可穿戴计算机硬件技术的应用研究

李东波

（武汉市红十字会医院，湖北武汉，430015）

1 可穿戴计算机定义和相关概述

可穿戴计算机指的是能够穿戴在身上进行户外活动的微型设备。可穿戴计算机组成部分极为轻巧，可借助手表类的微小电子零件设计生产，实现计算机简易携带。现阶段已经对衣服和电脑结合加以设计，该技术的开发已经应用至通用或者特殊目的的媒体发展和信息技术中。穿戴式计算机对于除了硬件编码逻辑需要更复杂计算支持的应用非常有用[1]

1.1 可穿戴计算机操作模式

可穿戴计算机新型人机交互包括三种操作形式。首先持续性。该类型的可穿戴计算机长期处于工作、可存取、待用状态，为人机交互提供了持续界面。基于此，对于该计算框架的设计和PDA、便携式电脑、手持装置存在较大的差异，该性能实现新型人机协同。其次，增强性。在以往的计算模式设计中主要是对“计算”为主要任务，而对于可穿戴计算机的设计则不是单一的以“计算”为主，是实现“计算”同时用户可以参与其他事情[2]。

1.2 可穿戴计算机属性

可穿戴计算机属性包括非独占性、非限制性、客观性、可控性、感知性、交流性。首先，非独占性。可穿戴计算机与其他虚拟技术不同，其不需要将外部世界阻断，对于可穿戴计算机的设计在建立在“计算”处于第二行为的思想上。事实中，可穿戴计算机能够强化感知能力，同时也能够介入对感知能力加以调整、削弱。第二，非限制性。第三，可观性。第四，可控性。第五，感知性，可穿戴计算机具备对周围环境的感知能力，多感知、多模态[3]。第六，交流性，用户之间可以通过可穿戴计算机进行交流。

2 可穿戴计算机的发展现状

可穿戴计算机属性包括非独占性、非限制性、客观性、可控性、感知性、交流性。首先，非独占性。可穿戴计算机与其他虚拟技术不同，其不需要将外部世界阻断，对于可穿戴计算机的设计在建立在“计算”处于第二行为的思想上。事实中，可穿戴计算机能够强化感知能力，同时也能够介入对感知能力加以调整、削弱。第二，非限制性。第三，可观性。第四，可控性。第五，感知性，可穿戴计算机具备对周围环境的感知能力，多感知、多模态[3]。第六，交流性，用户之间可以通过可穿戴计算机进行交流。

3 可穿戴计算机设计存在问题

3.1 COTS部件问题

现阶段，在可穿戴计算机设计中所应用的COTS部件并不属于专用部件，只是为工控系统、潜入系统所设计的。因此，就可穿戴计算机来说，COTS部件的应用存在体积、结构、功耗、功能等方面的问题。前文提到，可穿戴计算机是一种小型、便携式的智能系统，而COTS部件的应用导致设备无法用于穿戴，同时增加了数据采集口、串行口等不需要的功能，相关功能无法随意地增加或者裁减，造成能够用在可穿戴计算机器件的选择范围小，在设计中无法对设计方案加以灵活调整，因此，在可穿戴计算机设计中COTS并不是最佳选择。

3.2 人机交互问题

可穿戴计算机主要由电源、主机、鼠标、键盘、头戴显示器组成。使用中，各个设备部件均穿戴在用户的身上。用户对于可穿戴计算机操作、控制是通过输入设备进行，通过输出设备显示相关信息。当前阶段，该类型的人机交互应用方式逐渐普遍，但并不够友好，存在操作控制不灵活、输入速度较慢等问题，而输出设备存在抖动、视角小等问题，同时长期的使用将导致用户产生视觉疲劳。

