可穿戴计算机硬件结构研究

蒲 旺，黎桂岑，黄志奇

(1. 川庆钻探工程有限公司 成都 610051; 2. 成都航空职业技术学院建筑工程系 成都 610041; 3. 电子科技大学移动计算中心 成都 610054)

可穿戴计算机硬件结构研究

蒲 旺1，黎桂岑2，黄志奇3

(1. 川庆钻探工程有限公司 成都 610051; 2. 成都航空职业技术学院建筑工程系 成都 610041; 3. 电子科技大学移动计算中心 成都 610054)

由于可穿戴计算机的人机交互方式与普通计算机的人机交互方式的差异，导致了可穿戴计算机在硬件结构上与传统计算机有很大的不同。该文详细讨论了目前可穿戴计算机所采用的两种不同硬件结构方式：集中式结构和分布式结构。集中式结构是在传统计算机基础上发展起来的，适于快速实现可穿戴计算机的开发与研制。分布式结构引入模块化的概念，将系统根据主要功能的不同分离成若干子系统，更适于满足人体的穿戴要求，具有很强的系统配置灵活性。文章认为逐步弱化机器的概念是可穿戴计算机硬件结构的发展趋势。

集中式结构; 分布式结构; 人机交互; 可穿戴计算机

对于可穿戴计算机(wearable computer，WearComp)的研究，可以追溯到20世纪60年代。近20年以来，随着信息处理技术、计算机硬件技术、超大规模集成电路制造技术的发展，各种高集成、超微型的元器件的产生以及人们对信息处理手段和计算资源需求的日益扩大，使得可穿戴计算机的研究在国际计算机学术界及工业界开始得到广泛的重视。但国内外针对可穿戴计算机的研究都还处于初级阶段，主要的研究热门方向有可穿戴计算机硬件实现、人机交互技术[1]，以及其他工程领域的应用等。国外的研究单位主要有美国的Xybernaut Corporation、Charmed Technology Company、CMU、MIT、Stanford University、Georgia Institute of Technology，加拿大的University of Toronto，英国的University of Bristol，日本时技协会等；国内主要有重庆大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中科院软件所等。国外许多公司已经率先推出了具有实用价值的可穿戴计算机，如Xybernaut的MA®V、Charmed Technology的Charm IT。

可穿戴计算机属于计算机发展进程中的一个阶段，它是一类微小型、低功耗的个人移动计算系统，它被使用者所控制，包含在使用者的个人空间中。使用中被穿戴在人体身上，与人所穿的衣物相结合，成为人们穿戴的一部分，实现了人与计算机之间自然、方便和有效的信息交互，最终目标是实现人机之间的“最佳结合与协同”。可穿戴计算机不能简单地看作是将计算机穿戴到身上，它改变了许多现有的人机交互方式，体现了一种新型的、紧密的人机协作方式：即在弱化传统计算机模式的同时，为使用者随时随地提供旨在辅助和增强使用者能力的“服务”。可穿戴计算机真正体现了“personal computer”的含义，在体系结构、功能、形态、用途以及设计方法方面都与传统的台式计算机、手提式计算机以及手持式的PDA大不相同[2-3]。

1 可穿戴计算机的硬件组成

目前，对可穿戴计算机的开发和研制尚处于起步、摸索阶段，比较多的样机和产品采用的是将相关的电子设备微型化，再与一些可穿戴技术相融合。这样的可穿戴计算机虽然距人机间无缝、最佳结合与协同的构想还很远，但是它初步具备了可穿戴计算机的一些属性和功能，在人们的日常生活、大型复杂设备的维护与检修、医疗、地质勘探以及军事领域都显示出其应用的潜在价值。目前可穿戴计算机一般由主机子系统、头戴显示子系统、通信子系统、输入输出子系统、电源子系统和支撑子系统构成，如图1所示。

图1 可穿戴计算机的典型结构图

主机子系统是可穿戴计算机的核心部分，是微小型计算机。体积、重量、功耗、抗震性能以及可穿戴性是设计主机子系统时要考虑的重要因素。它的性能是由与其处于同一时期的计算机产品性能和应用目的所决定的。如1980年所研制的第一台可穿戴计算机样机的主机是基于Apple II处理器，而Xybernaut公司于2001年所研制的MA®V的主机是基于500 MHz 移动赛扬1.1 V低功耗处理器[4-5]。

