物联网工程：物联网+可穿戴设备的介绍

　　

　　孩子出去玩怕丢？工作忙没时间体检？智能穿戴设备帮助解决。

　　一、可穿戴设备简介

　　可穿戴设备是能穿在身上的设备，可以穿在人、动物以及一切物品上，能感知、传递和处理信息的设备，融合了多媒体、无线通信、微传感、柔性屏幕、GPS定位系统、虚拟现实、生物识别、人工智能等最前沿的技术，通过与大数据平台、智能云平台、移动互联网的结合，对信息进行随时随地的搜集、处理、反馈和共享。

　　可穿戴设备涉及生活中的方方面面，娱乐、儿童监护、老人监护、健康监护、智能家居等各个领域，是基于移动互联网高性能、低功耗特点的智能终端设备，借助各种传感器，与人体及物体产生信息交互，搜集数据。

　　根据主要功能智能穿戴设备产品划分为医疗健康类、体感控制类、信息资讯类和综合功能类等。医疗健康类的设备有体测腕带及智能手环，主要消费人群为大众消费者；体感控制和综合功能类的设备有智能眼镜等，消费人群以年轻人为主；信息咨询类的设备有智能手表，主要消费人群为大众消费者。根据产品的形态又可以分为头戴式、身着式、手戴式、脚穿式等产品。

　　随着社会上智能穿戴产品越来越丰富，越来越多样。单一领域的智能穿戴产品将来会与其他智能硬件产品结合，各个公司及企业会根据用户的实际需求来生产更加丰富多彩的产品，从而带来更符合用户需求的智能体验。

　　智能穿戴设备涉及的技术范围较广，有传感技术、显示技术、芯片技术、无线通信技术、数据计算处理技术、电源续航技术、数据交互技术等。

　　1.传感技术

　　传感技术用来完成生理监控（如心率、血压、血氧、血糖、脉搏、睡眠质量等）、环境感知（如温度、湿度、电压、光强、空气质量、位置和压力等）、语音检测识别、手势辨别、眼球追踪等。应用较多的传感器类型有气敏传感器、光敏传感器、声敏传感器、化学传感器等。

　　2.显示技术

　　在智能穿戴设备中的常见显示技术包括薄膜电晶体液晶显示器、主动式矩阵有机发光二极体、有机发光二极体、发光二极体与电子纸等。下面介绍三种主要的穿戴式显示技术。

　　微型显示：如硅基液晶，微机电系统/数位光源处理、激光扫描等。

　　柔性显示：可弯曲的柔性屏幕。

　　透明面板：透明显示已应用于公共看板与橱窗等，提升穿透率与解析度即可应用于个人穿戴。

　　3.芯片技术

　　智能穿戴设备芯片可以分为三类。

　　以现有手机处理器为核心的芯片：优点是有效利用自己已有平台加速开发，制作的芯片功能很强大。

　　基于单片机（MCU）的产品。

　　专门针对智能穿戴设备的芯片，如Intel的Intel Edison双核芯片，一部分支持安卓系统，另一部分则支持实时操作系统。

　　4.操作系统

　　智能穿戴设备采用的操作系统主要有三类。

　　嵌入式实时操作系统（RTOS）：具有功耗低、任务单一的特点。

　　基于Android平台进行修改的操作系统。

　　专有操作系统。

　　5.无线通信技术

　　智能穿戴用户与用户、智能穿戴设备与其他电子设备之间的数据通信以及信息共享比较适合采用低功耗的短距离无线通信技术。采用的无线通信技术主要有WLAN、Bluetooth等，其数据的同步采用私有协议。很多手机内置Bluetooth功能，可穿戴设备可通过Bluetooth与智能手机相连；可穿戴设备中的数据通过Bluetooth发送到智能手机，不会消耗太多电量。智能穿戴设备也可以通过3G、4G、5G等移动通信技术进行数据传输。

　　6.数据计算处理技术

　　人机交互包括文字显示、数据分析、语音反馈、虚拟影像等都经过内容运算系统分析，增强现实（Augmented Reality，AR）、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、AR结合VR的混合现实（Mixed Reality）等各种现实内容计算和大环境感知分析，各种测量分析计算如血压、血氧、心率、脉搏都需要数据计算处理技术。云计算、大数据等相关数据处理技术，可以将智能穿戴设备采集的数据及时、准确地发送到数据库，通过数据库中数据进行有效统计和分析，为用户提供建议。

