穿戴式设备（共10篇）
穿戴式设备 篇1
0.引言
可穿戴设备是直接穿在身上,或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备,其通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。早在2014年CES消费电子展会上,智能可穿戴设备便成了主角,其占了整个展会的半壁江山,几乎渗透入所有消费电子品中,这其中,不只是诸如三星等的国外企业,很多中国企业,包括中兴、华为、百度等都纷纷展出了自己的智能可穿戴产品。随着技术的进步以及用户需求的变迁,智能可穿戴设备从概念正在逐步转化为潮流, 其形态与应用热点也在不断的变化。
可穿戴式生物医疗仪器是可穿戴设备领域的一支生力军,因其可实现对人体非介入的检测和远程诊疗从而被寄予厚望。基于穿戴式生物医疗仪器在社会上引起的广泛关注,笔者认为有必要对这一领域的中国专利申请进行梳理和分析,从而帮助企业和个人对这一领域目前的技术发展水平、发展脉络以及研发热点等有更客观的了解。
笔者首先进行了较为概括的检索,发现穿戴式生物医疗仪器相关的专利申请已达千余项,这其中包括一部分外观专利申请,而在其他两种专利申请中,有相当数量是仅仅通过计步、测量体温或者是测量脉搏来体现其生物医疗功能的。考虑时间成本的因素,笔者将重点放在了涉及血压、 血糖以及血氧饱和度的测量的可穿戴设备上,因为有关这几个参数的测量涉及更为复杂的检测技术,对可穿戴式设备提出更高的要求,相应地, 其也能更切实地实现诊疗功能,从而更有可能满足社会的需求。
1.可穿戴式生物医疗仪器国内专利技术分析
1.1专利申请量趋势
从图1所示出的时间演进来看,该领域的专利申请大致经历了三个阶段。
2003年之前,十余年的时间里仅有几项专利申请,该阶段实际上并没有真正的产品在中国问世,申请人基本上都是国外来华企业(例如 :因尼德姆德 · 科姆公司,CN1309546A),从专利申请的内容来看,主要集中在概念的提出。
2003年到2011年期间,随着无线通讯技术的迅猛发展,可穿戴医疗技术逐渐进入人们视野, 陆续有申请人着眼于这一概念的可实施性,尝试着进行各个方面的技术实践和技术改进(例如 : 香港中文大学,CN1692874A ;四川东林科技有限公司,201675927U)。
2012年之后,由于可穿戴技术在全球刮起的风暴,有更多的申请人试水这一领域的医疗用途 (例如 :浙江大学,CN103315722A,南京专创知识产权服务有限公司,CN104510453A ;郭雨知, CN203914874U),专利申请量也呈直线上升趋势。
1.2申请人的构成
在医疗器械领域,国外来华的申请人往往会占申请人总量的一半或者更多。但是,由图2能够很直观地看出,在可穿戴生物医疗设备领域,中国的专利申请主要来自于国内申请人。实际上,国外来华申请人的专利申请也多集中在早期。扩展检索的结果显示,国外申请人的研发重点不再集中于这一领域的概念层面,而是更多放在了与这一领域相关的具体技术上,包括检测技术的新发现,通讯技术的壁垒攻关等(例如:三星, CN104052528A ,在智能穿戴设备中与多个终端进行通信的装置和方法)。
图3和图4显示出了国内申请人的性质构成和区 域分布。 可以看出, 国内申请 人在这一领域中的构成比较平均,企业占的比重略大(例如 :成都博约创信科技有限责任公司, CN203555728U ;苏州锟恩电子科技有限公司, CN104095623A),这也说明,由于这一领域存在巨大商机,企业更有动力也更有必要在这一领域获得专利权。就地区分布来看,申请人更多地集中在广东、北京、江苏、四川、上海、浙江这几个省份,这与这些省份在电子产品方面的研发水平是基本一致的。
图5显示了在可穿戴生物医疗设备领域专利申请的构成,其中发明专利申请占到了60%(例如 :广西科技大学,CN104042202A ;许建平, CN104434053A),这一方面说明这一领域的技术含量比较高,另一方面也说明了申请人对这一领域的重视程度。还有一个可能的原因在于,这一领域常常涉及数据处理的方法、通讯方法,其有关技术一般只能通过发明专利来寻求保护。
另外,据统计,这一领域的发明专利申请中, 已经授权的占18%(例如 :史密斯医疗ASD公司,CN101330865A,CN101330865B), 由于这一领域的专利申请主要集中在2013年和2014年, 所以,有40% 的专利申请正处于在审状态(例如: 普天信息技术研究院有限公司,CN103876715A), 如图6所示,因此可以判断在这一领域,发明专利申请的授权率应当高于这一数值。
图6中显示了可穿戴生物医疗设备领域的专利申请的历史状态。其中,除40% 的专利申请还处于在审状态之外,42% 的专利申请处于授权专利维持状态(例如 :世意法(北京)半导体研发有限责任公司,CN202168825U ;中国人民解放军第三军医大学野战外科研究所,CN102499694A), 占已经结案的专利申请的70%,这一方面与该领域的专利申请多集中于近几年,专利权维持的时间较短成本较低有关。另一方面也在一定程度上说明在这一领域,申请人对于专利保护的重视程度较高,也间接说明了专利产业化的可能性较高。
1.3技术构成
一个基本的可穿戴生物医疗设备至少要具备生理信号检测、信号特征提取以及数据传输等基本功能模块,其关键技术涉及多个交叉学科,这也决定了在这一领域,专利申请的技术点和发明点会更分散,更复杂。
图7显示了在这一领域专利申请的技术点分布。其中,有超过三分之一的专利申请涉及载体结构的改进,包括作为检测、通讯等模块的载体的手环、腕带等的结构、材料方面的改进,以及行使检测功能的传感器与载体的连接方式的改进等。通过浏览,发现有关这一方面的专利申请大多为实用新型(例如 :白英,CN202044257U)), 发明专利申请较少且鲜有获得授权的(例如 :中国人民解放军空军航空医学研究所,CN1507833A, 视撤)。笔者认为,这主要是由于目前较为公知的可穿戴设备的形式不外乎腕环、指套、衣物以及饰品,并且将这些形式的载体设计为舒适的以及将功能部件结合在这些载体上的手段也都相对公知,因此,在这方面做出改进相对容易,相关专利申请的技术含量相对较低。
除了载体结构,申请人关注的技术点还在于电路结构、通讯方式和数据处理方面(例如 :北京格瑞图科技有限公司,CN103876714A ;杨阳, CN103236030A),这可能是基于在电子产品高度发展的情况,电子元器件资源异常丰富,通讯方式和数据处理手段也比较多样,因此,申请人更容易发现这些方面的改进需求,也更容易获得对应的技术手段。但是,也正是由于这种需求和技术手段的显而易见性,使得这几个方面获得高质量专利的可能性不大。
可穿戴生物医疗设备真正与其医疗应用相关的技术点在于如何进行生理信息的采集和数据特征的提取。然而,关于这一点,相关的专利申请仅占到7%(例如 :江西科技师范学院, CN101301202A)。事实上,由于检测血压、血糖等生理参数的传统检测方式要么是需要较为复杂的操作,要么需要有创采集,所以无法直接应用于可穿戴医疗设备,这就对检测手段本身提出了新的要求。目前存在采用光电手段检测血压血糖的技术,但直接应用于可穿戴设备仍存在检测精度和稳定性方面的不足。在医疗领域,一个精度不高数据不稳定的检测设备是不可取的,甚至是危险的。检测方式的不足会直接影响可穿戴医疗设备的产业化进程。因此,笔者认为,检测手段的改进、检测精度的提高是可穿戴医疗设备研发的一个难点,但它同时又是制约这一领域发展的一个关键点。
还有一小部分专利申请致力于推动可穿戴设备的多功能化,例如,在一个小小的可穿戴设备上集成多项生理信息的检测功能(例如 :杨凯晶,CN202801577U)。这方面的专利申请大多属于个人申请,其在如何实现多功能集成的问题上往往语焉不详。实际上,血压、血糖和血氧饱和度等参数的检测需要利用到不同的检测手段,这种功能的集成不是只有一个简单的构想就能实现和完善的。在电子产品日趋多功能化的大形势下,如何真正做到生理检测在可穿戴设备上的集成化, 可以作为有志于此的申请人研究的一个重点。
