可穿戴電子系統(tǒng)的發(fā)展——人類和嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合

可穿戴電子系統(tǒng)的發(fā)展，不論生物計量、通信還是虛擬現(xiàn)實，都將嵌入式系統(tǒng)概念延伸到新的未知領(lǐng)域。把傳感器和輸出設(shè)備放到操作人員身上，產(chǎn)生了一個新詞--電子人：人類和嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合。

可穿戴系統(tǒng)為實際應(yīng)用開辟了新遠景，需要重新展望嵌入式體系結(jié)構(gòu)。以可黏貼或者可攝入方式所使用的傳感器群完全與傳統(tǒng)的電源、接地和I/O連接相隔離。為實現(xiàn)微小體積以及近乎零功耗，小傳感器群要支持傳統(tǒng)的本地信號處理、存儲和無線互聯(lián)，而且不限于此。這是設(shè)計師必須要解決的兩難問題。

把系統(tǒng)分開

解決可穿戴系統(tǒng)難題的一種方法是參照傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，這包括了傳感器、致動器以及與用戶身體連接的顯示屏等。在移動性、舒適性和可隱藏需求的推動下，需要把系統(tǒng)分開。傳感器、輸出設(shè)備和計算資源在物理上彼此分開后，看一下系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)會有什么變化。

作為一個例子，參考智能眼鏡的設(shè)計。為避免老生常談，我們不討論大家熟悉的消費類產(chǎn)品，而是看一下工業(yè)設(shè)備供應(yīng)商 XOEye 設(shè)計的眼鏡。這些眼鏡用于元器件觀察、庫存處理、現(xiàn)場維護等活動。這一系統(tǒng)具有立體安裝 720 線視頻攝像機、語音輸入，以及 LED 和語音輸出，設(shè)計實現(xiàn)了以交互式方式幫助人們完成某些預(yù)先定義好的任務(wù)。

XOEye 首席技術(shù)官 Jon Sharp 解釋說，這一眼鏡采集并分析用戶所看到的立體圖像，增強了對元器件的分辨能力，不需要物理接觸或者測量工具就能夠測量尺寸和形狀，在維修過程中與技術(shù)人員交互--“先調(diào)整左側(cè)的螺絲”,或者通過閃爍的紅色LED警告有可能出現(xiàn)的安全傷害?！安灰侥抢锶?！”

這類設(shè)計傳統(tǒng)的方法會使用安裝在眼鏡上的攝像機和麥克風(fēng)，然后進行視頻處理，目標(biāo)識別，通過背在后面的背包和電池建立無線通信鏈路。對這一設(shè)計，傳統(tǒng)的用戶響應(yīng)是看一下背包，然后小心翼翼彎下腰去使用系統(tǒng)。

讓我們進入可穿戴技術(shù)這一概念。XOEye的方法是實現(xiàn)完全自主的眼鏡。這一目標(biāo)很明顯有空間和功耗限制。我們不可能變魔術(shù)，這些限制迫使必須遠程完成某些計算，一般是在云端。但是對計算載荷進行劃分也帶來了新的設(shè)計難題。

建立鏈接

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）上，把大量的計算任務(wù)移到云端并不是什么新概念。創(chuàng)想技術(shù)公司業(yè)務(wù)開發(fā)資深總監(jiān) Chakra Parvathaneni 指出，這種劃分隨應(yīng)用而不同。他注意到，“家庭恒溫調(diào)節(jié)器有很多本地處理任務(wù)，但是蘋果的Siri幾乎都在云端。”

在XOEye的例子中，把任務(wù)移到云端意味著要么有足夠的帶寬來傳送原始格式的兩路視頻流，要么在眼鏡中實時完成視頻壓縮。后者采用現(xiàn)有的媒體處理芯片是可行的，但是要有體積合適的電池?？墒?，還有另一個問題。

Sharp 提醒說，“即使沒有鏈接時，您也必須維持人機接口以及某些功能。例如，當(dāng)您失去 WiFi 連接時，一定要實時識別安全問題。” 某些功能會要求一定程度的連續(xù)實時響應(yīng) - 互聯(lián)網(wǎng)遠端的云計算是無法保證的。

這些問題要求進行本地處理，與眼鏡的大小、重量和功耗限制相矛盾。XOEye最初想采用MCU 與加速器相結(jié)合的OMAP體系結(jié)構(gòu)來解決這一問題。OMAP SoC能夠處理傳統(tǒng)的媒體處理任務(wù)，但是，Sharp感嘆到， “無法實現(xiàn)實時立體測距?！?因此，XOEye轉(zhuǎn)向CPU加FPGA的方法，不論應(yīng)用需要什么樣的任務(wù)，他們都能夠建立高能效的本地加速器。