4 可穿戴计算机硬件组成

当前，因为可穿戴计算机开发与研制仍然处在探索阶段，设备产品的设计多是通过把设备微型化，和可穿戴技术结合，该类型可穿戴计算机虽然有效缩减了用户和设备之间的距离，但是协同构想以及最佳结合还需要进行极大地改善，但也使可穿戴计算机拥有一定的功能与属性。在日常生活中，设备维护、地质勘探、医疗、军事等领域均具有十分广阔的发展前景。可穿戴计算机主要由主机、头戴显示、通信、输入输出、电源以及支撑等子系统组成。典型可穿戴计算机的结构图如图1所示。

图1 典型可穿戴计算机结构图

在可穿戴计算机中主机系统属于核心部分，为微小型的计算机，其功耗、重量、体积、抗震性能、可穿戴性等特征是对主机系统进行设计时所需考虑因素，其性能取决于同时期计算机相关产品的性能与应用目的。例如，在1980研制的可穿戴计算机主机系统为Apple Ⅱ处理器，2001年所研制的可穿戴计算机主机系统则为于500 MHz移动赛扬1.1V低功耗处理器。其次，头戴显示系统是实现可穿戴计算机人机协作重要部分，当前阶段应用较为广泛的交互装置按照采用结构不同，包括头佩式、头戴式、头盔式，按照工作形式包括透视、非透视。当可穿戴计算机移动工作，借助通信系统和本身所处计算环境交互信息，相比于有线网络，无线网络的应用更加符合可穿戴计算机需求，目前较为常用的连接方式包括蓝牙、Home RF、IEEE802.11。输入系统是按照实际应用需求，降低用户双手操作可穿戴计算机几率进行设计研制。用户使用中解放双手，可通过姿势控制、语音就控制等方式进行控制，但是因为研制存在一定的限制，相关技术的应用仍不成熟。当前主要通过数据手套、虚拟键盘、柔性键盘、前臂键盘等[5]。

在可穿戴计算机使用中工作时间长短是评价其性能重要指标，提升工作时间主要途径为减少系统功耗或者增加电源系统性能和容量。支撑系统用于提供物理支撑，例如腰带、背心、马甲、口袋。可穿戴计算机并不是将电子设备简单地穿戴在用户身上，在进行设计时需要按照人机工学理论确保设计形式的科学性、合理性，保证可穿戴计算机始终处于良好的运行状态，提升用户穿戴舒适性。

5 可穿戴计算机硬件结构

根据可穿戴计算机各子系统构成形式进行分类。前文提到，现阶段可穿戴计算机的硬件结构主要为集中式和分布式。相比于传统主机系统，集中式大幅度减少主机系统质量和体积。

5.1 集中式可穿戴计算机

该形式可穿戴计算机是将计算机技术作为基础，是将计算机技术和穿戴技术相互结合产物，在实际使用时表现出计算机相关成熟技术。在上世纪的80年代，第一台用于图像采集的可穿戴计算机便是将Apple Ⅱ处理器和其余设备设置在用户各个部位实现应用的。在可穿戴计算机设计研发中，该形式为主要研究形式。因为可穿戴计算机需要长时间的穿戴，所以对于重量、体积的要求更高。满足基本功能的同时尽量缩减整机的质量和体积，是主要解决问题。因为集中设计形式是把PC系统架构应用至可穿戴计算机中，增加计算机总线、结构、接口数量，系统的设计更加复杂，主机重量、体积增加。目前，欧美市场中MAV属于较为成熟的可穿戴计算机，相比于传统产品，其重量、体积均有所改善，重量500g，体积50mm*90mm*150mm，但是长时间穿戴仍将对用户的生活产生一定的影响。MAV能够支持多种接口与外部总线，但作为可穿戴计算机产品，应当对总线结构加以简化，降低系统复杂性，对系统接口加以简化[6]。当前，较为现实的研究方式为即对系统内部的高速设备显示控制器和外部存储器，依然选择传统连接方式，借助PCI并行总线。外部设备则选择USB总线进行连接。使用内部控制器将CPU和内存连接，借助PCI控制器将PCI总线进行连接。IDE、图形等控制器则挂接于PCI总线。其他外部设备借助USB总线和系统连接，USB总线借助PCI-USB桥挂和PCI总线连接，如图2所示。