笔者还对可穿戴医疗设备的其他技术构成进行了统计。如图8所示,在这一领域,血压的检测显然受到更多关注(例如 :西藏民族学院,CN202891909U ;河南科技大学第一附属医院,CN104013395A ),而有关血糖检测的专利申请较少,这可能与血糖无损检测技术的发展水平有关。 而图9显示出有关可穿戴医疗设备的载体形式的相关数据,包括手表、手环、腕带在内的腕部载体形式比重最大,其次是整合有检测模块的衣服。 另外,约有三分之一的专利申请由于其关注点与载体形式无关从而并未明确限定可穿戴医疗设备的具体形态。
2. 小结与讨论
通过上述统计和分析可以看出,在可穿戴医疗设备领域,专利申请数量在近两年大幅度增长。 其中国内申请占了绝大多数,申请人中企业所占比重大于院校和个人,发明专利申请的数量多于实用新型专利申请的数量。这在一定程度上说明了在近几年的可穿戴设备热潮中,国内企业对于这一领域的新功能和新应用的关注和重视。
另外,在这一领域的专利申请中,有关载体结构、电路结构以及通讯方式这几方面的改进占大多数,而真正致力于可穿戴医疗设备的准确度和稳定性的专利申请很少。这在某种程度上说明, 目前国内专利申请中有关可穿戴医疗设备的发明创造仍旧主要集中于非医疗功能的方面,而如何提高可穿戴医疗设备的医疗检测精度问题,必定成为今后这一领域进行研究和寻求专利保护的重点。
通过统计笔者发现,在可穿戴生物医疗设备领域,申请人较为分散,图10显示出了排名靠前的几位申请人及其专利申请情况。这其中主要是院校和个人,仅有的几家企业的专利申请量也均没有超过5项。图10显示出的情况似乎与目前可穿戴设备的井喷式发展不相吻合,首先,为大众所知的领头企业未见踪影 ;同时,专利申请如此分散令人费解。
笔者就此疑问进行了分析,认为原因可能在于以下两点 :其一,笔者的检索和统计围绕生物医疗目的的可穿戴设备展开,而在这方面,真正进入生产和销售的产品凤毛麟角,其专利申请的情况与已经高度产业化的普通可穿戴智能设备有差异是正常的 ;其二,可穿戴智能设备的知名企业无一例外都是从一般意义上的智能可穿戴设备进军该领域的,其最初的着眼点都集中在无线通讯技术上,即使有在后来将功用扩展到医疗领域的,一般也都是直接借用了现有的生理信息诊断技术,所以,这些企业在生物医疗目的的可穿戴设备方面专利申请较少是可以理解的。
基于以上的可能性分析,笔者针对各大领头企业进行了检索。
中兴公司,其相关专利申请的重点放在远程信息的传送方法上,对具有智能腕表略有涉及(例如 :CN204241857U),但未发现有涉及生物医疗功能的相关专利。华为公司,亦有数十件专利与穿戴式设备相关(例如 :103713740A),但主要关注其通信功能,对生物医疗方面的内容没有涉及。百度公司也有十数件涉及穿戴式设备的专利申请(例如 :CN103529468A),其主要关注的也是通信功能,只对远程生理参数处理略有涉及。 九安公司多年来致力于血压计的研发,但有关穿戴式医疗设备,只有几项相关的外观专利。盛大旗下的果壳公司,其专利主要涉及电子书和手机, 以及与之关联的具有控制和解锁功能的戒指(例如 :CN103326867A),深圳映趣公司则多为外观专利,其实用新型专利主要涉及通信功能的腕表 (例如 :CN203399159U)。
相比于可穿戴医疗设备目前一片大好的市场前景,以及各个突出企业在这一领域所造出的浩大声势,这样的检索结果似乎让人意外。然而, 即使是一个简单的手环,其作为高科技产品所涉及的技术也要囊括多个方面,而如果要应用于医疗,会对结构、检测、数据处理等方面提出更高的要求。因此,很难将整个可穿戴设备的相关技术作为一个整体限定在一项专利申请中。像华为、 中兴这样的善于专利布局的企业,其通过对各方面的相关技术分别进行专利保护从而构建出一个专利池的可能性很大。所以,上述检索结果也是可以理解的。但是,由于在生理信息检测和相关数据处理方面专利申请的缺失,这些企业在进军可穿戴医疗设备时的专利保护难免会受到牵制, 因此,国内企业的专利布局还应当在这一方面做出更多的努力。
笔者在检索中也发现,国外来华企业显然更为重视专利的保护,以三星公司为例,其在可穿戴设备方面的专利申请就有50余项(例如 : CN104484037A,CN103240728A),并且由于其早就开始在医疗诊断领域进行专利布局(例如 : CN101264011, CN101879059A), 因此, 构架专利池对穿戴式生物医疗设备形成有力支撑将易如 反掌。
在科技高速发展的今天,电子产品日趋复杂和多功能化,有能力的企业的产品领域也越来越呈现出扩大化和多样化,这不但要求企业要具备强有力的研发水平,更要有过硬的前瞻性,准确地寻找发展方向,迅速进行专利布局,始终站在历史发展的前列。
可意念操控的可穿戴式设备 篇2
产品介绍：EMOTIV INSIGHT是一款轻巧的多频段无线耳机，戴上它可以随时同步检测你的脑部活动，并理解基本的神经指令，仅凭“意念”就可以对目标实施控制。例如：你可以用“意念”控制一台车的前进、倒退或转弯，甚至是遥控一台直升飞机上升或下降。据悉，EMOTIV INSIGHT 是目前唯一一款使用5个EEG（脑电波）探测器和2个标准传感器的可穿戴设备。可捕获动作、听力、视觉三部分区域的脑电波。此外，EMOTIV INSIGHT还计划在 Android、iOS、Mac OS、Linux 和 Windows 平台上运行相应的应用程序。
编辑点评：随着“意念”操控产品的日趋成熟及相关应用的出现，未来人们可以实现解放双手，高效工作。甚至一些不能用双手的残疾人，也可以用“意念”进行娱乐或工作了。
投影与触屏合二为一
产品介绍：Displair是一款可以在潮湿空气中打出一块触屏的投影仪。用户在Displair上的操作基本上就跟普通触屏一样——用双手滑动、缩放、双击，从Google Earth到玩愤怒的小鸟都不在话下，Displair对操作的检测灵敏度极佳。投影所用的潮湿空气是由Displair自带模块产生的，不过这台设备的使用也有一个限制：房间内的光线要适度，因为投影打出的画面很容易被光线干扰，在室外肯定是用不成了。据悉，Displair售价高达到2万美元，Displair公司表示他们主要的面向的客户不是个人，而是机场、博物馆、商场等商业场所。
编辑点评：触摸功能和投影设备我们并不稀奇，但是当这两者合为一体的时候着实是让人眼前一亮。可是目前来看，它除了“炫”，实用性还是差了点。
体感套装或将颠覆游戏业
产品介绍：PrioVR属于穿戴式设备，穿上它后，便可以让全身自由地在游戏中实现虚拟现实：当你摆动身体的时候，游戏里的人物也在摆动；甚至当你转动视野的时候，四周的景色视野也在转换。据悉，PrioVR将一组高性能惯性传感器内置在可穿戴的无线Hub架构上，免去了微软Kinect中的摄像头、光学系统、视距以及特殊的封闭场景。据悉，PrioVR直接从玩家身体移动感应，避免了端到端的延时，它改进的光学系统比Kinect要提高8倍，性能媲美那些花费数万美元的高端惯性动作捕捉系统。
编辑点评：在PrioVR之前没有一个让玩家真正无缝沉浸到虚拟世界中的技术，可以说PrioVR是颠覆性的创新，它的出现可能会再一次颠覆虚拟现实和游戏产业。
可以翻译25种语言的便携装置
产品介绍：SIGMO是一个知晓25多种语言的便携翻译机，它能够帮助用户打破语言交流障碍。用户首先需要设置母语及需要被翻译的外语，之后按着右侧上面的按钮、对着产品说话，手释放后，SIGMO会把用户的话转换成目标语言“说”出来。相反，当按着右侧下面按钮的时候，产品会把对方的话翻译成自己熟悉的母语。据悉，SIGMO通过蓝牙连接到智能手机，兼容iOS和Android两大平台。而在线翻译服务是使用互联网实现的，比如说Google翻译。这款产品能待机300个小时左右，在通话模式下可维持8小时左右。
编辑点评：便携翻译机的优势非常明显，当然，它也是有缺点的，比如：它的存在会让大家学外语的动力大打折扣。
“取色神器”让你成为调色专家
