智能穿戴設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢

　　1 引言

　　隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展， 移動互聯(lián)網(wǎng)日益普及，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在向移動互聯(lián)網(wǎng)遷移，智能穿戴設(shè)備近年來發(fā)展的非常迅速，成為一個熱點行業(yè)。智能穿戴產(chǎn)品涉及的領(lǐng)域十分廣泛，從眼鏡、娛樂、兒童監(jiān)護、健康、智能家居、智能服飾到通信等領(lǐng)域，可以加入拍照、語音識別、鏡片導航、體重監(jiān)測等各種功能?？梢哉J為智能穿戴設(shè)備是一種基于移動互聯(lián)網(wǎng)的、具有高性能低功耗特點的智能終端，其展現(xiàn)形式不是手機，而是日常生活中的可穿戴物品。它過借助傳感器，與人體進行信息交互，是一種在新理念下誕生的智能設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并能夠根據(jù)用戶需求不斷升級。智能穿戴設(shè)備在提高人們生活品質(zhì)、促進生活方式智能化方面將會起到很重要的作用，智能穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)將迎來巨大的市場空間。

　　2 智能穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

　　按照主要功能的不同，智能穿戴設(shè)備產(chǎn)品可以劃分為以下幾類：運動健康類、體感交互類、信息資訊類、醫(yī)療健康類和綜合功能類等，每類設(shè)備針對不同的細分市場和消費人群。運動和醫(yī)療健康類的設(shè)備有運動、體側(cè)腕帶及智能手環(huán)，主要消費人群為大眾消費者；體感控制和綜合功能類的設(shè)備有智能眼鏡等，消費人群以年輕人為主；信息咨詢類的設(shè)備有智能手表，主要消費人群為大眾消費者。從目前來看，醫(yī)療和運動健康類設(shè)備使用的用戶較多。

　　隨著智能穿戴產(chǎn)業(yè)競爭日趨激烈，同質(zhì)化產(chǎn)品現(xiàn)象越來越嚴重，各類只具備單一功能的智能硬件紛紛開始與其他智能硬件尋求合作。在未來，隨著單一領(lǐng)域的智能穿戴產(chǎn)品技術(shù)日漸成熟，不同領(lǐng)域和功能訴求的產(chǎn)品會根據(jù)用戶實際需求在功能上實現(xiàn)互補，從而帶來更符合用戶需求的智能體驗，發(fā)展方向也會日漸明確和多元化。

　　目前市場上的智能穿戴產(chǎn)品主要有手環(huán)類產(chǎn)品、手表類產(chǎn)品、眼鏡類產(chǎn)品和便攜醫(yī)療設(shè)備類產(chǎn)品等，如三星、索尼、華為、小米的智能手環(huán)，蘋果、三星的智能手表，谷歌的智能眼鏡等。此外，還有一些珠寶、紐扣類、飾品類以及可放入口袋或嵌入服裝內(nèi)的產(chǎn)品等，如施華洛世奇推出的SwarovskiShine太陽能可穿戴設(shè)備系列，Opening Ceremony推出的MICA智能手鐲。

　　3 智能穿戴設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

　　智能穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)涉及的技術(shù)范圍較廣，包括傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、芯片技術(shù)、操作系統(tǒng)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)計算處理技術(shù)、提高續(xù)航時間技術(shù)、數(shù)據(jù)交互技術(shù)等。

　　3.1 傳感技術(shù)

　　傳感技術(shù)主要完成語音控制、眼球追蹤、手勢辨別、生理監(jiān)控（包括心跳、血壓、睡眠質(zhì)量等）、環(huán)境感知（如溫度、濕度、位置和壓力等）等。目前，應(yīng)用較多的傳感器類型有骨傳導、音源感測、肌電感測、重力感測、影像感測、陀螺儀、加速度計、磁力計、方向感測、線性加速度感測、光體積訊號變化感測模組、心電圖腦波感測模組、眼球追蹤感測等。

　　3.2 顯示技術(shù)

