可穿戴设备方案设计开发

随着移动智能终端市场的逐渐饱和，各大终端企业在智能手机等领域的竞争也日渐激烈，于是在智能手机之外，开发更具便携性和交互性的终端产品，寻找更为广阔的利润空间，成为移动终端厂商的新选择。可穿戴终端设备由于其便携性和在物联网应用领域内的巨大潜在市场等优势，受到行业内广泛关注，国内外几大科技公司开始不约而同地将目光聚焦到可穿戴终端设备上。国际方面，除谷歌正在进行智能眼镜产品研发外，苹果、微软等也早早对智能眼镜进行了专利布局；同时，苹果、谷歌、索尼、三星等巨头以及初创公司Pebble等纷纷加入到智能手表的研发争夺中；而Nike、Jawbone、Fitbit等公司已经发布了智能腕带产品，并在美国获得了大卖；谷歌和苹果还分别在智能鞋产品方面进行了展示和专利申请。国内方面，中兴、华为、盛大、百度、映趣科技等企业也加入可穿戴设备研发热潮，覆盖智能腕带、智能手表、智能眼镜等多种产品。可穿戴终端设备正成为新的发展趋势，产业界迅速掀起一阵可穿戴设备风潮。

一、可穿戴设备分类

现在，大部分可穿戴设备都能与手机或者其他终端设备连接，根据形态不同可以分为以下五种：以头颈作为支撑的（例如：头盔、眼镜、领带、头饰、耳机等）；以手腕作为支撑的（例如：戒指、手表、腕带等）；以腰部作为支撑的（例如：腰带、皮带及瘦身减肥带等）；以脚部作为支撑的（例如：袜、鞋、脚链等）；以其他部位作为支撑的各类非主流产品形态。（例如：服装、绷带、书包等）。可穿戴设备根据技术实现难易程度大致可分为两类：

1.1面向传感器应用的可穿戴设备

例如智能腕带、智能手表、智能鞋等，可实现基于传感器的应用。此类可穿戴设备根据应用功能又可分为两个子类，包括人体健康及运动追踪类和智能手机辅助类。

（1）人体健康及运动追踪类：例如Fuelband智能腕带、Jaebone Up智能手环、咕咚手环、Fitbit Flex智能手环等。这些可穿戴设备，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，通常需要与智能终端设备进行连接以进行数据的分析、管理、显示等应用。

（2）智能手机辅助类：例如Pebble、Galaxy Gear智能手表等。这些可穿戴设备作为其他移动设备的功能补充，搭载操作系统，一方面通常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，将智能手机的通讯、邮件、短消息等功能在可穿戴设备上进行扩展。

1.2支持新型人机交互技术的可穿戴设备

例如智能眼镜等，除可实现基于传感器的应用，还可实现支持新型人机交互技术的应用。此类可穿戴设备根据应用功能可归结为综合智能终端类。

综合智能终端类：例如Google Glass智能眼镜等。这些设备虽然通常也需要与手机相连，可是功能更加强大，具有操作系统，通过支持多种新型人机交互技术诸如新型显示技术（例如微投影）、语音交互技术（例如语音控制）、增强现实技术、图像识别技术（例如手势识别、人脸识别）等，可实现和智能手机类似的功能。

二、可穿戴设备技术发展状况

可穿戴设备与传统移动智能终端相比具有体积小巧、实时接触的特性，应用于可穿戴设备的关键技术主要涉及硬件平台技术、操作系统技术、传感技术、人机交互技术等。

2.1硬件平台技术

可穿戴设备硬件的研发重点是性能和功耗的平衡，通常可分为两种基础架构。

第一种脱胎于智能终端，以已有的手机应用处理器（AP）为核心硬件的通用平台。如Google Glass采用了德州仪器的OMAP 4430，Galaxy Gear采用了三星自家的Exynos 4212，都是基于ARM Cortex-A9架构，是典型的应用处理器。采用该类架构可以有效地利用智能终端已有平台加速开发，市场上具有终端周边器件可供选择，且功能强大，可以完成增强现实等一系列基于多媒体内容的交互功能。缺点就是功耗较高，待机时间较短，从数小时到1天不等。