产品介绍：生活中我们偶尔会看到一些非常喜欢的颜色，但是多数情况下都不知道它是由哪几种颜色调配出来的。这时，一款名为Nix的智能手机配件就派上用场了，用户只需要打开它，对准并贴近目标，然后点击手机应用里面的“Capture”按钮，短短的几秒内，用户即可在手机应用上获得相应的颜色和编码。值得一提的是，这款应用还提供了导购服务。当用户刚扫完一种颜色，如果用户想购买同色的物料（比如说油漆），只需点击一下屏幕上的搜索按钮，应用便会在地图上标出相应的购买地点。据悉，目前这款产品的应用目前兼容iOS和Anroid设备，该团队希望他们的产品Nix最终成为一个简单易用的科学级取色仪器。
编辑点评：对于设计师、艺术家和画家等人来说，他们可以借助这个配件调出更精准色彩，使作品更为逼真。即使是不懂艺术的普通人，借助于Nix也可以成为调色专家。
穿戴式设备 篇3
关键词：脉率变异性,光电容积脉搏波描记法,穿戴式智能设备,心率变异性
0 引言
心率变异性(Heart Rate Variability,HRV)是指连续正常(窦性)心动周期之间时间上的微小差异,与自主神经系统密切相关。近年来,众多线性的和非线性的概念和方法被应用于HRV序列的分析中,并取得了一定的进展[1,2,3]。目前HRV已经成为对心肌梗死、慢性心力衰竭、不稳定型心绞痛、高血压及糖尿病等疾病预测的一项非常有意义的指标[4]。
HRV通常是以分析心电图(Electrocardiogram ECG ),信号中的RR间期(RR interval, RRI)序列来获得,这也是目前HRV分析的黄金标准。但是ECG信号的采集相对复杂,至少需要两个电极与体表接触,而且两个电极之间需要满足一定的距离,不方便在手指指端或手腕等部位实现单点的信号获取。
近年来,一些研究证明,脉率变异性(Pulse Rate Variability,PRV)在一定条件下可以代替HRV来反映自主神经活性。如Lu等[5]研究证明受试者在仰卧位和直立位时的PRV和HRV具有很好的一致性;Gil等[6]在颈部刺激实验中通过对PRV和HRV时域和频域的分析得出PRV和HRV可以通用的结论;Carolien等[7]研究得出健康受试者标准条件下的HRV和PRV高度相关(r > 0.99)。因此,利用光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)信号分析PRV来代替HRV,系统更加便携,成本也大大降低。本文设计了一种反射式光电脉搏波传感器用于PRV分析,为PRV分析在手环、手表等穿戴式智能设备中的应用提供理论和实验依据。
1 方法
1.1 PRV的定义
心脏周期性的收缩舒张活动使血液从心脏射入动脉,再由静脉返回心脏,形成了有机的循环。脉搏波就是心脏的搏动沿动脉血管和血流向外周传播而形成的。对于正常人来说,脉搏波每分钟搏动的次数(即脉率)和心率是一致的。因此,可以用脉搏波信号中的峰峰值间期(Peak-to-Peak Interval,PPI)代替ECG信号中的RRI来进行HRV的计算(图1)[8]。我们把利用脉搏波计算得到的HRV称为PRV。
1.2 脉搏波信号采集原理
脉搏波信号的采集方法有很多种,常见的有压电法、光电法、生物阻抗法等。压电法灵敏度高,但是抗干扰能力和稳定性较差;生物阻抗法精度高,但是测量时需要恒流源电路,设计较复杂;光电法结构简单、性能稳定,已经广泛应用于目前的商业化产品中。光电法又可分为透射式[9]和反射式[10,11],反射式传感器光源和接收器均置于被检测物体的同一侧,因此只要将光电传感器贴在皮肤表面就能测量出脉搏波信号,便于穿戴,本文即采用这种方法。由于人体组织中,指尖、耳垂等部位的动脉成分含量较高,透过手指或耳垂后检测到的光强相对较大,因此光电脉搏波传感器的测量部位通常在人体指端或耳垂。反射式光电脉搏波传感器的工作原理如图2所示(以指端为例)。
假设恒定波长的单色光照射到指端时,通过组织吸收、散射后得到的出射光可分为两部分:一部分是直流成分,主要反映指端组织中各种非脉动成分,如肌肉、骨骼、色素、脂肪、水和静脉血等对光的吸收;另一部分为交流成分,是由血管床随心脏搏动产生的收缩和舒张而引起,主要反映动脉血中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白等对光的吸收。因此,可以认为出射光的变化仅仅是由动脉搏动引起,通过反射光的检测可以间接测量到人体的脉搏波信号。
1.3 脉搏波信号处理
在脉搏波采集过程中,光电接收器接收到的光信号除了包含脉搏信息里的出射光信号外,还包含测量环境下的背景光信号、呼吸干扰、运动伪差、工频干扰和其他仪器产生的干扰等。本文采用数字滤波技术来消除这些干扰。通常容积脉搏的信号频带在0 ~ 200 Hz之间,其能量主要集中在0 ~ 6 Hz,我们选用切比雪夫I型滤波器进行去噪。对去噪后的脉搏波信号,采用一阶导数的方法进行峰峰值的提取,其主要步骤为:
(1) 求原始脉搏波信号的一阶导数;
(2) 找出每个数据段内的极值点;
(3) 将所有局部极大值点连接起来形成上包络;
(4) 根据包络线分类,剔除错点;
(5) 根据得到极值的采样时间计算出PPI序列。
1.4 PRV分析指标
HRV的分析方法可分为时域分析、频域分析和非线性分析三种。时域分析指标主要有:全部正常窦性RRI均值(Mean RR)、全部正常窦性RRI标准差(SDNN)、平均心率(Mean HR)、连续RRI之差的均方根(RMSSD)、全程相邻RRI之差大于50ms的个数(NN50)、NN50占全部RRI个数的百分比(pNN50)等;频域分析指标主要有极低频功率(VLF)、低频功率(LF)、高频功率(HF)、总功率(TP)、标准化的LF功率(LF norm)、标准化的HF功率(HF norm)、低频功率与高频功率的比值(LF/HF);非线性指标有:Poincaré散点图SD1和SD2。PRV的分析方法同HRV一样,分析时只需用PPI代替RRI即可得到上述指标。
1.5 实验系统设计
实验装置主要包括脉搏波传感器、模拟前端电路(AFE,analog front end)、Arduino uno开发板、计算机(PC,personal computer)四个部分。脉搏波传感器采用NJL5303R(New JRC,Japan)。NJL5303R是一款集绿色发光二极管(570 nm)和高灵敏度光电接收器于一体的半导体器件,体积小,非常适合用于穿戴式智能设备中的脉搏波检测。由于NJL5303R输出信号为电流信号,需要先进行电流-电压转换,然后再进行放大和滤波处理。光电二极管工作在反向偏置状态,其结电阻较大,输出电流较小,所以选用了输入阻抗较高的运算放大器MCP602(Microchip,USA)。Arduino uno开发板集成10 bit的模数转换器,将脉搏波信号数字化后传输至PC,由PC完成PRV的分析。整个系统结构框图如图3所示。
2 结果
随机选择20名青年志愿者为测试对象采集脉搏波进行PRV分析。采用Dicare-m1CP微型心电记录仪(Dimetek,China)同步记录心电图进行HRV分析作为参考。脉搏波和心电图的采样率均为400 Hz,每名受试者测试时间为5 min。
采用上述一阶导数的方法对所测的脉搏波和心电图分别进行PPI提取和RRI提取,研究发现,PPI序列与RRI序列高度相关(r > 0.99)。
分别运用Kubios HRV version 2.1分析软件(Biosignal Analysis and Medical Imaging Group,University of Eastern Finland)将20名受试者的PPI和RRI进行分析,得到PRV和HRV的结果如表1所示。
对PRV与HRV各指标进行统计学分析发现,基于脉搏波PPI分析得到的PRV与采用心电图RRI得到的HRV结果基本一致,各指标差异无统计学意义(P > 0.05)。
3 结论
随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的发展,穿戴式智能设备使得人体各生理参数的收集变得容易与便捷,结合云计算、大数据分析的应用将给人类慢性病的预防、早期诊断及康复护理带来全新的方式。HRV是目前公认的定量评价心脏自主神经活动的指标。本文设计了一种反射式光电脉搏波传感器用于PRV的分析,结果与用心电图分析的HRV的结果基本一致。因此,在穿戴式智能设备中基于PPG的PRV分析可以等同于基于ECG的HRV分析,对于临床心血管系统疾病的评价和预测具有同样的应用价值。