　　7.数据交互技术

　　智能穿戴设备的价值主要体现在软件和数据服务功能上。智能穿戴设备与云平台的交互方式分为两种：一类是智能穿戴设备具备通信能力，直接与云平台交互；另一类是可穿戴设备不具备通信能力，通过手机与云平台交互。

　　8.电源续航技术

　　各种智能可穿戴都需要解决电源续航时间问题。主要的解决方法有：一是减少芯片、屏幕及终端互联等功耗，从总体性能与功耗之间找到平衡点；二是继续增加电池容量或找到新的储电材料；三是通过无线充电、快速充电、太阳能和生物充电等技术缓解该问题。

　　二、可穿戴设备的主要产品

　　1.智能头盔

　　骑行佩戴智能头盔，除了安全还能提供更多数字服务。

　　Morpher是世界上第一款折叠式骑行头盔，如图1所示，折叠之后只有一半大小。

　　

　　图1 Morpher头盔

　　它可以快速简单地折叠和展开，折叠后放入背包不占很多空间，骑行的人佩戴Morpher头盔会大大降低意外时受到伤害的概率。

　　Morpher头盔的制作工艺复杂，涉及6种不同的材料和组件。

　　Coros的Linx智能头盔如图2所示，可以通过Bluetooth与手机上的APP相连，从而可以进行语音控制音乐播放、拨打电话、导航等操作。

　　

　　图2 Linx智能头盔

　　这个头盔的骨传导传感器被安置于两侧的调节带上，可随时进行位置上的调整以便于耳朵更好地接收声音。在车把手上还装有一个无线遥控器，可以手动负责电话接听、调节头盔音量以及进行骑行轨迹追踪。

　　还有人发明出了用于抗雾霾的智能头盔，采用“风幕”技术，实现对人脸周边空气的有效净化。

　　2.智能眼镜

　　智能眼镜是拥有独立操作系统，通过人的眨眼、点头、摇头等动作实现导航、好友互动、拍摄照片、视频等功能。通过移动通信网络直接接入互联网，还可直接实现计算机操作。通过AR技术来控制家庭中的物体.凭借视觉识别、射频、红外线、Bluetooth、大数据分析、云计算来实现健康监测、安全提醒等功能。

　　智能眼镜的应用主要集中在如下领域。

　　1）医学领域应用

　　将智能眼镜与AR结合，可以构建出患者虚拟的3D身体模型，高清晰地显示出患者的内脏、皮肤、血管、组织等关键性结构，这样在一些危急的患者的外科手术中可以大大减少手术的失误。病例数据显示在智能眼镜的电子屏幕上，可以正确高效地同步患者病历信息，对症下药病。智能眼镜还可用在医学领域的远程监控手术过程，在遇到疑难杂症的时候能得到实时的帮助和分享。

　　2）航空领域应用

　　在航空领域用上智能眼镜后，利用人脸识别技术实现快速登机，佩戴的智能眼镜可以记录个人喜好和生活习惯，可以享受到更贴心的服务。英国维珍航空公司已经开始运用Google眼镜来为VIP乘客服务。飞行员也可以利用智能眼镜来有效控制在模拟器上训练时的反应，从而提高操作安全系数。

　　3）工业领域应用

　　随着汽车功能越来越多，零部件也越来越复杂，修理起来也越来越困难。宝马公司开发了一款专用智能眼镜，可以向维修工显示故障车辆的维修操作，甚至该拧哪个螺丝都会显示出来。只要维修工带着这款智能眼镜，就可以按步骤轻松完成修理，这款智能眼镜甚至不需要他们有任何的修理经验。

　　4）客服领域应用

　　配置智能眼镜，可以将现有的物&数据统一同步到智能眼镜的存储系统中，客人就餐时能够看到虚拟的菜单，还能够通过呼叫按键呼叫服务人员，即便没有服务人员在周围，他们也能够通过平板电脑与服务员建立远程视频服务。你只需要向你的眼镜发出命令，就能得到即时反馈。大大优化了客户体验。

　　下面是几款智能眼镜。

　　Google眼镜如图3所示。

　　

