摘 要： 針對(duì)計(jì)算機(jī)與服裝一體化集成設(shè)計(jì)中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能融合方面的問(wèn)題，研究服裝用模塊化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。將服裝用穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的問(wèn)題歸納為可靠性、集成性、人機(jī)交互性能等三個(gè)方面，為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，提出了模塊化的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和三層的服裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)高密度布線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模塊的微小型化，基于織物編織技術(shù)的織物線纜設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了模塊間的柔性互聯(lián)。
關(guān)鍵詞： 穿戴計(jì)算機(jī)；智能服裝；模塊化
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，各種便攜電子設(shè)備和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已不斷融入大眾日常生活中，發(fā)揮著醫(yī)療監(jiān)護(hù)[1-2]、設(shè)備維修[3]、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[4]等作用，提高了人們處理信息的能力和效率。為描述這種基于信息技術(shù)的新型人機(jī)協(xié)同的個(gè)人移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，Mann提出可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(WearComp)概念。在CHI’97的可穿戴計(jì)算機(jī)大會(huì)上將其特征歸納為可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下使用、非雙手操作、與衣物集成、操作者可控制和持續(xù)可用等五大特征。針對(duì)上述要求，不同的研究者從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能應(yīng)用、組件開發(fā)等不同方面進(jìn)行了大量的實(shí)踐[5-8]，不斷豐富著可穿戴計(jì)算機(jī)的研究?jī)?nèi)容。
1 可穿戴計(jì)算機(jī)關(guān)鍵問(wèn)題
可穿戴計(jì)算機(jī)的五大特征從實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了限定，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的角度其關(guān)鍵問(wèn)題有：(1)高可靠性。特別是對(duì)復(fù)雜的自然環(huán)境和激烈人體運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)能力；(2)高度集成。以服裝為載體實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的隱蔽與保護(hù)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的高度融合；(3)多樣的人機(jī)交互。穿戴計(jì)算機(jī)應(yīng)是智能輔助系統(tǒng)，需提供人性化、自然的交互方式，充分利用人的各種感知器官實(shí)現(xiàn)信息的多途徑傳遞。
服裝用模塊化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)針對(duì)上述三個(gè)主要問(wèn)題，按照穿戴式計(jì)算機(jī)的理念，結(jié)合電子設(shè)備與服裝各自的特點(diǎn)，在系統(tǒng)層面統(tǒng)籌考慮計(jì)算機(jī)與服裝的結(jié)構(gòu)和功能，將功能和應(yīng)用進(jìn)行分解和模塊化處理，再經(jīng)過(guò)一體化集成重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一種高效的人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
服裝計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。將計(jì)算機(jī)按功能應(yīng)用進(jìn)行模塊化、微小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)與服裝進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模塊的無(wú)縫嵌入；為提供友好的人機(jī)界面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有語(yǔ)音、觸屏、按鍵等三種控制方式和視頻、音頻兩種信息輸出方式。按方便就近、自然攜行的原則，將硬質(zhì)模塊分布于服裝的不同位置，便于信息的交互，減少對(duì)人體的干擾；通過(guò)扁平織物線纜連接各個(gè)模塊，在實(shí)現(xiàn)信息、能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)對(duì)服裝進(jìn)行加固。通過(guò)一體化集成設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠和集成性能。
2.1 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為滿足使用過(guò)程中所需運(yùn)算功能、人機(jī)交互功能、信息采集和數(shù)據(jù)輸出的性能，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有的功能按表1進(jìn)行拆解，實(shí)現(xiàn)模塊化，同時(shí)結(jié)合多層高密度電路板設(shè)計(jì)，以有效減小單個(gè)模塊的體積和重量。
