蒲 旺，黎桂岑，黃志奇

(1. 川慶鉆探工程有限公司 成都 610051; 2. 成都航空職業(yè)技術學院建筑工程系 成都 610041; 3. 電子科技大學移動計算中心 成都 610054)

可穿戴計算機硬件結構研究

蒲 旺1，黎桂岑2，黃志奇3

(1. 川慶鉆探工程有限公司 成都 610051; 2. 成都航空職業(yè)技術學院建筑工程系 成都 610041; 3. 電子科技大學移動計算中心 成都 610054)

由于可穿戴計算機的人機交互方式與普通計算機的人機交互方式的差異，導致了可穿戴計算機在硬件結構上與傳統(tǒng)計算機有很大的不同。該文詳細討論了目前可穿戴計算機所采用的兩種不同硬件結構方式：集中式結構和分布式結構。集中式結構是在傳統(tǒng)計算機基礎上發(fā)展起來的，適于快速實現(xiàn)可穿戴計算機的開發(fā)與研制。分布式結構引入模塊化的概念，將系統(tǒng)根據(jù)主要功能的不同分離成若干子系統(tǒng)，更適于滿足人體的穿戴要求，具有很強的系統(tǒng)配置靈活性。文章認為逐步弱化機器的概念是可穿戴計算機硬件結構的發(fā)展趨勢。

集中式結構; 分布式結構; 人機交互; 可穿戴計算機

對于可穿戴計算機(wearable computer，WearComp)的研究，可以追溯到20世紀60年代。近20年以來，隨著信息處理技術、計算機硬件技術、超大規(guī)模集成電路制造技術的發(fā)展，各種高集成、超微型的元器件的產(chǎn)生以及人們對信息處理手段和計算資源需求的日益擴大，使得可穿戴計算機的研究在國際計算機學術界及工業(yè)界開始得到廣泛的重視。但國內外針對可穿戴計算機的研究都還處于初級階段，主要的研究熱門方向有可穿戴計算機硬件實現(xiàn)、人機交互技術[1]，以及其他工程領域的應用等。國外的研究單位主要有美國的Xybernaut Corporation、Charmed Technology Company、CMU、MIT、Stanford University、Georgia Institute of Technology，加拿大的University of Toronto，英國的University of Bristol，日本時技協(xié)會等；國內主要有重慶大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、中科院軟件所等。國外許多公司已經(jīng)率先推出了具有實用價值的可穿戴計算機，如Xybernaut的MA?V、Charmed Technology的Charm IT。

可穿戴計算機屬于計算機發(fā)展進程中的一個階段，它是一類微小型、低功耗的個人移動計算系統(tǒng)，它被使用者所控制，包含在使用者的個人空間中。使用中被穿戴在人體身上，與人所穿的衣物相結合，成為人們穿戴的一部分，實現(xiàn)了人與計算機之間自然、方便和有效的信息交互，最終目標是實現(xiàn)人機之間的“最佳結合與協(xié)同”?？纱┐饔嬎銠C不能簡單地看作是將計算機穿戴到身上，它改變了許多現(xiàn)有的人機交互方式，體現(xiàn)了一種新型的、緊密的人機協(xié)作方式：即在弱化傳統(tǒng)計算機模式的同時，為使用者隨時隨地提供旨在輔助和增強使用者能力的“服務”?？纱┐饔嬎銠C真正體現(xiàn)了“personal computer”的含義，在體系結構、功能、形態(tài)、用途以及設計方法方面都與傳統(tǒng)的臺式計算機、手提式計算機以及手持式的PDA大不相同[2-3]。

1 可穿戴計算機的硬件組成

目前，對可穿戴計算機的開發(fā)和研制尚處于起步、摸索階段，比較多的樣機和產(chǎn)品采用的是將相關的電子設備微型化，再與一些可穿戴技術相融合。這樣的可穿戴計算機雖然距人機間無縫、最佳結合與協(xié)同的構想還很遠，但是它初步具備了可穿戴計算機的一些屬性和功能，在人們的日常生活、大型復雜設備的維護與檢修、醫(yī)療、地質勘探以及軍事領域都顯示出其應用的潛在價值。目前可穿戴計算機一般由主機子系統(tǒng)、頭戴顯示子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、輸入輸出子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和支撐子系統(tǒng)構成，如圖1所示。