　　图3 Google眼镜

　　它是由Google公司于2012年4月发布的一款“拓展现实''眼镜，它具有和智能手机一样的功能，可以通过声音控制拍照、视频通话和辨明方向，以及上网和处理文字信息等。Google眼镜主要结构包括在眼镜前方悬置的一台摄像头和一个位于镜框右侧的宽条状的计算机处理器装置。镜片上配备了一个头戴式微型显示屏，它可以将数据投射到用户右眼上方的小屏幕上。显示效果如同2.4m外的25in高清屏幕。有一条可横置于鼻梁上方的平行鼻托和鼻垫感应器，鼻托可调整，以适应不同脸型。在鼻托里植入了电容，它能够辨识眼镜是否被佩戴。根据环境声音在屏幕上显示距离和方向，在两块目镜上分别显示地图和导航信息技术的产品。Google眼镜内存682MB，操作系统是Android 4.0.4，版本号为Ice Cream Sandwich，CPU为德州仪器的OMAP 4430处理器。音响系统采用骨导传感器。网络连接支持Bluetooth和WiFi。总存储容量为16GB。

　　微软开发的HoloLens智能眼镜如图4所示。

　　

　　图4 HoloLens智能眼镜

　　这款眼镜在2015年1月份发布，HoloLens属于MR的范畴，它能够实现全息影像和真实环境的融合。它采用头戴式圆环结构，从正面上看，HoloLens前面是一块塑料材质的弧面有色保护镜，有助于减少强光对成像的干扰，同时保护护目镜后边的光导全息透镜。在参数配置方面，HoloLens采用的是微软定制的全息处理单元（HPU）和Intel32位处理器，本身拥有2GB的内存和64GB的闪存，同时还配置有扩展内存。HoloLens还配有惯性测量单元、环境光传感器和感知摄像头、深度感知摄像头、4个麦克风和200万像素高清摄像头。

　　Meta公司专注增强现实眼镜，发布的Meta2代AR眼镜如图5所示，与HoloLens性能基本一样。

　　

　　图5 Meta 2 AR眼镜

　　联想发布的new glass C100智能眼镜如图6所示。这款智能眼镜功能与Google眼镜很相像，定位是医疗用途。

　　

　　图6 联想new glass C100

　　佩戴这款眼睛的医务人员不仅可以以更灵活视角做手术直播、远程会诊、监测病人体征数据，还可以结合AR的医疗应用程序，构建出患者虚拟的3D身体模型，清晰观察皮肤、血管、骨骼等关键结构。New glass C100采用了OMAP4460 1.2GHz、1GHz RAM、16GHz ROM的内核配置，配置了1340mA的锂电池、800W像素摄像头、1.5W的微型扬声器。

　　3.智能口罩

　　随着雾霾问题的出现，越来越多的公司打造出新型的智能口罩。

　　来自英国伦敦的一家创业公司Cambridge MaskCo（剑桥口罩）发明了一种新的Smart Valve（智能呼吸阀）。

　　

　　图7 剑桥口罩（智能呼吸阀）

　　如图7所示，剑桥口罩的智能呼吸阀不能排出口罩内湿气，反而利用其内安装的数个传感器对佩戴者的呼吸状况进行记录和追踪，并可以与手机进行连接、传输数据，最后通过APP显示出来。而这些数据可以帮助口罩佩戴者详细了解自己的呼吸情况，同时将潜在的呼吸问题暴露出来。此外，当你的口罩需要更换时还会发出提醒。

　　pure plus云智能防霾口罩如图8所示。

　　

　　图8 pure plus云智能防霾口罩

　　它是由贴面呼吸层、云智能系统层、高效滤棉层三部分组成的，滤棉层采用记忆海绵和蛋白质皮质材料以及3D贴面包裹设计，一体化的绑带设计及亲肤材质，佩戴时方便说话还能保持面部干净。除了基本的防霾功能，这款口罩中云智能系统层还内置了高精度传感器，可以随时地监测空气中的其他有害物质，并将数据传送给所连接的手机上，相当方便。