图2 集中式可穿戴计算机总线结构示意图

在系统中只设置PCI、USB总线，对总线结构加以简化，降低系统复杂性，设计结构更加简单，能够有效减小系统重量和体积。USB能够提供自动识别、热插拔等设备，用户能够随时调整外部设备，提升系统配置灵活性。

5.2 分布式可穿戴计算机

现阶段，随着微电子技术、集中技术发展，有效缩减集中形式可穿戴计算机的重量和体积，但是因为相关产品的设计研发仍然存在部分问题，用户长时间穿戴后仍然存在不适感。相比于集中式，分布式能够在一定程度上缓解重量和体积制约。把整机按照功能模块分离，缩减各个器件重量与体积，对各个器件的位置加以合理的设计。另外，因为通过功能模块实现整机的有效应用，因此，模块的重量、体积较小，能够将模块藏在衣物或者饰品中，该类型可穿戴计算机款式多样，舒适性、柔韧性良好，不会对用户的正常行动产生影响。通过无线网络或者有线网络把模块连接，形成身体网络，用户能够按照使用场合、目的，选配不同模块，灵活性较强。在医疗行业中的应用能够更大程度减轻患者的身体负担。

6 可穿戴计算机和嵌入式系统关系

不论何种用途的可穿戴计算机，其自身特点都决定着其体积需要小巧，功耗较低，从而实现方便携带，满足用户的使用需求以为工作时间要求。所以对于可穿戴计算机硬件平台的设计通常选择高集成度、强性能、低功耗的COTS器件。当前阶段，可穿戴计算机软件设计较为薄弱，为便于研究，一般情况下计算机选择安装Windows 系统或者Linux系统，确保可穿戴计算机应用软件与功能丰富性。同时，为确保操作系统稳定运行，可穿戴计算机选择CISC X86结构CPU 。但是，即使当前可穿戴计算机多选择使用功耗较低CISC器件，但是整体功耗依然难以满足相关要求，所使用的操作系统以及CPU 导致可穿戴计算机的功耗较高。所以，为有效降低功耗，同时有效提高工作时间，需要就上述两点问题加强研究，研发适用于可穿戴计算机的操作系统与CPU 。RISC结构CPU 以及嵌入式系统更加满足了穿戴计算机低功耗需求。

对于嵌入式硬件的设计，主要包括存储器、控制器、处理器、I/O接口以及电源管理模块。控制器、处理器属于系统核心器件，系统通常是以控制器、处理器为核心研发。控制器、处理器具备以下特点。第一，需要具备较强实时多功能支持能力。第二，具备较强存储保护功能。因为系统软件结构模块化，为防止软件模块间发生交叉作用，应设计存储保护功能，对用作软件诊断。第三，可扩展性处理器，便于用较快速度开发不同应用系统。第四，超低功耗。系统，特别是由电池进行供电的移动、无线通信设备功耗较高，相比于CISC，RISC的功耗较低，并且处理器内，相比于一般处理器，手持设备的功耗较低。

另外，对于软件的设计。软件包括系统软件与应用软件。其中系统软件主要运行在硬件平台上的系统。应用软件应用在操作系统下。通俗的讲，系统软件为操作系统和应用程序。应用程序与运行在PC端应用程序较为相似，最大区别为支持平台不同。

7 总结

可穿戴计算机能够为使用者提供不受空间和时间限制的服务，分布式的可穿戴计算机将用户的穿戴物作为系统支撑，打破传统计算机的原有形态。当前阶段，部分机构与大学将分布式可穿戴计算机编织在衣物中，将整机划分为多个子系统，合理地设置在用户身体的各个部位，实现系统的有效应用。相关机构加强研究，实现计算机的随时应用。