可穿戴设备发展现状及趋势.doc

研究与开发Research&Development可穿戴设备发展现状及趋势封顺天中国电信股份有限公司北京研究院北京100035摘要目前可穿戴设备尚没有标准的分类，文章从设备的物理形态、应用类型和通信方式对可穿戴设备进行划分，为可穿戴设备研究提供分类依据。并通过对驱动可穿戴设备的芯片、智能操作系统、电池和人机交互技术现状和发展分析，为可穿戴设备的发展提供预测依据。关键词可穿戴计算；可穿戴设备：可穿戴分类引言可穿戴设备是一个潜力巨大的新兴市场，随着越来越多的可穿戴设备投入市场，可穿戴设备正逐步为社会大众所接受。可穿戴市场已成为全球范围内快速增长的高科技市场之一，频繁得到资本的青睐。面对林林总总的可穿戴设备，可谓“乱花渐欲迷人眼”。可穿戴设备缺少分类标准，也缺少未来发展趋势的评判标准。本文通过对可穿戴设备的现状研究、整理可穿戴设备分类，并对驱动可穿戴设备的技术发展现状进行研究，管窥可穿戴设备的发展趋势。1可穿戴设备现状1.1可穿戴设备定义可穿戴设备也称可穿戴计算设备，目前并没有统一的概念定义。麻省理工学院的媒体实验室对可穿戴计算的定义是电脑科技结合多媒体和无线传播以不突显异物感的输入或输出仪器如手饰、眼镜或衣服进行连接个人局域网络功能、侦测特定情境或成为私人智慧助理，进而成为使用者在行进动作中处理信息的工具1。电子科技大学陈东义教授认为可穿戴设备通常以人体为载体、通过便携式穿戴，实现对应的业务功能。可穿戴设备与人体的交互形态主要基于人体能力和设备内置能力配合实现，是计算“以人为本、人机合一”理念的产物2。基于这些定义，可穿戴设备可理解为基于人体自然能力之上的，借助电脑科技实现对应业务功能的设备。人体自然能力指人类本体与生俱来的能力，如动手能力、行走能力、语言能力、眼睛转动能力、心脏脉搏跳动能力、大脑神经思维能力等；这里的电脑科技指基于人体能力或环境能力通过内置传感器、集成芯片功能实现对应的信息智能交互功能。1.2可穿戴设备起源最早的可穿戴设备可追溯到便携式计算器时代，如以腕表的方式集成计算器的功能方便人们随时随地进行简单的数字运算。随着技术的进步，越来越多的计算功能被集成到可穿戴设备上。从穿戴式电脑到穿戴式设备，业界对可穿戴的定义进一步明确，认为可穿戴设备需要包含“可穿戴的形态”、“独立的计算能力”、“专用的程序或功能”这三类基本属性。例如2006年Eurotech公司推出的手腕式电阻触屏电脑，如图1所示，符合传统对可穿戴设备的定义。但这样的设备消费者并不买账，很大一方面就是类似的设备用户体验并不友好，另外也没有凸显和传统电脑的区别。可见除了上述三类基本属性外，可穿戴设备最重要的一个属性是“用户体验”友好，可融入到人体自然穿戴中，穿戴起来不显唐突。另外要突出和传统电脑的区别，一个差异属性就是“感知能力”，即通过内置芯片52传感器可感知穿戴者或周围环境属性信息，为业务处理提供更多的基础信息输入。随着物联网、传感技术、芯片技术和智能操作系统的发展，可穿戴设备和人体结合程度越来越紧密，用户体验也更加友好，更多的可穿戴设备被投入到市场。图1手腕式电阻触屏电脑1.3可穿戴设备典型应用分析按照联合国人口老龄化标准，全球现已进入老龄社会，40年后全球老龄化程度与目前发达国家相当。健康和医疗领域被公认为可穿戴设备最有发展潜力、市场规模最大的一个领域。健康领域的可穿戴设备以轻量化的手表、手环和配饰为主要形式，实现运动或户外数据如心率、步频、卡路里消耗等指标的检测、分析与服务。医疗领域的可穿戴设备以专业化方案提供血压、心率等医疗体征的检测和处理，形式较为多样，包括医疗手表、手机附件等。常见的可穿戴健康和医疗业务应用如图2所示。