　　4.智能手表

　　智能手表是一种比智能手机更方便、快捷的个人计算设备。智能手表就是将手表系统智能化，可以连接网络而实现多种功能。

　　智能手表除了基本的时间功能之外，还兼具提醒、导航、校准、监测、交互等多种功能。显示方式包括指针、数字、图像等。智能手表有Apple Watch、爱普生Pulsense系列智能手表PS-500、索尼SmartWatch、Google智能手表、朗爵智能石英表、百度智能手表等。下面简要介绍几个常用功能，如移动支付、看护孩子、公共交通、身份识别等。

　　（1）移动支付。

　　

　　图9 Apple Watch

　　如图9所示，就是AppleWatch在实现移动支付，用户只要将自己的银行卡与手表中的移动支付应用绑定，就可以通过ApplePay来进行支付。除了苹果自家的ApplePay支付以外，还支持第三方移动应用支付，如支付宝、微信等。用第三方移动支付可以直接扫描手表上的付款二维码来付款，既方便又快捷。

　　（2）看护孩子。

　　智能手表早期的一个重要重要功能就是追踪定位，来帮助父母定位孩子的位置。为了安全，父母希望通过某种方式时时刻刻知道孩子的位置，他们不惜通过付费购买技术的方式来完成这种任务。

　　智能手表还增加一些其他功能，如增加传感器功能等，这样就能立即知道孩子是否摘掉了手表。

　　（3）公共交通。

　　智能手表还可实现的一个实用功能就是促进不同种类的公共交通更加方便顺畅。如走到火车站检票窗口时，摇摇手腕上的智能手表就可以通过扫描，进入到火车站里面。

　　5.智能手环

　　智能手环与传统腕带的不同之处在于其功能上，智能手环有计步器、闹钟、睡眠监测、健康管理、防丢定位等各种功能。只需佩戴一个手环，就能检测一些需要的数据。智能手环具有很强的续航能力，一般由显示屏显示数据，通过手机APP端来统计观察数据，实时又迅速。智能手环如图10所示。

　　

　　图10 智能手环

　　智能手环的发展方向目前基本分成三类：

　　（1）运动类。

　　这是最开始大部分智能手环的发展方向，在传统3D计步器的基础上增加了睡眠监测以及同步数据功能，用APP来记录这些数据，如国外品牌有polar、jawbone、misfit等。

　　（2）通信类。

　　记步、睡眠等是附带功能，主打功能是来电提醒，解锁手机屏幕甚至可以直接通话等，如华为、小米和三星。

　　（3）智能家居健康类。

　　这个方向是目前很多厂商在规划布局的，例如如何用手环控制家里电灯，门锁感应到手环时自动打开，根据你的体温提醒你注意生病、上班签到等，代表性的健康智能手环（如图10所示），可以监测人体生理指征并上传云端实时报警，实现剪断从亚健康到发病的进程。

　　6.智能服饰

　　智能服装是可穿戴设备的下一步发展趋势，根据Global Market Insights发布的报告，2024年智能服装市场规模将超过40亿美元，由于各种体育俱乐部的支出增加，智能服装市场预计将大幅增长。

　　随着病人远距离监测需求的激增，以及医院工作人员的健康防护需求，军事和国防领域的应用，都为智能服装提供了巨大的增长空间。军事和国防应用如监测生命体征、在战斗中通过监测数据获取士兵健康状况等方面的应用。下面简要介绍一些智能服装应用的实例。

　　在Google I/O开发者大会上，Google先进技术和项目（ATAP）部门展示了交互式服装项目Project Jacquard。Google与李维斯合作推出面向城市骑车一族的“联网”智能夹克，如图11所示。

　　

　　图11 “联网”智能夹克

　　该产品将使穿戴者只需触碰和滑动夹克的袖口就能完成各种控制操作，如图12所示，如控制音乐、接听电话、获取导航信息等。

　　

　　图12 智能夹克袖口

　　Jacquard标签编制在夹克的袖口位置，也可以取出，通过USB充电。该标签连接夹克中的LED灯、触觉元件、电池等元件。在设计上很巧妙的一点是，该技术的连接点利用了夹克的纽扣眼，因而看起来不那么突兀。

　　Ralph Lauren智能网球衫将心率、呼吸、心理压力传感器和导电的银线一起编织到布料中，然后连接到一个防水且续航能力达到30小时的“黑盒子”，如图13所示。

　　

