可穿戴計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的應(yīng)用研究

李東波

（武漢市紅十字會(huì)醫(yī)院，湖北武漢，430015）

1 可穿戴計(jì)算機(jī)定義和相關(guān)概述

可穿戴計(jì)算機(jī)指的是能夠穿戴在身上進(jìn)行戶外活動(dòng)的微型設(shè)備?？纱┐饔?jì)算機(jī)組成部分極為輕巧，可借助手表類的微小電子零件設(shè)計(jì)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)易攜帶。現(xiàn)階段已經(jīng)對(duì)衣服和電腦結(jié)合加以設(shè)計(jì)，該技術(shù)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)應(yīng)用至通用或者特殊目的的媒體發(fā)展和信息技術(shù)中。穿戴式計(jì)算機(jī)對(duì)于除了硬件編碼邏輯需要更復(fù)雜計(jì)算支持的應(yīng)用非常有用[1]

1.1 可穿戴計(jì)算機(jī)操作模式

可穿戴計(jì)算機(jī)新型人機(jī)交互包括三種操作形式。首先持續(xù)性。該類型的可穿戴計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期處于工作、可存取、待用狀態(tài)，為人機(jī)交互提供了持續(xù)界面。基于此，對(duì)于該計(jì)算框架的設(shè)計(jì)和PDA、便攜式電腦、手持裝置存在較大的差異，該性能實(shí)現(xiàn)新型人機(jī)協(xié)同。其次，增強(qiáng)性。在以往的計(jì)算模式設(shè)計(jì)中主要是對(duì)“計(jì)算”為主要任務(wù)，而對(duì)于可穿戴計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)則不是單一的以“計(jì)算”為主，是實(shí)現(xiàn)“計(jì)算”同時(shí)用戶可以參與其他事情[2]。

1.2 可穿戴計(jì)算機(jī)屬性

可穿戴計(jì)算機(jī)屬性包括非獨(dú)占性、非限制性、客觀性、可控性、感知性、交流性。首先，非獨(dú)占性。可穿戴計(jì)算機(jī)與其他虛擬技術(shù)不同，其不需要將外部世界阻斷，對(duì)于可穿戴計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)在建立在“計(jì)算”處于第二行為的思想上。事實(shí)中，可穿戴計(jì)算機(jī)能夠強(qiáng)化感知能力，同時(shí)也能夠介入對(duì)感知能力加以調(diào)整、削弱。第二，非限制性。第三，可觀性。第四，可控性。第五，感知性，可穿戴計(jì)算機(jī)具備對(duì)周圍環(huán)境的感知能力，多感知、多模態(tài)[3]。第六，交流性，用戶之間可以通過(guò)可穿戴計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流。

2 可穿戴計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

可穿戴計(jì)算機(jī)屬性包括非獨(dú)占性、非限制性、客觀性、可控性、感知性、交流性。首先，非獨(dú)占性?？纱┐饔?jì)算機(jī)與其他虛擬技術(shù)不同，其不需要將外部世界阻斷，對(duì)于可穿戴計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)在建立在“計(jì)算”處于第二行為的思想上。事實(shí)中，可穿戴計(jì)算機(jī)能夠強(qiáng)化感知能力，同時(shí)也能夠介入對(duì)感知能力加以調(diào)整、削弱。第二，非限制性。第三，可觀性。第四，可控性。第五，感知性，可穿戴計(jì)算機(jī)具備對(duì)周圍環(huán)境的感知能力，多感知、多模態(tài)[3]。第六，交流性，用戶之間可以通過(guò)可穿戴計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流。

3 可穿戴計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題

3.1 COTS部件問(wèn)題

現(xiàn)階段，在可穿戴計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的COTS部件并不屬于專用部件，只是為工控系統(tǒng)、潛入系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的。因此，就可穿戴計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，COTS部件的應(yīng)用存在體積、結(jié)構(gòu)、功耗、功能等方面的問(wèn)題。前文提到，可穿戴計(jì)算機(jī)是一種小型、便攜式的智能系統(tǒng)，而COTS部件的應(yīng)用導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法用于穿戴，同時(shí)增加了數(shù)據(jù)采集口、串行口等不需要的功能，相關(guān)功能無(wú)法隨意地增加或者裁減，造成能夠用在可穿戴計(jì)算機(jī)器件的選擇范圍小，在設(shè)計(jì)中無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)方案加以靈活調(diào)整，因此，在可穿戴計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中COTS并不是最佳選擇。

