智能穿戴设备关键技术及其发展趋势

　　1 引言

　　随着移动通信技术的发展， 移动互联网日益普及，传统互联网已经在向移动互联网迁移，智能穿戴设备近年来发展的非常迅速，成为一个热点行业。智能穿戴产品涉及的领域十分广泛，从眼镜、娱乐、儿童监护、健康、智能家居、智能服饰到通信等领域，可以加入拍照、语音识别、镜片导航、体重监测等各种功能。可以认为智能穿戴设备是一种基于移动互联网的、具有高性能低功耗特点的智能终端，其展现形式不是手机，而是日常生活中的可穿戴物品。它过借助传感器，与人体进行信息交互，是一种在新理念下诞生的智能设备，具有广泛的应用领域，并能够根据用户需求不断升级。智能穿戴设备在提高人们生活品质、促进生活方式智能化方面将会起到很重要的作用，智能穿戴设备产业将迎来巨大的市场空间。

　　2 智能穿戴设备发展现状

　　按照主要功能的不同，智能穿戴设备产品可以划分为以下几类：运动健康类、体感交互类、信息资讯类、医疗健康类和综合功能类等，每类设备针对不同的细分市场和消费人群。运动和医疗健康类的设备有运动、体侧腕带及智能手环，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。从目前来看，医疗和运动健康类设备使用的用户较多。

　　随着智能穿戴产业竞争日趋激烈，同质化产品现象越来越严重，各类只具备单一功能的智能硬件纷纷开始与其他智能硬件寻求合作。在未来，随着单一领域的智能穿戴产品技术日渐成熟，不同领域和功能诉求的产品会根据用户实际需求在功能上实现互补，从而带来更符合用户需求的智能体验，发展方向也会日渐明确和多元化。

　　目前市场上的智能穿戴产品主要有手环类产品、手表类产品、眼镜类产品和便携医疗设备类产品等，如三星、索尼、华为、小米的智能手环，苹果、三星的智能手表，谷歌的智能眼镜等。此外，还有一些珠宝、纽扣类、饰品类以及可放入口袋或嵌入服装内的产品等，如施华洛世奇推出的SwarovskiShine太阳能可穿戴设备系列，Opening Ceremony推出的MICA智能手镯。

　　3 智能穿戴设备关键技术

　　智能穿戴设备产业涉及的技术范围较广，包括传感技术、显示技术、芯片技术、操作系统、无线通信技术、数据计算处理技术、提高续航时间技术、数据交互技术等。

　　3.1 传感技术

　　传感技术主要完成语音控制、眼球追踪、手势辨别、生理监控（包括心跳、血压、睡眠质量等）、环境感知（如温度、湿度、位置和压力等）等。目前，应用较多的传感器类型有骨传导、音源感测、肌电感测、重力感测、影像感测、陀螺仪、加速度计、磁力计、方向感测、线性加速度感测、光体积讯号变化感测模组、心电图脑波感测模组、眼球追踪感测等。

　　3.2 显示技术

　　目前应用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。除此之外，目前主要的3种穿戴式显示技术是：

　　（1）微型显示：如硅基液晶，微机电系统/数位光源处理、镭射扫描等。

　　（2）柔性显示：目前，日本半导体实验室、苹果、三星、LG、Philips、诺基亚等巨头正积极开发并推进可弯曲的柔性屏幕、电池和人机界面系统并进行专利布局。现阶段主流柔性显示技术的研发瓶颈主要聚焦在以下几个方面：

　　1）显示技术所用核心光电材料及相关功能材料性能的改进、提高，包括新材料的研发等；

　　2）器件封装基板及相关封装材料的研发；

　　3）更高显示性能参数和效率的显示器件结构设计和优化；

　　4）低功耗、高效率驱动电路的设计和优化；

　　5）低成本材料、制作工艺研发及产业化等。

　　（3）透明面板：透明显示已开始应用于公共看板与橱窗等，如果应用于个人穿戴，需再提升穿透率与解析度。

　　3.3 芯片

　　智能穿戴设备芯片可以分为3类：

　　（1）以现有手机处理器为核心的芯片：如三星Galaxy Gear采用的Exynos 4212，Google Glass采用的OMAP 4430，其优点是有效利用已有平台加速开发且功能强大。

