智能可穿戴设备产品开发设计研究

摘  要：可穿戴设备是一种新型的智能设备，它可被人们放进衣服里面，也可以穿戴于人体。事实上，不同时期的可穿戴设备会有不同的定义。随时随地可以穿戴于人体上的设备可成为更加贴近自然的互联网入口。从技术上突破可穿戴设备产品开发设计了可以帮助人们解决生活中的实际问题，提高人们的生活质量和生活情趣。

关键词：可穿戴设备;开发设计;智能化

中图分类号：TP368.3;TN876      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）23-0044-02

Research on the Development and Design of Intelligent Wearable Devices

CHEN Yangjian

（Fujian Landi Commercial Equipment Co.，Ltd.，Fuzhou  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

可穿戴產品可被穿戴人体的各个部位，产品类型也变得越来越丰富。其中最为常见的有手环和手表、眼镜及饰品等。目前，又出现了LED外套等各种可穿戴于身上的电子织物，未来可能会将可穿戴产品发展成为嵌入皮肤的电路纹身，甚至于隐形眼镜也可成为可穿戴设备。随着科技水平的不断提高，未来可穿戴产品会逐渐拥有较为理想的效果。

1  可穿戴设备的发展

20世纪70～80年代。1975年12月，第一款计算机手表被推出，当时这款智能化计算机受到公众市场的欢迎。1981年，史蒂夫·曼恩给带有钢架的背包安装了计算机，也就是做了一件可穿戴设备，这款设备可以很方便地控制摄影设备。其中的取景器是事先安装在头盔上的。这也为之后的可穿戴设备的设计提供了扎实的基础。让智能手环、头扎式摄像机器、智能运动手表等可穿戴设备变为可能。另外，由于这几款可穿戴设备的研发，让人们对可穿戴设备有了更进一步的了解，这点是很关键的。

20世纪末～21世纪。在背负式计算机发明的13年后的1994年，史蒂夫·曼恩又打造了首款可穿戴无线网络摄像头，并且可以不断地上传图片。此时可穿戴设备才真正进入了互联网时代。2000年首款蓝牙耳机诞生，便捷的使用使其一直流传至今。从2015年开始，我国越来越多的人选择适合自己的可穿戴设备。从市场成熟度和规模上来看，智能手环类仍属于主流产品形态，比如在整个行业中小米手环是主要代表，以及华米所推出的具有行业开创性的米动健康手环等产品是目前市场比较受欢迎的。再比如能够支持多种便携式医疗和可穿戴领域高精度计量仪，目前已经在国内外等一些具有代表性的大客户中得到里程碑式发展，这种芯片能够融合接入包括光电、运动、生理阻抗测量和多种模拟数字信号输出的传感器，真正实现多传感器的有效融合。

2  可穿戴设备的开发

2.1  遵循的法规

如果可穿戴设备是直接内置无线芯片，可以直接连接互联网络的产品，就应符合工业和信息化部制定的《电信设备进网管理办法》，必须为产品申请进网许可证。如果可穿戴设备需要采集用户信息，例如搜集用户的位置信息、外出就餐习惯等，从而利用大数据进行商业开发的话，那么对应的《全国人民代表大会常务委员会关于加强网络信息保护的决定》《最高人民法院关于审理利用信息网络侵害人身权益民事纠纷案件适用法律若干问题的规定》、工信部颁布的《电信和互联网用户个人信息保护规定》，以及国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会颁布的《信息安全技术公共及商用服务信息系统个人信息保护指南》等，则是研发者需要在产品设计环节考虑的重要规范。更为热门的采集用户健康信息，最终用于医疗目的的可穿戴产品研发，除了上述规则之外，更需要考虑到它可能会被归于“医疗器械”范畴，有着所有民用产品中最为严格和最为漫长的医疗器械审批制度。

2.2  市场技术热点

硬件技术与移动设备上的软件，在智能手机的推动下得到了长足的发展。可穿戴设备产品的硬件与软件设计方面都借鉴了智能手机的长处。可穿戴设备的上下游产业技术涉及传感器、存储器、电池、触控模组、语音交互技术、体感相关产品等诸多环节。可穿戴产品的需求大量存在，只是技术/产业链还没能同时解决三大公共难题而引爆市场：功能、功耗、工业设计。而其中，最影响使用体验的莫过于功耗问题。

无线充电和太阳能供电这类充电方式在便捷性和效率方面存在比较多的漏洞。以无线充电为例，目前还很难做到远距离50cm以上大于50%有效传输效率的无线充电，再看无线充电三大标准的竞争格局，（A4WP）和（PMA）虽然已合并，但与（Qi）的竞争与兼容依然是拦路虎。太阳能供电也只能够使用在某些特殊的应用场景中。目前实用化的供电技术还有待时日，最靠谱且广为大众所接受的方式还是需要从降低功耗入手。当前的诸多可穿戴设备开发平台和整体解决方案在低功耗方面有几个共同的思路，如下所述。

