可穿戴計算機硬件技術的應用研究

李東波

（武漢市紅十字會醫院，湖北武漢，430015）

1 可穿戴計算機定義和相關概述

可穿戴計算機指的是能夠穿戴在身上進行戶外活動的微型設備。可穿戴計算機組成部分極為輕巧，可借助手表類的微小電子零件設計生產，實現計算機簡易攜帶。現階段已經對衣服和電腦結合加以設計，該技術的開發已經應用至通用或者特殊目的的媒體發展和信息技術中。穿戴式計算機對于除了硬件編碼邏輯需要更復雜計算支持的應用非常有用[1]

1.1 可穿戴計算機操作模式

可穿戴計算機新型人機交互包括三種操作形式。首先持續性。該類型的可穿戴計算機長期處于工作、可存取、待用狀態，為人機交互提供了持續界面。基于此，對于該計算框架的設計和PDA、便攜式電腦、手持裝置存在較大的差異，該性能實現新型人機協同。其次，增強性。在以往的計算模式設計中主要是對“計算”為主要任務，而對于可穿戴計算機的設計則不是單一的以“計算”為主，是實現“計算”同時用戶可以參與其他事情[2]。

1.2 可穿戴計算機屬性

可穿戴計算機屬性包括非獨占性、非限制性、客觀性、可控性、感知性、交流性。首先，非獨占性。可穿戴計算機與其他虛擬技術不同，其不需要將外部世界阻斷，對于可穿戴計算機的設計在建立在“計算”處于第二行為的思想上。事實中，可穿戴計算機能夠強化感知能力，同時也能夠介入對感知能力加以調整、削弱。第二，非限制性。第三，可觀性。第四，可控性。第五，感知性，可穿戴計算機具備對周圍環境的感知能力，多感知、多模態[3]。第六，交流性，用戶之間可以通過可穿戴計算機進行交流。

2 可穿戴計算機的發展現狀

可穿戴計算機屬性包括非獨占性、非限制性、客觀性、可控性、感知性、交流性。首先，非獨占性。可穿戴計算機與其他虛擬技術不同，其不需要將外部世界阻斷，對于可穿戴計算機的設計在建立在“計算”處于第二行為的思想上。事實中，可穿戴計算機能夠強化感知能力，同時也能夠介入對感知能力加以調整、削弱。第二，非限制性。第三，可觀性。第四，可控性。第五，感知性，可穿戴計算機具備對周圍環境的感知能力，多感知、多模態[3]。第六，交流性，用戶之間可以通過可穿戴計算機進行交流。

3 可穿戴計算機設計存在問題

3.1 COTS部件問題

現階段，在可穿戴計算機設計中所應用的COTS部件并不屬于專用部件，只是為工控系統、潛入系統所設計的。因此，就可穿戴計算機來說，COTS部件的應用存在體積、結構、功耗、功能等方面的問題。前文提到，可穿戴計算機是一種小型、便攜式的智能系統，而COTS部件的應用導致設備無法用于穿戴，同時增加了數據采集口、串行口等不需要的功能，相關功能無法隨意地增加或者裁減，造成能夠用在可穿戴計算機器件的選擇范圍小，在設計中無法對設計方案加以靈活調整，因此，在可穿戴計算機設計中COTS并不是最佳選擇。

3.2 人機交互問題

可穿戴計算機主要由電源、主機、鼠標、鍵盤、頭戴顯示器組成。使用中，各個設備部件均穿戴在用戶的身上。用戶對于可穿戴計算機操作、控制是通過輸入設備進行，通過輸出設備顯示相關信息。當前階段，該類型的人機交互應用方式逐漸普遍，但并不夠友好，存在操作控制不靈活、輸入速度較慢等問題，而輸出設備存在抖動、視角小等問題，同時長期的使用將導致用戶產生視覺疲勞。

