可穿戴設(shè)計(jì)：人類與嵌入式系統(tǒng)的緊密結(jié)合

　　可穿戴電子系統(tǒng)的發(fā)展，不論生物計(jì)量、通信還是虛擬現(xiàn)實(shí)，都將嵌入式系統(tǒng)概念延伸到新的未知領(lǐng)域。把傳感器和輸出設(shè)備放到操作人員身上，產(chǎn)生了一個(gè)新詞——電子人：人類和嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合。

　　可穿戴系統(tǒng)為實(shí)際應(yīng)用開辟了新遠(yuǎn)景，需要重新展望嵌入式體系結(jié)構(gòu)。以可黏貼或者可攝入方式所使用的傳感器群完全與傳統(tǒng)的電源、接地和I/O連接相隔離。為實(shí)現(xiàn)微小體積以及近乎零功耗，小傳感器群要支持傳統(tǒng)的本地信號處理、存儲(chǔ)和無線互聯(lián)，而且不限于此。這是設(shè)計(jì)師必須要解決的兩難問題。

　　把系統(tǒng)分開

　　解決可穿戴系統(tǒng)難題的一種方法是參照傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這包括了傳感器、致動(dòng)器以及與用戶身體連接的顯示屏等。在移動(dòng)性、舒適性和可隱藏需求的推動(dòng)下，需要把系統(tǒng)分開。傳感器、輸出設(shè)備和計(jì)算資源在物理上彼此分開后，看一下系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)會(huì)有什么變化。

　　作為一個(gè)例子，參考智能眼鏡的設(shè)計(jì)。為避免老生常談，我們不討論大家熟悉的消費(fèi)類產(chǎn)品，而是看一下工業(yè)設(shè)備供應(yīng)商XOEye設(shè)計(jì)的眼鏡。這些眼鏡用于元器件觀察、庫存處理、現(xiàn)場維護(hù)等活動(dòng)。這一系統(tǒng)具有立體安裝720線視頻攝像機(jī)、語音輸入，以及LED和語音輸出，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以交互式方式幫助人們完成某些預(yù)先定義好的任務(wù)。

　　XOEye首席技術(shù)官Jon Sharp解釋說，這一眼鏡采集并分析用戶所看到的立體圖像，增強(qiáng)了對元器件的分辨能力，不需要物理接觸或者測量工具就能夠測量尺寸和形狀，在維修過程中與技術(shù)人員交互——“先調(diào)整左側(cè)的螺絲”，或者通過閃爍的紅色LED警告有可能出現(xiàn)的安全傷害。“不要到那里去！”

　　這類設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的方法會(huì)使用安裝在眼鏡上的攝像機(jī)和麥克風(fēng)，然后進(jìn)行視頻處理，目標(biāo)識別，通過背在后面的背包和電池建立無線通信鏈路。對這一設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的用戶響應(yīng)是看一下背包，然后小心翼翼彎下腰去使用系統(tǒng)。

　　讓我們進(jìn)入可穿戴技術(shù)這一概念。XOEye的方法是實(shí)現(xiàn)完全自主的眼鏡。這一目標(biāo)很明顯有空間和功耗限制。我們不可能變魔術(shù)，這些限制迫使必須遠(yuǎn)程完成某些計(jì)算，一般是在云端。但是對計(jì)算載荷進(jìn)行劃分也帶來了新的設(shè)計(jì)難題。

　　建立鏈接

　　在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）上，把大量的計(jì)算任務(wù)移到云端并不是什么新概念。創(chuàng)想技術(shù)公司業(yè)務(wù)開發(fā)資深總監(jiān)Chakra Parvathaneni指出，這種劃分隨應(yīng)用而不同。他注意到，“家庭恒溫調(diào)節(jié)器有很多本地處理任務(wù)，但是蘋果的Siri幾乎都在云端?！?/p>

　　在XOEye的例子中，把任務(wù)移到云端意味著要么有足夠的帶寬來傳送原始格式的兩路視頻流，要么在眼鏡中實(shí)時(shí)完成視頻壓縮。后者采用現(xiàn)有的媒體處理芯片是可行的，但是要有體積合適的電池?？墒牵€有另一個(gè)問題。

　　Sharp提醒說，“即使沒有鏈接時(shí)，您也必須維持人機(jī)接口以及某些功能。例如，當(dāng)您失去WiFi連接時(shí)，一定要實(shí)時(shí)識別安全問題。”某些功能會(huì)要求一定程度的連續(xù)實(shí)時(shí)響應(yīng)—互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)端的云計(jì)算是無法保證的。

　　這些問題要求進(jìn)行本地處理，與眼鏡的大小、重量和功耗限制相矛盾。XOEye最初想采用MCU與加速器相結(jié)合的OMAP體系結(jié)構(gòu)來解決這一問題。OMAP SoC能夠處理傳統(tǒng)的媒體處理任務(wù)，但是，Sharp感嘆到，“無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)立體測距?！币虼耍琗OEye轉(zhuǎn)向CPU加FPGA的方法，不論應(yīng)用需要什么樣的任務(wù)，他們都能夠建立高能效的本地加速器。

　　智能集線器

　　即使工作條件能夠保證與無線集線器的本地互聯(lián)，從集線器通過互聯(lián)網(wǎng)到云端的來回鏈路仍然會(huì)引入不可接受的不確定性。這是IoT所面臨的結(jié)構(gòu)難題之一?？紤]到這些情況，如果要在可穿戴設(shè)備之外完成某些計(jì)算任務(wù)，那么，可以將其放在本地?zé)o線集線器上，而不是云端（圖1）。當(dāng)然，這就不能只使用商用WiFi集線器。

　　圖1.可穿戴嵌入式系統(tǒng)成為智能集線器無線網(wǎng)絡(luò)

　　在WiFi集線器中集成計(jì)算節(jié)點(diǎn)大幅度提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。相對而言，集線器在空間和功耗上一般不受限制，因此，您可以把一些計(jì)算和存儲(chǔ)資源放在那里。短距離WiFi鏈路能夠提供可靠的寬帶、可預(yù)測的延時(shí)連接，支持集線器參與關(guān)鍵控制或者人機(jī)接口循環(huán)，在這其中，意外的延時(shí)會(huì)帶來問題。而且，集線器帶有多任務(wù)CPU和相應(yīng)的加速器，完成很多遠(yuǎn)程可穿戴設(shè)備的處理任務(wù)。

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