最大化發(fā)揮可穿戴醫療設備優(yōu)勢方案

當然，設備開(kāi)發(fā)者必須滿(mǎn)足非常嚴格的制造要求。可穿戴醫療設備必須外形小巧，能夠持續保持連接，并且具有較長(cháng)的電池續航時(shí)間。它們將能在設備內提供更多計算資源。市場(chǎng)競爭日趨復雜且日益激烈，而設備開(kāi)發(fā)者必須在這樣的市場(chǎng)中生存下來(lái)。為了達到這個(gè)目標，設備開(kāi)發(fā)者必須構建快速、靈活、輕巧而又具成本效益的平臺(圖 1)。

圖 1： 軟件平臺必須覆蓋所有非應用程序特定代碼。

設備外形

可穿戴醫療設備分為兩大類(lèi)：一次性設備以及可重復使用設備。一次性設備屬于相對較新的市場(chǎng)領(lǐng)域，由于這些設備的產(chǎn)品壽命相對較短，因此其發(fā)展較為快速。相反，可重復使用設備則要求更長(cháng)的產(chǎn)品壽命和更高的安全性，以及很高的可靠性系數。

驅動(dòng)一次性設備發(fā)展的模式是薄利高產(chǎn)量。為了實(shí)現這個(gè)目標，一次性設備必須讓資源最有限的處理器提供最多的功能。為了最大程度提高收入，設備開(kāi)發(fā)者通常會(huì )針對最終用戶(hù)群體提供一系列產(chǎn)品，以?xún)r(jià)格換取功能。為產(chǎn)品的每項功能編寫(xiě)應用程序的做法不太合算。

因此，必須構建一個(gè)通用軟件環(huán)境，既可支持單種應用程序，也能夠在各種計算資源之間無(wú)縫遷移。此類(lèi)環(huán)境必須能夠壓縮到最精簡(jiǎn)的系統，它們通常只提供很少的存儲器資源，但能夠進(jìn)行擴展以支持更加豐富的功能。

可重復使用設備市場(chǎng)向設備開(kāi)發(fā)者提出了一系列不同的挑戰。設備制造商向市場(chǎng)提供的主要增值是最終客戶(hù)使用的處理器不再是臨時(shí)性質(zhì)的。半導體供應商支持的設備生命周期存在很大差異。醫療行業(yè)客戶(hù)通常不希望產(chǎn)品更換周期達到十年甚至更長(cháng)。要消除這種沖突，并且維持必要的應用程序代碼生命周期以保持盈利，就要設計穩定的編程 API，而不是特定的處理器設備。

連接選項

我們一直都有能力制造出足夠小巧、便于佩戴的設備。當前設備與以往設備的區別在于是否能提供全球連接——包括直接連接到互聯(lián)網(wǎng)或云，或者連接到本地中間設備(可穿戴醫療設備與用戶(hù)的智能手機配對)，再通過(guò)中間設備連接到互聯(lián)網(wǎng)。這種連接可能是間斷的(使用無(wú)線(xiàn)連接或臨時(shí)的有線(xiàn)連接)，也可能是持續的(使用某一種無(wú)線(xiàn)選項)。

有線(xiàn)選項是成本最低的連接方式，但卻最不靈活。不過(guò)，對于低成本設備而言，它們仍然是可行的解決方案。當通過(guò)有線(xiàn)鏈路連接到可穿戴系統供應商提供的另一部設備時(shí)，可以使用極其簡(jiǎn)單的連接方法，例如 SPI 和 I2C。相反，當連接到通用的計算設備時(shí)，則需要使用更為開(kāi)放的標準，例如 USB。使用過(guò)這些不同連接方法的工程師知道，USB 和其他簡(jiǎn)單連接方法的協(xié)議復雜性相差很遠。連接選項很可能在設備生命周期內變化，甚至在開(kāi)發(fā)周期內變化。操作環(huán)境應該能夠最有效地將應用程序層與底層連接方法隔離開(kāi)。