头戴显示子系统是可穿戴计算机实现新型的人机协作方式的重要部分，是目前使用比较广泛的人机交互装置。根据采用结构的不同，头戴显示系统可以分为头佩式显示器、头戴式显示器以及头盔式显示器3种。按工作方式可以分为透视(see through)与非透视两类。

可穿戴计算机需在移动工作时，通过通信子系统与本身所处的计算环境进行信息交互，无线网络比有线网络更适合于可穿戴计算机的实际需要。现在无线网络连接技术常采用IEEE802.11、Home RF和Blue Tooth 3种通信协议。

输入输出子系统主要根据具体应用的需要以及尽可能减少可穿戴计算机使用者双手占用率的原则进行研制和设计。使用时完全不用双手的输入技术如语音控制、人偶系统(姿势控制)等还处于探索和研究中，目前多采用单手控制的输入设备，主要有前臂键盘、柔性键盘、虚拟键盘、Twiddler键盘和数据手套等。

工作时间的长短是衡量可穿戴计算机性能的一个重要指标。提高这一指标的有效途径一是降低系统的功耗，二是提高电源子系统的容量和性能。

可穿戴计算机需要支撑子系统来提供物理支撑，如口袋、马夹、背心和腰带等。可穿戴计算机不是简单地把电子设备挂在人身上，在设计支撑子系统时要充分应用人机工学理论，使可穿戴计算机处于一个比较好的工作状态，增加使用者的穿戴舒适感。

2 可穿戴计算机的硬件结构

按照构成可穿戴计算机各个子系统的组织形式分类，目前可穿戴计算机硬件结构可分为集中式和分布式两种。集中式可穿戴计算机将主机子系统、通信子系统、电源子系统以及输入输出子系统的控制模块都最大限度地集中在一起。除了一些必须分离的部件(如HMD、输入设备等)之外，耦合程度较高的部件(如CPU、Chipset、显示声音处理模块等)都最大限度地集中置于机壳之内，形成一个微型的、紧凑的计算机系统，类似于传统的计算机的主机系统，只是在体积、质量上都大幅度减小。而分布式可穿戴计算机则将各种部件比较合理地分布在人体各个部位，其目的是为了使可穿戴计算机更适合人体穿戴，使用更方便。目前，国际上使用两种结构的代表分别是美国的Xybernaut公司的MA®V(mobile assistant® V)和MIT的MIThril。

2.1 集中式可穿戴计算机

集中式可穿戴计算机是在现有计算机的基础上发展起来的，是计算机技术与可穿戴技术结合的产物，继承了计算机的许多成熟技术[6]。20世纪80年代，应用于图像采集的第一台可穿戴计算机就是把当时的Apple II主机以及其他外部设备捆绑在使用者身上实现的，如图2所示。集中式可穿戴计算机是目前研究机构进行可穿戴计算机样机开发研制时所广泛采用的方案，其最大的优势就是能够在现有计算机技术的基础上采用COST产品快速实现适用于各种研究目的的样机开发与研制[7]。

图2 第1台可穿戴计算机

可穿戴计算机由于需要长时间穿戴在使用者身上，因此在体积和重量上都比一般计算机(台式、便携式)有着更高的要求。在满足一定功能的前提下，尽可能实现整机的微型化是目前集中式可穿戴计算机研究中急需解决的关键技术。由于集中式可穿戴计算机将PC的系统构架移植到可穿戴计算机的同时，也引入了一些对于可穿戴计算机不实用的结构、总线和接口，因而增加了系统设计的复杂性以及主机的体积和重量。Xybernaut公司MAV的总线结构示意图如图3所示。

图3 MAV的总线结构示意图

MAV是目前欧美市场上比较成熟的一款可穿戴计算机，虽然在体积和重量方面都比以往的产品有了很大改善，不计扩展部分，体积约为150 mm×90 mm×50 mm，重量约为500 g，仍然影响使用者长时间地佩戴使用。从图3可以看出，MAV支持多种外部总线以及多种接口，但作为对体积和重量要求很高的集中式可穿戴计算机，应尽可能采用单一的总线结构降低硬件系统的复杂性，简化系统接口，以减小系统的体积和重量。目前正在研究一种比较可行的解决方案，即对系统内部的高速设备显示控制器和外部存储器，仍然采用传统的总线连接方式，使用PCI并行总线。对于所有的外部设备统一用USB总线连接。CPU通过内存控制器连接内存，通过PCI总线控制器连接PCI总线。图形控制器与IDE控制器，直接挂接在PCI总线上。其他的外部设备都通过USB总线连接到系统中，而USB总线通过PCI-USB桥挂接在PCI总线上，如图4所示。

