智能穿戴設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢

1、智能穿戴設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢2018/7/17對智能穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，包括傳感技術(shù)、 顯示技術(shù)、芯片技術(shù)、操作系統(tǒng)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、提 高續(xù)航時間技術(shù)等。展望了智能穿戴設(shè)備在市場、產(chǎn)業(yè)鏈方面與相關(guān) 技術(shù)的融合、安全性及相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。1引言隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展， 移動互聯(lián)網(wǎng)日益普及，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng) 已經(jīng)在向移動互聯(lián)網(wǎng)遷移，智能穿戴設(shè)備近年來發(fā)展的非常迅速， 成 為一個熱點(diǎn)行業(yè)。智能穿戴產(chǎn)品涉及的領(lǐng)域十分廣泛，從眼鏡、娛樂、 兒童監(jiān)護(hù)、健康、智能家居、智能服飾到通信等領(lǐng)域，可以加入拍照、 語音識別、鏡片導(dǎo)航、體重監(jiān)測等各種功能?？梢哉J(rèn)為智能穿戴設(shè)備 是一種基于

2、移動互聯(lián)網(wǎng)的、具有高性能低功耗特點(diǎn)的智能終端， 其展 現(xiàn)形式不是手機(jī)，而是日常生活中的可穿戴物品。它過借助傳感器， 與人體進(jìn)行信息交互，是一種在新理念下誕生的智能設(shè)備， 具有廣泛 的應(yīng)用領(lǐng)域，并能夠根據(jù)用戶需求不斷升級。智能穿戴設(shè)備在提高人 們生活品質(zhì)、促進(jìn)生活方式智能化方面將會起到很重要的作用，智能 穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)將迎來巨大的市場空間。2智能穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀按照主要功能的不同，智能穿戴設(shè)備產(chǎn)品可以劃分為以下幾類： 運(yùn)動健康類、體感交互類、信息資訊類、醫(yī)療健康類和綜合功能類等， 每類設(shè)備針對不同的細(xì)分市場和消費(fèi)人群。運(yùn)動和醫(yī)療健康類的設(shè)備 有運(yùn)動、體側(cè)腕帶及智能手環(huán)，主要消費(fèi)人群為大眾消費(fèi)者；體

3、感控 制和綜合功能類的設(shè)備有智能眼鏡等，消費(fèi)人群以年輕人為主；信息咨詢類的設(shè)備有智能手表，主要消費(fèi)人群為大眾消費(fèi)者。從目前來看， 醫(yī)療和運(yùn)動健康類設(shè)備使用的用戶較多。隨著智能穿戴產(chǎn)業(yè)競爭日趨激烈，同質(zhì)化產(chǎn)品現(xiàn)象越來越嚴(yán)重， 各類只具備單一功能的智能硬件紛紛開始與其他智能硬件尋求合作。 在未來，隨著單一領(lǐng)域的智能穿戴產(chǎn)品技術(shù)日漸成熟，不同領(lǐng)域和功能訴求的產(chǎn)品會根據(jù)用戶實(shí)際需求在功能上實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，從而帶來更符合用戶需求的智能體驗(yàn)，發(fā)展方向也會日漸明確和多元化。目前市場上的智能穿戴產(chǎn)品主要有手環(huán)類產(chǎn)品、手表類產(chǎn)品、眼 鏡類產(chǎn)品和便攜醫(yī)療設(shè)備類產(chǎn)品等，如三星、索尼、華為、小米的智 能手環(huán)，蘋果、三星的智

4、能手表，谷歌的智能眼鏡等。此外，還有一 些珠寶、紐扣類、飾品類以及可放入口袋或嵌入服裝內(nèi)的產(chǎn)品等，如 施華洛世奇推出的SwarovskiShine太陽能可穿戴設(shè)備系列，Opening Ceremony推出的MICA智能手鐲。3智能穿戴設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)智能穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)涉及的技術(shù)范圍較廣，包括傳感技術(shù)、顯示技 術(shù)、芯片技術(shù)、操作系統(tǒng)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)計(jì)算處理技術(shù)、提高 續(xù)航時間技術(shù)、數(shù)據(jù)交互技術(shù)等。3. 1傳感技術(shù)傳感技術(shù)主要完成語音控制、眼球追蹤、手勢辨別、生理監(jiān)控（包 括心跳、血壓、睡眠質(zhì)量等）、環(huán)境感知（如溫度、濕度、位置和壓 力等）等。目前，應(yīng)用較多的傳感器類型有骨傳導(dǎo)、音源感測、肌電 感測