　　目前應(yīng)用在智能穿戴設(shè)備中的常見顯示技術(shù)包括薄膜電晶體液晶顯示器、主動式矩陣有機發(fā)光二極體、有機發(fā)光二極體、發(fā)光二極體與電子紙等。除此之外，目前主要的3種穿戴式顯示技術(shù)是：

　?。?）微型顯示：如硅基液晶，微機電系統(tǒng)/數(shù)位光源處理、鐳射掃描等。

　?。?）柔性顯示：目前，日本半導體實驗室、蘋果、三星、LG、Philips、諾基亞等巨頭正積極開發(fā)并推進可彎曲的柔性屏幕、電池和人機界面系統(tǒng)并進行專利布局?，F(xiàn)階段主流柔性顯示技術(shù)的研發(fā)瓶頸主要聚焦在以下幾個方面：

　　1）顯示技術(shù)所用核心光電材料及相關(guān)功能材料性能的改進、提高，包括新材料的研發(fā)等；

　　2）器件封裝基板及相關(guān)封裝材料的研發(fā)；

　　3）更高顯示性能參數(shù)和效率的顯示器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化；

　　4）低功耗、高效率驅(qū)動電路的設(shè)計和優(yōu)化；

　　5）低成本材料、制作工藝研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化等。

　?。?）透明面板：透明顯示已開始應(yīng)用于公共看板與櫥窗等，如果應(yīng)用于個人穿戴，需再提升穿透率與解析度。

　　3.3 芯片

　　智能穿戴設(shè)備芯片可以分為3類：

　?。?）以現(xiàn)有手機處理器為核心的芯片：如三星Galaxy Gear采用的Exynos 4212，Google Glass采用的OMAP 4430，其優(yōu)點是有效利用已有平臺加速開發(fā)且功能強大。

　　（2）基于單片機（MCU）的產(chǎn)品：如Pebble手表、FitBit One手環(huán)都是基于ARM Cortex-M結(jié)構(gòu)的MCU產(chǎn)品。

　?。?）專門針對智能穿戴設(shè)備的芯片：英特爾推出的針對穿戴式設(shè)備芯片方案Intel Edison是雙核芯片，一部分支持安卓系統(tǒng)，另一部分則支持實時操作系統(tǒng)；高通推出的Toq處理器，為可穿戴設(shè)備專門定制產(chǎn)品，采用ARM Cortex-M3架構(gòu)；博通推出的BCM4771處理器，集成定位功能；國內(nèi)北京君正的芯片JZ4775，集成了CPU、Flash、LPDDR、Wi-Fi、Bluetooth、FM、NFC和壓力傳感器、溫濕度傳感器等所有器件。

　　3.4 操作系統(tǒng)

　　智能穿戴設(shè)備采用的操作系統(tǒng)主要有3類：

　?。?）嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）：具有功耗低、任務(wù)單一的特點。如三星智能腕帶Gear Fit采用的實時操作系統(tǒng)。

　?。?）基于Android平臺進行修改的操作系統(tǒng)。如三星第二代智能手表Gear 2和Gear 2 Neo搭載的Tizen操作系統(tǒng)。

　?。?）專有操作系統(tǒng)：谷歌推出的Android Wear，北京君正推出的Newton平臺等。

　　3.5 無線通信技術(shù)

　　對于智能穿戴設(shè)備的應(yīng)用而言，短距離無線通信技術(shù)更適合智能穿戴用戶之間、智能穿戴設(shè)備與其他便攜式電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信和信息共享。目前智能穿戴設(shè)備與終端的通信大部分是基于W L A N 、藍牙、NFC等短距離無線通信技術(shù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)的同步采用私有協(xié)議。用戶可以通過NFC技術(shù)將可穿戴設(shè)備與智能手機相連，不需要其他復(fù)雜的設(shè)置；用戶可以通過藍牙和WLAN技術(shù)從可穿戴設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機或云端，同時又不會消耗太多電量；用戶還可以借助WLAN直連技術(shù)直接將2個Wi-Fi設(shè)備連接在一起，無需設(shè)置接入點。此外，智能穿戴設(shè)備也可以通過3G、LTE等移動通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸或分享。

