可穿戴電子系統的發(fā)展――人類(lèi)和嵌入式系統的結合

　　解決這一問(wèn)題的一種途徑是重新思考射頻。設計人員傾向于在無(wú)線(xiàn)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，讓系統設計人員在兩方面更加自由。

　　Parvathaneni說(shuō)，在內部，Ensigma RPU (圖2) 包括了通用MIPS CPU內核，由一組特殊加速器提供支持。因此，功能是軟件定義的，用戶(hù)可以通過(guò)修改代碼來(lái)改變射頻空中接口。這是一方面的自由，您可以調整基帶所消耗的功率，以匹配特定無(wú)線(xiàn)鏈路的帶寬和距離要求。Parvathaneni還解釋說(shuō)：“在很多情況下，空中接口為主任務(wù)的MIPS內核留下了空間。” 因此，系統設計人員可以選擇空中接口標準，然后，將一組處理任務(wù)裝入到RPU中，不用改變硬件設計，隨時(shí)可以進(jìn)行，以應對可穿戴系統工作模式的變化。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(shí)現了可編程基帶處理器以及MIPS內核和一組低功耗加速器

　　不限于射頻的無(wú)線(xiàn)

　　可穿戴傳感器越來(lái)越小，越來(lái)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(wèn)題越來(lái)越重要。對此，IP創(chuàng )業(yè)公司Epic半導體提出了很有趣的建議，無(wú)線(xiàn)鏈路不采用射頻，而是其他的。據Epic的CTO,Wolf Richter,辦法是采用電場(chǎng)。

　　Epic出于三種不同目的而開(kāi)發(fā)了一種使用外部電極的技術(shù)--小型的導體片或者導體箔。首先，電路從周?chē)妶?chǎng)獲得能量。在三到五秒內，設備能夠收集足夠的能量，為5 mW負載供電一段時(shí)間。Richter舉了一個(gè)例子，包括在運行速率是3 MHz的ARM Cortex-M0上執行任務(wù)，重新寫(xiě)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(IP)能夠檢測到調制電場(chǎng)的任何物理現象，就像一個(gè)典型的電容傳感器。Richter說(shuō)，例如，設備可以檢測到大約三米附近出現的人。其他較普通的應用包括測量附近物體表面的介質(zhì)常數--系統可以從中推斷出生物體的溫度、脈搏和肌肉活動(dòng)?；蛘?，在完全不同的環(huán)境中，傳感器可以從介質(zhì)常數的變化來(lái)推斷出包裝好的肉類(lèi)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(guò)監視并調制電極上的電場(chǎng)，實(shí)現無(wú)射頻近場(chǎng)通信。這樣，一個(gè)0.25 mm2硅片能夠為智能表面、貼片或者某些類(lèi)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看成是傳統的嵌入式系統，極端的移動(dòng)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進(jìn)行劃分，從主體中分開(kāi)，只有無(wú)線(xiàn)鏈路連接兩部分。在智能眼鏡的例子中，系統仍然保持不變，只有大量的存儲和最繁重的計算任務(wù)通過(guò)IoT放到云端。

　　在復雜的生物計量系統中，獨立的貼片、扎帶以及置入傳感器離開(kāi)了中央單元，每個(gè)都有短距離無(wú)線(xiàn)鏈路，有足夠的計算能力來(lái)管理帶寬，執行本地控制循環(huán)。系統會(huì )完全是分布式的，中央單元只用作短距離無(wú)線(xiàn)連接的集線(xiàn)器，只要允許就可以通過(guò)WiFi或者蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接云端資源。

　　實(shí)現這類(lèi)系統聽(tīng)起來(lái)非常簡(jiǎn)單。找出物理拓撲、傳感器在哪里。選擇距離和數據速率能夠被傳感器和拓撲所支持的無(wú)線(xiàn)鏈路。選擇本地計算和電源設計，滿(mǎn)足傳感器的本地控制循環(huán)要求，提供無(wú)線(xiàn)鏈路需要的數據壓縮、糾錯、濾波和寬帶處理要求。重復直至完成。

　　這一簡(jiǎn)單的方法有兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)是不可預測的無(wú)線(xiàn)鏈路。很多系統限制要求可穿戴網(wǎng)絡(luò )維持一定的功能，在無(wú)線(xiàn)鏈路失效時(shí)，至少不能帶來(lái)傷害，系統實(shí)際上已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò )。這種要求意味著(zhù)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(gè)問(wèn)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(xiàn)IoT系統完全不同，任何無(wú)線(xiàn)鏈路的兩端都不能確定對端就是他自己所宣稱(chēng)的身份，也不能保證自己不受攻擊。這在醫療系統中尤其如此。有協(xié)議可以保證安全等級，但是要求每一遠程節點(diǎn)都進(jìn)行一定級別的認證和加密。而且，謹慎起見(jiàn)，要求一定等級的功能安全監視，防止致動(dòng)器在任何環(huán)境下產(chǎn)生任何傷害。然而，在目前的設計中，還不能滿(mǎn)足這類(lèi)悲觀(guān)的需求。這必定會(huì )改變。結果是要求更多的本地計算，特別是致動(dòng)器和顯示屏，仍然滿(mǎn)足本地節點(diǎn)的空間和電源限制要求。這種自相矛盾會(huì )越來(lái)越多的體現在節點(diǎn)和集線(xiàn)器應用CPU加可編程加速器體系結構等概念中，還會(huì )體現在控制、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中，重新分配計算任務(wù)，預測未來(lái)的可穿戴網(wǎng)絡(luò )。已經(jīng)出現了能夠實(shí)現這些分布式節點(diǎn)的技術(shù)。聰明地使用這些技術(shù)會(huì )深刻的改變我們目前對嵌入式系統體系結構的看法。