然而，未來(lái)的可穿戴醫療設備的趨勢是使用無(wú)線(xiàn)連接方式。雖然 USB 是比 SPI 更加復雜的協(xié)議，但各種不同的無(wú)線(xiàn)連接選項遠比 USB 復雜得多，特別是在涉及安全性時(shí)。無(wú)線(xiàn)連接方法包括近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)電、藍牙/BLE、Wi-Fi，以及蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )(圖 2)。在這些無(wú)線(xiàn)連接方面，技術(shù)、協(xié)議和選項都在快速變化。更加重要的是，這些系統的成本也會(huì )發(fā)生變化，雖然在當前看來(lái)，這些解決方案似乎過(guò)于昂貴，但在今后很可能成為經(jīng)濟實(shí)惠的標準，當應用程序層代碼可以維持很長(cháng)的生命周期時(shí)。

圖 2：無(wú)線(xiàn)連接選項豐富多樣而又在不斷變化。

實(shí)時(shí)操作系統 (RTOS) 環(huán)境具有 SPI 級別接口，當前能夠應用于最精簡(jiǎn)的設備中，并且能夠實(shí)現向全蜂窩連接的遷移(無(wú)論是整個(gè)產(chǎn)品系列還是產(chǎn)品生命周期)，它們無(wú)疑能夠讓可佩戴醫療設備 OEM 廠(chǎng)商適應可能出現的任何形勢。

電源要求

可穿戴醫療設備的電池續航時(shí)間顯然是一大關(guān)鍵要素。對于人們隨身攜帶或佩戴的任何設備而言，重量始終都是一個(gè)倍受關(guān)注的指標，而電池又是所有便攜式設備中的最笨重部件。最大程度地減少功耗可以延長(cháng)電池續航時(shí)間，但對于整天甚至夜間都要使用設備的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，光做到這一點(diǎn)還遠遠不夠。在大幅降低電源需求的同時(shí)，還要最大程度地減小電池尺寸。智能手機等設備采用特定尺寸的電池，由電池提供特定的電量。而這一參數通常是固定不變的，因此只需達到一定的電池充電續航時(shí)間，就能滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。但可穿戴醫療設備并非如此。當電池充電續航時(shí)間確定之后，必須不斷地降低功耗，因為每次降低功耗都能進(jìn)一步減小電池尺寸和重量。

當前的現代處理器提供了一系列有效的節能功能。遺憾的是，這些功能非常復雜，不僅功能之間通常具有很高的相互依賴(lài)性，而且其還要依賴(lài)與要實(shí)施的特定節能模式不相關(guān)的系統部件。例如，更改器件時(shí)鐘頻率會(huì )影響通信時(shí)鐘速率，即便通信外圍設備沒(méi)有更改它們的電源狀態(tài)也是如此。所有這些因素累加起來(lái)，也就讓?xiě)贸绦蜷_(kāi)發(fā)人員更加不堪重負，因為他們原本就承擔了完成目標應用的重任。能否讓電池提供更高的電量，將決定設備在市場(chǎng)上的競爭力。設備開(kāi)發(fā)者面臨著(zhù)雙重壓力，既要讓軟件達到或超出應用程序要求，又要兼顧項目的外圍設備的尺寸，這樣才能在市場(chǎng)上立足。