　　（2）基于单片机（MCU）的产品：如Pebble手表、FitBit One手环都是基于ARM Cortex-M结构的MCU产品。

　　（3）专门针对智能穿戴设备的芯片：英特尔推出的针对穿戴式设备芯片方案Intel Edison是双核芯片，一部分支持安卓系统，另一部分则支持实时操作系统；高通推出的Toq处理器，为可穿戴设备专门定制产品，采用ARM Cortex-M3架构；博通推出的BCM4771处理器，集成定位功能；国内北京君正的芯片JZ4775，集成了CPU、Flash、LPDDR、Wi-Fi、Bluetooth、FM、NFC和压力传感器、温湿度传感器等所有器件。

　　3.4 操作系统

　　智能穿戴设备采用的操作系统主要有3类：

　　（1）嵌入式实时操作系统（RTOS）：具有功耗低、任务单一的特点。如三星智能腕带Gear Fit采用的实时操作系统。

　　（2）基于Android平台进行修改的操作系统。如三星第二代智能手表Gear 2和Gear 2 Neo搭载的TIzen操作系统。

　　（3）专有操作系统：谷歌推出的Android Wear，北京君正推出的Newton平台等。

　　3.5 无线通信技术

　　对于智能穿戴设备的应用而言，短距离无线通信技术更适合智能穿戴用户之间、智能穿戴设备与其他便携式电子设备之间的数据通信和信息共享。目前智能穿戴设备与终端的通信大部分是基于W L A N 、蓝牙、NFC等短距离无线通信技术，应用数据的同步采用私有协议。用户可以通过NFC技术将可穿戴设备与智能手机相连，不需要其他复杂的设置；用户可以通过蓝牙和WLAN技术从可穿戴设备中获取数据，并将数据发送到智能手机或云端，同时又不会消耗太多电量；用户还可以借助WLAN直连技术直接将2个Wi-Fi设备连接在一起，无需设置接入点。此外，智能穿戴设备也可以通过3G、LTE等移动通信技术进行数据传输或分享。

　　3.6 数据计算处理技术

　　人机交互输出界面或回馈包括文字显示、数据分析、语音反馈、动态或虚拟影像等，所有这些输出界面的呈现都必须透过内容运算系统分析，如扩增现实（Augmented Reality，AR）、虚拟现实（VirtualReality，VR）、AR结合VR的混合现实（MixedReality）、立体投影等各种现实内容计算和环境感知分析以及各种测量分析计算如血压、血氧、心率、脉搏、体温等。此外，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、准确地发送到后台，通过对收集到的数据进行有效的统计分析，可以为用户提供合理的建议。

　　3.7 提高续航时间技术

　　在智能穿戴技术里，如何提高设备的续航时间是关注的重点，也是要解决的重要问题。目前主要的解决方法有3种：一是从操作系统、芯片、屏幕以及终互联等方面来减少功耗，在性能与功耗之间找到平衡点；二是增加电池容量，如弯曲电池技术可在缩小电池体积的同时增加电池容量；三是通过无线充电、极速充电、太阳能和生物充电等技术缓解该问题，但这些充电技术大多处于研究阶段，尚未大规模商用。

　　3.8 数据交互技术

　　智能穿戴设备的价值不仅是简单的硬件功能，还包括依托于硬件的软件和数据服务。但是目前很多厂商的应用和云服务封闭，存在数据孤岛，不能与其他设备共享数据，缺乏开放产业生态环境。因此需要开放并统一智能穿戴设备、手机、云服务之间的接口，推动信息的流动和共享，消除数据孤岛，为用户创造出更多的价值。

　　智能穿戴设备与云平台的交互方式，按照通信方式的不同可以分为2种：一类是智能穿戴设备具备通信能力，能够直接与云平台交互；另一类是可穿戴设备不具备通信能力，需要通过手机与云平台交互。