3.2 人機(jī)交互問(wèn)題

可穿戴計(jì)算機(jī)主要由電源、主機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、頭戴顯示器組成。使用中，各個(gè)設(shè)備部件均穿戴在用戶的身上。用戶對(duì)于可穿戴計(jì)算機(jī)操作、控制是通過(guò)輸入設(shè)備進(jìn)行，通過(guò)輸出設(shè)備顯示相關(guān)信息。當(dāng)前階段，該類型的人機(jī)交互應(yīng)用方式逐漸普遍，但并不夠友好，存在操作控制不靈活、輸入速度較慢等問(wèn)題，而輸出設(shè)備存在抖動(dòng)、視角小等問(wèn)題，同時(shí)長(zhǎng)期的使用將導(dǎo)致用戶產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。

4 可穿戴計(jì)算機(jī)硬件組成

當(dāng)前，因?yàn)榭纱┐饔?jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)與研制仍然處在探索階段，設(shè)備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)多是通過(guò)把設(shè)備微型化，和可穿戴技術(shù)結(jié)合，該類型可穿戴計(jì)算機(jī)雖然有效縮減了用戶和設(shè)備之間的距離，但是協(xié)同構(gòu)想以及最佳結(jié)合還需要進(jìn)行極大地改善，但也使可穿戴計(jì)算機(jī)擁有一定的功能與屬性。在日常生活中，設(shè)備維護(hù)、地質(zhì)勘探、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域均具有十分廣闊的發(fā)展前景?？纱┐饔?jì)算機(jī)主要由主機(jī)、頭戴顯示、通信、輸入輸出、電源以及支撐等子系統(tǒng)組成。典型可穿戴計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 典型可穿戴計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖

在可穿戴計(jì)算機(jī)中主機(jī)系統(tǒng)屬于核心部分，為微小型的計(jì)算機(jī)，其功耗、重量、體積、抗震性能、可穿戴性等特征是對(duì)主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮因素，其性能取決于同時(shí)期計(jì)算機(jī)相關(guān)產(chǎn)品的性能與應(yīng)用目的。例如，在1980研制的可穿戴計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)為Apple Ⅱ處理器，2001年所研制的可穿戴計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)則為于500 MHz移動(dòng)賽揚(yáng)1.1V低功耗處理器。其次，頭戴顯示系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)可穿戴計(jì)算機(jī)人機(jī)協(xié)作重要部分，當(dāng)前階段應(yīng)用較為廣泛的交互裝置按照采用結(jié)構(gòu)不同，包括頭佩式、頭戴式、頭盔式，按照工作形式包括透視、非透視。當(dāng)可穿戴計(jì)算機(jī)移動(dòng)工作，借助通信系統(tǒng)和本身所處計(jì)算環(huán)境交互信息，相比于有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更加符合可穿戴計(jì)算機(jī)需求，目前較為常用的連接方式包括藍(lán)牙、Home RF、IEEE802.11。輸入系統(tǒng)是按照實(shí)際應(yīng)用需求，降低用戶雙手操作可穿戴計(jì)算機(jī)幾率進(jìn)行設(shè)計(jì)研制。用戶使用中解放雙手，可通過(guò)姿勢(shì)控制、語(yǔ)音就控制等方式進(jìn)行控制，但是因?yàn)檠兄拼嬖谝欢ǖ南拗?，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用仍不成熟。當(dāng)前主要通過(guò)數(shù)據(jù)手套、虛擬鍵盤(pán)、柔性鍵盤(pán)、前臂鍵盤(pán)等[5]。

