可穿戴智能设备体系结构的两个应用21

穿戴式智能设备的体系结构2019/10/3穿戴式智能设备的体系结构医学上-----穿戴式移动监控系统军事上---人机合一之无敌勇士可穿戴智能技术可穿戴计算技术•1.SystemonChip体系结构设计技术•2.微小计算机多端口、高性能I/O设计技术•3.无线自组网络技术•4.嵌入式操作系统技术•5.移动数据库技术•6.人机交互技术•7.基于蓝牙的无线连接技术•8.外部设备选择与设计技术可穿戴计算技术SystemonChip体系结构设计技术该设计技术可把计算机主机的硬件集成到一个芯片里。这样，计算机就可以做得很小，而且有利于降低功耗，提高速度，尤其是可以降低成本，缩短生产周期。例如，Epson的Cardio芯片就具备了PC586的性能，而且已经产品化。微小计算机多端口、高性能I/O设计技术可穿戴计算机的主机是微小型的，但却要与多达十几台外部设备相连。因此，要求微小型计算机应具备足够数量的接口，而且要具有很高的I/O处理能力。可穿戴计算技术无线自组网络技术可穿戴计算机系统要伴随人的活动并作为一个移动节点随时上网，多个这样的节点将构成一个特殊的网络，称之为自组网。这类网络没有固定的路由器，各节点以任意方式移动并动态连接，每个节点都可以充当路由器，且所具有的自动重组功能还可以提高网络的抗毁能力。有人把自组网概括为“移动分布式多跳无线网络”。这类网络有如下特点：动态变化的拓扑结构；接入节点的随意性；受限且经常变化的带宽；可能出现的非对称连接；终端受限的操作；分布式控制的网络。嵌入式操作系统技术嵌入式操作系统技术现存的微机操作系统可以用于可穿戴计算机系统，但由于可穿戴计算机的体积和存储空间十分有限，所以，操作系统应尽量压缩到“专用”的程度，并提高实时性。因此，需要使用嵌入式操作系统，这类系统常常是实时的和微内核的，并具有极强的处理多外设的能力。可穿戴计算技术移动数据库技术可穿戴计算机系统在移动中上网、移动中访问数据库，这类移动式的数据库管理技术将有别于固定的数据库管理。移动数据库需满足以下四个目标：可用性与可伸缩性；可移动性——移动中访问或移动中更新；可串行性——支持可串行的并发事务执行；收敛性——系统总能收敛到一致状态人机交互技术可穿戴计算机系统实际上既是一个实时的信息处理系统，又是一个“人机结合，以人为本”的集合体，人机关系更加自然和谐。因此，人机交互技术是可穿戴计算机系统中的关键技术，它应解决人与计算机之间的交互问题以及人通过这种交互而提高环境感知的能力可穿戴计算技术基于蓝牙的无线连接技术可以想象，当多达十几个模块同时分布于人体之上，它们之间的连线将是十分沉重的负担，而且是一个不可靠的因素。而利用蓝牙近距离无线通信，可逐步替代这些连线。外部设备选择与设计技术可穿戴计算机系统除了主机之外就是大量的外部设备，设备的选择与设计至关重要。其中主要包括输入类设备、输出类设备、电源等。对这些设备的要求是“具有高性能指标：小体积、低功耗；符合人体特征，有利于健康；安全可靠。人机合一之无敌勇士美国国防部的“陆地勇士”该项目旨在形成这样一种战斗力量：将小型武器与高科技设备紧密集成，能够大赢21世纪地面战争的军事力量。计划预计花费二十亿美元，装备45000套，期望于2016年形成战斗力。基于最新的通讯、传感、计算和材料技术，“陆地勇士”将彻底革新传统的单兵作战概念。该项目包括以下几个子系统：武器子系统、综合头盔子系统、计算机/无线电子系统、软件子系统和防护服与单兵设备子系统。武器子系统武器子系统设计和制造基于M-16/M-4步枪。武器子系统包括主要的电力相关光学部件，如弹道计算器、光电瞄准器、摄像机和激光测距仪/数字罗盘(LRF/DC)。LRF/DC提供距离和方向信息给士兵。士兵从全球定位系统(GPS)联结自己位置，当需要间接火力和战斗识别呼叫时，士兵有精确的目标位置。这一个系统将会允许步兵在所有天气的类型下和在夜间操作。连同其他的组件，一个士兵能使自己不暴露在敌人的火力下。综合头盔子系统综合头盔集合子系统(IHAS)使用先进材料，具有较轻的重量同时提供胜于美军目前头盔的壳体弹道防护。完整的综合头盔集合子系统比现有的头盔更轻和更舒服。IHAS的头盔安装了计算机和传感器显示装置，是对其它子系统到数字化战场的士兵界面。通过“头盔安装显示器”，士兵能观看计算机发出的图解数据、数字化地图、情报资料、部队位置，还包括安装在武器上热成像武器瞄准器(TWS)和摄像机的成像。计算机/无线电子系统步兵将会把计算机/无线电子系统(CRS)附装在他的背包“负荷-支撑框架”上。背包上面部分是无线电装置，下面部分包括计算机信息处理机和全球定位系统(GPS)模块。