服装用模块化计算机系统设计

蒋 毅，周 宏，陈 晓，祖媛媛

(总后勤部军需装备研究所，北京 100082)

随着信息技术的快速发展，各种便携电子设备和微型计算机系统已不断融入大众日常生活中，发挥着医疗监护[1-2]、设备维修[3]、现场检测[4]等作用，提高了人们处理信息的能力和效率。为描述这种基于信息技术的新型人机协同的个人移动计算系统，Mann提出可穿戴计算机系统(WearComp)概念。在CHI’97的可穿戴计算机大会上将其特征归纳为可在运动状态下使用、非双手操作、与衣物集成、操作者可控制和持续可用等五大特征。针对上述要求，不同的研究者从系统结构、功能应用、组件开发等不同方面进行了大量的实践[5-8]，不断丰富着可穿戴计算机的研究内容。

1 可穿戴计算机关键问题

可穿戴计算机的五大特征从实际应用角度对系统进行了限定，从系统设计与实现的角度其关键问题有：(1)高可靠性。特别是对复杂的自然环境和激烈人体运动的适应能力；(2)高度集成。以服装为载体实现电子设备的隐蔽与保护，实现两者之间的高度融合；(3)多样的人机交互。穿戴计算机应是智能辅助系统，需提供人性化、自然的交互方式，充分利用人的各种感知器官实现信息的多途径传递。

服装用模块化计算机系统针对上述三个主要问题，按照穿戴式计算机的理念，结合电子设备与服装各自的特点，在系统层面统筹考虑计算机与服装的结构和功能，将功能和应用进行分解和模块化处理，再经过一体化集成重构，实现一种高效的人机协同系统。

2 系统结构设计

服装计算机系统结构设计如图1所示。将计算机按功能应用进行模块化、微小型化设计，同时与服装进行联合设计，实现模块的无缝嵌入；为提供友好的人机界面，系统设计有语音、触屏、按键等三种控制方式和视频、音频两种信息输出方式。按方便就近、自然携行的原则，将硬质模块分布于服装的不同位置，便于信息的交互，减少对人体的干扰；通过扁平织物线缆连接各个模块，在实现信息、能量传输的同时对服装进行加固。通过一体化集成设计，提高系统的可靠和集成性能。

图1 服装计算机系统结构图

2.1 计算机结构设计

为满足使用过程中所需运算功能、人机交互功能、信息采集和数据输出的性能，将计算机系统具有的功能按表1进行拆解，实现模块化，同时结合多层高密度电路板设计，以有效减小单个模块的体积和重量。

表1 计算机系统功能划分表

高低速电路模块组成系统的核心运算单元，采用AMD公司低功耗LX800中央处理器及CS5536协处理器，配置有512 MB内存实现高速的数字计算和强大的外部设备的管理能力；接口电路模块通过USBHUB芯片，设计有USB、串口、网口、音频口等多个标准的计算机接口的扩展，用于连接触屏控制器、GPS、蓝牙无线模块、耳机麦克风等功能电路模块，实现系统应用扩展。高低速及接口电路模块间通过柔性电路板进行连接，使模块间有一定的柔性，便于穿戴。

计算机系统实现效果如图2所示，计算机接插件均采用高密度紧凑接插件，以减少接插距离和体积。通过模块化高密度设计将单个模块的体积控制在60 mm×60 mm×9 mm以内，以提高模块穿戴的舒适性，便于模块在服装中的集成。模块间采用柔性电路连接，使系统能很好地适应使用者的身体，增强系统穿戴性能。

2.2 服装结构设计

服装本体由于需要加入大小不一的硬质计算机模块，因此需要考虑模块体积和重量，对服装和计算机模块进行一体化集成设计；由于系统还具有显示器、系统开关、语音控制等人机交互的接口，因此，需根据操作的方便性和舒适性，在服装不同部位放置不同的界面。

三层服装结构如图3所示，用于实现模块的隐形嵌入。内层为弹性的棉纤维针织内衣面料，可以减少对人体皮肤的刺激，还可根据应用需求集成压力、温度传感器对人体生理参数进行监控。中间层为电子设备嵌入层，在腰部缝制有多个口袋，将高低速电路模块、电池模块、接口电路模块放入口袋中以固定相互之间的位置，对连接的柔性线缆进行保护。计算机系统与GPS、耳机麦克风、蓝牙、显示器等功能模块间的连接电缆也布置于中间层，采用缝合的方式将其固定。服装外层采用具有阻燃、防水等防护功能的服装面料，形成功能服装的造型，对电子设备进行防水保护。在腕部设计了显示器安装袋，留有显示屏幕开口。衣领部位安装有麦克风和耳机，用于音频信息的交互。

图2 模块化计算机实物图

图3 三层服装结构图

3 功能设计与实现

3.1 微型计算机模块设计

采用高密度紧凑设计以提高计算机模块的高集成性。PCB尺寸为60 mm×60 mm，PCB模块布局空间已被功能器件几乎100%的使用，因此采用高频低阻抗超薄PCB材料，其具有较低高频连接阻抗，使系统高速运行时能稳定工作。采用小体积封装器件紧密排布，电路板正面限高2 mm，背面限高3 mm，以实现较小的模块厚度。

模块的外壳采用高强度铝合金材料制作，并通过热处理强化，实现高强度轻质量的壳体保护，确保在人体剧烈运动条件下正常工作，同时具有很好的散热性能。壳体外表面经导电氧化处理，具有很强的EMC防电磁辐射与抗干扰能力。壳体的接缝处采用导电橡胶密封圈进行密封处理，具有较强的防水防尘能力。

3.2 织物连接线缆设计

采用编织技术设计窄幅织物线缆如图4所示，将导线与织物混合编织成带状，便于采用缝合的方式与服装进行一体化集成，使线缆上受到的力均传递到服装本体，减少模块接口处接插件受力，以保证连接的稳固可靠，提高运动条件下系统稳定运行的能力。

图4 窄幅编织线缆图

本系统通过计算机模块功能切割、微小型化模块设计和织物线缆连接，充分利用服装和电子模块各自的特性，在人体表面搭建了一个服装信息平台，为特种人员提供了数据交换和信息处理的功能。系统具有标准的USB、串口、网络、蓝牙无线接口，可方便连接丰富的功能模块，实现广泛的终端应用功能。对硬件结构的改进设计将极大提升穿戴计算机的使用体验。如何结合软件优化设计，提供更多的智能辅助决策功能将是服装用计算机研制的重要方向。

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