在可穿戴計(jì)算機(jī)使用中工作時(shí)間長(zhǎng)短是評(píng)價(jià)其性能重要指標(biāo)，提升工作時(shí)間主要途徑為減少系統(tǒng)功耗或者增加電源系統(tǒng)性能和容量。支撐系統(tǒng)用于提供物理支撐，例如腰帶、背心、馬甲、口袋。可穿戴計(jì)算機(jī)并不是將電子設(shè)備簡(jiǎn)單地穿戴在用戶身上，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要按照人機(jī)工學(xué)理論確保設(shè)計(jì)形式的科學(xué)性、合理性，保證可穿戴計(jì)算機(jī)始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，提升用戶穿戴舒適性。

5 可穿戴計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)可穿戴計(jì)算機(jī)各子系統(tǒng)構(gòu)成形式進(jìn)行分類。前文提到，現(xiàn)階段可穿戴計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)主要為集中式和分布式。相比于傳統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)，集中式大幅度減少主機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量和體積。

5.1 集中式可穿戴計(jì)算機(jī)

該形式可穿戴計(jì)算機(jī)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ)，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)和穿戴技術(shù)相互結(jié)合產(chǎn)物，在實(shí)際使用時(shí)表現(xiàn)出計(jì)算機(jī)相關(guān)成熟技術(shù)。在上世紀(jì)的80年代，第一臺(tái)用于圖像采集的可穿戴計(jì)算機(jī)便是將Apple Ⅱ處理器和其余設(shè)備設(shè)置在用戶各個(gè)部位實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的。在可穿戴計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)中，該形式為主要研究形式。因?yàn)榭纱┐饔?jì)算機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間的穿戴，所以對(duì)于重量、體積的要求更高。滿足基本功能的同時(shí)盡量縮減整機(jī)的質(zhì)量和體積，是主要解決問(wèn)題。因?yàn)榧性O(shè)計(jì)形式是把PC系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用至可穿戴計(jì)算機(jī)中，增加計(jì)算機(jī)總線、結(jié)構(gòu)、接口數(shù)量，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，主機(jī)重量、體積增加。目前，歐美市場(chǎng)中MAV屬于較為成熟的可穿戴計(jì)算機(jī)，相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品，其重量、體積均有所改善，重量500g，體積50mm*90mm*150mm，但是長(zhǎng)時(shí)間穿戴仍將對(duì)用戶的生活產(chǎn)生一定的影響。MAV能夠支持多種接口與外部總線，但作為可穿戴計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)對(duì)總線結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，對(duì)系統(tǒng)接口加以簡(jiǎn)化[6]。當(dāng)前，較為現(xiàn)實(shí)的研究方式為即對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的高速設(shè)備顯示控制器和外部存儲(chǔ)器，依然選擇傳統(tǒng)連接方式，借助PCI并行總線。外部設(shè)備則選擇USB總線進(jìn)行連接。使用內(nèi)部控制器將CPU和內(nèi)存連接，借助PCI控制器將PCI總線進(jìn)行連接。IDE、圖形等控制器則掛接于PCI總線。其他外部設(shè)備借助USB總線和系統(tǒng)連接，USB總線借助PCI-USB橋掛和PCI總線連接，如圖2所示。

圖2 集中式可穿戴計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)示意圖

在系統(tǒng)中只設(shè)置PCI、USB總線，對(duì)總線結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，能夠有效減小系統(tǒng)重量和體積。USB能夠提供自動(dòng)識(shí)別、熱插拔等設(shè)備，用戶能夠隨時(shí)調(diào)整外部設(shè)備，提升系統(tǒng)配置靈活性。

5.2 分布式可穿戴計(jì)算機(jī)

現(xiàn)階段，隨著微電子技術(shù)、集中技術(shù)發(fā)展，有效縮減集中形式可穿戴計(jì)算機(jī)的重量和體積，但是因?yàn)橄嚓P(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)仍然存在部分問(wèn)題，用戶長(zhǎng)時(shí)間穿戴后仍然存在不適感。相比于集中式，分布式能夠在一定程度上緩解重量和體積制約。把整機(jī)按照功能模塊分離，縮減各個(gè)器件重量與體積，對(duì)各個(gè)器件的位置加以合理的設(shè)計(jì)。另外，因?yàn)橥ㄟ^(guò)功能模塊實(shí)現(xiàn)整機(jī)的有效應(yīng)用，因此，模塊的重量、體積較小，能夠?qū)⒛K藏在衣物或者飾品中，該類型可穿戴計(jì)算機(jī)款式多樣，舒適性、柔韌性良好，不會(huì)對(duì)用戶的正常行動(dòng)產(chǎn)生影響。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者有線網(wǎng)絡(luò)把模塊連接，形成身體網(wǎng)絡(luò)，用戶能夠按照使用場(chǎng)合、目的，選配不同模塊，靈活性較強(qiáng)。在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用能夠更大程度減輕患者的身體負(fù)擔(dān)。