另一种与活跃于工控领域的低功耗微控制器（MCU）结合，立足嵌入式技术，通常采用成熟的实时操作系统（RTOS），在单一领域完成固定的单一任务。例如Nest恒温器、Pebble智能手表、FitBit One健康追踪器都分别采用了基于ARM Cortex-M结构的MCU产品。采用该类架构具有功耗低、响应速度快等优点，一般可以做到10天以上的待机时间，但是对增强现实等高性能人机交互技术的支持较弱，只能完成监控、记录、提醒等简单功能。

可穿戴设备硬件向小型化、低功率化的过程发展，英特尔、Freescale布局可穿戴参考平台，将加快可穿戴设备的硬件成熟。英特尔在可穿戴领域已经有所布局，在2014年国际消费电子展（CES）中公布了一系列可穿戴设备的原型参考设计，特别是基于Quark处理器的Edison超微型计算平台，能够有效降低新创企业的开发门槛。Freescale也在CES上推出了可穿戴参考平台WaRP平台，该平台采用开源模式，通过提供严谨的硬件设计规范和完善开发环境来汇聚开发者，提供了AP、陀螺仪、无线充电模块等各类设备的整合。

2.2操作系统技术

在可穿戴设备创新过程中，操作系统等软件起到承上启下的作用，促进整个产业生态链整合，并在创新中发挥核心作用，目前可穿戴设备操作系统通常有几种不同的技术路线。

一种是面向功能相对简单的基于传感器应用的可穿戴设备，通常采用嵌入式软件技术或成熟的实时操作系统（RTOS），在单一领域完成固定的单一任务，例如智能手环、智能腕带以及Pebble智能手表等产品。

另一种是基于已有智能手机操作系统进行裁剪，例如三星Galaxy Gear智能手表、谷歌Google Glass智能眼镜等产品基于Android操作系统进行开发，苹果正在研发的iWatch智能手表将搭载iOS操作系统，而三星在2014年全球移动通信大会（MWC）上正式推出了两款采用三星深度研发的另一个开源移动操作系统Tizen的第二代智能手表Gear2和Gear2 Neo，也意味着三星TizenOS操作系统在可穿戴设备上开始试水。

此外，专门针对可穿戴设备的操作系统也开始出现，谷歌已经发布针对可穿戴设备的Android Wear系统平台，提供丰富传感能力的增强，并强调对语音服务等人机交互支持，除了LG和摩托罗拉，谷歌正在与电子产品制造商华硕、宏达电和三星寻求合作，另外芯片厂商Broadcom、Imagination、英特尔、联发科等也将加入阵营，可穿戴设备操作系统格局将迎来新的变化。

2.3传感器技术

传感器是可穿戴设备的核心器件，可穿戴设备中的传感器根据功能可以大致分为运动传感器、生物传感器、环境传感器3类。

运动传感器包括加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器（或称电子罗盘传感器）、大气压传感器等。这些传感器主要实现的功能有运动探测、导航、娱乐、人机交互等，其中电子罗盘传感器可以用于测量方向，实现或辅助导航；大气压传感器通过测量大气压力可以计算出海拔高度。通过运动传感器随时随地测量、记录和分析人体的活动情况具有重大价值，用户可以知道跑步步数、游泳圈数、骑车距离、能量消耗和睡眠时间，甚至分析睡眠质量等。

生物传感器包括血糖传感器、血压传感器、心电传感器、肌电传感器、体温传感器、脑电波传感器等。这些传感器主要实现的功能包括健康和医疗监控、娱乐等。借助可穿戴技术中应用的这些传感器，可以实现健康预警、病情监控等，医生可以借此提高诊断水平，家人也可以与患者进行更好的沟通。

环境传感器包括温湿度传感器、气体传感器、紫外线传感器、环境光传感器、颗粒物传感器（或称粉尘传感器）、气压传感器、麦克风等。这些传感器主要实现环境监测、天气预报、健康提醒等功能。

