移动网络与普适计算

可穿戴计算技术浅析

 

摘要 可穿戴计算技术就是把计算机“穿”在身上进行应用的技术，该技术解放了人的双手，在对计算机操作时不影响双手做其他工作，其在工业，军事，医疗等方面有着广泛的应用，符合“以人为本”的发展思路。本文首先简单的介绍了可穿戴计算起源，基本特点及基本的应用模型；然后详细描述了可穿戴计算系统需要用到的关键技术；最后对全文进行了总结，对可穿戴计算技术的应用前景进行了分析。

关键字 可穿戴计算，移动计算，移动网络通信，微小型计算机

1 可穿戴计算的起源

    近几年来，在计算机领域出现了一个新的系统技术，这就是可穿戴计算技术（wearable computing）。顾名思义，可穿戴计算技术就是把计算机“穿”在身上进行应用的技术。那么，为什么要把计算机“穿”在身上呢？

    计算机自问世以来，为满足应用的需要，一直在不断变化，从二进制输入和指示灯显示，到现在常见的主机和桌面上的显示器、鼠标、键盘、网络，这一状态至今已维持了将近30年的时间。但是，近年来许多应用领域都要求计算机 能随着人的活动在任何时间、任何地点运行程序并上网工作，也就是说，跟着人进行“移动计算”和“移动网络通信”。 例如，新闻记者进行现场报道时，需要抢时间对信息进行实时处理并随时上网；飞机维修人员要边维修、边阅读手册，可能还要上网进行讨论和交流，并在使用计算机的同时不影响双手的维修操作；军事上的应用则更为普遍，像特种兵的作战和侦察等。于是，人们就把计算机从桌面请到了人的身上，通过微小型设计和合理的布局，将各模块分布到人体的各个部位，从而能“穿”在身上，并与人相结合，通过无线传输构成一个移动节点，实现移动网络计算。

 

2 可穿戴计算基本特点及发展

穿戴计算机是一种能时刻伴随使用者的计算机，它的主要特点如下：

1)   解放了人的双手，在对计算机操作时不影响双手做其他工作；

2)   具备移动性；具有感知能力；

3)   具有无线组网能力；

4)   可保持连续工作状态；

5)   具有十分友好的人机交互能力。

 

   “可穿戴计算机”的概念早在1955年就被Edward O.Thorp提出来了，其初衷是为了在“轮盘赌”的赌博游戏中，对现场数据实时采集并进行预测。1966年，他与Claude Shannon共同研制出了第一台可穿戴计算机，这是一个有4个按键的香烟盒大小的模拟机，配备了一个数据采集器。之后，各种形式的可穿戴计算机便不断出现，如1991年，美国卡内基-梅隆大学（CMU）研制出供工程维修使用的可穿戴计算机VuMen1，它由一个微小的计算机和眼镜式显示器组成;1994年，Steve Mann实现了可穿戴计算机的图像实时无线上网功能。发展最为迅速的领域还属军事应用。美国国防部不断提出不同的研制计划，为其数字化部队的建设提供大量实用的军用可穿戴计算机，目前已装备了部队。近几年，科技界、企业界和应用部门似乎同时看到了它的应用前景，共同合作，使可穿戴计算技术的发展呈现出崭新的局面。

“需求牵引、技术推动”使可穿戴计算技术迅速地发展起来。迫切的需求开辟了新的领域，而形成今天的规模却是科学技术创新的结果，它使需求变成了现实，其中的主要原因如下：

1)   微电子技术的迅速发展，提供了微小型、低功耗、可携带的电子设备；

2)   多媒体技术的发展，从软件和硬件等方面提供了高水平的友好的人机交互技术；

3)   嵌入式软件技术的发展，为可穿戴计算机提供了强有力的系统软件和应用软件；

4)   无线通信技术的发展，提供了信息的无线传输能力，解决了移动上网问题；

5)   计算机网络技术的发展，解决了人机作为节点的移动网络计算问题；

6)   新一代结构设计技术和人机工程技术的发展，解决了系统的“可穿戴”问题。

 

在这些技术的推动下，可穿戴计算技术如鱼得水，畅游在广泛需求的海洋里。

3可穿戴计算基本模型

    一个基本的可穿戴计算机系统应包括哪些设备？我们“穿戴”上这些“行头”后能具有什么样的“功夫”？

    目前，一个基本的可穿戴计算机系统主要包括微小型计算机、头戴显示器（HMD）、微型摄像头、GPS定位器、耳机、话筒、无线电台、手写输入板、电池等，如上图所示。所有设备分别戴在头上和装在衣服口袋里。

 

图3.1: 可穿戴计算基本应用模型

 

    到目前为止，微小型计算机虽然小巧到可以放在上衣口袋里，但是其性能指标仍然与奔腾Ⅲ相当，例如，主频可高于500MHz，内存可达到128MB，硬盘达到12GB，并具有高性能的I/O子系统。系统一般情况下不带键盘，如果需要可戴腕式微小型键盘;鼠标功能可通过手写板实现;头戴显示器小而轻，可放在眼镜上，其分辨率和放大倍数可满足需求。

    系统的基本工作方式是：通过摄像头摄取图像，通过话筒和手写板分别输入语音和文字，计算机将声、图、文信息进行压缩加密后，通过电台传到另一节点或处理中心；然后，电台接收另一节点或处理中心传来的声、图、文信息并送到计算机，经过解密和解压缩后，再分别传送到显示器和耳机，可通过手写板和几个功能键实现简单操作。