穿戴式设备 篇4
“Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”是蓝牙4.0时代常见到的两个标志，前者针对的是蓝牙耳机、键盘灯拓展设备，而后者主要指笔记本、平板电脑、智能手机这样的连接设备，以往的蓝牙标准中，设备仅能进行一对一通信，一定程度限制了移动互联时代多设备间的互联互通。允许设备同时充当“Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”两个角色，这就让多款设备能够同时连接到一台蓝牙设备上。对于可穿戴式智能设备而言，一方面可以满足其同蓝牙耳机等外界设备连接通信的需要，一方面其本身也可同PC等设备连接，用于用户信息的提交和分析，从而起到移动设备枢纽的作用。
值得一提的是，针对可穿戴式智能设备不方便使用WiFi直接上网的问题，蓝牙4.1标准加入了专用通道，允许设备通过 IPv6 联机使用，可穿戴式智能设备完全可以通过蓝牙连接到已上网设备上，然后利用IPv6接驳网络。
2 大大提升的易用性
NFC功能的快速普及与其出色的易用性分不开，以往用户在使用设备蓝牙功能时，配对过程总让人感到麻烦。蓝牙4.1规范在设备连接方面同样进行了优化，两款4.1规格蓝牙设备一旦曾经成功配对，再次连接时只需将两款设备靠近即可，该设计同NFC颇为接近。
3 不单单是智能穿戴设备
无论是一对多的通信功能，还是改进后的易用性，全新的蓝牙4.1规范无疑围绕可穿戴式智能设备提供了强大的支持。其实，拥有智能、低功耗、高连接速度等特性的蓝牙4.1模块，完全可充当物联网时代的纽扣。在无线设备爆发的今天，蓝牙4.1版本特别针对无线信号间的干扰做出优化，以确保用户使用蓝牙传输信息时的稳定性。
未来，测试土壤中的水分含量来控制洒水器运转的设备、汽车蓝牙钥匙等设备将大量出现在用户生活中，蓝牙将成为物联网时代发展的根基。
4 免费的4.1
穿戴式设备 篇5
来自市场研究公司IDC的数据显示, 2014年可穿戴设备的出货量将超过1900万部, 到2018年出货量将达到1.119亿部, 年复合增长率达到78.4%。在发展趋势以及市场容量的双重作用下, 三星、索尼、谷歌、苹果、果壳、咕咚、海尔、小米等众多中外企业纷纷进军可穿戴设备领域, 一时间智能手环、手表、眼镜等可穿戴设备纷纷涌现。
就在整个业界以及部分市场机构对可穿戴设备发展前景表示乐观的同时, 部分业界人士却表达了担忧。当前市场机构统计的基本上是企业的出货量, 而非面向消费者的销量, 这其中很可能存在着市场容量被虚夸的情况, 可穿戴设备真正要走向普及还必须经过市场检验。
对此, 美国媒体《赫芬顿邮报》撰文称, 当前可穿戴设备的确存在着电池续航不足、尺寸厚重、不够时尚、功能局限等普及障碍。综合来看, 这种障碍主要集中在两个层面:一是技术尚待进一步完善, 需要解决功耗、设备互联通信等难题;二是用户体验不足, 需要增加用户体验产品的触点以增强用户认知。
针对这些阻碍可穿戴设备普及的问题, 相关企业已经展开了积极探索, 像三星、索尼等企业都已经在体验店中展出了相关可穿戴设备。但对大多数企业来讲, 布局体验店的成本相对较高, 况且很多可穿戴设备企业都是初创企业, 相对单一的产品线也不可能大规模布局体验店。正是因为这些原因, 当前行业性展会成为可穿戴设备真正走进用户的重要平台。
当前中国已经全球最大的消费电子市场, 随着海尔、百度、360等企业不断强化在可穿戴设备领域的战略布局, 中国可穿戴设备市场也迎来了新的发展机遇, 这吸引着全球可穿戴设备企业纷纷谋求拓展中国市场。
亚太地区专业的消费电子类展会中国国际消费电子博览会 (简称SINO-CES) 主办方表示, 在中国市场的吸引下, 全球可穿戴设备企业均积极进军中国, 并对参与展会表现出极高的热情。为此, 2014年SINOCES专门开设了移动互联及可穿戴设备展区, 届时谷歌眼镜、智能健康手环、智能手杖、智能手表、意念猫耳等产品都将悉数亮相。同时, 为了增强这一展区的体验性, 组委会还专门组织了定时的模特走秀, 更方便人们感受到智慧生活带来的颠覆变化。
在确定参展的产品中, 最受人关注的便是当前业界最热的谷歌眼镜以及意念猫耳等创新产品。谷歌眼镜作为可穿戴设备的开创者, 一直引领着整个产业的创新趋势, 集合了导航、相机、蓝牙耳机等多种功能于一身, 实时信息可以通过显示屏显现, 只要眨眨眼就能完成拍照上传、查询路况等操作。意念猫耳则是一款可感知人情绪的设备, 通过运用Neuro Sky (神念科技) 的脑电波技术, 它可以体现出佩戴者的心情, 并随着人类情绪起伏做出相对应的表示性动作。
穿戴式多媒体系统 篇6
多媒体通信系统在人们的生活中正在扮演着越来越重要的角色,而笔记本式计算机、智能手机等多媒体终端产品的功能也随人们应用需求的提高而日趋强大。现在很多新型的智能手机集影音播放、语音通信、网络浏览等诸多功能于一身,还可用于拍照、摄像或视频监控等,应用前景十分广泛。
但是传统的手持式电脑或手机等多媒体系统也有其自身的局限性,那就是这些多媒体系统都假定产品的使用均是用双手操作的常规工作和生活环境。对于一些特殊的环境,如太空舱中的失重环境,战场侦查、交通指挥或高空攀爬等特定环境,无法腾出手来进行繁琐的多媒体设备操作。另外,在载人飞船或空间站环境,或地面高速运动的火车、地铁、汽车上,受震动或晃动的影响,人长期观看一个较小的屏,其视觉会产生不适。虽然有人提出并设计了穿戴式计算机系统[1,2,3],但要么未能提供有效的音视频采集处理等多媒体通信功能,要么应用于医疗领域,都难以满足多媒体通信领域的应用要求。
基于以上原因,笔者等人设计并开发了一款穿戴式多媒体信息系统。该系统通过将多媒体信息采集、显示、处理、操控、通信等设备或部件进行穿戴式的设计和集成,针对性地解决失重、移动等环境下多媒体终端设备的固定、携带、人机交互等问题,为此类环境下多媒体通信和娱乐提供了有效的解决方案。具体来说,穿戴式多媒体系统以头戴式帽子(多媒体头盔)和夹克式服装为基本载体,将多媒体信息终端设备及其外设分别集成到服装和头盔上,并通过隐藏在服装内部的线缆进行连接和信息传输。使用者在穿戴该套服装后,就可利用该服装携带的设备进行可视电话、视频会议、影视播放、网络浏览、远程监控、游戏、电子图书阅览等操作。
与传统的笔记本式计算机或智能手机多媒体终端相比,穿戴式多媒体系统至少具有以下优势:
1)系统采用可穿戴式服装多媒体结构,突破传统多媒体终端结构形式(笔记本式计算机或手机),有利于解放用户双手,并充分利用人体工效学原理,克服震动对视觉以及失重对握力等的影响,改善人机交互环境。
2)系统采用WiFi或3G无线接入,克服了用户使用多媒体设备时线缆对活动空间的限制。同时,整个系统也不受设备空闲/繁忙的限制,不受使用地点和场所的限制,随时随地可用于通信、上网和多媒体娱乐。
3)开发了高度集成的嵌入式多媒体平台和软件。系统使用基于SoC的单芯片加上Android开源软件的嵌入式平台方案,提高了系统的集成度和稳定性,降低了功耗,减少了硬件成本。
2 穿戴式多媒体系统组成
穿戴式多媒体系统由穿戴式多媒体外设、多媒体服务器主机(或多媒体网关)和电源模块,以及连接它们的服装式线缆网络(简称为服装通信网络)组成(如图1所示)。
多媒体外设包括眼镜式微投影液晶显示器、头戴式摄像头、耳机/传声器(麦克)、腕式遥控器等,实现音视频信号的采集、显示,以及控制信号的输入。
多媒体服务器采用嵌入式设计,利用高性能的多媒体SoC芯片,集成存储器、WiFi或3G无线网络接口、SD卡接口、音视频等多媒体采集模块,以及时钟、电源等模块,封装于专门设计的可固定于服装口袋内的结构内。多媒体主机作为穿戴式多媒体系统的大脑,主要负责音视频信号的编解码等处理,以及V2IP等多媒体通信功能,因此也可称为服装多媒体网关。