可穿戴设备中的传感器是人类感官的延伸，随着传感器小微型化与智能化方向的发展，可穿戴设备将加速对多样感知能力的整合。

2.4人机交互技术

人机交互技术成为智能眼镜等可穿戴设备厂商竞争的热点，语音控制、人脸识别、手势控制、增强现实、眼球追踪等新型人机交互技术开始在可穿戴设备中得到应用，例如Google Glass智能眼镜核心技术涉及语音控制、手势控制、微投影、骨传导、增强现实等多方面。语音控制技术的应用相对比较广泛，并逐渐由智能眼镜等产品应用开始向智能手表、智能腕带等产品应用延伸，三星发布的系列智能手表及最新发布的智能手环等产品均开始纷纷支持语音控制功能，谷歌发布针对可穿戴设备的Android Wear系统平台，更是强调了将Google Now语音服务更好地移植到可穿戴领域。手势控制技术有所突破，除了谷歌眼镜发明专利涉及的触控、手势识别以及手套控制等个性化控制技术外，传统手势识别技术公司开始与可穿戴设备企业展开合作，有望推动手势识别功能在可穿戴领域的推广使用。在2014年MWC上，Lumus公司的智能眼镜展示了搭载EyeSight公司的手势识别软件的功能，使用者可以伸出一根手指，点击虚拟视图中的图标，或者滑动以移除通知等。此外，骨传导技术区别于传统智能终端的交互技术，在可穿戴设备的应用前景十分广阔，谷歌智能眼镜、百度智能眼镜、盛大智能手表都配备骨传导耳机，干扰性小、自由度高的骨传导耳机将为用户带来全新的听觉体验。可穿戴人机交互技术在不断升级进化的同时也带来了更新奇有趣的操控体验，越来越直观、简便和自然的人机交互技术仍将是未来可穿戴设备的重要突破方向。

三、可穿戴设备的发展现状

Google Glass作为一种可穿戴设备的标志性产品，在2012年4月份就已开始发布，但直到2014年4月才开始在美国第一次正式发售，该次发售也只有24小时。Google Glass的发布并没有引起人们强烈的反应，原因之一是没有进行公开发售，更重要的是该产品的测试者认为Google Glass缺乏亮眼之处，其实质只是作为智能移动手机的一种延伸，同时存在涉及隐私、价格昂贵等问题。与GoogleGlass相同，目前市场上大部分可穿戴设备都被当作是“鸡肋”，存在一些设计上的弊端，目前市场上的可穿戴设备除了监测身体健康指数功能以外，其他的各项功能，例如摄像、定位、搜索等，智能手机都可以取而代之，同时监测身体健康指数的功能，也可以通过血压仪、体温计等家用设备来完成。可以说，可穿戴设备在满足消费者刚性需求、整合资源方面还存在一些缺陷，虽然与PC、手机等其他电子设备比较其具有可接触身体、便捷等优势，但现在看来可穿戴设备并没有完全发挥其作用，还不具有强大的核心竞争力。

3.1可穿戴设备市场仍是开放的，尚未形成类似智能手机领域寡头垄断的局面

可穿戴设备市场仍是开放的，更多企业品牌开始发力。2013年以来，可穿戴产品市场逐渐升温，众多厂商开始进入该领域，国际企业相继推出创新性产品，包括谷歌、苹果、索尼、三星、Pepple、Nike、Jawbone、盛大等国内外企业，先后推出智能眼镜、智能手表、智能手环、智能鞋等产品。2014年在CES和MWC上，可穿戴设备再次成为科技产品热点，全球众多厂商纷纷展示和推出新产品。一方面，原有厂商继续发力，三星、索尼等在原有智能手表产品之外，纷纷推出智能手环及新一代智能手表等新品；另一方面，ICT大厂纷纷跟进，英特尔发布多款产品，包括智能手表、智能耳塞、智能耳麦等，爱普生、Lumus等推出了智能眼镜产品，国内华为、中兴等智能终端厂商也开始跟进智能手表、智能手环等产品领域，更多企业品牌开始发力可穿戴设备。

可穿戴设备尚未形成类似智能手机领域寡头垄断的局面，竞争格局未定。在移动智能终端领域，三星、苹果全球智能终端销量保持领先，成为当前全球智能手机销量冠亚军。而在可穿戴设备领域，到目前为止，仍没有一家厂商独大，即便是三星推出了Galaxy Gear智能手表，并试图将其作为智能手表先驱在市场中推广，但由于产品自身的功耗、功能创新等方面不足，依然难获用户广泛认可。科技巨头想要统一市场，短时期内仍十分困难。