　　4 智能穿戴设备发展展望

　　4.1 市场规模进一步扩大

　　随着智能穿戴设备在2014年的爆发，2015年随着苹果的Apple Watch正式推出，华为的Huawei Watch、HTC的Grip健身手环和虚拟现实头戴设备Vive等新产品的发布，智能穿戴产品将会变得更加时尚、智能，种类将更加丰富。据IHS预计，全球可穿戴设备市场在2018年将达300亿美元。IDC预计2018年全球出货量将达到1.119亿部，年复合增长率达到78.4%。

　　4.2 产业链各方进一步加强合作

　　可穿戴设备市场产业链主要包括硬件、行业应用、社交平台、运营服务、大数据、云计算等环节。目前可穿戴设备产业还不够成熟，不同厂家的产品彼此独立封闭缺少合作，数据缺乏有效共享。同时每个可穿戴设备都开发自己的应用以及数据业务平台。这种端到端的研发模式投入大而且风险高，同时人力资源分散，难以专注于自己的核心优势。未来智能穿戴设备产业链上各方将会加强合作，共同促进该行业的发展。

　　4.3 智能穿戴设备与相关技术进一步融合并标准化

　　通过标准化可以促进产业分工以及加强不同领域企业间的互通合作，从而优化资源配置，提高研发效率和质量，使得产业链中各方加强创新，打造出有核心竞争力的产品。可穿戴设备与手机的数据管理和应用接口标准化，便于实现多种可穿戴设备整合，降低第三方开发应用的复杂度，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。

　　随着智能穿戴设备市场的扩大，智能穿戴设备与生命健康、移动互联网技术将进一步融合，可穿戴设备低功耗设计和研发水平将进一步得到提高，智能人机交互技术及产品应用将会得到发展。在低功耗与高效能的微处理器、智能人机交互、柔性可拉伸器件、微型化供能、短距离无线通信等关键技术得到进一步突破之后，智能穿戴设备的市场将进一步扩大。

　　4.4 智能穿戴设备安全性进一步加强

　　大部分智能穿戴设备采用开放式操作系统，且与外部通信采用无线连接方式。而且现阶段产品开发更多注重的是功能的实现，对于设备本身安全性关注并不高，导致存在诸多安全风险。智能穿戴设备面临的主要信息安全风险来自于2个方面：内部漏洞和外部攻击。

　　部分具备虚拟现实功能的智能穿戴设备使用户在使用时会分散注意力，影响用户人身安全。GoogleGlass使用户眼睛长时间聚焦，这可能会对原来人的生理结构产生一定影响。所有电子设备都会产生辐射，而智能穿戴设备长期与人体贴身接触，特别是眼镜、头盔等头戴式设备，所以对智能穿戴设备的辐射进控制、要求和规范显得尤为重要。部分与皮肤长期接触的可穿戴设备造成使用者皮肤产生不适或过敏反应，需要防止可穿戴设备对身体造成的伤害。随着智能穿戴设备的普及，智能穿戴设备的安全性将会受到更多关注，其安全性将会得到逐步提高。

　　4.5 相关应用越来越丰富

　　目前，面向智能穿戴设备开发的应用较少。在应用程序的数量上，如Pebble智能手表有1 000多种应用，而索尼智能手表有200多种应用，Gear则只有70多种。与智能手机产品用户需求不同，各类智能穿戴产品面向不同的细分市场，所以智能穿戴应用的生态系统碎片化严重，这也是可穿戴应用较少的原因之一。开发人员为这些环境开发应用变得非常困难，时间和精力成本大大提升，而应用正是智能穿戴设备发展的关键。

　　另外， 一些杀手级应用对于可穿戴设备的普及必不可少。而目前很多可穿戴应用仍然像是智能手机和平板电脑应用的扩展，可穿戴应用需要打破这种模式，针对智能手机做不到的事情开发应用。未来占据智能穿戴设备重要市场份额的腕带类设备在健康和健身类别将产生杀手级应用，一款原生于智能穿戴设备的广泛应用，将有助于推动智能穿戴设备的普及和应用开发。