图2健康和医疗可穿戴业务应用医疗健康类可穿戴设备如智能手环等通过内置传感器采集人体指标并通过蓝牙方式把数据传递给智能手机内对应的APP应用(图2中)；APP应用通过数据Research&Development研究与开发通信网络把数据传递到对应的数据处理中心(图2中、)；数据中心在接收到数据后进行业务逻辑处理，对于一些异常指标数据可以按照业务逻辑触发医务人员进行进一步的分析处理(图2中)后反馈给用户(图2中、)。可穿戴设备定期采集人体各项指标数据并进行记录，这个过程中医务人员通过远程查看方式及时掌控各项指标，实现对生命全过程的健康监控和常见疾病的防御。我国已经进入慢性病的高发期，患病人数多、医疗成本高、患病时间长、服务需求大是这个时期的突出特点。而合理的慢性疾病管理，能够避免看急诊和住院治疗，减少就医次数，可以大大节约费用和人力成本。医疗健康类可穿戴设备从某种程度来说符合很多人的刚性需求，未来将会更多地融入到人们的生活。1.4可穿戴设备崛起2013年是可穿戴计算崛起之年，谷歌眼镜、三星智能手表等设备的发布标志着互联网时代硬件创新达到了新的顶峰，这些用户体验更为友好的可穿戴设备使人们的身体也将由此成为一个智能终端，并影响人们的行为模式、提高人们的行动效率，最终将改变人们接入互联网的方式和入口。在互联网时代，人与计算机设备交互周期通常以天为单位，人们可能每天使用几次PC电脑进行网络冲浪；移动互联网时代解放了人们的双腿，人们每间隔几个小时就会使用一次手机进行信息查阅，人机交互周期缩短到以小时为单位；而在可穿戴计算时代，人与设备的交互周期将以分钟、秒为单位，交互频率更大。移动互联网用户规模较桌面互联网爆炸式增长事实说明业务的交互越频繁、业务的用户黏性就越大，进而促进用户规模的扩大。基于此可穿戴时代用户规模或比移动互联网更大，这也是资本市场垂青可穿戴设备概念的原因所在。随着越来越多可穿戴设备的出现，这些设备的形态、应用类型五花八门，需要对其进行归类以更好地了解其特征和技术特点。53套、项链、随身插、衣服、头箍等类型，如图3所示。研究与开发Research&Development2可穿戴设备分类目前行业尚未对可穿戴设备分类给出明确的界定方式，本文按照可穿戴设备的物理形态、业务应用形态和通信类型进行划分。2.1按照物理形态按照设备物理形态可分为眼镜、手表、手环、手31)眼镜。以谷歌眼镜为代表的可穿戴计算是可穿戴概念的最早践行者，镜片集成显示屏幕实现内容的展示功能、镜框内置的芯片、智能操作系统等实现应用的运行、数据存储、网络交互、自然语言的交互等功能。通过开放SDK程序包，开发者可开发个性化的应用并运行在眼镜上。2)手表。手表是传统穿戴式设备，在手表内集成计算芯片和智能操作系统，并通过手表显示屏实现内容的呈现和交互，实现程序的运算是可穿戴设备对手表的理解。目前三星、苹果等电子厂商均在智能手表领域有对应的产品。3)手环。在手环上集成传感器感知功能芯片，通过内置小型显示器实现数据的呈现功能，手环的应用主要集中在健康领域。例如通过人体感知实现睡眠管理等。4)手套。手套是不太成功的穿戴设备，市场上可见的手套类型设备包含两类：一是手套上集成传感器实现动作信息的感应功能，以实现精细化的控制操作。另外是通过近距离的通信功能和手机绑定，实现耳机功能。5)项链。项链类设备常见于宠物类应用中，一般以吊坠的方式集成芯片和操作系统，实现定位和通信的功能。应用以平台提供网页或APP的方式进行操作。某些项链设备里面还集成了语音功能，可监控设备周围环境声音。6)挂件。通过挂件内集成传感芯片、计算芯片和显示屏幕，实现交互功能。一般用于健康领域，如通过内置陀螺仪，定位芯片、加速度传感器等通过对运动轨迹、步伐的统计，计算出运动的能量消耗，给出健康提醒反馈。7)头箍。头箍类设备更多的是偏概念类设备，目前尚不成熟，其原理是内置芯片感知大脑活跃度，并根据活跃度实现控制输出。目前主要在一些简单的游戏中使用。图3可穿戴计算设备物理形态(依次为项链、挂件、头箍)2.2按照应用类型按照设备应用类型可分为健康类应用、游戏类应用、安全类应用等类型。