4 可穿戴計算機硬件組成

當前，因為可穿戴計算機開發與研制仍然處在探索階段，設備產品的設計多是通過把設備微型化，和可穿戴技術結合，該類型可穿戴計算機雖然有效縮減了用戶和設備之間的距離，但是協同構想以及最佳結合還需要進行極大地改善，但也使可穿戴計算機擁有一定的功能與屬性。在日常生活中，設備維護、地質勘探、醫療、軍事等領域均具有十分廣闊的發展前景。可穿戴計算機主要由主機、頭戴顯示、通信、輸入輸出、電源以及支撐等子系統組成。典型可穿戴計算機的結構圖如圖1所示。

圖1 典型可穿戴計算機結構圖

在可穿戴計算機中主機系統屬于核心部分，為微小型的計算機，其功耗、重量、體積、抗震性能、可穿戴性等特征是對主機系統進行設計時所需考慮因素，其性能取決于同時期計算機相關產品的性能與應用目的。例如，在1980研制的可穿戴計算機主機系統為Apple Ⅱ處理器，2001年所研制的可穿戴計算機主機系統則為于500 MHz移動賽揚1.1V低功耗處理器。其次，頭戴顯示系統是實現可穿戴計算機人機協作重要部分，當前階段應用較為廣泛的交互裝置按照采用結構不同，包括頭佩式、頭戴式、頭盔式，按照工作形式包括透視、非透視。當可穿戴計算機移動工作，借助通信系統和本身所處計算環境交互信息，相比于有線網絡，無線網絡的應用更加符合可穿戴計算機需求，目前較為常用的連接方式包括藍牙、Home RF、IEEE802.11。輸入系統是按照實際應用需求，降低用戶雙手操作可穿戴計算機幾率進行設計研制。用戶使用中解放雙手，可通過姿勢控制、語音就控制等方式進行控制，但是因為研制存在一定的限制，相關技術的應用仍不成熟。當前主要通過數據手套、虛擬鍵盤、柔性鍵盤、前臂鍵盤等[5]。

在可穿戴計算機使用中工作時間長短是評價其性能重要指標，提升工作時間主要途徑為減少系統功耗或者增加電源系統性能和容量。支撐系統用于提供物理支撐，例如腰帶、背心、馬甲、口袋。可穿戴計算機并不是將電子設備簡單地穿戴在用戶身上，在進行設計時需要按照人機工學理論確保設計形式的科學性、合理性，保證可穿戴計算機始終處于良好的運行狀態，提升用戶穿戴舒適性。

5 可穿戴計算機硬件結構

根據可穿戴計算機各子系統構成形式進行分類。前文提到，現階段可穿戴計算機的硬件結構主要為集中式和分布式。相比于傳統主機系統，集中式大幅度減少主機系統質量和體積。

5.1 集中式可穿戴計算機

該形式可穿戴計算機是將計算機技術作為基礎，是將計算機技術和穿戴技術相互結合產物，在實際使用時表現出計算機相關成熟技術。在上世紀的80年代，第一臺用于圖像采集的可穿戴計算機便是將Apple Ⅱ處理器和其余設備設置在用戶各個部位實現應用的。在可穿戴計算機設計研發中，該形式為主要研究形式。因為可穿戴計算機需要長時間的穿戴，所以對于重量、體積的要求更高。滿足基本功能的同時盡量縮減整機的質量和體積，是主要解決問題。因為集中設計形式是把PC系統架構應用至可穿戴計算機中，增加計算機總線、結構、接口數量，系統的設計更加復雜，主機重量、體積增加。目前，歐美市場中MAV屬于較為成熟的可穿戴計算機，相比于傳統產品，其重量、體積均有所改善，重量500g，體積50mm*90mm*150mm，但是長時間穿戴仍將對用戶的生活產生一定的影響。MAV能夠支持多種接口與外部總線，但作為可穿戴計算機產品，應當對總線結構加以簡化，降低系統復雜性，對系統接口加以簡化[6]。當前，較為現實的研究方式為即對系統內部的高速設備顯示控制器和外部存儲器，依然選擇傳統連接方式，借助PCI并行總線。外部設備則選擇USB總線進行連接。使用內部控制器將CPU和內存連接，借助PCI控制器將PCI總線進行連接。IDE、圖形等控制器則掛接于PCI總線。其他外部設備借助USB總線和系統連接，USB總線借助PCI-USB橋掛和PCI總線連接，如圖2所示。