遥控器集成触摸板/屏和键盘、2.4 GHz无线收发器等,直接与多媒体服务器通信,为用户提供易于操作和携带的人机接口设备。电源系统由一个专用电池盒供电,集成可充电的锂电池模块,提供直流5 V,12 V等双电源输出,负责整个系统的电源供给。
服装通信网络通过埋设在服装内的通信、电源等线缆及连接器等,将多媒体外设(如眼镜式显示器等)与多媒体服务器、电源等连接起来;通信线缆网络的设计,以确保设备放置便捷牢靠、线缆连接集约简洁为原则。穿戴式多媒体与局域网、骨干网等外部网络的接入,则可通过多媒体服务器的WiFi模块,实现高速接入。
穿戴式多媒体系统主机采用嵌入式SoC和Android SDK开发平台[4],实现的功能包括可视通信(带有语音电话、可视电话)和视频会议、视频拍照和摄像、网络浏览和流媒体点播、本地存储卡音乐或影视播放、游戏等。
系统支持G711a/u,H.264等音视频编解码标准,最大支持VGA(640×480@30帧/s)分辨率的全双工实时音视频通信,以及SIP,RTSP,UDP/IP,TCP/IP等通信与网络协议,具备IEEE802.11a/g WiFi网络接口。
3 穿戴式多媒体系统软硬件平台
穿戴式多媒体系统核心处理平台包括硬件平台和软件平台两部分。硬件平台采用了目前市场上Freescale的一款性能先进、集成度高、接口丰富的多媒体SoC芯片i.MX27,该芯片包含一个主频400 MHz的ARM926EJ-S嵌入式处理器[5]、一个视频处理单元VPU,以及丰富的接口资源,如存储接口、数据传输和控制接口、系统调试和安全接口等。基于该处理器的软硬件系统协同工作,用以实现音视频的采集、编码、解码、显示等多媒体信息处理,以及网络收发传输、协议实现、外设管理等主控功能,该芯片配备外围的音视频数据采集模块、音视频编解码模块、无线WiFi传输模块、以太网接口模块、SD存储模块、电源模块、时钟模块等,可进行音视频数据的输入、编解码、存储、输出,终端系统的命令融合、操作控制以及网络数据的传输。系统硬件原理框图如图2所示。
如图2所示,该系统硬件平台主要包括中央处理模块、媒体处理模块、存储模块、外围接口模块、电源管理模块等。
中央处理模块是整个硬件系统的核心,基于Freescale的i.MX27多媒体处理器开发设计;媒体处理模块主要完成音视频的采集和播放,以及视频的前置和后置的处理;存储模块用于存放运行的程序和数据,以及系统的Bootloader、内核镜像和文件系统等;外围接口模块包括以太网接口、串口、USB键盘等,用于网络传输、与PC机通信等;电源管理模块则负责为系统稳定的供电。
媒体处理模块完成音视频的采集解码与编码输出。来自头戴式摄像头的视频通过AV IN接口送入视频采集解码芯片TVP5150,解码后的视频信号送入中央处理模块i.MX27进行压缩编码传输等处理;CH7024芯片负责将i.MX27解码输出的视频数据进行编码,通过AV OUT接口输出到眼镜式显示器等外设,进行视频的呈现。来自传声器的音频则通过WM8974进行编解码处理。
用户人机操作采用无线键盘鼠标或触摸屏。系统主机还支持SD卡数据存储。与网络通信的接口为无线WiFi或10 M/100 M以太网。此外电源模块提供整个终端系统中各模块需要的直流电平。
系统软件平台在SoC提供的DDK基础上,开发基于Linux和Android的嵌入式多媒体应用软件(如图3所示),以满足该多媒体终端可视电话、会议、上网和媒体播放等功能。软件的开发在Eclipse IDE中用Java语言开发,Android平台提供了大量的应用接口以及丰富的SDK开发包,具有开发速度快、便于理解和移植的特点。
基于Linux+Android操作系统,在图3所示的软件平台上,采用多线程等技术,设计开发和集成了可视电话[4]、可视会议、视频播放器、音乐播放器、网络浏览器等丰富的功能软件,为用户提供多媒体通信与娱乐等服务。具体包括:
1)可视电话:基于SIP协议,实现两人端到端的IP可视电话,在VGA(640×480)@25帧/s下实现全双工的音视频通信,具备电话薄等主要功能,其软件架构与主程序流程图如图4、图5所示[4]。
2)视频会议:支持基于MCU(通信服务器)的多点会议,可实现多人的IP可视会议。
3)媒体播放:实现提供本地音乐、电影、电视等多媒体节目的播放功能。
4)流媒体点播:提供流媒体点播服务,支持HTTP,RTSP等流媒体传输协议,支持mp4等格式的视频和mp3等格式音频的在线点播。
5)Internet浏览:提供网络浏览器,支持Internet等网络浏览及下载等服务。
6)其他功能软件。
4 服装多媒体网络及其外设选择
如前文所述,穿戴式多媒体系统是以头盔式帽子和夹克式服装为基本载体,将多媒体信息终端设备及其外设分别集成到服装和头盔上,并通过隐藏在服装内部的线缆进行连接和信息传输。具体来说,穿戴式多媒体服装系统可划分为头戴部分、服装部分以及它们之间的缆线连接(如图6所示)。头戴部分在头盔上集成了摄像头、耳麦和眼镜式液晶显示器,是整个系统的输入输出设备。服装部分在夹克上集成了多媒体终端盒、电源盒和遥控器,负责视音频信号的处理,控制指令的发送、处理以及网络数据的传输。整个系统通过内部缆线连接,进行数据通信。
头戴式摄像头是穿戴式多媒体服装系统的视频输入设备,用来采集用户视频信息。采集的视频信号通过缆线传输到多媒体终端盒,进行进一步的信号处理和显示。系统根据结构设计需求对头戴式摄像头选型,使其满足看前方、看自己等空间上灵活设置的要求。头戴式耳麦是穿戴式多媒体服装系统的音频输入输出设备,负责采集用户语音信息以及播放音频信号。头戴式耳麦在选型上轻便、小巧,易于经常佩戴和摘取。眼镜式液晶显示器是系统的音视频输出端,显示由多媒体终端盒输出的视频信号,包括影片、控制交互菜单以及视频等信息。该显示器是美国VUZIX公司推出的一款眼镜式微投影液晶显示器,具有高清的LCD显示效果(45 in(1 in=2.54 cm)以上),并集成耳机。其显示效果相当于距用户3 m处1.7 m宽的屏幕的显示质量。
系统服装网络将优质、柔韧的电缆缝制在衣服上,方便设备的通信连接和穿戴式集成。通过在线缆的节点设置小巧可靠的连接器(放置在口袋内),一方面将头戴式摄像头、眼镜式显示器等集成在头部的外设线缆,集成为连接器的公头;另一方面,将多媒体主机、电源盒之间的连接线,集成连接到连接器母头上。连接器母头放置在上衣口袋内,用于衔接头部外设与连接线缆的插拔连接,便于设备拆卸。在服装口袋内、设备外套上采用了特定的粘接和固定措施。遥控器属于无线设备,不需要线缆连接,因此只需要设计一个口袋,在不用时穿戴。多媒体盒和电源盒属于常用设备,固定安装在手容易接触到的位置,方便用户的操作,并留有线缆连接插口。
5 应用及结束语
穿戴式多媒体系统在载人航天等方面具有广阔的应用前景。系统自主开发实现的可视电话、视频会议、多媒体娱乐和网络浏览点播功能可以在不同层面解决宇航员的工作和休闲需求。在解放宇航员双手的基础上,可视电话实现宇航员终端之间或宇航员终端与地面终端之间的通信,包括单纯语音通信以及视频通信;视频会议使多宇航员之间或多个宇航员和地面终端之间的联络成为可能,而流媒体点播、网络浏览和影音播放等功能可以让宇航员在工作之余适时地娱乐,放松神经,缓解压力。
同样,系统可转为警用,为交通警察、安防队员和侦查兵等特种行业提供穿戴式多媒体信息设备和服务。这类特殊职业人群可在装备穿戴式多媒体系统前提下,无需双手作业完成通信、侦查、信息交互等任务,并可针对各自工作特点提供对应的个性化服务。
摘要：介绍了一种可穿戴式多媒体系统。和常用的手持式电脑或手机相比,穿戴式多媒体利用人体工效学原理设计的头戴式耳麦、眼镜式显示器和摄像头部件、腕表式触控屏、服装网络及多媒体通信网关,可有效克服由于失重或手持不便等应用场合的限制,适合在失重环境、野战环境或手工作业条件下应用。
关键词：穿戴式,多媒体系统,SoC,Android平台,可视电话
参考文献
[1]刘宏伟,杨孝宗,曲峰,等.可穿戴计算机多媒体任务处理技术研究[J].计算机工程与应用,2003,39(2):34-36.