3.2健康和医疗管理类产品形态设备成为主流，更多形态的产品不断创新

从目前可穿戴设备已有产品形态来看，健康和医疗管理类产品成为发展重点。当前，各类健身手环、腕带等产品，成为最受欢迎的可穿戴设备，而这种现象也将持续下去，根据Juniper的预测，该类产品在2017年将占据可穿戴设备80%以上的市场。首先是因为现代人逐渐注重健康状况，通过此类产品可以方便地监控每天的运动量和睡眠状态；另外一个原因是因为它们功能简单、易于使用，并且随着新型传感器的出现，在健身设备方面还有望出现更先进的设备，比如无创类的血糖监测设备等。

除了眼镜和手表外，更多形态的产品不断创新。英特尔在2014年CES上展示了一款联网婴儿连身衣，该连身衣内置呼吸传感器，同时该连身衣配备了一个可拆卸的龟形夹子，龟形夹子内置传感器，可以用来监测婴儿的身体姿势、活动水平和皮肤温度，父母可以通过iOS/Android智能手机中的应用察看到该连身衣监测到的所有数据。初创科技企业Cuff公司在2014年也向外界展出了相应的智能珠宝、项链以及钥匙链等首饰系列，通过蓝牙与手机连接，可发送警报和接收通知。此外，通过智能按钮可改变织物颜色的服装以及可测量紫外线的可穿戴设备等其他创新产品也开始涌现，可穿戴设备呈现出更加多样化的研发新思路。

3.3国际知名企业纷纷进行可穿戴设备专利布局，占据技术和专利先发优势

专利诉讼在移动智能终端领域被视为企业谋求利益、遏制对手的常规武器。目前，国际知名企业已纷纷布局可穿戴设备技术专利。在智能眼镜产品方面，谷歌、苹果、微软等早早进行了专利布局。谷歌在2012年公布了谷歌眼镜的产品计划，核心技术涉及语音控制、手势识别、微投影、骨传导、增强现实等多方面，谷歌眼镜的相关专利申请最早于2011年10月递交，谷歌一共获得了3项与谷歌眼镜相关的专利所有权；苹果公司在2012年7月获得批准的一份专利显示，“浸入式”智能眼镜iGlass使用两个液晶显示屏把图像直接投射到佩戴者的眼中，与谷歌眼镜不同的是，iGlass的投影仪安装在镜片侧面，而不是佩戴者眼睛的正前方，通过这两个液晶显示屏可以扩大用户的视野，提升影像的像素数量和清晰度，同时避免产生眩晕感；微软在智能眼镜领域布局也比较早，其在2011年5月申请的专利描述了一种局部透明的头盔式眼镜，用户不仅可以看到现实场景，同时还可以接受到用户视觉范围内包括人在内有关事物的信息，专利产品与目前的谷歌眼镜原理非常类似。在智能手表产品方面，谷歌在2012年获得了智能手表的专利，根据专利文件描述，该款智能手表配备一款微型处理器，具有无线发射功能，可以提供收发信息、导航、邮件提醒等功能，并且自带摄像头，可以拍摄视频。在智能鞋产品方面，苹果正在申请与智能鞋方面的可佩戴计算技术相关的一项专利，该智能鞋系统内集成了多个传感器，能够及时追踪鞋子的使用情况，并在需要更换时告知用户。

四、可穿戴设备的发展困境

一是价格昂贵。三星Galaxy gear、Jaw-bone智能手环的售价都在千元以上，Google Glass的售价为1500美元，对于普通大众而言，这是一个不菲的价格。要想扩大市场占有率，让普通老百姓都消费得起，就应当进行量化生产，降低成本。还可开发多层次产品，实施具有差异性的定价，不但要为电子产品爱好者、高收入人群制造高价、高配置产品，还应为平民设计价格较低的产品，充分满足不同人群的各种需求。