6 可穿戴計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)關(guān)系

不論何種用途的可穿戴計(jì)算機(jī)，其自身特點(diǎn)都決定著其體積需要小巧，功耗較低，從而實(shí)現(xiàn)方便攜帶，滿足用戶的使用需求以為工作時(shí)間要求。所以對(duì)于可穿戴計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)通常選擇高集成度、強(qiáng)性能、低功耗的COTS器件。當(dāng)前階段，可穿戴計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)較為薄弱，為便于研究，一般情況下計(jì)算機(jī)選擇安裝Windows 系統(tǒng)或者Linux系統(tǒng)，確保可穿戴計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件與功能豐富性。同時(shí)，為確保操作系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可穿戴計(jì)算機(jī)選擇CISC X86結(jié)構(gòu)CPU 。但是，即使當(dāng)前可穿戴計(jì)算機(jī)多選擇使用功耗較低CISC器件，但是整體功耗依然難以滿足相關(guān)要求，所使用的操作系統(tǒng)以及CPU 導(dǎo)致可穿戴計(jì)算機(jī)的功耗較高。所以，為有效降低功耗，同時(shí)有效提高工作時(shí)間，需要就上述兩點(diǎn)問(wèn)題加強(qiáng)研究，研發(fā)適用于可穿戴計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)與CPU 。RISC結(jié)構(gòu)CPU 以及嵌入式系統(tǒng)更加滿足了穿戴計(jì)算機(jī)低功耗需求。

對(duì)于嵌入式硬件的設(shè)計(jì)，主要包括存儲(chǔ)器、控制器、處理器、I/O接口以及電源管理模塊?？刂破?、處理器屬于系統(tǒng)核心器件，系統(tǒng)通常是以控制器、處理器為核心研發(fā)?？刂破鳌⑻幚砥骶邆湟韵绿攸c(diǎn)。第一，需要具備較強(qiáng)實(shí)時(shí)多功能支持能力。第二，具備較強(qiáng)存儲(chǔ)保護(hù)功能。因?yàn)橄到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模塊化，為防止軟件模塊間發(fā)生交叉作用，應(yīng)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)保護(hù)功能，對(duì)用作軟件診斷。第三，可擴(kuò)展性處理器，便于用較快速度開(kāi)發(fā)不同應(yīng)用系統(tǒng)。第四，超低功耗。系統(tǒng)，特別是由電池進(jìn)行供電的移動(dòng)、無(wú)線通信設(shè)備功耗較高，相比于CISC，RISC的功耗較低，并且處理器內(nèi)，相比于一般處理器，手持設(shè)備的功耗較低。

另外，對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)。軟件包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件。其中系統(tǒng)軟件主要運(yùn)行在硬件平臺(tái)上的系統(tǒng)。應(yīng)用軟件應(yīng)用在操作系統(tǒng)下。通俗的講，系統(tǒng)軟件為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。應(yīng)用程序與運(yùn)行在PC端應(yīng)用程序較為相似，最大區(qū)別為支持平臺(tái)不同。

7 總結(jié)

可穿戴計(jì)算機(jī)能夠?yàn)槭褂谜咛峁┎皇芸臻g和時(shí)間限制的服務(wù)，分布式的可穿戴計(jì)算機(jī)將用戶的穿戴物作為系統(tǒng)支撐，打破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的原有形態(tài)。當(dāng)前階段，部分機(jī)構(gòu)與大學(xué)將分布式可穿戴計(jì)算機(jī)編織在衣物中，將整機(jī)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，合理地設(shè)置在用戶身體的各個(gè)部位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效應(yīng)用。相關(guān)機(jī)構(gòu)加強(qiáng)研究，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的隨時(shí)應(yīng)用。