圖2 集中式可穿戴計算機總線結構示意圖

在系統中只設置PCI、USB總線，對總線結構加以簡化，降低系統復雜性，設計結構更加簡單，能夠有效減小系統重量和體積。USB能夠提供自動識別、熱插拔等設備，用戶能夠隨時調整外部設備，提升系統配置靈活性。

5.2 分布式可穿戴計算機

現階段，隨著微電子技術、集中技術發展，有效縮減集中形式可穿戴計算機的重量和體積，但是因為相關產品的設計研發仍然存在部分問題，用戶長時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。把整機按照功能模塊分離，縮減各個器件重量與體積，對各個器件的位置加以合理的設計。另外，因為通過功能模塊實現整機的有效應用，因此，模塊的重量、體積較小，能夠將模塊藏在衣物或者飾品中，該類型可穿戴計算機款式多樣，舒適性、柔韌性良好，不會對用戶的正常行動產生影響。通過無線網絡或者有線網絡把模塊連接，形成身體網絡，用戶能夠按照使用場合、目的，選配不同模塊，靈活性較強。在醫療行業中的應用能夠更大程度減輕患者的身體負擔。

6 可穿戴計算機和嵌入式系統關系

不論何種用途的可穿戴計算機，其自身特點都決定著其體積需要小巧，功耗較低，從而實現方便攜帶，滿足用戶的使用需求以為工作時間要求。所以對于可穿戴計算機硬件平臺的設計通常選擇高集成度、強性能、低功耗的COTS器件。當前階段，可穿戴計算機軟件設計較為薄弱，為便于研究，一般情況下計算機選擇安裝Windows 系統或者Linux系統，確保可穿戴計算機應用軟件與功能豐富性。同時，為確保操作系統穩定運行，可穿戴計算機選擇CISC X86結構CPU 。但是，即使當前可穿戴計算機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要求，所使用的操作系統以及CPU 導致可穿戴計算機的功耗較高。所以，為有效降低功耗，同時有效提高工作時間，需要就上述兩點問題加強研究，研發適用于可穿戴計算機的操作系統與CPU 。RISC結構CPU 以及嵌入式系統更加滿足了穿戴計算機低功耗需求。

對于嵌入式硬件的設計，主要包括存儲器、控制器、處理器、I/O接口以及電源管理模塊。控制器、處理器屬于系統核心器件，系統通常是以控制器、處理器為核心研發。控制器、處理器具備以下特點。第一，需要具備較強實時多功能支持能力。第二，具備較強存儲保護功能。因為系統軟件結構模塊化，為防止軟件模塊間發生交叉作用，應設計存儲保護功能，對用作軟件診斷。第三，可擴展性處理器，便于用較快速度開發不同應用系統。第四，超低功耗。系統，特別是由電池進行供電的移動、無線通信設備功耗較高，相比于CISC，RISC的功耗較低，并且處理器內，相比于一般處理器，手持設備的功耗較低。

另外，對于軟件的設計。軟件包括系統軟件與應用軟件。其中系統軟件主要運行在硬件平臺上的系統。應用軟件應用在操作系統下。通俗的講，系統軟件為操作系統和應用程序。應用程序與運行在PC端應用程序較為相似，最大區別為支持平臺不同。

7 總結

可穿戴計算機能夠為使用者提供不受空間和時間限制的服務，分布式的可穿戴計算機將用戶的穿戴物作為系統支撐，打破傳統計算機的原有形態。當前階段，部分機構與大學將分布式可穿戴計算機編織在衣物中，將整機劃分為多個子系統，合理地設置在用戶身體的各個部位，實現系統的有效應用。相關機構加強研究，實現計算機的隨時應用。