　　3.6 數(shù)據(jù)計算處理技術(shù)

　　人機交互輸出界面或回饋包括文字顯示、數(shù)據(jù)分析、語音反饋、動態(tài)或虛擬影像等，所有這些輸出界面的呈現(xiàn)都必須透過內(nèi)容運算系統(tǒng)分析，如擴增現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）、虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）、AR結(jié)合VR的混合現(xiàn)實（MixedReality）、立體投影等各種現(xiàn)實內(nèi)容計算和環(huán)境感知分析以及各種測量分析計算如血壓、血氧、心率、脈搏、體溫等。此外，云計算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以將智能穿戴設(shè)備采集的數(shù)據(jù)及時、準確地發(fā)送到后臺，通過對收集到的數(shù)據(jù)進行有效的統(tǒng)計分析，可以為用戶提供合理的建議。

　　3.7 提高續(xù)航時間技術(shù)

　　在智能穿戴技術(shù)里，如何提高設(shè)備的續(xù)航時間是關(guān)注的重點，也是要解決的重要問題。目前主要的解決方法有3種：一是從操作系統(tǒng)、芯片、屏幕以及終互聯(lián)等方面來減少功耗，在性能與功耗之間找到平衡點；二是增加電池容量，如彎曲電池技術(shù)可在縮小電池體積的同時增加電池容量；三是通過無線充電、極速充電、太陽能和生物充電等技術(shù)緩解該問題，但這些充電技術(shù)大多處于研究階段，尚未大規(guī)模商用。

　　3.8 數(shù)據(jù)交互技術(shù)

　　智能穿戴設(shè)備的價值不僅是簡單的硬件功能，還包括依托于硬件的軟件和數(shù)據(jù)服務(wù)。但是目前很多廠商的應(yīng)用和云服務(wù)封閉，存在數(shù)據(jù)孤島，不能與其他設(shè)備共享數(shù)據(jù)，缺乏開放產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。因此需要開放并統(tǒng)一智能穿戴設(shè)備、手機、云服務(wù)之間的接口，推動信息的流動和共享，消除數(shù)據(jù)孤島，為用戶創(chuàng)造出更多的價值。

　　智能穿戴設(shè)備與云平臺的交互方式，按照通信方式的不同可以分為2種：一類是智能穿戴設(shè)備具備通信能力，能夠直接與云平臺交互；另一類是可穿戴設(shè)備不具備通信能力，需要通過手機與云平臺交互。

　　4 智能穿戴設(shè)備發(fā)展展望

　　4.1 市場規(guī)模進一步擴大

　　隨著智能穿戴設(shè)備在2014年的爆發(fā)，2015年隨著蘋果的Apple Watch正式推出，華為的Huawei Watch、HTC的Grip健身手環(huán)和虛擬現(xiàn)實頭戴設(shè)備Vive等新產(chǎn)品的發(fā)布，智能穿戴產(chǎn)品將會變得更加時尚、智能，種類將更加豐富。據(jù)IHS預(yù)計，全球可穿戴設(shè)備市場在2018年將達300億美元。IDC預(yù)計2018年全球出貨量將達到1.119億部，年復(fù)合增長率達到78.4%。

　　4.2 產(chǎn)業(yè)鏈各方進一步加強合作

　　可穿戴設(shè)備市場產(chǎn)業(yè)鏈主要包括硬件、行業(yè)應(yīng)用、社交平臺、運營服務(wù)、大數(shù)據(jù)、云計算等環(huán)節(jié)。目前可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)還不夠成熟，不同廠家的產(chǎn)品彼此獨立封閉缺少合作，數(shù)據(jù)缺乏有效共享。同時每個可穿戴設(shè)備都開發(fā)自己的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺。這種端到端的研發(fā)模式投入大而且風險高，同時人力資源分散，難以專注于自己的核心優(yōu)勢。未來智能穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈上各方將會加強合作，共同促進該行業(yè)的發(fā)展。