[2]刘骊.基于可穿戴计算平台的医疗监护系统研究与开发[D].西安:西北大学,2008.
[3]彼得森三世.可穿戴的计算机和服装系统:中国,CN01142503.2[P].2001-11-27.
[4]邵长彬.嵌入式V2IP设计及监控视频多流传输研究[D].上海:上海交通大学,2011.
穿戴式设备 篇7
2012年6月, Google Glass首次亮相, 一石激起千层浪。在智能手机和平板电脑的大战中, Google Glass以眼镜的形式问世, 算得上是另辟蹊径。同时, 它的发布也宣告了可穿戴设备的黄金时代终于到来:世界各地的开发者纷纷投身其中, 为它开发应用;商业大佬们更是斥巨资加紧研发可穿戴设备唯恐错过商机。毕竟, 以1500美元的高价仍能为顾客所接受, 给了市场很大的鼓励。
除开这些开发者、投资者, 还有一个行业也开始蠢蠢欲动——广告业。印度一家名为Tecsol Software的公司针对可穿戴设备推出了广告引擎服务。千禧媒体公司 (Millennial Media Inc) 和吉普公司 (Kiip Inc) 都已加入寻找可行的穿戴式广告技术, 欲将这种可穿戴设备打造成新一代的营销平台。
正如移动广告工具开发商In Mobi副总裁兼营收与运营主管阿图尔·萨蒂贾 (Atul Satija) 所说:“任何带屏幕的设备都有着令人关注的商机。”即使小到手表表盘这样的方寸之地, 也逃不过广告主们注意。
1 可穿戴设备中的广告设想
1.1“精准”是吸引广告主的首要原因
提到广告投放, 有一个词是永远绕不过去的:“精准”。就像没有人愿意做无用功, 每一个广告主也都希望自己的广告投放给真正有可能购买自己产品的人。也因此, 当人们习惯了每日早餐后一份报纸的时候, 报纸的版面一直是抢手货;而当手机开始流行, 短信广告也风光一时;直到现在, 新媒体时代, 网路广告占据广告预算的很大一部分。精明的广告主最擅长计算投入与产出的成本, 这使得他们必须时刻关注自己的受众在关注的东西, 时刻了解他们的受众在接收的信息, 恨不得能够时刻监视自己受众的生活, 以求投放最能吸引他们的广告。
而智能化可穿戴装备恰恰具备以上的这些需求。可穿戴设备时刻跟踪用户信息, 记录用户的身体状态 (心速、脉搏、血脂等) 、地理位置 (GPS) 、甚至是正在进行的动作 (身体感应定位或者人机交互) 。如此一来, 广告主就可以根据受众的具体情况投放广告:向正处于运动状态的用户推送一条运动饮料的广告, 或者向心律不齐的用户推荐一位医生或者心脏病的特效药……这种广告的精确程度是现有的广告传播媒介所不能具有的, 可穿戴设备所展现的营销机遇主要在于其拥有富有价值的独特数据, 同时可进行提取加工分析, 并据此提供更加细致的客户信息, 让广告主、营销者有了更新更好的方式来将信息精确推到消费者面前。与当前广告方式最大的不同, 在于智能穿戴时代的广告更精准、更隐秘, 这对移动营销具有重大意义。[1]
1.2 受众态度转变:不仅对广告说yes, 还要please
从目前的情况来看, 可穿戴设备并不会止步于智能手表或者眼镜, 可穿戴技术的未来, 是隐形化、是变没有。这种隐性化是非常彻底的“消失”, 智能芯片会直接植入我们的身体, 与我们自然地融为一体, 不要说小屏幕, 我们连它在哪里都不知道。而此时, 我们的广告该在哪里投放?事实上, 彼时, 将不再是我们向受众推送广告而是受众向我们要广告。也就是他们不仅要对广告说Yes, 甚至是要主动的说Please。而且, 这种索取广告的过程, 将通过语音甚至是脑电波来实现。当你饿的时候, 你脑海中一个“想吃饭”的想法, 就可以带来各个餐馆的地址电话, 只等你一声令下, 他们就会以某种信息传递方式到达业主的订单中。这个时候, 广告在可穿戴设备中的投放, 就达到了一种神乎其神的效果, 广告主也能够变被动为主动, 只为想自己寻求广告信息的客户发布信息, 大大地提高广告投放的回报比。
当然这种想法只是一个美好的设想, 真正的可穿戴设备是否会向这个方向发展还是未知数, 但是, 跟随其发展时刻做出适合自己的广告投放方案, 将利益最大化, 是每个广告主希望看到的结果。
1.3“大而不当”和”细而不周”
我们前面提到, 可移动设备在大小上可以称得上是“方寸之地”, 甚至会越来越小, 直到“消失”。那么, 在其完全隐形之前, 我们的投放应该把握怎样的尺度呢?毕竟我们相信如果粗暴地用广告挤满了用户本来就不甚宽敞的手表屏幕或者眼前, 这个广告商绝对会招来反感。在这一方面, 谷歌眼镜虽已经有相关的广告投放专利, 但也还不敢轻易有所动作, 甚至曾当面否认不会考虑在谷歌眼镜上投放广告。他们的发言人称:谷歌不会将谷歌眼镜上应用软件中所产生的用户数据传输给任何广告主或者代理商, 这说明谷歌关于在智能穿戴设备上投放广告这一行为非常慎重, 然而从种种迹象表明它又是最有可能会首先点燃可穿戴设备营销的这把火, 就像它引爆可穿戴设备、智能家居的概念一样。[1]谷歌在广告投放上的谨慎, 是出于用户体验和人机交互感受的合理思量, 现在看来是具有现实意义的。
智能可穿戴装备的运用可以更加全面和准确的跟踪用户信息带给用户良好体验的同时为广告主的广告投放带来精确定位, 可以说是在细节方面取胜。但是, 在这一过程中, 隐私问题不可忽视。对于置身其中的用户而言, 一方面渴望大数据时代给自己带来更为贴心便捷的服务;另一方面, 又时刻担忧自己的隐私安全遭受侵犯。这是伴随在智能化时代里, 一直没有得到良好解决的社会伦理问题。
2 结论
可穿戴设备在当下十分火热, 人们认为这将是未来生活的趋势。许多商业领袖们都将放弃传统的智能手机, 并且用可以永远在线的可穿戴设备取而代之。[2]随之而来的广告投放问题, 也应经引起了人们的关注和探讨。感谢科技的进步为广告也提供更加精准更加灵活的投放方式的同时, 广告对于用户的体验的影响以及受众对于隐私的担忧也应该引起广告主足够的重视。
参考文献
[1]陈根.方寸间的亿万金矿:当广告遇上可穿戴设备[EB/OL].梅花网[2015-07-16].
