服裝用模塊化計算機系統設計

蔣 毅，周 宏，陳 曉，祖媛媛

(總后勤部軍需裝備研究所，北京 100082)

隨著信息技術的快速發展，各種便攜電子設備和微型計算機系統已不斷融入大眾日常生活中，發揮著醫療監護[1-2]、設備維修[3]、現場檢測[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的新型人機協同的個人移動計算系統，Mann提出可穿戴計算機系統(WearComp)概念。在CHI’97的可穿戴計算機大會上將其特征歸納為可在運動狀態下使用、非雙手操作、與衣物集成、操作者可控制和持續可用等五大特征。針對上述要求，不同的研究者從系統結構、功能應用、組件開發等不同方面進行了大量的實踐[5-8]，不斷豐富著可穿戴計算機的研究內容。

1 可穿戴計算機關鍵問題

可穿戴計算機的五大特征從實際應用角度對系統進行了限定，從系統設計與實現的角度其關鍵問題有：(1)高可靠性。特別是對復雜的自然環境和激烈人體運動的適應能力；(2)高度集成。以服裝為載體實現電子設備的隱蔽與保護，實現兩者之間的高度融合；(3)多樣的人機交互。穿戴計算機應是智能輔助系統，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現信息的多途徑傳遞。

服裝用模塊化計算機系統針對上述三個主要問題，按照穿戴式計算機的理念，結合電子設備與服裝各自的特點，在系統層面統籌考慮計算機與服裝的結構和功能，將功能和應用進行分解和模塊化處理，再經過一體化集成重構，實現一種高效的人機協同系統。

2 系統結構設計

服裝計算機系統結構設計如圖1所示。將計算機按功能應用進行模塊化、微小型化設計，同時與服裝進行聯合設計，實現模塊的無縫嵌入；為提供友好的人機界面，系統設計有語音、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，將硬質模塊分布于服裝的不同位置，便于信息的交互，減少對人體的干擾；通過扁平織物線纜連接各個模塊，在實現信息、能量傳輸的同時對服裝進行加固。通過一體化集成設計，提高系統的可靠和集成性能。

圖1 服裝計算機系統結構圖

2.1 計算機結構設計

為滿足使用過程中所需運算功能、人機交互功能、信息采集和數據輸出的性能，將計算機系統具有的功能按表1進行拆解，實現模塊化，同時結合多層高密度電路板設計，以有效減小單個模塊的體積和重量。

表1 計算機系統功能劃分表

高低速電路模塊組成系統的核心運算單元，采用AMD公司低功耗LX800中央處理器及CS5536協處理器，配置有512 MB內存實現高速的數字計算和強大的外部設備的管理能力；接口電路模塊通過USBHUB芯片，設計有USB、串口、網口、音頻口等多個標準的計算機接口的擴展，用于連接觸屏控制器、GPS、藍牙無線模塊、耳機麥克風等功能電路模塊，實現系統應用擴展。高低速及接口電路模塊間通過柔性電路板進行連接，使模塊間有一定的柔性，便于穿戴。

計算機系統實現效果如圖2所示，計算機接插件均采用高密度緊湊接插件，以減少接插距離和體積。通過模塊化高密度設計將單個模塊的體積控制在60 mm×60 mm×9 mm以內，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，使系統能很好地適應使用者的身體，增強系統穿戴性能。

2.2 服裝結構設計

服裝本體由于需要加入大小不一的硬質計算機模塊，因此需要考慮模塊體積和重量，對服裝和計算機模塊進行一體化集成設計；由于系統還具有顯示器、系統開關、語音控制等人機交互的接口，因此，需根據操作的方便性和舒適性，在服裝不同部位放置不同的界面。

三層服裝結構如圖3所示，用于實現模塊的隱形嵌入。內層為彈性的棉纖維針織內衣面料，可以減少對人體皮膚的刺激，還可根據應用需求集成壓力、溫度傳感器對人體生理參數進行監控。中間層為電子設備嵌入層，在腰部縫制有多個口袋，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，對連接的柔性線纜進行保護。計算機系統與GPS、耳機麥克風、藍牙、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、防水等防護功能的服裝面料，形成功能服裝的造型，對電子設備進行防水保護。在腕部設計了顯示器安裝袋，留有顯示屏幕開口。衣領部位安裝有麥克風和耳機，用于音頻信息的交互。

圖2 模塊化計算機實物圖

圖3 三層服裝結構圖

3 功能設計與實現

3.1 微型計算機模塊設計

采用高密度緊湊設計以提高計算機模塊的高集成性。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，使系統高速運行時能穩定工作。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，以實現較小的模塊厚度。

模塊的外殼采用高強度鋁合金材料制作，并通過熱處理強化，實現高強度輕質量的殼體保護，確保在人體劇烈運動條件下正常工作，同時具有很好的散熱性能。殼體外表面經導電氧化處理，具有很強的EMC防電磁輻射與抗干擾能力。殼體的接縫處采用導電橡膠密封圈進行密封處理，具有較強的防水防塵能力。

3.2 織物連接線纜設計

采用編織技術設計窄幅織物線纜如圖4所示，將導線與織物混合編織成帶狀，便于采用縫合的方式與服裝進行一體化集成，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，以保證連接的穩固可靠，提高運動條件下系統穩定運行的能力。

圖4 窄幅編織線纜圖

本系統通過計算機模塊功能切割、微小型化模塊設計和織物線纜連接，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服裝信息平臺，為特種人員提供了數據交換和信息處理的功能。系統具有標準的USB、串口、網絡、藍牙無線接口，可方便連接豐富的功能模塊，實現廣泛的終端應用功能。對硬件結構的改進設計將極大提升穿戴計算機的使用體驗。如何結合軟件優化設計，提供更多的智能輔助決策功能將是服裝用計算機研制的重要方向。

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