　　4.3 智能穿戴設(shè)備與相關(guān)技術(shù)進一步融合并標準化

　　通過標準化可以促進產(chǎn)業(yè)分工以及加強不同領(lǐng)域企業(yè)間的互通合作，從而優(yōu)化資源配置，提高研發(fā)效率和質(zhì)量，使得產(chǎn)業(yè)鏈中各方加強創(chuàng)新，打造出有核心競爭力的產(chǎn)品?？纱┐髟O(shè)備與手機的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用接口標準化，便于實現(xiàn)多種可穿戴設(shè)備整合，降低第三方開發(fā)應(yīng)用的復(fù)雜度，多數(shù)據(jù)融合和共享標準化，便于用戶統(tǒng)一管理和拓展生態(tài)鏈。

　　隨著智能穿戴設(shè)備市場的擴大，智能穿戴設(shè)備與生命健康、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將進一步融合，可穿戴設(shè)備低功耗設(shè)計和研發(fā)水平將進一步得到提高，智能人機交互技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用將會得到發(fā)展。在低功耗與高效能的微處理器、智能人機交互、柔性可拉伸器件、微型化供能、短距離無線通信等關(guān)鍵技術(shù)得到進一步突破之后，智能穿戴設(shè)備的市場將進一步擴大。

　　4.4 智能穿戴設(shè)備安全性進一步加強

　　大部分智能穿戴設(shè)備采用開放式操作系統(tǒng)，且與外部通信采用無線連接方式。而且現(xiàn)階段產(chǎn)品開發(fā)更多注重的是功能的實現(xiàn)，對于設(shè)備本身安全性關(guān)注并不高，導致存在諸多安全風險。智能穿戴設(shè)備面臨的主要信息安全風險來自于2個方面：內(nèi)部漏洞和外部攻擊。

　　部分具備虛擬現(xiàn)實功能的智能穿戴設(shè)備使用戶在使用時會分散注意力，影響用戶人身安全。GoogleGlass使用戶眼睛長時間聚焦，這可能會對原來人的生理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。所有電子設(shè)備都會產(chǎn)生輻射，而智能穿戴設(shè)備長期與人體貼身接觸，特別是眼鏡、頭盔等頭戴式設(shè)備，所以對智能穿戴設(shè)備的輻射進控制、要求和規(guī)范顯得尤為重要。部分與皮膚長期接觸的可穿戴設(shè)備造成使用者皮膚產(chǎn)生不適或過敏反應(yīng)，需要防止可穿戴設(shè)備對身體造成的傷害。隨著智能穿戴設(shè)備的普及，智能穿戴設(shè)備的安全性將會受到更多關(guān)注，其安全性將會得到逐步提高。

　　4.5 相關(guān)應(yīng)用越來越豐富

　　目前，面向智能穿戴設(shè)備開發(fā)的應(yīng)用較少。在應(yīng)用程序的數(shù)量上，如Pebble智能手表有1 000多種應(yīng)用，而索尼智能手表有200多種應(yīng)用，Gear則只有70多種。與智能手機產(chǎn)品用戶需求不同，各類智能穿戴產(chǎn)品面向不同的細分市場，所以智能穿戴應(yīng)用的生態(tài)系統(tǒng)碎片化嚴重，這也是可穿戴應(yīng)用較少的原因之一。開發(fā)人員為這些環(huán)境開發(fā)應(yīng)用變得非常困難，時間和精力成本大大提升，而應(yīng)用正是智能穿戴設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵。

　　另外， 一些殺手級應(yīng)用對于可穿戴設(shè)備的普及必不可少。而目前很多可穿戴應(yīng)用仍然像是智能手機和平板電腦應(yīng)用的擴展，可穿戴應(yīng)用需要打破這種模式，針對智能手機做不到的事情開發(fā)應(yīng)用。未來占據(jù)智能穿戴設(shè)備重要市場份額的腕帶類設(shè)備在健康和健身類別將產(chǎn)生殺手級應(yīng)用，一款原生于智能穿戴設(shè)備的廣泛應(yīng)用，將有助于推動智能穿戴設(shè)備的普及和應(yīng)用開發(fā)。