fā)射器開啟時，低功率無線電設(shè)備會處于最大功率狀態(tài)。盡可能減少傳輸?shù)臅r間片，比如可以使用壓縮來減少數(shù)據(jù)量，使無線“開啟”的時間縮短;

（4）無線連接的頻次。降低無線連接同步的頻次，會減少功耗，但也會降低連接的實時性;

（5）天線調(diào)諧。天線調(diào)諧可以在不增加系統(tǒng)功率預(yù)算的情況下最大化設(shè)備的能效;

（6）TX功率。不要在不必要的情況下提高輸出功率。例如，如果無線傳輸距離只需10米，就不需要5dB的輸出功率，否則只會浪費電能，并縮短電池使用壽命。

2.2.2? 盡可能在待機(jī)模式下運(yùn)行

實現(xiàn)較長電池壽命的關(guān)鍵是：通過減少沒必要的系統(tǒng)活動讓運(yùn)行時的電流消耗最低。這意味著除關(guān)閉某些功能外，還要在微控制器的睡眠或待機(jī)模式以及電源的省電模式下運(yùn)行。例如，當(dāng)用戶不看他（或她）的手表時，關(guān)掉手表的顯示屏。此外，任何后臺任務(wù)在代碼內(nèi)必須是由中斷驅(qū)動的。這樣，微控制器就能盡量一直在睡眠模式下運(yùn)行，只有當(dāng)中斷命令它時才喚醒。

2.2.3? 使待機(jī)模式下的電流消耗最低

一種關(guān)鍵的技術(shù)驅(qū)動因素是在這些待機(jī)模式下減少汲取的電流。例如：采用極低泄漏的和靜態(tài)電流的器件，以及用負(fù)載開關(guān)來斷開已關(guān)掉的子系統(tǒng)，以免它們從系統(tǒng)泄漏電流。尤其注意電路的一些細(xì)節(jié)，避免額外的電流穿過上下拉電阻，避免口線漏電到外部已關(guān)掉的子系統(tǒng)。

2.2.4? 進(jìn)行電路集成，騰出寶貴的空間給電池

將功耗降到一個合理的水平之后，下一道難題便是空間問題——盡量把一切器件（微控制器、傳感器、電源等）小型化和集成起來，給電池騰出更多的寶貴空間。

2.2.5? 安全地提高電池的能量密度

可穿戴設(shè)備質(zhì)量輕，體積小，而其電池問題是當(dāng)前面臨的主要問題，由于電池體積小，能量密度小，半導(dǎo)體能夠跟上摩爾定律并且每年以200%的速率實現(xiàn)小型化方向發(fā)展，同時在鋰離子二次電池推出后的幾十年來，電池技術(shù)將每單位體積能量密度提升了350%，但仍不到半導(dǎo)體小型化速度的10%。為解決這一問題，最近研究出了能量采集新技術(shù)，能量采集主要涉及采集周圍光源產(chǎn)生的少量環(huán)保能源，將其轉(zhuǎn)為電能，然而該技術(shù)是否能夠為其實現(xiàn)延長可穿戴設(shè)備電池使用壽命，甚至無需使用電池便可進(jìn)行可穿戴設(shè)備運(yùn)行還有待研究。

3? 結(jié)? 論

總之，未來可穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢是更小巧的尺寸、更輕薄貼身，不斷變革交互方式，使用戶的雙手得到更好的解放。隨著硬件性能的提升與軟件工作效率的提高，可穿戴設(shè)備將可以隨時在線、實時連接，而且能夠隨時隨地地收集用戶數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)信息傳遞和交互工作更加實時、簡潔和迅捷，同時，這也正是人們真正體會智能生活的必備條件之一。

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作者簡介：陳揚(yáng)劍（1979-），男，漢族，福建福州人，中級工程師，本科，畢業(yè)于廈門大學(xué)電子工程系，現(xiàn)任產(chǎn)品預(yù)研部經(jīng)理，年產(chǎn)數(shù)百萬的智能POS的主設(shè)計師，研究方向：終端硬件設(shè)計、嵌入式硬件平臺、金融支付產(chǎn)品開發(fā)。