2.2.1  降低连接的功耗

无线连接是最大的功耗杀手之一。要降低无线系统的功耗，我们需要考虑如下几个因素：

（1）选择合适的无线系统。使用无线类型取决于几个因素，其中主要是数据速率、功耗、通信范围和运营成本。选择范围非常广泛，从短距离ZigBee、蓝牙和Wi-Fi，到远程低功率无线LoRa或窄带蜂窝解决方案。目前蓝牙依旧是赋予穿戴产品最大希望的传输方式，产品通常会采用支持BLE的BT产品，因为可以在极低的功耗下工作;

（2）尽量发送广播而不是监听。如果设备通常处于待机状态，仅低频度醒来广播发射，基本只需考虑其深度睡眠功耗。但如果设备需要长时间收听网络，那么控制器工作功耗就是功耗的關键因素;

（3）发射器脉冲。当发射器开启时，低功率无线电设备会处于最大功率状态。尽可能减少传输的时间片，比如可以使用压缩来减少数据量，使无线“开启”的时间缩短;

（4）无线连接的频次。降低无线连接同步的频次，会减少功耗，但也会降低连接的实时性;

（5）天线调谐。天线调谐可以在不增加系统功率预算的情况下最大化设备的能效;

（6）TX功率。不要在不必要的情况下提高输出功率。例如，如果无线传输距离只需10米，就不需要5dB的输出功率，否则只会浪费电能，并缩短电池使用寿命。

2.2.2  尽可能在待机模式下运行

实现较长电池寿命的关键是：通过减少没必要的系统活动让运行时的电流消耗最低。这意味着除关闭某些功能外，还要在微控制器的睡眠或待机模式以及电源的省电模式下运行。例如，当用户不看他（或她）的手表时，关掉手表的显示屏。此外，任何后台任务在代码内必须是由中断驱动的。这样，微控制器就能尽量一直在睡眠模式下运行，只有当中断命令它时才唤醒。

2.2.3  使待机模式下的电流消耗最低

一种关键的技术驱动因素是在这些待机模式下减少汲取的电流。例如：采用极低泄漏的和静态电流的器件，以及用负载开关来断开已关掉的子系统，以免它们从系统泄漏电流。尤其注意电路的一些细节，避免额外的电流穿过上下拉电阻，避免口线漏电到外部已关掉的子系统。

2.2.4  进行电路集成，腾出宝贵的空间给电池

将功耗降到一个合理的水平之后，下一道难题便是空间问题——尽量把一切器件（微控制器、传感器、电源等）小型化和集成起来，给电池腾出更多的宝贵空间。

2.2.5  安全地提高电池的能量密度

可穿戴设备质量轻，体积小，而其电池问题是当前面临的主要问题，由于电池体积小，能量密度小，半导体能够跟上摩尔定律并且每年以200%的速率实现小型化方向发展，同时在锂离子二次电池推出后的几十年来，电池技术将每单位体积能量密度提升了350%，但仍不到半导体小型化速度的10%。为解决这一问题，最近研究出了能量采集新技术，能量采集主要涉及采集周围光源产生的少量环保能源，将其转为电能，然而该技术是否能够为其实现延长可穿戴设备电池使用寿命，甚至无需使用电池便可进行可穿戴设备运行还有待研究。

3  结  论

总之，未来可穿戴设备的发展趋势是更小巧的尺寸、更轻薄贴身，不断变革交互方式，使用户的双手得到更好的解放。随着硬件性能的提升与软件工作效率的提高，可穿戴设备将可以随时在线、实时连接，而且能够随时随地地收集用户数据，最终实现信息传递和交互工作更加实时、简洁和迅捷，同时，这也正是人们真正体会智能生活的必备条件之一。

参考文献：

[1] 韩郭阳.可穿戴设备产品开发设计研究 [J].设计，2018（1）：84-85.

[2] 王宇琪.感性工学在可穿戴设备设计中的应用研究 [D].上海：华东理工大学，2015.

[3] 崔文晶.基于柔性电子技术的可穿戴产品系统设计研究 [J].现代信息科技，2018，2（1）：92-94.

作者简介：陈扬剑（1979-），男，汉族，福建福州人，中级工程师，本科，毕业于厦门大学电子工程系，现任产品预研部经理，年产数百万的智能POS的主设计师，研究方向：终端硬件设计、嵌入式硬件平台、金融支付产品开发。