二是芯片不够小、续航短。可穿戴设备具有体积小、便捷性和能与其他设备互联使用的优势，与消费者的粘性程度较高，使用的时间很长，所以其体积、外形、重量等都有严格要求。但目前的可穿戴设备电池续航能力差，连续使用几个小时就需要进行充电，对用户造成不便，影响到了消费者的体验。其次，芯片体积太大，导致整个设备的体积变大，灵活性下降。受芯片影响，可穿戴设备内部各元器件的支撑点也受到一定限制，影响了可穿戴设备作为细小配件与服饰结合的方式。

三是数据的隐私和安全保护。可穿戴设备能够记录和感知用户行为和身体数据，因此隐私保护和数据安全问题极为重要。用户的行为习惯、身体信息都会被记录下来，用户联系人的一些信息也会被一并记录。这些数据越多，就越容易发生安全问题，就存在更大的安全隐患。这些信息一旦被不法分子掌握，就会给个人和社会带来极大的危害。

4G技术为手机等无线设备提供了150MB的稳定带宽，而5G技术则可能为这些设备提供1~10G的无线稳定带宽，这从理论上都可以保证可穿戴设备的交互通畅，但是必须要思考的是，理论稳定足够宽的带宽并不是可穿戴技术的全部，我们还必须保证与个人数据中心进行无线安全对接，不能让可穿戴设备成为个人信息泄露的突破点，因此更为通畅安全的无线网络技术也是可穿戴设备发展不可逾越的门槛。

五、可穿戴设备的设计方向与发展趋势

5.1低束缚化

目前，可穿戴设备大部分是电脑、手机等终端的附属设备，还有很多价值没有被开发出来，因此，必须进一步整合产业链。可穿戴设备的产业链不但涉及软件平台，还涉及硬件厂商。谷歌在2 0 1 4年3月份推出A n d r o i d w e a r智能平台，Android和Android Wear都是开放性的平台，其允许第三方加入该平台进行AndroidWear兼容设备的生产。其具有强大的数据分析发掘能力和后台支持，有安卓生态的“免费开源”。对硬件商家而言，这是一个绝好的机遇，应用无线、蓝牙等技术实现可穿戴设备与各个平台的连接，使可穿戴设备更加轻便、微型，是极具可行性的发展方向。

5.2突出用户体验

可穿戴设备要穿戴在人们的身上，因此要适应用户的需要，达到美观的效果，因此在设计过程中要注重美观大方。同时，大部分人都不愿意整天和冰冷的机器生活在一起，所以友好的外观至关重要，这能够杜绝用户对电子产品接触身体时产生抵触情绪。再次，可穿戴设备的外露部位要与用户的整体形象相协调，做到“百搭”，不至于在穿戴后显得很突兀。因此，在设计过程中设计人员要充分考虑用户群体的特征与需求，同时考虑时尚性，进行新颖、独特的外观设计。

5.3信息集成处理

当前，可穿戴设备能够采集到的数据越来越多，实现了长期跟踪的效果。这就要求提供可穿戴设备的单位，应强化对这些数据的分析、研究和处理，紧紧围绕人类健康开展各项数据分析工作。今后，结合对人类身体的监测结果，可穿戴设备会实现由最初的简单信息采集到实现为服务嫁接产品。例如，利用可穿戴设备，医疗系统可以实现对人们身体状况的分析，在发生突发事件时启动自动救援服务，并预测未来一段时间内的健康状况，对某些疾病起到预防作用。总而言之，提供系统的健康服务会成为可穿戴设备的必然发展趋势。

其次，可穿戴设备之所以有魅力和吸引力，就是因为这些设备呈现出来的结果诱人，因此如何把枯燥、巨大的数据转变成人类可识别、直观呈现的结果，这是可穿戴设备必须要不断发展的技术。在大数据时代，因果关系变得不再重要，相关关系成为重点，而相关关系的前提和基础就是大数据建模功能，一部分简单的数据建模可以由机器自动生成，而具有更深入相关关系的数据建模功能则需要人类智慧的不断深入探索。