圖1 可穿戴計算機的典型結構圖

主機子系統(tǒng)是可穿戴計算機的核心部分，是微小型計算機。體積、重量、功耗、抗震性能以及可穿戴性是設計主機子系統(tǒng)時要考慮的重要因素。它的性能是由與其處于同一時期的計算機產(chǎn)品性能和應用目的所決定的。如1980年所研制的第一臺可穿戴計算機樣機的主機是基于Apple II處理器，而Xybernaut公司于2001年所研制的MA?V的主機是基于500 MHz 移動賽揚1.1 V低功耗處理器[4-5]。

頭戴顯示子系統(tǒng)是可穿戴計算機實現(xiàn)新型的人機協(xié)作方式的重要部分，是目前使用比較廣泛的人機交互裝置。根據(jù)采用結構的不同，頭戴顯示系統(tǒng)可以分為頭佩式顯示器、頭戴式顯示器以及頭盔式顯示器3種。按工作方式可以分為透視(see through)與非透視兩類。

可穿戴計算機需在移動工作時，通過通信子系統(tǒng)與本身所處的計算環(huán)境進行信息交互，無線網(wǎng)絡比有線網(wǎng)絡更適合于可穿戴計算機的實際需要?，F(xiàn)在無線網(wǎng)絡連接技術常采用IEEE802.11、Home RF和Blue Tooth 3種通信協(xié)議。

輸入輸出子系統(tǒng)主要根據(jù)具體應用的需要以及盡可能減少可穿戴計算機使用者雙手占用率的原則進行研制和設計。使用時完全不用雙手的輸入技術如語音控制、人偶系統(tǒng)(姿勢控制)等還處于探索和研究中，目前多采用單手控制的輸入設備，主要有前臂鍵盤、柔性鍵盤、虛擬鍵盤、Twiddler鍵盤和數(shù)據(jù)手套等。

工作時間的長短是衡量可穿戴計算機性能的一個重要指標。提高這一指標的有效途徑一是降低系統(tǒng)的功耗，二是提高電源子系統(tǒng)的容量和性能。

可穿戴計算機需要支撐子系統(tǒng)來提供物理支撐，如口袋、馬夾、背心和腰帶等?？纱┐饔嬎銠C不是簡單地把電子設備掛在人身上，在設計支撐子系統(tǒng)時要充分應用人機工學理論，使可穿戴計算機處于一個比較好的工作狀態(tài)，增加使用者的穿戴舒適感。

2 可穿戴計算機的硬件結構

按照構成可穿戴計算機各個子系統(tǒng)的組織形式分類，目前可穿戴計算機硬件結構可分為集中式和分布式兩種。集中式可穿戴計算機將主機子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)以及輸入輸出子系統(tǒng)的控制模塊都最大限度地集中在一起。除了一些必須分離的部件(如HMD、輸入設備等)之外，耦合程度較高的部件(如CPU、Chipset、顯示聲音處理模塊等)都最大限度地集中置于機殼之內，形成一個微型的、緊湊的計算機系統(tǒng)，類似于傳統(tǒng)的計算機的主機系統(tǒng)，只是在體積、質量上都大幅度減小。而分布式可穿戴計算機則將各種部件比較合理地分布在人體各個部位，其目的是為了使可穿戴計算機更適合人體穿戴，使用更方便。目前，國際上使用兩種結構的代表分別是美國的Xybernaut公司的MA?V(mobile assistant? V)和MIT的MIThril。

2.1 集中式可穿戴計算機

集中式可穿戴計算機是在現(xiàn)有計算機的基礎上發(fā)展起來的，是計算機技術與可穿戴技術結合的產(chǎn)物，繼承了計算機的許多成熟技術[6]。20世紀80年代，應用于圖像采集的第一臺可穿戴計算機就是把當時的Apple II主機以及其他外部設備捆綁在使用者身上實現(xiàn)的，如圖2所示。集中式可穿戴計算機是目前研究機構進行可穿戴計算機樣機開發(fā)研制時所廣泛采用的方案，其最大的優(yōu)勢就是能夠在現(xiàn)有計算機技術的基礎上采用COST產(chǎn)品快速實現(xiàn)適用于各種研究目的的樣機開發(fā)與研制[7]。

