依托LED技術(shù)智能終端穿戴設(shè)備的研究與創(chuàng)新

張貴鵬　鮑小鋒　王斌　寧煜　禹海斌

摘要：當(dāng)今時代，移動技術(shù)快速發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)也被普遍運用到生產(chǎn)生活中，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也開始向移動互聯(lián)網(wǎng)靠近?；诋?dāng)下的發(fā)展形勢，智能穿戴設(shè)備也不落后，正在快速成長，逐步也會成為一種熱門行業(yè)。文章首先對智能穿戴設(shè)備目前的發(fā)展現(xiàn)在進行了簡單的分析，其次對LED技術(shù)的智能穿戴設(shè)備相關(guān)技術(shù)進行研究探討，最后對LED技術(shù)智能終端穿戴設(shè)備發(fā)展提出了具有創(chuàng)新性、建設(shè)性的建議。

關(guān)鍵詞：LED光源;可穿戴設(shè)備;智能化;應(yīng)用探究

項目基金：

項目名稱：基于穿戴式智能終端的紅外熱成像測溫技術(shù)研究

基金編號：050400KK52190015

0引言

基于互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展背景下，智能可穿戴設(shè)備研發(fā)和使用也不斷增長。智能可穿戴設(shè)備將會成為一個具有巨大潛力的新興產(chǎn)業(yè)。目前大量的智能可穿戴設(shè)備投放市場，智能可穿戴設(shè)備受到越來越公眾的認可與信賴。智能可穿戴設(shè)備市場已經(jīng)躋身于世界上快速發(fā)展的高科技市場的名單中，并經(jīng)常受到投資者的青睞。面對大量的智能可穿戴設(shè)備，在選擇上面就已經(jīng)很難抉擇。目前來看，智能可穿戴設(shè)備在對品種進行分類和對未來發(fā)展趨勢的審核標準上面還有不足。

1智能穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，智能設(shè)備的發(fā)展非常迅速，產(chǎn)品種類也越來越多，種類繁多，最大的特點是越來越接近日常生活。根據(jù)市場統(tǒng)計，智能可穿戴設(shè)備的銷量逐年快速增長，由此可以得出結(jié)論，智能可穿戴設(shè)備在當(dāng)前市場上已經(jīng)占有一定的地位。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖中可以看出，計算機的出貨量已經(jīng)遠遠高于其他智能設(shè)備，占據(jù)了中心位置。作為新生事物，智能可穿戴設(shè)備顯示出良好的增長態(tài)勢。智能可穿戴設(shè)備還滿足了公眾的日常生活需求，并成為未來的研究方向之一，智能可穿戴設(shè)備肯定會有很好的發(fā)展空間。

3 LED技術(shù)的智能穿戴設(shè)備技術(shù)研究

2.1芯片技術(shù)

芯片不僅是現(xiàn)代計算機最重要的零件之一，同時也是智能可穿戴設(shè)備的命脈。CPU，DSP等都是智能可穿戴芯片當(dāng)中的不同類別。智能可穿戴設(shè)備對芯片功耗有很高的要求，并且通常采用簡單指令芯片來控制功耗。采用復(fù)雜芯片在低功耗芯片范疇中沒有競爭優(yōu)勢。比如，芯片產(chǎn)業(yè)鏈在設(shè)計、生產(chǎn)和銷售的過程中全部由全部由英特爾來進行主導(dǎo)，產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)模能夠得到一定的保障要歸結(jié)于具有標準化的封閉商業(yè)模式，相對單一PC時代的需求使得英特爾芯片處于行業(yè)主導(dǎo)地位，并且在許多手機制造商中，產(chǎn)品的非標準化構(gòu)成了英特爾智能終端在競爭領(lǐng)域中處于劣勢。在可穿戴計算領(lǐng)域，產(chǎn)品形式將呈現(xiàn)多樣化，對芯片的需求也將更加廣泛，因此傳統(tǒng)的英特爾標準化量產(chǎn)芯片戰(zhàn)略幾乎沒有競爭優(yōu)勢^[2]。ARM不是生產(chǎn)自己的芯片處理器，則是通過出售自己基于ARM的設(shè)計制造公司進行低功耗設(shè)計個性化開發(fā)來賺錢，這種經(jīng)營理念使得可穿戴計算ARM占據(jù)了主導(dǎo)地位。

