可穿戴式计算机与无线网络技术要点分析

    张海娟++李显娜

    摘 要：可穿戴式计算机是一种新型计算机，能够通过无线网络技术，将使用者与计算机连接在一起，其技术要点包括了芯片技术、操作系统、传感器、人机交互、上下文感知计算技术以及无线自组网技术。在可穿戴式计算机中，运用的无线网络技术包括了WiFi，IRDA，RFID，ZigBee，UWB，GPS/北斗，蓝牙等不同技术，根据工作环境、使用要求、工作频率等不同需求，选择不同的技术组成可穿戴式设备，使该项技术广泛应用于各个领域。文章对可穿戴式计算机与无线网络技术要点进行了分析。

    关键词：可穿戴式计算机；无线网络技术；技术要点

    可穿戴技术是一种新型智能技术，广泛运用于很多智能设备中，它为配件与服装提供了计算能力与感知能力，能够在连接计算机、多媒体、无线传播、传感器等技术的基础上，通过可穿戴智能装备，穿戴到人身上，实现人机交互。而人们要真正运用可穿戴计算机技术为人类信息活动提供方便，必须解决一些技术要点问题。

    1 可穿戴式计算机

    可穿戴式计算机具有移动性、持续工作性、无线网络通信、低功耗、解放双手、与使用者融为一体、传感技术、多样性等特点[1]。可穿戴計算机是以人机合一为主要设计理念的一种个人移动计算机技术，有机结合了芯片、操作系统、传感器、显示技术、存储技术以及电池等各种技术，便于穿戴，用户访问更便利，在工业、国防、医疗、教育、科研等领域都有广泛应用。

    2 可穿戴式计算机的技术要点

    2.1 芯片

    可穿戴式计算机采取芯片作为计算中心是其技术发展趋势，将调度中心、计算中心集中到一个体积小、功耗低且质量轻的芯片中，完成所需业务的调度与计算，包括处理器、内存、存储器以及控制电路等部分[2]。在集中处理大规模数据时，可以在中央处理器外配置协处理器，为中央处理器分担计算压力。芯片的选择需要根据业务需求、工作频率、成本进行合理的选择。可穿戴式计算机的发展对芯片提出了更高的技术要求，低功耗、高集成度是主要要求，因此，芯片技术也有不同发展方向：通过删除非必要功能制造新架构以降低功耗[3]；通过设计、后期封装与制造提升芯片集成度；通过专设的低功耗处理器对应用场景中的传感信息进行处理等技术。

    2.2 操作系统

    嵌入式操作系统开发是可穿戴式计算机技术的主要技术之一，可穿戴计算机的存储空间受到较大限制，操作系统需要有较高的专用度与实时性，通过实时技术、微内核技术组成的嵌入式操作系统，能够为可穿戴式计算机提供强大的多外设处理能力。

    2.3 无线自组网技术

    无线自组网即基于一组具有无线收发功能的移动主机所组成的网络系统，是不需要确定基础设施、不需要集中控制技术所支持的临时性的自治网络。无线自组网能够在任意时间，经无线信道将各节点连接为一个任意形式网状的拓扑结构，这些节点是通信终端与路由器的结合，因此被称为自组织网络。网络中任意节点都可通过任意方式实现动态连接，并且进行自动重组，有很强的稳定性。

    2.4 上下文感知计算技术

    上下文感知计算技术是可穿戴计算机与生俱来的技术，可穿戴式计算机通过各类传感器、信息系统、配置设定获取上下文，将传感器技术与分类识别算法技术相结合，就构成了上下文感知计算系统。

    2.5 传感器技术

    传感器是可穿戴式计算机获取上下文信息的硬件系统，是一种小体积、小功耗、低质量、高可靠性、易集成和高稳定性的传感器，主要分为运动感知、环境感知、生物感知三大类。运动感知类主要感知用户运动状态及睡眠状态；环境感知类主要用于监测所需要的环境参数，为用户出行及种类生产生活活动提供指导；生物感知主要用于感知种类生理参数。多传感器数据融合是当前可穿戴式计算机的必然发展趋势。这种技术主要是由多个传感器甚至多类传感器信息处理系统针对特定问题作出信息处理的技术，是按照时序对所获取的各个传感器上下文信息，运用一定规则进行自动化分析及优化综合，以作出特定决策和完成任务而采取的一种数据处理技术。

    2.6 人机交互技术

    人机交互技术能够使可穿戴式计算机和用户之间进行便捷的通讯，是一种无形的交互，能够让用户随时随地随意获取信息。可穿戴式计算机的人机交互技术是以减少双手占用时间，提升控制灵活度，达到人机合一为目的的。因此，人机交互技术的研发始终是可穿戴式计算机的技术要点。从当前已经市场化的可穿戴式计算机人机交互技术来看，主要包括：身体数据感知、肢体动作探测、眼动追踪、实物交互、语音输入、肌肉生物电、环境数据监测等输入方式；声音、显示屏、头戴式投影、环境投影、内置灯泡、振动和温度等肢体感知信号、其他平台界面显示等信息输出方式。