圖2 第1臺可穿戴計算機

可穿戴計算機由于需要長時間穿戴在使用者身上，因此在體積和重量上都比一般計算機(臺式、便攜式)有著更高的要求。在滿足一定功能的前提下，盡可能實現(xiàn)整機的微型化是目前集中式可穿戴計算機研究中急需解決的關鍵技術。由于集中式可穿戴計算機將PC的系統(tǒng)構架移植到可穿戴計算機的同時，也引入了一些對于可穿戴計算機不實用的結構、總線和接口，因而增加了系統(tǒng)設計的復雜性以及主機的體積和重量。Xybernaut公司MAV的總線結構示意圖如圖3所示。

圖3 MAV的總線結構示意圖

MAV是目前歐美市場上比較成熟的一款可穿戴計算機，雖然在體積和重量方面都比以往的產(chǎn)品有了很大改善，不計擴展部分，體積約為150 mm×90 mm×50 mm，重量約為500 g，仍然影響使用者長時間地佩戴使用。從圖3可以看出，MAV支持多種外部總線以及多種接口，但作為對體積和重量要求很高的集中式可穿戴計算機，應盡可能采用單一的總線結構降低硬件系統(tǒng)的復雜性，簡化系統(tǒng)接口，以減小系統(tǒng)的體積和重量。目前正在研究一種比較可行的解決方案，即對系統(tǒng)內部的高速設備顯示控制器和外部存儲器，仍然采用傳統(tǒng)的總線連接方式，使用PCI并行總線。對于所有的外部設備統(tǒng)一用USB總線連接。CPU通過內存控制器連接內存，通過PCI總線控制器連接PCI總線。圖形控制器與IDE控制器，直接掛接在PCI總線上。其他的外部設備都通過USB總線連接到系統(tǒng)中，而USB總線通過PCI-USB橋掛接在PCI總線上，如圖4所示。

圖4 集中式可穿戴計算機總線結構示意圖

整個系統(tǒng)只有PCI和USB總線，總線的結構大大簡化，使系統(tǒng)的復雜性降低，設計方便，可以在很大程度上減小系統(tǒng)的體積。另外，USB支持熱插拔、自動識別設備，便于用戶隨時對外設進行調換，提高了系統(tǒng)配置的靈活性。

2.2 分布式可穿戴計算機

目前，隨著微電子技術以及集成制造技術的不斷發(fā)展，集中式可穿戴計算機體積和重量都有大幅度的縮減，但其可穿戴性能仍不能適應長時間使用的基本要求。分布式可穿戴計算機為克服集中式可穿戴計算機由于體積與重量的制約給使用者帶來的不便，將整機根據(jù)主要功能模塊的不同分離開來，以減小每一個具體器件的體積和重量，并結合人機工學原理將各模塊分布在人體適合穿戴的部位，提供更為合理和舒適的穿戴形式。各種微型化的模塊能容易地隱藏于使用者所穿戴的衣物以及飾品內。隱藏有高性能可穿戴計算機的衣物與日常所穿衣物一樣，款式美觀多樣，具有良好的柔韌性和舒適性，不會影響使用者的正常活動。分布式可穿戴計算機利用有線或無線網(wǎng)絡連接技術將各個模塊連接起來組成一個身體網(wǎng)絡(body area network)，各個模塊就是身體網(wǎng)絡的一個節(jié)點。使用者可以視其使用的場合、目的的不同，選配不同的模塊，具有很強的系統(tǒng)配置靈活性。

MIT媒體實驗室(MIT media lab)正在研制的MIThril系統(tǒng)[8]就是典型的分布式可穿戴計算機，它具有與傳統(tǒng)計算機以及集中式可穿戴計算機完全不同的體系結構，如圖5所示。

圖5 MIThril系統(tǒng)