5.4多元化佩戴与操作方式

目前，可穿戴设备的附着方式还是以传统的眼镜、衣服、首饰、手表等为主，以后的可穿戴设备会向指甲、假牙等半植入式方向发展。在以后，人们拔牙时，也许牙医会考虑安装一颗假牙，能够实现对口腔或整个身体机能的监测。随着可穿戴设备的发展，语音识别、体感捕捉器、眼动仪等设备的功能也不断完善，也能够通过非接触方式完成操作，进而大大提升用户的使用体验。但是，为确保操作安全，杜绝因非接触操作失灵，在关键环节的操作上仍然会使用物理操作方式，例如开机、求救、关机等。

5.5为特殊行业进行设计

可穿戴设备可为一些特殊群体和特殊行业用户提供专业服务，只要对设备进行一些较小改动，就能实现特定功能。例如，通过模块化替换系统可以将可穿戴设备应用到不同的领域。再例如GooglGlass，学校将可穿戴设备安装在教学专用系统内，Google Glass就不会连接到搜索引擎和社交网站，就不会在学校无线网络外的网络环境下运行，老师在去教室的路上就能对该年级所有学生的信息进行浏览，能极大地节省老师在电脑前查阅资料时间；在解答学生问题时，系统会将该学生的有关资料及时推送给老师，包括成绩、专业、弱点、优势学科等，老师可进行有针对性的教学。另外，个性化特殊群体需求设计还包括照顾小孩、老人、宠物等。例如宠物，目前人们的生活水平提高了，饲养的宠物也多了起来，尽管市场上有宠物防丢器，但宠物主人还是愿意给宠物使用可以穿戴的防丢器，这种防丢器不但具有定位防丢功能，而且可对宠物身体各项指标进行随时测控，只要在外形上进行简单修改就可以制作这种宠物可穿戴设备。

5.6挖掘客户刚性需求

外观精美固然重要，但要真正保证产品销量，促进产品发展，还是必须深度挖掘用户的需求。目前，可穿戴设备之所以未得到大范围应用，一个重要原因就是其功能只是对智能手机的延伸，其真正的存在意义没有凸显出来，只是作为智能手机的某个功能平台，处境尴尬。与其他设备相比，可穿戴设备能够直接与身体接触，可以发挥医疗保健功能，这是其具有的一个天然优势和最初的设计方向。目前的可穿戴设备只能作为血压计、体温计等对人体基本健康指数进行检测，或是加上运动指数检测功能、定位功能以实现健身追踪、健康检测功能。在未来，可以根据不同人群来制定个性化产品。例如，针对糖尿病消费者，可根据其血糖数值，为其制定个性化食谱；结合生理指标给用户提示是否应当涂抹保湿乳或防晒霜等，为用户提供个性化服务。除健身和医疗以外，还可以向娱乐化方向发展，因可穿戴产品支持多媒体文件播放、摄像，因此可结合情境感知等创新性技术，为用户提供更好的多媒体体验享受。

六、可穿戴设备方案技术总结

可穿戴设备对个人数据的收集能力较其他智能设备更为强大，可穿戴产品中通常内置多种传感器及交互技术，使得个人的位置、行为、身体状态及健康数据等都成为可被实时记录并分析的数据资源，并被同步到智能手机等移动设备上进行管理。一方面，随着可穿戴设备的发展，终端对个人的数据收集和分析将更快捷而且全面，科技企业能够利用可穿戴设备的海量感知信息，空前挖掘、释放用户的数据信息，应用到个人健康领域、医疗领域、服饰领域、运动领域、识别、交通、生活服务等多个方面；另一方面，可穿戴设备用户一切行为所产生的信息数据与用户本人密切相关，个人隐私泄露的危险大大增加，可以获得的个人数据量越多，其中的隐私信息量就越大，针对可穿戴设备可能引入的安全风险和问题，也需尽早进行研究和防范。

总而言之，可穿戴设备已经实现了一定程度的发展，但还没有达到鼎盛阶段，从大的方面说，可穿戴设备是人类科学技术发展的必然结果，但不是最终形式，将来，随着科技的高速发展，人类会逐步进入智能化社会，而可穿戴设备也必然会大范围普及。随着可穿戴设备的发展，其各项功能会越来越健全，可穿戴设备的审美体验、操作形式、人机交互等都会出现全新的改变，这也必将会进一步推动可穿戴设备的长久、迅速发展。