穿戴式监护仪概述 篇8
关键词：穿戴,监护仪,信息传递,无线传电
1 整体架构
整个系统按功能可分为3个部分:穿戴式生理参数传感系统, 信号采集和传输系统, 远程信息交互系统。从系统构成角度看, 可分为2个部分:可穿戴系统和远程交互系统, 其中生理信号传感、采集与无线传输为一体化设计, 集成在可穿戴系统内, 可穿戴系统与远程交互系统之间通过zigbee建立无线连接。 (如图1)
2 穿戴式生理参数传感系统
本系统所用的可穿戴式生理参数传感系统如图2所示。通过该系统可实现心电、胸呼吸、腹呼吸、体温以及体位/体动等多个参数的负荷获取。胸腹呼吸运动经过标定后, 可实现通气量的无创连续测量。
体温测量是最基本的生命参数测量, 由于贴近人体, 可采用热电偶极子进行测量。三轴加速度传感器, 用于感知使用者的身体平衡和状态, 出现摔倒或者剧烈移动是产生预警。三导心电可以满足基本的心电图测量, RIP胸腹呼吸监测有助于监测呼吸的稳定, 肺部是否有痰等。
除此之外, 还有最常用的上臂血压测量, 以及指头血氧、脉搏的测量, 这些设备就其便携性而言, 也可以设计为穿戴式与改系统成为一个整体对使用者做全面的监护。由于血压测量时需要重气和放弃, 重充气泵和漏气阀这些部件消耗的电量比较大, 因此在穿戴式设计中, 一般要使用超声波电机来带动充气泵, 而气阀只要与充气泵联动就可以了。 (如图3、图4)
3 信息传递网络
信息传递分两个层次:一是测量传感器之间的信息交互;二是穿戴系统与远程交互设备之间的通讯。各个测量设备之间首先要通过体表的信号传输将信息汇集到一个主机上, 该主机可以是测量血氧或测量血压的设备, 这才是具备与外界通讯能力的门户, 所以它使用的电量会比较大, 所以也只有它的电池才需要容量大一些, 体积也会相应大一些。而其余的设备不需要很耗电的通讯能力。所以电池可以用很轻很薄的纽扣电池, 也可以工作很长时间。这就是后面提到持续供电的重要性。
血压测量或者血氧测量、心率等, 这些测量的结果数据量很小, 因此可以用一种速率很低成本也很低的体表通讯方式实现信息互联。索尼曾经提过这种通讯方式, 对外公布了一种全新的声音信号传输方式——声音通过人体传输。索尼展示的这种声音传输方式的总体工作原理是:音乐播放器发出的声音通过人体来传播, 之后由戴在头部的耳机来接受信号并还原成声音。 (如图5)
索尼展示的这种全新的声音接听方式把人体作为可以负载微静电电荷的电容载体。音乐或者视频播放器发出的脉动信号首先会来到一块可以传导的布垫上, 这块布垫可戴在手腕上, 该特殊传导布垫可把脉动信号传播到佩戴者的身体上, 接着, 头戴耳机上的传导耳垫便可以接收到信号并还原成声音, 这样, 也就作到了音乐通过人体进行无线传播到达耳朵。
要传递速率甚高的声音信号难度当然很大, 但只是传输几bite每分钟的数据量就很简单了。通常这要经过一次调制和解调, 由于人体的电阻较大, 传递过程中的衰减需要一个高阻抗的放大器来放大信号之后才能解调。 (如图6~图8)
4 系统持续供电
测量设备的主要功能就是采集信号和通过体表传输信息, 两者消耗的电能都非常少, 一节3V的纽扣电池通常就能用几个星期, 所以主要解决的供电问题是耗电较大的血压计, 因为它上面使用的气泵和对外通讯设备都需要消耗很多电能。上文提到, 为节约电能已经使用了超声波电机, 并且使用可充电的锂电池供电, 使用几天之后就必须充一次电。
鉴于穿戴式监护的设计原则就是尽可能的较少长导线的使用, 我们不提倡插根电线来给锂电池充电, 当然拆除电池下来充电是很麻烦的事情。于是, 我们设计了无线充电。就目前的技术, 我们尚不能从很远的距离之外给设备无线供电, 除非那是多么大功率的一台发射机。只能将发射器设计安装在使用者经常挨着的椅子扶手在或者床边一侧, 这样使用者休息的时候就能够自动充上电了。
由图9可看出, 无线传电的基本方式是要有磁耦合, 类似于变压器的原理。而为了提高传输效率, 还需用到强耦合磁谐振, 如图10。在耦合谐振系统 (如声音、电磁、磁、核等) 里, 经常会产生“强耦合”运行状态。如果处于给定系统中的这种状态, 谐振体之间的能量交换则可期望达到很高的效率。
5 结语
可穿戴设备展望 篇9
首先，可穿戴操作的便捷性，就像智能手机比PC更方便携带一样，可穿戴设备相比其他移动设备不仅更加便携，在使用上也更加多样性，它几乎可以完全依靠人体的自然动作实现操作，比如Google Glass的眨眼拍照。这显然比双手捧着设备进行按键操作来得更诱惑。
其次，可穿戴设备的外观更加时尚。我们相信拥有时尚且漂亮的外观会引起更多人的购买欲望，比如iPhone。我的很多朋友购买iPhone只是为了炫耀，他们除了打电话、发短信，几乎很少使用其他的软件。在将来，人们会发明可以使用的智能装饰，像戒指、项链、耳环或手镯来替代那些传统的首饰饰品，当然，镶了黄金和钻石的设备更是富人炫耀的首选。
而随着云计算的快速发展，可穿戴设备将给用户带来极其强大的数据统计能力。也因为穿戴产品与人的贴服性，所以它的计算能力就如超能力一般与生俱来。可以想象，不用点击任何按键，眨眨眼就可以看到想看的内容；站在商场里就可以知道哪家商店进行打折等等，仿佛自己真有了超能力一般。
人类跟大多数动物相比最重要的优势就是能够使用工具，科学家们也一直试图直接增强人类的能力，尽管可穿戴话题热度如日中天，但这也仅仅是一项过渡技术，毕竟，如今的可穿戴仍会给人们带来负重感，而从科技的发展趋势来看，下一项研究会将我们体外的设备转移到体内，换句话说可穿戴产品最终要和人体合二为一，成为身体的一部分。
听起来非常的疯狂，但是从科技产品的发展来看，能够记录人体特征和睡眠质量的手镯、可以打电话的手表、甚至可以穿戴的“显示器”早就已经见怪不怪了。而且能够增强现实的眼镜和可检测体感的设备都已经上市。
这些发展都离不开智能设备，而智能手机又是可穿戴设备发展趋势的关键点，现在的智能手机都具备强大的计算能力，就好比人类的大脑一样，而各种可穿戴设备就好比是它的分布式神经系统。这些智能设备也在逐渐改变我们的生活和工作方式，随着时间的推移，我们将很难脱离这些智能设备，也将无力反抗这些设备，进而越发地将这些设备与我们自己融为一体。
而植入技术在医学界已经有数十年的发展历史，但一般病人在重病的情况下才会考虑植入穿戴医疗设备。随着医学植入技术的发展，新型植入手法也相继问世。因此，医学植入领域的技术人员也希望利用数码科技来提高人体的各种技能，希望通过科技产品的植入为人类带来全新的认知体验。
智能可穿戴设备及其应用 篇10
智能可穿戴设备是一种可以穿在身上或贴近身体并能发送和传递信息的计算设备,它可以利用传感器、射频识别、全球定位系统等信息传感设备,接入移动互联网,实现人与物随时随地的信息交流。智能可穿戴设备分为生活健康、信息咨询和体感控制类设备。其中,生活健康类的设备有运动、体侧腕带及智能手环 ;信息资讯类的设备包括智能手表和智能眼镜 ;体感控制类的设备包括Kinect、Leap Motion等体感控制器 [1,2,3]。
1.智能可穿戴设备的种类
目前,智能可穿戴设备的种类繁多,按照不同的分类方式,可以规划出不同的类型[4]。
1.1 应用功能
1.1.1 人体健康、运动追踪类
Nike+ 系列产品和应用(Fuelband)、JawboneUp、叮咚手环、Glass Up、Fitbit Flex。以上智能可穿戴设备,主要通过传感装置对用户的运动情况和健康状况做出记录和评估,大部分需要与智能终端设备进行链接显示数据。
1.1.2 综合智能终端类
Google Glass等。这些综合智能终端类设备也需要与手机相连,可是功能更加强大,独立性更强,未来将成为智能可穿戴设备的主导产品。
1.1.3 智能手机辅助类
Pebble等,这些智能手机辅助类可穿戴设备作为其他移动设备的功能补充,一方面必须与智能手机等设备配合使用,另一方面可以简化智能手机的操作。
1.2 佩戴位置
按照智能可穿戴设备的佩戴位置进行分类,虽然分类方法缺乏依据,但是其分类方法相对简单、界限清晰。主要有手(臂)环类 :主要以一系列运动记录手环、臂环为主 ;手表类 :Pebble等辅助类智能设备 ;眼镜类 :主要是以GoogleGlass等为主的新型智能终端 ;智能服装类 :主要由Geek开发,几乎没有正式发布的产品,例如可以通过转化太阳能为电子设备充电的比基尼、靴子等。
1.3已发布智能可穿戴设备 [5,6,7]
1.3.1 Google Glass& 微软眼镜
Google Glass内置GPS、动作传感器、摄像头等,可以指路、好友互动、拍照和拍摄视频,并与Google其他服务紧密集成,更是增加现实体验感。