圖 3：功率優(yōu)化涉及到所有可穿戴設備元器件。

要解決這個(gè)問(wèn)題，就需要在集成了電源管理功能并將其作為環(huán)境必不可少的一部分的軟件平臺上開(kāi)發(fā)應用程序(圖 3)。大部分大型通用操作系統都包括一系列非常先進(jìn)的電源管理功能;但是，這些操作系統在面向便攜式醫療設備的處理設備中并不能發(fā)揮作用。大部分實(shí)時(shí)操作系統都提供某種形式的電源管理，最常見(jiàn)的是 Tick 抑制，當沒(méi)有計劃運行的任務(wù)時(shí)，它將中斷內核周期性定時(shí)器 Tick，直至下一個(gè)定時(shí)器事件?？纱┐髟O備需要其他更為復雜的方法，而這樣的方法在 RTOS 中非常罕見(jiàn)。目前只有 Mentor Graphics 的 Nucleus RTOS 可提供對所有器件節能功能的內置支持，包括動(dòng)態(tài)電壓頻率調整 (DVFS)，以及對外圍設備之間所有交互的外圍設備功率級別的完全控制和對內核操作時(shí)鐘周期的完全控制(圖 4)。

圖 4： 結構化電源框架優(yōu)化開(kāi)發(fā)工作。

尺寸限制

為了適應可穿戴醫療設備的物理外形參數，電子設備能夠容納元器件的空間很小，散熱能力也比較有限。散熱問(wèn)題和功耗問(wèn)題一直都是我們在努力解決的兩大問(wèn)題。由于物理尺寸限制，導致我們通常選擇 MCU 片上系統 (SoC) 作為內核處理引擎。雖然這些設備可以容納很多不同尺寸的外圍設備，但由于存儲器容量問(wèn)題，我們無(wú)法控制存儲器的幾何形狀。每個(gè)應用程序都需要更多存儲空間。而小型設備中的存儲器，包括易失性和非易失性存儲器，更是如此。設備開(kāi)發(fā)者最不希望看到的就是應用程序與 RTOS 爭奪資源。正是這個(gè)問(wèn)題妨礙了通用操作系統進(jìn)入可穿戴醫療設備領(lǐng)域?？紤]采用某個(gè) RTOS 時(shí)，它必須能夠在代碼和數據需求方面都壓縮到最小，以完美貼合 2K 精簡(jiǎn)內核，如此就更能夠在最為低端的設備領(lǐng)域中經(jīng)久不衰。這個(gè) RTOS 還必須能夠擴展，以運行功能最全面的服務(wù)，例如蜂窩移動(dòng)通信。如果做不到，設備開(kāi)發(fā)者必須嘗試支持跨越多個(gè)操作系統環(huán)境的應用程序。

實(shí)施與產(chǎn)品

有些人還記得，在 PC 革命興起初期，廣告商、營(yíng)銷(xiāo)人員和科技雜志關(guān)注的焦點(diǎn)是時(shí)鐘速度、總線(xiàn)大小和其他技術(shù)細節?，F代設備的唯一判定標準是終端用戶(hù)體驗。有些開(kāi)發(fā)者在工程方面取得了重大突破，讓腕帶能夠運行大量指令，這可能是在同行之間夸耀的資本，但并非決定性的因素。這就迫使設備開(kāi)發(fā)者必須用最少的硬件提供最豐富的功能。無(wú)論是最小的存儲器、最慢的時(shí)鐘(設備限制或實(shí)際使用)，還是體積最小的電池，工程師都能夠在設備中(很多情況下是一次性設備)提供神奇的功能。

結論

當今的市場(chǎng)需要更為復雜多樣、物超所值而又先進(jìn)的底層硬件，要在這樣的市場(chǎng)上生存下來(lái)，應用程序必須在功能強大且非常靈活的平臺上運行。這種平臺必須非常精簡(jiǎn)，同時(shí)還能夠優(yōu)化特定硬件特性。這種平臺不再完全取決于處理架構或外圍設備集合，還要取決于它為開(kāi)發(fā)者提供的編程環(huán)境。滿(mǎn)足這些條件的標準平臺，例如 Windows、Android、iOS、Linux 等操作系統，超出了最低硬件要求的底限。一旦超出這些底限，則無(wú)法滿(mǎn)足可穿戴醫療設備在價(jià)格、電源和物理限制方面的要求。因此，我們需要具有高適應性和可擴展性的 RTOS 環(huán)境，用以取代裸機系統，滿(mǎn)足對功能全面的低端操作系統的需求。