    3 无线网络技术

    可穿戴式技术机要实现无线短距离信息传输需要通过无线网络技术将用户、计算机、其他移动设备之间的数据连接起来。这类技术主要包括WiFi，IRDA，RFID，ZigBee，UWB，GPS/北斗，蓝牙等。

    3.1 蓝牙技术

    蓝牙技术由于其成本低、功耗低、辐射低、抗干扰能力强、安全性高、组网灵活等方式，是短距离无线通信技术的主要技术。蓝牙用户在进入新地点后，其蓝牙设备就能对周围蓝牙设备进行自动查找，并实现通信，同时主动获取附近的各类服务。蓝牙是由微微网作为一个单位，由两个以上拥有同一个频道的蓝牙单元设备装置组成一个微微网，由一个蓝牙单元作为主单元，其余单元则作为从单元，每一个微微网可以拥有8个左右的蓝牙单元。蓝牙设备之间处于平等地位，任何一个蓝牙设备要和其他用户进行无线通信，都能够发起呼叫连接，通信结束后，呼叫连接就会解散，具有很高的灵活性。

    3.2 WiFi技术

    WiFi技术能够实现高速率传输，并且有很好的移动性，通过无线信号，可穿戴式计算机能够进行各种多媒体信息传输，传输范围超过100 m以上，同时能够将用户和网络相连接，用户可以接收到无线上网服务。

    3.3 IRDA技术

    红外数据协议（Infrared Data Association，IRDA）能够使移动设备和计算机进行快捷的无线通信，拥有红外接口的其他设备，也能够实现数据传输。红外技术需要对接才能进行无线通信，安全性较高，但传输距离很短，也只能进行点对点传输，需要通信设备之间不能有障碍，也很难实现扩展，因此，红外技术在可穿戴设备上的应用范围很狭窄。

    3.4 RFID技术

    射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种自动识别技术，能够在不接触目标的前提下同时识别多目标，具有读写速度快、存储空间大、工作距離远、环境适应性强、穿透性好、外形多样化、组网灵活、成本低、安全性高等优势。通过标签等应答器、读写器及应用系统组成一个RFID系统，通过空间视频信号进行双向无线信息传输。可穿戴计算机运用RFID标签作为无线通信模式，利用RFID读写器为网络节点，就能够自由组建一个无线通信网络，与其他无线网络技术进行互补。由于RFID标签是由天线与芯片组成，在可穿戴条件下，天线会出现弯曲形迹，从而影响其功能，因此，在实际应用中，需要对天线技术进行改进，使其能够适用于可穿戴式计算机的无线通信模块构造。

    3.5 ZigBee技术

    ZigBee技术是在IEEE802.15.4协议基础上发展而来的短距离、低功耗无线网络技术，该技术成本低、通信距离近、功耗低、网络节点大、自组织强，在自动控制等领域有很强的适用性。但由于ZigBee技术通信范围较为狭窄、功率较低，因此，更适用于数据流量较小的通信业务，可以用于遥测遥控、医疗护理、工业自动化、家庭自动化、农业自动化、汽车自动化等领域。

    3.6 UWB技术

    超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是基于MB-OFDM协议发展而来，其通信机制是一种超帧结构，根据这一协议，UWB网络中各节点都是平等的，不存在协调控制功能的节点，是一个完全的分布式网络结构。各节点也不配置中心协调器，因此，要实现各节点的信息交互，就需要先进行协调，通过各节点依次进行一种信标帧广播完成协调。这种技术是一种高速率、短距离无线通信方式，其工作频率为非工业科学医疗（Industrial Scientific Medical，ISM）公共频段，有很宽的传输宽带，抗干扰能力极强，并且能够满足高速传输需求。

    3.7 GPS/北斗

    GPS/北斗是可穿戴式计算机产品发展需求的反映，随着可穿戴式计算机功能的发展，定位成为人们日常需求之一。在可穿戴式计算机中添加GPS/北斗传感器，增加其定位功能，由时钟信号或者串口线连接可穿戴计算机，就能够实现无线串行通信。

    4 结语

    可穿戴式计算机为当前市场提供了丰富多样的可穿戴设备，广泛应用于各个领域，为人们的日常生活、工业生产、医疗卫生等提供了极大的便利。围绕可穿戴式计算机及其无线网络通信技术的各项技术开发也在不断发展，使可穿戴式计算机具备了更为丰富的功能、更灵活的组网结构及更可靠的服务，使其市场前景更为广阔。

    [参考文献]

    [1]李媛.可穿戴计算机无线通信模块与组网技术研究[J].城市建设理论研究（电子版），2016（11）：100.

    [2]张操政.可穿戴传感网络节点误差分析与数据融合算法研究[D].南京：南京邮电大学，2015.

    [3]耿海龙.动态可重构穿戴计算机软件平台设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.