可穿戴电子系统的发展——人类和嵌入式系统的结合

不限于射频的无线

可穿戴传感器越来越小，越来越轻，几乎是一次性的，因此，支持空中接口的硬件和能耗等问题越来越重要。对此，IP创业公司Epic半导体提出了很有趣的建议，无线链路不采用射频，而是其他的。据Epic的CTO，Wolf Richter，办法是采用电场。

Epic出于三种不同目的而开发了一种使用外部电极的技术——小型的导体片或者导体箔。首先，电路从周围电场获得能量。在三到五秒内，设备能够收集足够的能量，为5 mW负载供电一段时间。Richter举了一个例子，包括在运行速率是3 MHz的ARM Cortex-M0上执行任务，重新写入15V电子墨水非易失显示屏，或者短暂的激活30V印刷电路。

其次，Epic知识产权(IP)能够检测到调制电场的任何物理现象，就像一个典型的电容传感器。Richter说，例如，设备可以检测到大约三米附近出现的人。其他较普通的应用包括测量附近物体表面的介质常数——系统可以从中推断出生物体的温度、脉搏和肌肉活动。或者，在完全不同的环境中，传感器可以从介质常数的变化来推断出包装好的肉类表面的腐败程度。

最后，这一技术在双向信号上可以使用相同的电极，通过监视并调制电极上的电场，实现无射频近场通信。这样，一个0.25 mm2硅片能够为智能表面、贴片或者某些类似的介质提供电源、传感和互联功能。

划分的一些事情

我们可以把可穿戴系统看成是传统的嵌入式系统，极端的移动性对每一组件提出了不同寻常的体积、重量和功耗限制。这些限制的影响是对系统进行划分，从主体中分开，只有无线链路连接两部分。在智能眼镜的例子中，系统仍然保持不变，只有大量的存储和最繁重的计算任务通过IoT放到云端。

在复杂的生物计量系统中，独立的贴片、扎带以及置入传感器离开了中央单元，每个都有短距离无线链路，有足够的计算能力来管理带宽，执行本地控制循环。系统会完全是分布式的，中央单元只用作短距离无线连接的集线器，只要允许就可以通过WiFi或者蜂窝网络连接云端资源。

实现这类系统听起来非常简单。找出物理拓扑、传感器在哪里。选择距离和数据速率能够被传感器和拓扑所支持的无线链路。选择本地计算和电源设计，满足传感器的本地控制循环要求，提供无线链路需要的数据压缩、纠错、滤波和宽带处理要求。重复直至完成。

这一简单的方法有两个问题。第一个是不可预测的无线链路。很多系统限制要求可穿戴网络维持一定的功能，在无线链路失效时，至少不能带来伤害，系统实际上已经成为网络。这种要求意味着冗余传感器或者射频通道，可能需要更多的本地处理功能。

第二个问题是安全。出于私有和安全考虑，每一级的可穿戴网络必须保护自己不受攻击。与有线IoT系统完全不同，任何无线链路的两端都不能确定对端就是他自己所宣称的身份，也不能保证自己不受攻击。这在医疗系统中尤其如此。有协议可以保证安全等级，但是要求每一远程节点都进行一定级别的认证和加密。而且，谨慎起见，要求一定等级的功能安全监视，防止致动器在任何环境下产生任何伤害。然而，在目前的设计中，还不能满足这类悲观的需求。这必定会改变。结果是要求更多的本地计算，特别是致动器和显示屏，仍然满足本地节点的空间和电源限制要求。这种自相矛盾会越来越多的体现在节点和集线器应用CPU加可编程加速器体系结构等概念中，还会体现在控制、传感器处理和安全任务中。

我们可以深入到目前的嵌入式系统中，重新分配计算任务，预测未来的可穿戴网络。已经出现了能够实现这些分布式节点的技术。聪明地使用这些技术会深刻的改变我们目前对嵌入式系统体系结构的看法。