　　图13 Ralph Lauren智能网球衫

　　手机APP可以从黑盒子中读取数据，因为覆盖整个上半身，测量结果相比智能手表，健身腕带等更加精准。

　　7.智能袜子

　　致力于糖尿病患者健康监测的创业公司SirenCare研发了一款智能袜子，如图14所示。

　　

　　图14 Siren智能袜子

　　这种袜子通过温度传感器来检测患者是否出现炎症，进而实时检测糖尿病患者健康状况。Siren的袜子紧贴皮肤，传感器被编织到袜子中，可以随时检测足部的异常情况，并将信息上传到智能手机上的APP上，方便患者随时了解自身足部情况。所有的数据都存储在袜子的内存中并可通过手机APP端来查看。当足部出现损伤时，袜子可以检测到高温差，手机端会发出警报，提醒自己足部出现了问题。

　　8.智能鞋

　　智能鞋中内置GPS芯片、微控制器、天线等设备将让鞋子为人们导航，从而可以解决孩子及老人的迷路问题。

　　从脚部健康出发，由现代医学也有数据表明脚的健康确实能影响到身体的其他部位，因此智能鞋发展的一个重要方向就是做智能按摩，把脚部健康与智能功能串起来。

　　

　　图15 N61智能按摩鞋

　　如N61智能按摩鞋，如图15所示，通过遥控器将足底六个正经进行连接、作用足底多个穴位，疏通经络，使人体气血保持畅通。这样，穿着智能按摩鞋，如同移动足疗店。

　　针对老年人的实际情况，双驰公司打造了一款老人智能鞋，如图16所示。

　　

　　图16 双驰老人智能鞋

　　在设计上，双驰老人智能鞋的鞋底采用超轻泡沫材料，以低密度素材大大减轻了鞋子的重量，让老人不觉得沉重，同时这款鞋子还具备抗高冲击性和缓冲性，保护老人脚部在着地时，减轻受到地面冲击力的伤害。在功能上，双驰老人智能鞋采用AGPS/CDMA-one双模定位技术，同时融合中国移动LBS基站定位和WiFi定位技术以实现15m内准确定位，室内室外任意环境下实时定位。如果老人超过设定天数未进行运动时，双驰老人智能鞋会立即发送预警消息到子女的手机客户端，进行风险预警，这样子女在外地也能及时关心老人身心健康。同时，这款老人智能鞋采用超声波密封技术，支持IP67级防水，老人可以下雨天行走，无须担心进水问题。

　　天创时尚推出的智能女鞋如图17所示，内置创感智能芯片，具有腿部运动量统计分析、功能性微体感游戏等性能。

　　

　　图17 天创时尚智能女鞋

　　忙碌的都市女性可利用如休憩时刻等的各种碎片时间，通过智能鞋用双脚来操控微体感游戏，甚至在旁人都不会觉察的情况下进行脚部运动，获得乐趣同时收获健康。这款智能鞋需要通过Bluetooth和手机连接，在专属APP上完成绑定后进行各项操作。

　　三、可穿戴设备与物联网的结合

　　可穿戴设备为人类带来了全新的生活方式，舒适和具有多功能的多传感器可穿戴设备可以帮助人们全方位地改善生活。真正实现起来，需要将可穿戴设备制造商与对消费者有用的服务结合起来。从远程医学检查到帮助人们进行健康的饮食选择，再到家庭自动化等。这些服务将鼓励人们购买和使用可穿戴设备，推动这个市场走向成熟。

　　可穿戴设备市场产业链主要包括各种硬件设备、热门行业应用、社交平台、运营服务、大数据、云计算等环节。未来智能穿戴设备产业链上各方将会加强合作，数据共享，共同促进该行业的发展。

　　通过标准化可以促进产业细化分工以及加强不同领域企业间的互通合作，优化资源配置，提高效率。可穿戴设备多数据融合和共享标准化，便于用户统一管理和拓展生态链。

　　在物联网生态系统中，通过可穿戴设备可以实现人体参数、人类指令与云端、万物之间的自由链接，是实现人体参数、人类指令信息化以及人体与信息网络间的重要I/O接口。

　　可穿戴设备未来发展方向是作为超系统能部分替代智能手机，实现人体与网络间的I/O接口，解放双手，实现无所不能的交互，通过语音、手势、姿势、眼球等交互。

　　——END——

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