高低速電路模塊組成系統(tǒng)的核心運(yùn)算單元，采用AMD公司低功耗LX800中央處理器及CS5536協(xié)處理器，配置有512 MB內(nèi)存實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)字計(jì)算和強(qiáng)大的外部設(shè)備的管理能力；接口電路模塊通過(guò)USBHUB芯片，設(shè)計(jì)有USB、串口、網(wǎng)口、音頻口等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)接口的擴(kuò)展，用于連接觸屏控制器、GPS、藍(lán)牙無(wú)線模塊、耳機(jī)麥克風(fēng)等功能電路模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用擴(kuò)展。高低速及接口電路模塊間通過(guò)柔性電路板進(jìn)行連接，使模塊間有一定的柔性，便于穿戴。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖2所示，計(jì)算機(jī)接插件均采用高密度緊湊接插件，以減少接插距離和體積。通過(guò)模塊化高密度設(shè)計(jì)將單個(gè)模塊的體積控制在60 mm×60 mm×9 mm以內(nèi)，以提高模塊穿戴的舒適性，便于模塊在服裝中的集成。模塊間采用柔性電路連接，使系統(tǒng)能很好地適應(yīng)使用者的身體，增強(qiáng)系統(tǒng)穿戴性能。
2.2 服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
服裝本體由于需要加入大小不一的硬質(zhì)計(jì)算機(jī)模塊，因此需要考慮模塊體積和重量，對(duì)服裝和計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)；由于系統(tǒng)還具有顯示器、系統(tǒng)開關(guān)、語(yǔ)音控制等人機(jī)交互的接口，因此，需根據(jù)操作的方便性和舒適性，在服裝不同部位放置不同的界面。
三層服裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，用于實(shí)現(xiàn)模塊的隱形嵌入。內(nèi)層為彈性的棉纖維針織內(nèi)衣面料，可以減少對(duì)人體皮膚的刺激，還可根據(jù)應(yīng)用需求集成壓力、溫度傳感器對(duì)人體生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。中間層為電子設(shè)備嵌入層，在腰部縫制有多個(gè)口袋，將高低速電路模塊、電池模塊、接口電路模塊放入口袋中以固定相互之間的位置，對(duì)連接的柔性線纜進(jìn)行保護(hù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與GPS、耳機(jī)麥克風(fēng)、藍(lán)牙、顯示器等功能模塊間的連接電纜也布置于中間層，采用縫合的方式將其固定。服裝外層采用具有阻燃、防水等防護(hù)功能的服裝面料，形成功能服裝的造型，對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行防水保護(hù)。在腕部設(shè)計(jì)了顯示器安裝袋，留有顯示屏幕開口。衣領(lǐng)部位安裝有麥克風(fēng)和耳機(jī)，用于音頻信息的交互。
3 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 微型計(jì)算機(jī)模塊設(shè)計(jì)
采用高密度緊湊設(shè)計(jì)以提高計(jì)算機(jī)模塊的高集成性。PCB尺寸為60 mm×60 mm，PCB模塊布局空間已被功能器件幾乎100%的使用，因此采用高頻低阻抗超薄PCB材料，其具有較低高頻連接阻抗，使系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)能穩(wěn)定工作。采用小體積封裝器件緊密排布，電路板正面限高2 mm，背面限高3 mm，以實(shí)現(xiàn)較小的模塊厚度。
模塊的外殼采用高強(qiáng)度鋁合金材料制作，并通過(guò)熱處理強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度輕質(zhì)量的殼體保護(hù)，確保在人體劇烈運(yùn)動(dòng)條件下正常工作，同時(shí)具有很好的散熱性能。殼體外表面經(jīng)導(dǎo)電氧化處理，具有很強(qiáng)的EMC防電磁輻射與抗干擾能力。殼體的接縫處采用導(dǎo)電橡膠密封圈進(jìn)行密封處理，具有較強(qiáng)的防水防塵能力。
3.2 織物連接線纜設(shè)計(jì)
采用編織技術(shù)設(shè)計(jì)窄幅織物線纜如圖4所示，將導(dǎo)線與織物混合編織成帶狀，便于采用縫合的方式與服裝進(jìn)行一體化集成，使線纜上受到的力均傳遞到服裝本體，減少模塊接口處接插件受力，以保證連接的穩(wěn)固可靠，提高運(yùn)動(dòng)條件下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。
本系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)模塊功能切割、微小型化模塊設(shè)計(jì)和織物線纜連接，充分利用服裝和電子模塊各自的特性，在人體表面搭建了一個(gè)服裝信息平臺(tái)，為特種人員提供了數(shù)據(jù)交換和信息處理的功能。系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的USB、串口、網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙無(wú)線接口，可方便連接豐富的功能模塊，實(shí)現(xiàn)廣泛的終端應(yīng)用功能。對(duì)硬件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)將極大提升穿戴計(jì)算機(jī)的使用體驗(yàn)。如何結(jié)合軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供更多的智能輔助決策功能將是服裝用計(jì)算機(jī)研制的重要方向。
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