　　智能集線器

即使工作條件能夠保證與無線集線器的本地互聯(lián)，從集線器通過互聯(lián)網(wǎng)到云端的來回鏈路仍然會引入不可接受的不確定性。這是IoT所面臨的結(jié)構(gòu)難題之一?？紤]到這些情況，如果要在可穿戴設(shè)備之外完成某些計算任務(wù)，那么，可以將其放在本地?zé)o線集線器上，而不是云端 （圖1）。當(dāng)然，這就不能只使用商用WiFi集線器。

　　圖1. 可穿戴嵌入式系統(tǒng)成為智能集線器無線網(wǎng)絡(luò)

在WiFi集線器中集成計算節(jié)點大幅度提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。相對而言，集線器在空間和功耗上一般不受限制，因此，您可以把一些計算和存儲資源放在那里。短距離WiFi鏈路能夠提供可靠的寬帶、可預(yù)測的延時連接，支持集線器參與關(guān)鍵控制或者人機接口循環(huán)，在這其中，意外的延時會帶來問題。而且，集線器帶有多任務(wù)CPU和相應(yīng)的加速器，完成很多遠程可穿戴設(shè)備的處理任務(wù)。

　　智能射頻

如果可穿戴設(shè)備比眼鏡小很多，比如腕帶，置入到鞋內(nèi)的器件，以及大點的藥丸等，那會怎樣呢？沒有足夠的空間容納大電池，就無法支持大功率，WiFi也就無法一直保持接通。無線方式轉(zhuǎn)向了藍牙或者功耗極低的短距離鏈路。集線器現(xiàn)在本身成為可穿戴設(shè)備，裝在皮帶上或者口袋里，與傳感器在一米距離內(nèi) - 如果只支持近場無線鏈路，那就可能會非常近。而任務(wù)劃分問題以很有趣的方式發(fā)生了變化。

一些難題反而促進了可穿戴設(shè)備的發(fā)展。至少要包括傳感器、查詢這些傳感器的控制器，以及無線接口。仔細(xì)的調(diào)整占空比，微小電池能夠支持這些負(fù)載--低能耗設(shè)備。但是，現(xiàn)在把計算放在哪里呢？

傳感器和第一級傳感器處理之間的帶寬成為很大的問題。無線鏈路能夠?qū)崟r承載來自傳感器的原始數(shù)據(jù)流嗎？如果不能，能否把一些能耗花在提高鏈路帶寬，或者傳感器的本地處理上？如果系統(tǒng)用戶模型變化了，答案會不同嗎？

解決這一問題的一種途徑是重新思考射頻。設(shè)計人員傾向于在無線接口中放置基帶處理器，作為抗干擾黑盒。但是，創(chuàng)想技術(shù)公司的Parvathaneni建議深入了解其內(nèi)部。例如，創(chuàng)想技術(shù)公司有一系列射頻處理單元（RPU）基帶處理器子系統(tǒng)，讓系統(tǒng)設(shè)計人員在兩方面更加自由。

Parvathaneni說，在內(nèi)部，Ensigma RPU （圖2） 包括了通用MIPS CPU內(nèi)核，由一組特殊加速器提供支持。因此，功能是軟件定義的，用戶可以通過修改代碼來改變射頻空中接口。這是一方面的自由，您可以調(diào)整基帶所消耗的功率，以匹配特定無線鏈路的帶寬和距離要求。Parvathaneni還解釋說：“在很多情況下，空中接口為主任務(wù)的MIPS內(nèi)核留下了空間。” 因此，系統(tǒng)設(shè)計人員可以選擇空中接口標(biāo)準(zhǔn)，然后，將一組處理任務(wù)裝入到RPU中，不用改變硬件設(shè)計，隨時可以進行，以應(yīng)對可穿戴系統(tǒng)工作模式的變化。在某些情況下，這種靈活性避免了在傳感器所在地采用MCU或者壓縮引擎。

圖2. 創(chuàng)想技術(shù)公司的 Ensigma Whisper 實現(xiàn)了可編程基帶處理器以及MIPS內(nèi)核和一組低功耗加速器

不限于射頻的無線

可穿戴傳感器越來越小，越來越輕，幾乎是一次性的，因此，支持空中接口的硬件和能耗等問題越來越重要。對此，IP創(chuàng)業(yè)公司Epic半導(dǎo)體提出了很有趣的建議，無線鏈路不采用射頻，而是其他的。據(jù)Epic的CTO,Wolf Richter,辦法是采用電場。