2.2紅外 LED光源

紅外發(fā)光二極管可以簡稱為紅外LED，它可以簡單被理解由PN結(jié)來來構(gòu)成，它的里面包含了P型、N型的半導(dǎo)體，由高效率紅外輻射材料所構(gòu)成。PN結(jié)不僅能夠在加上正向電壓時會出現(xiàn)導(dǎo)通現(xiàn)象，還能夠在加上反向電壓時出現(xiàn)截止的現(xiàn)象，這主要是由 PN結(jié)中的載流子（電子和空穴）所決定。一定條件下，PN結(jié)被加上正向電壓時，PN 結(jié)中的少子和多子連續(xù)從一個空間移動到另一個空間，在移動當(dāng)中會發(fā)生少子和多子的融合，融合的過程中會釋放能量，其釋放過程可以作為是光子的放出，這就是我們所看到的發(fā)光的現(xiàn)象，是電能轉(zhuǎn)化光能的實現(xiàn)。紅外發(fā)光二極管的發(fā)光波長是在 800 nm和 980 nm之間，屬于短波范圍。LED技術(shù)根據(jù)波長的不同可以被使用到不同的場合，比如在醫(yī)療器械、光通信、遙控器、高速公路自動讀卡器系統(tǒng)、數(shù)碼攝影、有色變焦、防盜報警器、紅外防水?dāng)z像機、監(jiān)控系統(tǒng)、視頻攝像頭、以及理療針灸技術(shù)等。所以，LED技術(shù)的智能穿戴設(shè)備將具有很大的發(fā)展空間^[3]。

2.3嵌入式 Boa 服務(wù)器

嵌入式設(shè)備配置在目前的需求不是很高，外加它不用同時接受多個客戶的請求，所以它不需要采用Linux系統(tǒng)下例如 Apache 等常用的較大服務(wù)器，選擇特意為嵌入式設(shè)備而設(shè)計的小型Web 服務(wù)器就完全滿足，這些小型的服務(wù)器不僅在存儲空間方面還是在運行時所占內(nèi)存的大小都非常滿足嵌入式在各種場合的使用需求。它和大型的Web 服務(wù)器有所不同，小型嵌入式 Web 服務(wù)器普遍情況只能運行單個任務(wù)，只能按照步驟逐一完成請求任務(wù)，不能做到同時執(zhí)行多個任務(wù)，但針對嵌入式設(shè)備使用場景來說基本都能滿足需求。多數(shù)小型 Web 服務(wù)器中，雖然嵌入式 Boa 服務(wù)器結(jié)構(gòu)框架看似簡單，僅有幾行代碼，但是它的功能卻非常強大，不僅可以運行 CGI 程序，還能夠為CGI程序提供新的進程來完成請求的任務(wù)，它在滿足安全的基礎(chǔ)上還追求處理用戶需求的速度。通過對市場上幾種嵌入式服務(wù)器的具體參數(shù)、性能后發(fā)現(xiàn)，Bob 服務(wù)器要比 Apache 服務(wù)器的性能要高效一些，所有，根據(jù)所需要的的網(wǎng)關(guān)需求，網(wǎng)頁訪問的服務(wù)器采用嵌入式 Boa 服務(wù)器是最佳選擇。

3LED技術(shù)智能終端穿戴設(shè)備創(chuàng)新

3.1設(shè)計方案功能分析

為了探索基于LED技術(shù)的智能可穿戴設(shè)備，首先要完成該方案的總體設(shè)計，并仔細分析該方案中的每個功能，以獲得以下要求：設(shè)備上的終端節(jié)點可以收集用戶的溫度數(shù)據(jù)并控制紅外LED; 用戶可以通過計算機或客戶端的移動終端無線控制設(shè)備; 用戶的基本數(shù)據(jù)得到保護，能夠處理相關(guān)任務(wù);該應(yīng)用程序界面簡單，靈活，適合所有年齡段的人使用。