用于单兵设备，计算机信息处理机与无线电装置和全球定位系统(GPS)定位器融合在一起集成到CRS内，合并分开的显示装置、控制器和安装框体，因此减轻重量而且减少电源需要量。全球定位系统和无线电装置天线嵌入到负载框架内。软件子系统“陆地勇士”软件子系统引导士兵的核心战场职能，显示处理、任务设备和电源管理。软件子系统包括战术和任务辅助模块；地图和战术覆盖图；收集和显示视频图像；也包括一个电源管理模块。“陆地勇士”将会在数字化战场上可共同操作。设计人员设置系统，能被更新和技术改进，模块体系结构允许直接插入/替换用于技术升级。对于士兵任务需求和参数选择，软件子系统允许士兵自己编制系统的菜单和功能操作。防护服与单兵设备子系统防护服和单兵设备子系统由建立在使用巧妙的“自动控制不稳状态技术”一种革命性背包框架设计所组成，用于士兵的自然身体活动弯曲。背包带使用快速脱扣器，使用士兵正确、快速脱掉背包。士兵的计算机/无线电联结必需的电缆集成到框架内。在活动的时候士兵能调整他的背包结构，从他的肩部到他的臀部调整负载分布。一个简单的调整，然而它允许士兵更有效管理和携带他的战斗负荷而且具有较小的疲劳感。新的“陆地勇士”防具，例如头盔，减轻重量提供改良的冲击防护。“陆地勇士”防弹衣包括一个模块化可升级防护块保护士兵免于轻武器威胁。防护服和单兵设备子系统结合模块化防弹衣和可升级防护块能挡住轻武器射击的子弹冲击。军事科技“陆地勇士”视频2019/10/3随着生理信号检测技术的进步，以及人们保健需求的日益提高，用户对生理参数监测系统的舒适性和移动性的要求越来越高。随着计算机嵌入式技术的发展，蓝牙和智能手机在我们日常生活中已经变得越来越普及，基于手机的应用日益多样化，智能手机已逐渐成为一个移动应用开发平台。智能手机是指具有开放操作系统，并能支持第三方软件安装及应用的手机。由于内嵌开放操作系统，使得应用程序的开发能够脱离底层具体的微处理器以及硬件结构，直接面向操作系统编程，大大降低了开发难度，而Java、C#等编程语言开发的应用程序又具有很好的跨平台特性，很大程度上推动了基于手机的应用程序的开发和使用。智能手机都标配有蓝牙模块，因此，推动了基于手机的短距离无线应用的发展。国内外基于手机和蓝牙技术的医用系统一直是一个研究热点，近年来由于智能手机技术的推广应用，这一领域引起众多医疗厂家和研究机构的关注，有各种形式的设计问世。本文提出的基于智能手机的穿戴式医用生理参数监测系统，融合了可穿戴技术、蓝牙技术以及智能手机平台技术，其中可穿戴技术解决了信号的低负荷提取（即舒适性）问题，而蓝牙技术和智能手机则解决了移动监测的技术问题，上述融合代表了该类技术的发展方向。穿戴式移动监控系统2019/10/3穿戴式移动监控系统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，智能手机系统。从系统构成角度看，可分为2个部分：可穿戴系统和智能手机系统，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，可穿系统与智能手机系统之间通过蓝牙建立无线连接。系统结构设计2019/10/3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。穿戴式移动监控系统穿戴式生理参数传感系统2019/10/3信号采集和传输系统穿戴式移动监控系统本系统采用的微处理器为ARM7TDMI系列的LPC2132，内部集成了10bitADC，用于生理信号采集，通过串口连接蓝牙模块，实现数据无线传输。为了兼容多种类型生理参数的采集和传输，该系统架构设计上借鉴了“适配器”的概念，它与其他生理信号模拟电路板采用统一规范的接口标准，采用插件式的结构，根据需要使用相应的生理信号传感器及其模拟电路板。该系统通过电源电路产生两组电源，分别为模拟电路和数字电路供电，从而避免了数字电路部分对模拟信号的干扰。该系统的核心任务就是根据配置要求采集模拟信号，并通过蓝牙模块无线传输。为了提高移动监护系统的灵活性，可通过智能手机平台动态设置配置信息并发送给信号采集和传输系统。配置信息包括采样通道、采样率、串口波特率、数据格式等。2019/10/3蓝牙天线及通讯接口穿戴式移动监控系统智能手机应用程序功能框图2019/10/3本系统初步实现了生理参数无线传输以及基于智能手机的应用程序的开发。由于采用蓝牙无线传输，数据传输方面尚有很多测试工作要做；智能手机本身具有多任务特性，因此，软件设计上还需考虑多任务（如语音通讯、短信等）模式下如何保证数据传输可靠性、实时性等问题，系统整体设计上还需考虑如何降低系统功耗，如何在功耗与动态、实时性之间取得平衡等问题。穿戴式移动监控系统本系统设计的实物图第二部分结束2019/10/3