整個系統(tǒng)包括低功耗計算核心(computing core)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)(power system)、輸入輸出設備(I/O device)、身體網(wǎng)絡(body network)、身體總線(body bus)。計算核心系統(tǒng)負責提供計算資源，包括兩個信用卡大小基于Linux的SBC(single-broad computer)、一個特殊用途的無線控制器(wireless bridge)和一個基于ARM5的數(shù)據(jù)存儲控制器。整個系統(tǒng)除了包括一般可穿戴計算機的輸入輸出設備外，還包括各種用于特殊用途的傳感器(高精度三維加速度計、溫度傳感器等)，用以完成人機交互任務以及對外界信息的采集。Body Network和Body Bus將計算核心系統(tǒng)的各個部分以及電源系統(tǒng)、各種輸入輸出設備系統(tǒng)連接成一個完整的可穿戴計算系統(tǒng)?？煽康膯坞娎|實現(xiàn)了人體上每個設備的電源/數(shù)據(jù)連接，簡化了人體上物理網(wǎng)絡連接的實現(xiàn)形式。Body Network將核心計算系統(tǒng)的各個模塊連接起來，不但包括基于TCP/IP協(xié)議的點對點的Ethernet，也包括了電源控制網(wǎng)絡。Body Bus將各種外設和傳感器與計算核心系統(tǒng)連接起來，能為視頻采集以及音頻輸入輸出等提供高帶寬的USB連接，也能為各種傳感器提供低帶寬的I2C連接。MIThril幾乎所有的模塊和連接線路都隱藏于馬甲中，只有手持鍵盤鼠標Twiddler和頭戴顯示器HMD暴露在外面，而且在不使用的時候，Twiddler還能放置于衣袋內[9]。這樣的穿戴方式能減少集中式可穿戴計算機腰包式穿戴方式帶來的不便，使可穿戴計算機的應用更加方便、舒適。分布式可穿戴計算機的物理實現(xiàn)形式增強了可穿戴計算機的穿戴性能，是可穿戴計算機發(fā)展的一個重要方向。

3 結 束 語

可穿戴計算機為用戶提供一種隨時隨地的計算服務功能，它以用戶穿戴物為系統(tǒng)的支撐，弱化了傳統(tǒng)計算機的形態(tài)，使人們可以在忽視計算介質存在的情況下而充分享受其高效服務?？纱┐饔嬎銠C的發(fā)展趨勢是逐漸弱化機器的概念，不再以傳統(tǒng)的機器形式，而是將機器融入人們日常所穿戴的衣物或佩飾物中。目前已有一些研究機構和大學在開發(fā)和研制一類電子紡織品[10]，將各種電路系統(tǒng)編織在衣物中，這類電子紡織品可以像普通紡織品一樣隨意洗滌和折疊，研究成果可能徹底改變可穿戴計算機的硬件結構。可以設想，在不久的將來，人們可以使用可穿戴計算機，真正享受到隨時隨地的計算服務。

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Research on Hardware Architecture of the Wearable Computer

PU Wang1, LI Gui-cen2, and HUANG Zhi-qi3

(1. Chuanqing Drilling Project Ltd. Chengdu 610051;
2. Department of Building Engineering, Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College Chengdu 610041;
3. Mobile Computing Center, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

The differences between the man-machine interactions of wearable computer and common computer cause a great difference in their hardware architecture. At present, the hardware architecture of wearable computer mainly adopts two modes. One is central architecture, and the other is distributional architecture. The former is developed from the traditional computer, which is suitable for to manufacture the wearable computer as quickly as possible. The distributional architecture introduces modularization concept, and disperses the wearable computer into some subsystems according to the differences of functions. The distributional architecture can satisfy the requirement of the wearabilty, and has very strong flexibility in system disposition. It is believed that gradually attenuating machine’s concept will be a development tendency in the hardware architecture of the wearable computer.

central architecture; distributional architecture; man-machine interaction; the wearable computer

TP20

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.z1.008

2009 ? 11 ? 15

蒲 旺(1973 ? )，男，碩士，主要從事電子機械、計算機網(wǎng)絡、新技術應用推廣等方面的研究.

編 輯 蔣 曉