5、、重力感測、影像感測、陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、方向感測、 線性加速度感測、光體積訊號變化感測模組、心電圖腦波感測模組、 眼球追蹤感測等。3. 2顯示技術(shù)目前應(yīng)用在智能穿戴設(shè)備中的常見顯示技術(shù)包括薄膜電晶體液 晶顯示器、主動式矩陣有機(jī)發(fā)光二極體、有機(jī)發(fā)光二極體、發(fā)光二極 體與電子紙等。除此之外，目前主要的 3種穿戴式顯示技術(shù)是：（1）微型顯示：如硅基液晶，微機(jī)電系統(tǒng)/數(shù)位光源處理、鐳 射掃描等。（2） 柔性顯示：目前，日本半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室、蘋果、三星、LG Philips、諾基亞等巨頭正積極開發(fā)并推進(jìn)可彎曲的柔性屏幕、電池 和人機(jī)界面系統(tǒng)并進(jìn)行專利布局。現(xiàn)階段主流柔性顯示技術(shù)的研發(fā)瓶 頸主要聚焦在

6、以下幾個方面：1）顯示技術(shù)所用核心光電材料及相關(guān)功能材料性能的改進(jìn)、提 高，包括新材料的研發(fā)等；2）器件封裝基板及相關(guān)封裝材料的研發(fā)；3）更高顯示性能參數(shù)和效率的顯示器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化；4）低功耗、高效率驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；5）低成本材料、制作工藝研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化等。（3）透明面板：透明顯示已開始應(yīng)用于公共看板與櫥窗等，如 果應(yīng)用于個人穿戴，需再提升穿透率與解析度。3. 3芯片智能穿戴設(shè)備芯片可以分為3類：（1）以現(xiàn)有手機(jī)處理器為核心的芯片：如三星 Galaxy Gear采 用的Exynos 4212, Google Glass采用的OMAP 4430其優(yōu)點(diǎn)是有效 利用已有平臺加速開發(fā)且功能強(qiáng)大

7、。（2）基于單片機(jī)（MCU的產(chǎn)品：女口 Pebble手表、FitBit One 手環(huán)都是基于ARM Cortex-M結(jié)構(gòu)的MCI產(chǎn)品。（3）專門針對智能穿戴設(shè)備的芯片：英特爾推出的針對穿戴式 設(shè)備芯片方案In tel Edis on 是雙核芯片，一部分支持安卓系統(tǒng)，另 一部分則支持實(shí)時操作系統(tǒng)；高通推出的Toq處理器，為可穿戴設(shè)備 專門定制產(chǎn)品，采用 ARM Cortex- M3架構(gòu)；博通推出的BCM477處 理器，集成定位功能；國內(nèi)北京君正的芯片JZ4775,集成了 CPUFlash、 LPDDRWi Fi、Bluetooth、FM NFC和壓力傳感器、溫濕度傳感器 等所有器件。3. 4操作

8、系統(tǒng)智能穿戴設(shè)備采用的操作系統(tǒng)主要有 3類：（1）嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS :具有功耗低、任務(wù)單一的 特點(diǎn)。如三星智能腕帶Gear Fit采用的實(shí)時操作系統(tǒng)。（2）基于An droid平臺進(jìn)行修改的操作系統(tǒng)。如三星第二代智 能手表Gear 2和Gear 2 Neo搭載的Tizen操作系統(tǒng)。（3）專有操作系統(tǒng)：谷歌推出的 An droid Wear，北京君正推出 的Newton平臺等。3. 5無線通信技術(shù)對于智能穿戴設(shè)備的應(yīng)用而言，短距離無線通信技術(shù)更適合智能 穿戴用戶之間、智能穿戴設(shè)備與其他便攜式電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信 和信息共享。目前智能穿戴設(shè)備與終端的通信大部分是基于W_ AN、藍(lán)牙、