Epic出于三種不同目的而開發(fā)了一種使用外部電極的技術(shù)--小型的導(dǎo)體片或者導(dǎo)體箔。首先，電路從周圍電場獲得能量。在三到五秒內(nèi)，設(shè)備能夠收集足夠的能量，為5 mW負(fù)載供電一段時間。Richter舉了一個例子，包括在運行速率是3 MHz的ARM Cortex-M0上執(zhí)行任務(wù)，重新寫入15V電子墨水非易失顯示屏，或者短暫的激活30V印刷電路。

其次，Epic知識產(chǎn)權(quán)（IP）能夠檢測到調(diào)制電場的任何物理現(xiàn)象，就像一個典型的電容傳感器。Richter說，例如，設(shè)備可以檢測到大約三米附近出現(xiàn)的人。其他較普通的應(yīng)用包括測量附近物體表面的介質(zhì)常數(shù)--系統(tǒng)可以從中推斷出生物體的溫度、脈搏和肌肉活動?；蛘?，在完全不同的環(huán)境中，傳感器可以從介質(zhì)常數(shù)的變化來推斷出包裝好的肉類表面的腐敗程度。

最后，這一技術(shù)在雙向信號上可以使用相同的電極，通過監(jiān)視并調(diào)制電極上的電場，實現(xiàn)無射頻近場通信。這樣，一個0.25 mm2硅片能夠為智能表面、貼片或者某些類似的介質(zhì)提供電源、傳感和互聯(lián)功能。

劃分的一些事情

我們可以把可穿戴系統(tǒng)看成是傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，極端的移動性對每一組件提出了不同尋常的體積、重量和功耗限制。這些限制的影響是對系統(tǒng)進行劃分，從主體中分開，只有無線鏈路連接兩部分。在智能眼鏡的例子中，系統(tǒng)仍然保持不變，只有大量的存儲和最繁重的計算任務(wù)通過IoT放到云端。

在復(fù)雜的生物計量系統(tǒng)中，獨立的貼片、扎帶以及置入傳感器離開了中央單元，每個都有短距離無線鏈路，有足夠的計算能力來管理帶寬，執(zhí)行本地控制循環(huán)。系統(tǒng)會完全是分布式的，中央單元只用作短距離無線連接的集線器，只要允許就可以通過WiFi或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接云端資源。

實現(xiàn)這類系統(tǒng)聽起來非常簡單。找出物理拓?fù)?、傳感器在哪里。選擇距離和數(shù)據(jù)速率能夠被傳感器和拓?fù)渌С值臒o線鏈路。選擇本地計算和電源設(shè)計，滿足傳感器的本地控制循環(huán)要求，提供無線鏈路需要的數(shù)據(jù)壓縮、糾錯、濾波和寬帶處理要求。重復(fù)直至完成。

這一簡單的方法有兩個問題。第一個是不可預(yù)測的無線鏈路。很多系統(tǒng)限制要求可穿戴網(wǎng)絡(luò)維持一定的功能，在無線鏈路失效時，至少不能帶來傷害，系統(tǒng)實際上已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)。這種要求意味著冗余傳感器或者射頻通道，可能需要更多的本地處理功能。

第二個問題是安全。出于私有和安全考慮，每一級的可穿戴網(wǎng)絡(luò)必須保護自己不受攻擊。與有線IoT系統(tǒng)完全不同，任何無線鏈路的兩端都不能確定對端就是他自己所宣稱的身份，也不能保證自己不受攻擊。這在醫(yī)療系統(tǒng)中尤其如此。有協(xié)議可以保證安全等級，但是要求每一遠程節(jié)點都進行一定級別的認(rèn)證和加密。而且，謹(jǐn)慎起見，要求一定等級的功能安全監(jiān)視，防止致動器在任何環(huán)境下產(chǎn)生任何傷害。然而，在目前的設(shè)計中，還不能滿足這類悲觀的需求。這必定會改變。結(jié)果是要求更多的本地計算，特別是致動器和顯示屏，仍然滿足本地節(jié)點的空間和電源限制要求。這種自相矛盾會越來越多的體現(xiàn)在節(jié)點和集線器應(yīng)用CPU加可編程加速器體系結(jié)構(gòu)等概念中，還會體現(xiàn)在控制、傳感器處理和安全任務(wù)中。

我們可以深入到目前的嵌入式系統(tǒng)中，重新分配計算任務(wù)，預(yù)測未來的可穿戴網(wǎng)絡(luò)。已經(jīng)出現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)這些分布式節(jié)點的技術(shù)。聰明地使用這些技術(shù)會深刻的改變我們目前對嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的看法。

作者：Ron Wilson

總編輯， Altera