1)健康类。健康类设备主要指应用形态以满足人们健康需求为主，包含医疗相关设备和健身运动类相关设备。医疗可穿戴设备如测心率的腕表等。健身运动类设备如计步器等。2)安全类。安全类应用主要是基于位置地点或范围识别的安全类应用设备，如基于手环或项链识别佩戴者当前所处的地理位置的设备；通过蓝牙近距离通信技术实现钱包防窃、小物件识别等设备。3)游戏类。游戏类应用设备包含微软Kinect体感设备等，主要满足娱乐需求。2.3按照通信方式设备按照与网络的结合方式包含几类：直接和互联网结合、通过中转介质和互联网结合、和智能设备结合。1)直接通信。通过内置的移动通信芯片，如GPRS、CDMA、WiFi等实现和网络的通信功能。2)间接通信。间接通信借助智能终端的通信能力，设备以蓝牙、红外、Zigbee等短程通信协议和智能设备结合，智能终端作为数据节点进行通信。智能终端内置APP或者基于网络的程序借助云平台侧数据和处理逻辑实现应用的呈现。3)端到端连接。设备以蓝牙、红外、Zigbee等短54CES上展示的Quark系列处理器主要面向各种嵌入式程通信协议和智能设备结合，智能终端内置APP实现业务的呈现。3可穿戴设备支撑技术及发展通过可穿戴设备分类可发现，支撑可穿戴计算的核心技术主要包含芯片技术、智能操作系统技术和电池技术，外围技术包含材料技术、通信技术和人机交互等技术。随着技术的进步，可穿戴设备的形态和类型将会不断的扩展。3.1芯片技术芯片是现代计算机的心脏，也是可穿戴设备的核心，可穿戴芯片包含CPU、DSP等类别。CPU指相对通用的业务处理芯片；DSP是以数字信号来处理大量信息的器件，如加速度传感器、陀螺仪、肌电感测、IR眼球追踪和IR影响感测、骨传导等传感器芯片等均属DSP范畴。可穿戴设备对芯片功耗要求较高，一般使用基于简单指令集的芯片以降低功耗。使用复杂指令集的芯片目前在低功耗芯片领域并不具备竞争优势。如芯片产业链条上Intel主导设计、生产和销售全部过程，这种标准化的封闭的商业模式保证了产品质量和规模，在需求相对单一的PC时代使Intel芯片处于行业领先的霸主地位，而在手机厂商众多、产品形态非标准化的智能终端领域Intel的竞争就处于劣势了。可穿戴计算领域产品形态会多样、对芯片的需求差异更大，传统Intel标准化量产的芯片战略很难具备竞争优势。ARM并不生产自己的芯片处理器，而是通过出售自己的设计给制造公司来赚钱，制造公司基于ARM低功耗设计进行个性化开发，属于开放产业链条，这种商业哲学使得目前可穿戴计算领域ARM占据绝对垄断地位。Intel也意识到了这个问题，2014年在4领域，其中包含可穿戴设备应用领域。基于Quark处理器Intel正在开发只有SD卡大小、性能却能达到奔腾电Research&Development研究与开发脑级别的PCEdison(如图4所示)，Intel的目标是基于硬件层面的智能再造、打破封闭的产业链体系，构建出一个新的科技生态系统5，如图4所示。芯片领域的竞争使可穿戴计算继续延续PC硬件时代的摩尔定律，ARM和Intel之间的竞争最终获利的将是整个产业，未来芯片领域将给我们带来更多惊喜。图4Edison结构示意可穿戴计算时代，CPU不是唯一的芯，单纯的CPU或DSP芯片并不是决定一款可穿戴产品好坏的首要依据，一款好的可穿戴设备必是CPU和DSP的完美组合。3.2智能操作系统可穿戴设备应用功能取决于设备能力和操作系统功能，从最早的单片机操作系统到目前的智能操作系统。iOS，Android等移动互联网领域占据领先地位的智能操作系统也有向可穿戴领域延展的趋势。2014年3月19日，谷歌宣布转为智能手表打造的操作系统AndroidWear平台发布，在用户体验、数据分析和后台支持等方面都有不同于Android的地方。可穿戴设备的屏幕一般较小，有别于Android的体验，AndroidWear上用户体验上最大的不同表现在背景卡片(TheContextStream)和提示卡(TheCueCard)上。