9、NFC等短距離無線通信技術(shù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)的同步采用私有協(xié)議。 用戶可以通過NFC技術(shù)將可穿戴設(shè)備與智能手機(jī)相連，不需要其他復(fù) 雜的設(shè)置；用戶可以通過藍(lán)牙和 WLAN技術(shù)從可穿戴設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)或云端，同時又不會消耗太多電量；用戶還 可以借助WLA直連技術(shù)直接將2個Wi-Fi設(shè)備連接在一起，無需設(shè) 置接入點(diǎn)。此外，智能穿戴設(shè)備也可以通過3G LTE等移動通信技術(shù) 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或分享。3. 6數(shù)據(jù)計(jì)算處理技術(shù)人機(jī)交互輸出界面或回饋包括文字顯示、數(shù)據(jù)分析、語音反饋、 動態(tài)或虛擬影像等，所有這些輸出界面的呈現(xiàn)都必須透過內(nèi)容運(yùn)算系 統(tǒng)分析，如擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)（Augmented Realit

10、y , AR、虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality , VR、AR結(jié)合 VR的混合現(xiàn)實(shí)（MixedReality 八立體投影等各種現(xiàn)實(shí)內(nèi)容計(jì)算和環(huán)境感知分析以及各種測量分析計(jì) 算如血壓、血氧、心率、脈搏、體溫等。此外，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等相 關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以將智能穿戴設(shè)備采集的數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確地發(fā)送 到后臺，通過對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析，可以為用戶提供 合理的建議。3. 7提高續(xù)航時間技術(shù)在智能穿戴技術(shù)里，如何提高設(shè)備的續(xù)航時間是關(guān)注的重點(diǎn)，也 是要解決的重要問題。目前主要的解決方法有3種：一是從操作系統(tǒng)、 芯片、屏幕以及終互聯(lián)等方面來減少功耗， 在性能與功耗之間找到平 衡點(diǎn)；二是增加

11、電池容量，如彎曲電池技術(shù)可在縮小電池體積的同時 增加電池容量；三是通過無線充電、極速充電、太陽能和生物充電等 技術(shù)緩解該問題，但這些充電技術(shù)大多處于研究階段，尚未大規(guī)模商 用。3. 8數(shù)據(jù)交互技術(shù)智能穿戴設(shè)備的價值不僅是簡單的硬件功能，還包括依托于硬件 的軟件和數(shù)據(jù)服務(wù)。但是目前很多廠商的應(yīng)用和云服務(wù)封閉， 存在數(shù) 據(jù)孤島，不能與其他設(shè)備共享數(shù)據(jù)，缺乏開放產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。因此需 要開放并統(tǒng)一智能穿戴設(shè)備、手機(jī)、云服務(wù)之間的接口，推動信息的 流動和共享，消除數(shù)據(jù)孤島，為用戶創(chuàng)造出更多的價值。智能穿戴設(shè)備與云平臺的交互方式，按照通信方式的不同可以分 為2種：一類是智能穿戴設(shè)備具備通信能力，能夠直接與

12、云平臺交互； 另一類是可穿戴設(shè)備不具備通信能力，需要通過手機(jī)與云平臺交互。4智能穿戴設(shè)備發(fā)展展望4. 1市場規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大隨著智能穿戴設(shè)備在2014年的爆發(fā)，2015年隨著蘋果的AppleWatch正式推出，華為的 Huawei Watch、HTC的Grip健身手環(huán)和虛 擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備Vive等新產(chǎn)品的發(fā)布，智能穿戴產(chǎn)品將會變得更加 時尚、智能，種類將更加豐富。據(jù)IHS預(yù)計(jì)，全球可穿戴設(shè)備市場在 2018年將達(dá)300億美元。IDC預(yù)計(jì)2018年全球出貨量將達(dá)到1. 119 億部，年復(fù)合增長率達(dá)到78. 4%。4. 2產(chǎn)業(yè)鏈各方進(jìn)一步加強(qiáng)合作可穿戴設(shè)備市場產(chǎn)業(yè)鏈主要包括硬件、行業(yè)應(yīng)用、社交平臺、