微软眼镜命名为“Monocle”,该智能眼镜可以在观看实况比赛过程中,为用户提供相关的数据信息,增强现场体验感。
1.3.2 Nike+ 和 i Watch
Nike+ 和i Watch为智能运动手环。Nike+ 是一系列可穿戴设备和应用,主要为用户提供运动记录和数据分享等功能,产品包括 :Nike+Sport Watch GPS、Nike+ Running应用程序、Nike+ Sport Band等 ;i Watch所能实现的是简单的数据通信和中转。
1.3.3小米智能鞋和Heapsylon
小米智能鞋是由小米公司推出,该智能鞋能与小米手机连接在一起,不仅可以测算路线,还可以测算出跑步时的心率等情况 ;Heapsylon则是可以测量跑步者的步数、步距、速度和消耗的卡路里的智能袜子。
2.智能可穿戴设备相关技术
智能可穿戴设备的发展离不开关键技术的支持,这些技术可划分为感知层、个人服务层以及后台服务层等[8,9],所涉及的关键技术主要包括语音识别、眼球追踪、骨传导技术、低功耗互联技术、裸眼3D技术、高速互联网和云计算以及人体芯片等[4]。
2.1 技术层次
2.1.1感知层
通过各种类型感知设备获取人体相关信息,交由数据预处理模块处理。预处理包括:A/D转换、标示、封装等。由于人体相关生理参数和运动状态密切相关,因此监测用户的生理参数、并且“知道”用户处在何种运动状态下,可以区分人体是由于剧烈运动引起的生理异常或疾病引起的病理性生理异常,对准确判断用户的身体健康情况具有重要意义。由此,感知层应包括生理参数传感器、运动状态传感器。
2.1.2 个人服务层
个人服务层是智能可穿戴设备的数据处理中心,面向的人员是穿戴者,包括 :生理信息诊断模块、运动状态与危险动作识别模块、历史运动状态与事件队列、决策模块、报警模块、人机交互模块。生理和运动监测模块对应不同的分类器,执行相应的分类算法,然后将该分类结果放入历史运动状态与事件队列中。决策模块从该队列中取出生理状态和运动状态进行判断。感知层和个人服务层的处理单元之间连接用短距离通信方式,如Blue Tooth、Zigbee ;个人服务层和后台服务层之间的互联采用远距离通信技术,如Wi Fi、3G或4G。
2.1.3 后台服务层
后台服务层是系统的数据处理和分析中心,面向的人员主要有系统管理者和医生。功能单元主要有系统管理模块、服务响应模块、数据存储与分析模块。服务相应模块对多用户数据进行分析、统计服务、个人用户的既定服务 ;系统管理模块对多个警报信息进行分类、识别、优先级处理,以便用户能得到实时的救助 ;数据存储与分析模块负责为各个功能模块提供数据支持。
2.2 关键技术
2.2.1语音识别
语音识别常见于一些移动操作系统、软件和部分网站,智能可穿戴设备中的语音识别技术,可以在输入上和人机交互时取代键盘和手写,真正“解放人类的双手”,提高效率。
2.2.2 眼球追踪
眼球追踪技术早已广泛应用于科学研究领域尤其是心理学领域。眼球追踪技术在智能可穿戴设备中的出现,将有可能催生出比触屏操作更“直观”,比语音操作更“快捷”的操作方法。
2.2.3骨传导技术
骨传导技术一直以来是一项军用技术,通过震动人类面部的骨骼来传递声音,是一种高效的降噪技术。
2.2.4低功耗互联技术
现已成功商用的蓝牙4.0可以很好地解决智能可穿戴设备的能耗问题。蓝牙4.0技术的应用,使得智能可穿戴设备成本更低、速度更快、距离更远。
2.2.5裸眼3D技术
裸眼3D摒弃了笨拙的3D眼镜,使得人们可以直接看到立体的画面。通过时差障壁技术、柱状透镜技术和MLD技术,用户可以在液晶屏幕上感受清晰的3D显示效果。
2.2.6高速互联网和云计算
当宽带或移动互联网速度接近甚至超过硬盘读写速度的时候,通过终端访问云数据就像读取自己硬盘里的东西一样容易。较大运算量的任务将在云端处理,再将处理结果发送到终端呈现在用户眼前。这样可大大降低智能可穿戴设备的成本并减少它的体积。
2.2.7人体芯片
人体芯片已经广泛应用于军事和医疗领域,但目前因为体积和安全的原因,人体芯片技术未能得到广泛应用。
3.智能可穿戴设备的市场
3.1 智能可穿戴设备产业链
智能可穿戴设备的产业服务链主要包括芯片、传感器、屏幕、电池、设备厂商、系统平台以及营销模式等方面[10],主要的参与者及相关品牌如图1所示。
3.2 市场分析
中国是智能可穿戴设备的新兴市场,2012年市场规模为8.9亿元。随着智能手机和物联网技术的成熟,预测到2015年,中国智能可穿戴设备市场规模可达26.1亿元,2012年至2015年复合增长率为30.9%。从细分市场看,生活健康类可穿戴设备最为热门,预计2012年至2015年复合增长率为33.5% ;信息资讯类可穿戴设备虽然在2012年只有2.8亿的市场规模,但随着谷歌眼镜的发布将迎来市场爆发点,预计2012年至2015年复合增长率为47%。中国作为智能可穿戴设备的重要市场之一,预计未来三年将实现35% 的年复合增长率。从电子终端演进趋势上来看,智能手机已经步入成熟期,厂商陷入了硬件参数比拼之中,产品形态和功能并未有颠覆性的创新。而作为新兴的智能可穿戴设备,为用户提供了更多想象的空间,并且符合用户“高便携性”的需求,极可能成为下一代主流的电子终端产品[11,12]。
3.3 国内外主流健康大数据云服务平台
国内外主流的健康大数据云服务平台及支持系统包括Google Fit、Apple Health Kit、阿里健康云、腾讯健康云等[10],其主要内容如表1所示。
4.存在问题及发展方向
4.1 存在问题
尽管智能可穿戴设备被炒得火热,但是该领域仍处在发展的初级阶段,相应的产业链、商业模式等都没有成型[4,10]。目前,主要存在以下问题:
4.1.1 多为智能手机“配件”,独立性不强
大部分的智能可穿戴设备大多是智能手机的辅助工具,一部分是对智能手机功能的拓展,一部分是对智能手机功能的平移。如小米智能手环,仅仅是对智能手机部分功能的平移。通过蓝牙连接后,小米手环可为用户提供闹钟叫醒、睡眠测试、运动记录等功能,只是作为智能手机(安卓系统)的辅助外设,失去了独立存在的必要性。另一方面,智能可穿戴设备的硬件设计、生产需要对接多个合作伙伴和厂商,其整个过程市场及其繁琐 ;同时由于智能可穿戴设备作为智能手机的“配件”存在,需要和代工厂合作,内部审核流程复杂,模具评审时间长,在一定程度上延长了智能可穿戴设备的研发周期。
4.1.2 功能尚不完善,专属应用较少
随着智能可穿戴设备市场的不断发展壮大,逐步形成了一个新的智能可穿戴设备的App市场,但目前智能可穿戴设备功能尚不完善, 专属应用较少。整个智能可穿戴设备市场呈现生态环境高度碎片化。市场上的各种智能可穿戴设备,由于各自运行的平台不同,使得开发商 / 研发者很难开发出适应多种设备的应用软件。
4.1.3 以数据为中心,用户体验差
大部分的智能可穿戴设备,都强调以数据为中心,实现与第三方数据的有效对接,主要集中在对各种数据进行分析、处理、综合等,以期为用户提供更多更可靠的数据和分析。但是由于不同的健康大数据服务平台进行数据整合的方式、标准各不相同,导致数据标准多样化,不同平台间的数据不能互通,在一定程度上忽略了人机交互设计和用户体验。智能可穿戴设备功能应用于用户的常规需求贴合度较低,不能满足用户对于智能可穿戴设备的期望。
4.1.4电池技术亟待升级
智能可穿戴设备的电池使用时间一直是影响使用体验的重要问题。功耗、电池寿命都是阻碍智能可穿戴设备市场发展的因素,但是新的电池产品的研发及快速充电技术的研发进展缓慢,虽然在电池研发领域已经有所突破,但是受限于成本等问题,还未能大规模商用。
4.1.5费用昂贵,渗透率低
在目前已 经发布的 智能可穿 戴设备中,Google Glass为一流产品,但是其价格的高昂使其不能被中低收入水平的用户接受。但是,随着技术的进步,智能可穿戴设备的价格将会出现一定程度的下滑。
4.2发展方向
虽然智能可穿戴设备存在以上诸多问题,但是该领域的发展势头却不可阻挡[10,13]。主要表现在以下方面 :
4.2.1硬件
智能可穿戴设备未来硬件的发展方向主要集中在电池和充电技术、屏幕和处理器三个方面。在研究柔性薄膜电池技术、非接触式充电技术等的同时,提高智能可穿戴设备屏幕的曲度、柔韧性和分辨率 ;并且研发低功耗处理器,使智能可穿戴设备在实现人机交互的同时,更注重用户体验。
4.2.2软件生态系统
随着智能可穿戴设备市场的蓬勃发展,智能可穿戴设备的产品类型将呈现整合与细分并行的发展趋势,不断整合新的应用和服务,力求为用户打造一体化的智能可穿戴体验 ;构建良好的软件生态系统,解决智能可穿戴设备领域的跨平台的操作。
4.2.3大数据及云服务