背景卡片包含一系列纵向滚动的卡片，每个卡片上都会显示一段内容，当前屏幕只会显示一张卡片内容，用户可以通过滑动的方式滚动卡片来浏览不同的内容。如图5所示。55研究与开发Research&Development图5背景卡片示意图提示卡允许用户以语音的方式控制设备，当用户说出“Okgoogle”或者点击屏幕上“g”按钮的时候，提示卡就会打开，向上滑动就可以显示被点击的内容列表，如图6所示。图6提示卡示意图谷歌计划把其Android在智能终端中的成功模式在可穿戴领域复制，和硬件厂商的合作方式跟Android类似，采用免费开源的方法提供给硬件厂商使用，目前已有LG、三星、华硕等厂家合作。可穿戴设备的屏幕导致目前GoogleWear的操作体验并不友好，可穿戴设备上的触屏操作是否会像微软桌面电脑上的启动菜单一样成为鸡肋，相信在不远的未来会有答案，我们也相信未来将有更多转为可穿戴设备量身打造的智能系统，可穿戴设备的应用体验也将更为友好。3.3电池相关技术可穿戴设备本身较小，很难承载大容量的电池，且可穿戴设备一般会保持频繁的计算和网络通信，一般保持每天或者每周充电一次的频率。这都对电池技术、电源的使用管理、快速充电技术等提出较高的要求。电源容量有限已经成了制约可穿戴计算实际应用的重要因素之一6。太阳能电池目前正朝向轻薄化、提高光电转换率和输出功率的方向发展，未来随着导电塑料和纳米材料在太阳能电池领域的应用，光电转换率领域将会有较大的突破。太阳能电池将有希望作为可穿戴计算设备的外包面，提高设备的持久工作能力。电池材料方面，美国伊利诺伊大学的研究人员将电池负极设计成3Dnm结构，开发的新型电池充电只需要数秒，既可保证超快速充电和放电，同时又能兼顾电池的储能容量，未来在可穿戴计算领域也将有广泛的应用场景。另外美国伦斯勒理工学院发明出一种纸电池，这种电池可以随意弯曲，并且能够生物降解。德国开姆尼斯电子纳米技术研究院的研制出来可以令电池的厚度小于1mm，重量也可以控制在1g以内，而且还可以使用低成本的丝网印刷工艺进行制造，单个电池电压为1.5V，串联多个电池就可获得较高的电压的电池。美国斯坦福大学发明的纳米硅电池比传统充电电池的储电量提高了10倍。麻省理工学院研究人员设计的碳纳米管超级电池容量大、充电速度快。随着电池相关技术的发展，相信未来可穿戴设备的续航能力将得到进一步加强。3.4人机交互人机交互技术领域除了语音识别日益成熟外，脑机接口技术是神经系统学科相对前沿的研究领域。杜克大学的科学家宣布通过脑机接口实现了猕猴远程控制机械臂7。未来随着技术研究的突破，在实现假肢等设备的控制等医疗应用的基础之上，可穿戴设备的类别和范围也将扩大，或将会出现影响人类自身进化进程的可穿戴设备。4结束语通过对可穿戴设备的分类，本文为可穿戴设备研究56提供了新的研究视角。通过对驱动可穿戴设备技术现状和发展分析来看，未来将会有更多的可穿戴设备产生、融入并改善我们的生活，以往只在科幻电影中出现的场景将会逐渐变为现实。参考文献1维基百科EB/OL.2014-04-02.http:/zh.wikipedia.org/wiki/交互范式2于南翔,陈东义,夏侯士戟.可穿戴计算技术及其应用的新发展J.数字通信,2012(4):13-203魔兽高端职业玩家必备强力外设用手套玩游戏EB/作者简历Research&Development研究与开发OL.(2009-12-04)2014-04-02.a/20091204/000188_1.htm4英特尔将在CES展示可穿戴设备配夸克处理器EB/OL.(2014-01-06)2014-04-02.a/20140106/007712.htm5揭秘英特尔Edison:构建未来智能硬件生态圈EB/OL.(2014-01-22)2014-04-02.http:/