可穿戴電子系統(tǒng)的發(fā)展――人類和嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合

　　解決這一問題的一種途徑是重新思考射頻。設(shè)計(jì)人員傾向于在無線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(nèi)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(tǒng)，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在兩方面更加自由。

　　Parvathaneni說，在內(nèi)部，Ensigma RPU (圖2) 包括了通用MIPS CPU內(nèi)核，由一組特殊加速器提供支持。因此，功能是軟件定義的，用戶可以通過修改代碼來改變射頻空中接口。這是一方面的自由，您可以調(diào)整基帶所消耗的功率，以匹配特定無線鏈路的帶寬和距離要求。Parvathaneni還解釋說：“在很多情況下，空中接口為主任務(wù)的MIPS內(nèi)核留下了空間。” 因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇空中接口標(biāo)準(zhǔn)，然后，將一組處理任務(wù)裝入到RPU中，不用改變硬件設(shè)計(jì)，隨時(shí)可以進(jìn)行，以應(yīng)對(duì)可穿戴系統(tǒng)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(xiàn)了可編程基帶處理器以及MIPS內(nèi)核和一組低功耗加速器

　　不限于射頻的無線

　　可穿戴傳感器越來越小，越來越輕，幾乎是一次性的，因此，支持空中接口的硬件和能耗等問題越來越重要。對(duì)此，IP創(chuàng)業(yè)公司Epic半導(dǎo)體提出了很有趣的建議，無線鏈路不采用射頻，而是其他的。據(jù)Epic的CTO,Wolf Richter,辦法是采用電場(chǎng)。

　　Epic出于三種不同目的而開發(fā)了一種使用外部電極的技術(shù)--小型的導(dǎo)體片或者導(dǎo)體箔。首先，電路從周圍電場(chǎng)獲得能量。在三到五秒內(nèi)，設(shè)備能夠收集足夠的能量，為5 mW負(fù)載供電一段時(shí)間。Richter舉了一個(gè)例子，包括在運(yùn)行速率是3 MHz的ARM Cortex-M0上執(zhí)行任務(wù)，重新寫入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(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)能夠檢測(cè)到調(diào)制電場(chǎng)的任何物理現(xiàn)象，就像一個(gè)典型的電容傳感器。Richter說，例如，設(shè)備可以檢測(cè)到大約三米附近出現(xiàn)的人。其他較普通的應(yīng)用包括測(cè)量附近物體表面的介質(zhì)常數(shù)--系統(tǒng)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(shù)的變化來推斷出包裝好的肉類表面的腐敗程度。

　　最后，這一技術(shù)在雙向信號(hào)上可以使用相同的電極，通過監(jiān)視并調(diào)制電極上的電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)無射頻近場(chǎng)通信。這樣，一個(gè)0.25 mm2硅片能夠?yàn)橹悄鼙砻?、貼片或者某些類似的介質(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(tǒng)看成是傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，極端的移動(dòng)性對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，從主體中分開，只有無線鏈路連接兩部分。在智能眼鏡的例子中，系統(tǒng)仍然保持不變，只有大量的存儲(chǔ)和最繁重的計(jì)算任務(wù)通過IoT放到云端。

　　在復(fù)雜的生物計(jì)量系統(tǒng)中，獨(dú)立的貼片、扎帶以及置入傳感器離開了中央單元，每個(gè)都有短距離無線鏈路，有足夠的計(jì)算能力來管理帶寬，執(zhí)行本地控制循環(huán)。系統(tǒng)會(huì)完全是分布式的，中央單元只用作短距離無線連接的集線器，只要允許就可以通過WiFi或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接云端資源。

　　實(shí)現(xiàn)這類系統(tǒng)聽起來非常簡(jiǎn)單。找出物理拓?fù)?、傳感器在哪里。選擇距離和數(shù)據(jù)速率能夠被傳感器和拓?fù)渌С值臒o線鏈路。選擇本地計(jì)算和電源設(shè)計(jì)，滿足傳感器的本地控制循環(huán)要求，提供無線鏈路需要的數(shù)據(jù)壓縮、糾錯(cuò)、濾波和寬帶處理要求。重復(fù)直至完成。

　　這一簡(jiǎn)單的方法有兩個(gè)問題。第一個(gè)是不可預(yù)測(cè)的無線鏈路。很多系統(tǒng)限制要求可穿戴網(wǎng)絡(luò)維持一定的功能，在無線鏈路失效時(shí)，至少不能帶來傷害，系統(tǒng)實(shí)際上已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)。這種要求意味著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)問題是安全。出于私有和安全考慮，每一級(jí)的可穿戴網(wǎng)絡(luò)必須保護(hù)自己不受攻擊。與有線IoT系統(tǒng)完全不同，任何無線鏈路的兩端都不能確定對(duì)端就是他自己所宣稱的身份，也不能保證自己不受攻擊。這在醫(yī)療系統(tǒng)中尤其如此。有協(xié)議可以保證安全等級(jí)，但是要求每一遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行一定級(jí)別的認(rèn)證和加密。而且，謹(jǐn)慎起見，要求一定等級(jí)的功能安全監(jiān)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(shè)計(jì)中，還不能滿足這類悲觀的需求。這必定會(huì)改變。結(jié)果是要求更多的本地計(jì)算，特別是致動(dòng)器和顯示屏，仍然滿足本地節(jié)點(diǎn)的空間和電源限制要求。這種自相矛盾會(huì)越來越多的體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)和集線器應(yīng)用CPU加可編程加速器體系結(jié)構(gòu)等概念中，還會(huì)體現(xiàn)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(tǒng)中，重新分配計(jì)算任務(wù)，預(yù)測(cè)未來的可穿戴網(wǎng)絡(luò)。已經(jīng)出現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)這些分布式節(jié)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(duì)嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的看法。