图4 集中式可穿戴计算机总线结构示意图

整个系统只有PCI和USB总线，总线的结构大大简化，使系统的复杂性降低，设计方便，可以在很大程度上减小系统的体积。另外，USB支持热插拔、自动识别设备，便于用户随时对外设进行调换，提高了系统配置的灵活性。

2.2 分布式可穿戴计算机

目前，随着微电子技术以及集成制造技术的不断发展，集中式可穿戴计算机体积和重量都有大幅度的缩减，但其可穿戴性能仍不能适应长时间使用的基本要求。分布式可穿戴计算机为克服集中式可穿戴计算机由于体积与重量的制约给使用者带来的不便，将整机根据主要功能模块的不同分离开来，以减小每一个具体器件的体积和重量，并结合人机工学原理将各模块分布在人体适合穿戴的部位，提供更为合理和舒适的穿戴形式。各种微型化的模块能容易地隐藏于使用者所穿戴的衣物以及饰品内。隐藏有高性能可穿戴计算机的衣物与日常所穿衣物一样，款式美观多样，具有良好的柔韧性和舒适性，不会影响使用者的正常活动。分布式可穿戴计算机利用有线或无线网络连接技术将各个模块连接起来组成一个身体网络(body area network)，各个模块就是身体网络的一个节点。使用者可以视其使用的场合、目的的不同，选配不同的模块，具有很强的系统配置灵活性。

MIT媒体实验室(MIT media lab)正在研制的MIThril系统[8]就是典型的分布式可穿戴计算机，它具有与传统计算机以及集中式可穿戴计算机完全不同的体系结构，如图5所示。

图5 MIThril系统

整个系统包括低功耗计算核心(computing core)系统、电源系统(power system)、输入输出设备(I/O device)、身体网络(body network)、身体总线(body bus)。计算核心系统负责提供计算资源，包括两个信用卡大小基于Linux的SBC(single-broad computer)、一个特殊用途的无线控制器(wireless bridge)和一个基于ARM5的数据存储控制器。整个系统除了包括一般可穿戴计算机的输入输出设备外，还包括各种用于特殊用途的传感器(高精度三维加速度计、温度传感器等)，用以完成人机交互任务以及对外界信息的采集。Body Network和Body Bus将计算核心系统的各个部分以及电源系统、各种输入输出设备系统连接成一个完整的可穿戴计算系统。可靠的单电缆实现了人体上每个设备的电源/数据连接，简化了人体上物理网络连接的实现形式。Body Network将核心计算系统的各个模块连接起来，不但包括基于TCP/IP协议的点对点的Ethernet，也包括了电源控制网络。Body Bus将各种外设和传感器与计算核心系统连接起来，能为视频采集以及音频输入输出等提供高带宽的USB连接，也能为各种传感器提供低带宽的I2C连接。MIThril几乎所有的模块和连接线路都隐藏于马甲中，只有手持键盘鼠标Twiddler和头戴显示器HMD暴露在外面，而且在不使用的时候，Twiddler还能放置于衣袋内[9]。这样的穿戴方式能减少集中式可穿戴计算机腰包式穿戴方式带来的不便，使可穿戴计算机的应用更加方便、舒适。分布式可穿戴计算机的物理实现形式增强了可穿戴计算机的穿戴性能，是可穿戴计算机发展的一个重要方向。

3 结 束 语

可穿戴计算机为用户提供一种随时随地的计算服务功能，它以用户穿戴物为系统的支撑，弱化了传统计算机的形态，使人们可以在忽视计算介质存在的情况下而充分享受其高效服务。可穿戴计算机的发展趋势是逐渐弱化机器的概念，不再以传统的机器形式，而是将机器融入人们日常所穿戴的衣物或佩饰物中。目前已有一些研究机构和大学在开发和研制一类电子纺织品[10]，将各种电路系统编织在衣物中，这类电子纺织品可以像普通纺织品一样随意洗涤和折叠，研究成果可能彻底改变可穿戴计算机的硬件结构。可以设想，在不久的将来，人们可以使用可穿戴计算机，真正享受到随时随地的计算服务。

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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，硕士，主要从事电子机械、计算机网络、新技术应用推广等方面的研究.

编 辑 蒋 晓