13、運(yùn) 營服務(wù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等環(huán)節(jié)。目前可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)還不夠成熟， 不同廠家的產(chǎn)品彼此獨(dú)立封閉缺少合作，數(shù)據(jù)缺乏有效共享。同時每個可穿戴設(shè)備都開發(fā)自己的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺。這種端到端的研發(fā)模式投入大而且風(fēng)險高，同時人力資源分散，難以專注于自己的核 心優(yōu)勢。未來智能穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈上各方將會加強(qiáng)合作，共同促進(jìn)該行業(yè)的發(fā)展。4. 3智能穿戴設(shè)備與相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步融合并標(biāo)準(zhǔn)化通過標(biāo)準(zhǔn)化可以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)分工以及加強(qiáng)不同領(lǐng)域企業(yè)間的互通 合作，從而優(yōu)化資源配置，提高研發(fā)效率和質(zhì)量，使得產(chǎn)業(yè)鏈中各方 加強(qiáng)創(chuàng)新，打造出有核心競爭力的產(chǎn)品。可穿戴設(shè)備與手機(jī)的數(shù)據(jù)管 理和應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn)化，便于實(shí)現(xiàn)多種可穿戴設(shè)備整合，降低

14、第三方開發(fā)應(yīng)用的復(fù)雜度，多數(shù)據(jù)融合和共享標(biāo)準(zhǔn)化，便于用戶統(tǒng)一管理和拓 展生態(tài)鏈。隨著智能穿戴設(shè)備市場的擴(kuò)大，智能穿戴設(shè)備與生命健康、移動 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將進(jìn)一步融合，可穿戴設(shè)備低功耗設(shè)計(jì)和研發(fā)水平將進(jìn)一 步得到提高，智能人機(jī)交互技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用將會得到發(fā)展。在低功耗 與高效能的微處理器、智能人機(jī)交互、柔性可拉伸器件、微型化供能、 短距離無線通信等關(guān)鍵技術(shù)得到進(jìn)一步突破之后，智能穿戴設(shè)備的市 場將進(jìn)一步擴(kuò)大。4. 4智能穿戴設(shè)備安全性進(jìn)一步加強(qiáng)大部分智能穿戴設(shè)備采用開放式操作系統(tǒng)，且與外部通信采用無線連接方式。而且現(xiàn)階段產(chǎn)品開發(fā)更多注重的是功能的實(shí)現(xiàn)，對于設(shè)備本身安全性關(guān)注并不高，導(dǎo)致存在諸多安全風(fēng)險

15、。智能穿戴設(shè)備面 臨的主要信息安全風(fēng)險來自于 2個方面：內(nèi)部漏洞和外部攻擊。部分具備虛擬現(xiàn)實(shí)功能的智能穿戴設(shè)備使用戶在使用時會分散 注意力，影響用戶人身安全。GoogleGlass使用戶眼睛長時間聚焦， 這可能會對原來人的生理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。 所有電子設(shè)備都會產(chǎn)生 輻射，而智能穿戴設(shè)備長期與人體貼身接觸，特別是眼鏡、頭盔等頭 戴式設(shè)備，所以對智能穿戴設(shè)備的輻射進(jìn)控制、要求和規(guī)范顯得尤為 重要。部分與皮膚長期接觸的可穿戴設(shè)備造成使用者皮膚產(chǎn)生不適或 過敏反應(yīng)，需要防止可穿戴設(shè)備對身體造成的傷害。隨著智能穿戴設(shè) 備的普及，智能穿戴設(shè)備的安全性將會受到更多關(guān)注，其安全性將會得到逐步提高。4. 5相關(guān)應(yīng)用越來越豐富目前，面向智能穿戴設(shè)備開發(fā)的應(yīng)用較少。在應(yīng)用程序的數(shù)量上， 如Pebble智能手表有1 000多種應(yīng)用，而索尼智能手表有 200多種 應(yīng)用，Gear則只有70多種。與智能手機(jī)產(chǎn)品用戶需求不同，各類智 能穿戴產(chǎn)品面向不同的細(xì)分市場，所以智能穿戴應(yīng)用的生態(tài)系統(tǒng)碎片 化嚴(yán)重，這也是可穿戴應(yīng)用較少的原因之一。開發(fā)人員為這