归纳起来，可穿戴计算机系统具有如下功能：

1)   定位功能 通过GPS可准确确定使用者的位置；

2)   视觉延伸功能 通过摄像将现场图像传回远程接收点；

3)   语音命令功能 通过语音来操作计算机；

4)   手写输入功能；

5)   多媒体集成功能；

6)   决策功能 根据现场信息做出预测分析和决策。

4 可穿戴计算关键技术

    可穿戴计算机系统并不是简单地把一台PC机微型化后分布在身体之上，它必须研究和解决许多特殊的关键技术。我们把这些系统和关键技术称之为“可穿戴计算技术”。

    4.1 片上系统（system on Chip，SOC）体系结构设计技术

片上系统（SOC）研究一种设计技术，把计算机主机的硬件集成到一个芯片里。这样，计算机就可以做得很小，而且有利于降低功耗，提高速度，尤其是可以降低成本，缩短生产周期。例如，Epson的Cardio芯片就具备了PC586的性能，而且已经产品化。

  4.2 微小型计算机多端口、高性能I/O设计技术

可穿戴计算机的主机是微小型的，但却要与多达十几台外部设备相连。因此，要求微小型计算机应具备足够数量的接口，而且要具有很高的I/O处理能力。

  4.3 无线自组网络技术

可穿戴计算机系统要伴随人的活动并作为一个移动节点随时上网，多个这样的节点将构成一个特殊的网络，称之为自组网（ad hoc network）。这类网络没有固定的路由器，各节点以任意方式移动并动态连接，每个节点都可以充当路由器，且所具有的自动重组功能还可以提高网络的抗毁能力。有人把自组网概括为“移动分布式多跳无线网络”。这类网络有如下特点：

1)  动态变化的拓扑结构；

2)  接入节点的随意性；

3)  受限且经常变化的带宽；

4)  可能出现的非对称连接；

5)  终端受限的操作；

6)  分布式控制的网络。

  4.4 嵌入式操作系统技术

嵌入式系统诞生于微型计算机，是嵌入到对象体系中，实现嵌入对象智能化的计算机。现存的微机操作系统可以用于可穿戴计算机系统，但由于可穿戴计算机的体积和存储空间十分有限，所以，操作系统应尽量压缩到“专用”的程度，并提高实时性。因此，需要使用嵌入式操作系统，这类系统常常是实时的和微内核的，并具有极强的处理多外设的能力。

  4.5 移动数据库技术

可穿戴计算机系统在移动中上网、移动中访问数据库，这类移动式的数据库管理技术将有别于固定的数据库管理。移动数据库需满足以下四个目标：

1)   可用性与可伸缩性；

2)   可移动性 移动中访问或移动中更新；

3)   可串行性 支持可串行的并发事务执行；

4)   收敛性 系统总能收敛到一致状态。

  4.6 人机交互技术

可穿戴计算机系统实际上既是一个实时的信息处理系统，又是一个“人机结合，以人为本”的集合体，人机关系更加自然和谐。因此，人机交互技术是可穿戴计算机系统中的关键技术，它应解决人与计算机之间的交互问题以及人通过这种交互而提高环境感知的能力。主要研究工作包括：

1)  语音识别、图像识别、文字识别技术；

2)  多媒体数据压缩技术；

3)  基于多通道信息融合的人机交互技术；

4)  交互计算中的上下文感知技术。

4.7 基于蓝牙的无线连接技术

    蓝牙（Bluetooth）技术是一种短距离无线通信技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

可以想像，当多达十几个模块同时分布于人体之上，它们之间的连线将是十分沉重的负担，而且是一个不可靠的因素。而利用蓝牙近距离无线通信，可逐步替代这些连线。

4.8 外部设备选择与设计技术

可穿戴计算机系统除了主机之外就是大量的外部设备，设备的选择与设计至关重要。其中主要包括输入类设备、输出类设备、电源等。对这些设备的要求是：具有高性能指标；小体积、低功耗；符合人体特征，有利于健康；安全可靠。

5 总结与展望

    目前，无论在学术界还是企业界，可穿戴计算技术都已形成了一个新的领域。在应用驱动以及新技术的支持下，未来它将得到怎样的发展？

    可穿戴计算可用于家用系统实现智能家庭管理；应用于医疗领域，用于助残与助老；还可在抢险和社会安全方面得到多方面的推广应用，如森林防火、防汛救灾以及海关、公安、边防等。之后，它将深入到人们的生活中，使应用更加广泛，如新闻、娱乐、旅游、超级市场等。

随着应用的普及和技术的发展，可穿戴计算机必将不断更新换代，人们可以尽情想像未来的可穿戴计算机将是什么样子。可对可穿戴计算技术作以下几点预测：

1)  可穿戴计算机将可能与新一代移动通信设备（如手机）相结合，从而满足新的应用。

2)  由于专用芯片和专用设备的改进，可穿戴计算机系统将越来越小，使用也越来越方便。

3)  可穿戴计算机系统可能实现人体上的无线连接。

4)  穿戴方式可能将有很大的改进，如放在手表里、眼镜上或植入皮下。

5)  这一技术的应用将改变一些系统的原有面貌，如由于武器瞄准方式的改变从而改变武器的结构;远程维修的应用将改变传统的维修规程和文档。

6)  将出现许多可选的专用设备和软件，使系统的构成做到随心所欲。

 

根据“以人为本”的发展理念，凡有助于缩小人机隔阂，有助于建立和谐人机环境的理论、方法、技术和产品都具有强大的生命力，可穿戴计算技术这一人机合一的技术一定会迅速地发展起来。

 

参考文献

[1] 曾宪权,裴洪文. [J]. , .

[2] 饶云波,张应辉,周明天. [J]., .

[3] 陈东义. [J]. , .

[4] 张湘才.[D]. 电子科技大学,2007.

[5] 陈东义,Blair McIntyre. [J]. , .