3.2藍牙與WiFi技術(shù)支持

利用藍牙進行通信就是把主設(shè)備和從設(shè)備同時打開訪問信號，以此來形成通信網(wǎng)絡(luò)。伴隨著智能可穿戴設(shè)備市場不斷的發(fā)展，藍牙協(xié)議的4.1版改對傳送的內(nèi)容做出了相關(guān)的變動及提升。它最大的優(yōu)勢就是體積小，在移動設(shè)備和其他電子設(shè)備中都得到廣泛的應(yīng)用。相對應(yīng)它的缺點就是通信速率低，需要通過審核機制進行網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)容量較小，功耗較高，并且與其他協(xié)議相比，協(xié)議棧繁瑣并且價格較貴。所以，藍牙尚未被廣泛使用。WiFi通信就是需要在網(wǎng)絡(luò)中組建一個接受熱點來完成設(shè)備之間的無線通信。WiFi網(wǎng)絡(luò)通信通常在方圓100米都有覆蓋。也可以這樣理解，WiFi通信技術(shù)能夠完成高速率的網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)，它不僅穩(wěn)定性強，擴展性好，帶寬高，也是現(xiàn)在應(yīng)用非常普遍的短距離數(shù)據(jù)交互技術(shù)。

3.3明確整體方案設(shè)計

起初，需要快速測量溫度的傳感器來捕獲用戶的體溫。傳感器模塊是通過將傳感器模塊與終端節(jié)點組合而設(shè)計的。在這里，在控制設(shè)備上收集用戶的溫度和控制紅外LED是信息收集和控制端的關(guān)鍵任務(wù)。用戶的數(shù)據(jù)利用協(xié)議傳送到網(wǎng)關(guān)中協(xié)調(diào)器，然后再進行下一步的處理。針對方案中能夠解決和傳輸數(shù)據(jù)，需要建立一個網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)中的協(xié)調(diào)器可以將數(shù)據(jù)傳送給一個特定處理數(shù)據(jù)的平臺，通過這個平臺承載Linux 系統(tǒng)，并啟動嵌入式 Boa 服務(wù)器。除此之外，網(wǎng)關(guān)還有與移動設(shè)備進行無線通信、遠程控制設(shè)備的作用。最終對于方案中涉及到的移動客戶端能夠使用無線控制智能穿戴設(shè)備，需要設(shè)計出相應(yīng)的手機應(yīng)用程序app和網(wǎng)頁程序?？偠灾?，可以把整體的方案分成三個部分。第一部分命名為數(shù)據(jù)的采集與控制端，它是需要實現(xiàn)用戶的數(shù)據(jù)收集與控制紅外LED;第二部分命名為信息的處理與傳輸端，它需要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理加工以及傳輸指令^[4];第三部分命名為客戶應(yīng)用控制，它需要實現(xiàn)手機 APP 應(yīng)用程序以及嵌入式網(wǎng)頁應(yīng)用的程序設(shè)計，如下圖所示。

4結(jié)語

盡管LED光源在智能可穿戴設(shè)備中的使用正逐步增加，但在實際應(yīng)用和推廣中還是有許多為解決的問題，例如：LED光源的熱量，如果沒有及時散播掉，不單是影響 LED燈的性能，壽命，也對智能可穿戴設(shè)備的正常運行有一定影響，嚴重則會給穿戴者帶來潛在的安全隱患?；贚ED光源技術(shù)和智能可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，我們堅定它可以解決許多現(xiàn)有的問題，LED光源在可穿戴設(shè)備中的功能（例如顯示、指示、光療）將得到更多體現(xiàn)。

參考文獻：

[1]黃川.基于可穿戴設(shè)備的教育應(yīng)用案例分析[J].科技傳播，2018，10（21）：90-91.

[2]羅琳琳，龔霞輝.智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備及服裝的特點、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].武漢紡織大學(xué)學(xué)報，2020，33（03）：40-45.

[3]孫效華，張義文，侯璐，周雯潔，張繩宸.人工智能產(chǎn)品與服務(wù)體系研究綜述[J].包裝工程，2020，41（10）：49-61.

[4]王文琦，費廷偉，王學(xué)勇，孔祥營.智能穿戴設(shè)備及其能量收集技術(shù)簡述[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2019（04）：59-62.