智能可穿戴设备及其应用

谢俊祥 张琳

1 中国医学科学院 北京协和医学院 医学信息研究所 （北京 100020）

2 中国青年政治学院 图书馆 （北京 100089）

0.前言

智能可穿戴设备是一种可以穿在身上或贴近身体并能发送和传递信息的计算设备，它可以利用传感器、射频识别、全球定位系统等信息传感设备，接入移动互联网，实现人与物随时随地的信息交流。智能可穿戴设备分为生活健康、信息咨询和体感控制类设备。其中，生活健康类的设备有运动、体侧腕带及智能手环；信息资讯类的设备包括智能手表和智能眼镜；体感控制类的设备包括Kinect、Leap Motion 等体感控制器[1,2,3]。

1.智能可穿戴设备的种类

目前，智能可穿戴设备的种类繁多，按照不 同的分类方式，可以规划出不同的类型[4]。

1.1 应用功能

1.1.1 人体健康、运动追踪类

Nike+系列产品和应用（Fuelband）、Jawbone Up、叮咚手环、GlassUp、Fitbit Flex。以上智能可穿戴设备，主要通过传感装置对用户的运动情况和健康状况做出记录和评估，大部分需要与智能终端设备进行链接显示数据。

1.1.2 综合智能终端类

Google Glass 等。这些综合智能终端类设备也需要与手机相连，可是功能更加强大，独立性更强，未来将成为智能可穿戴设备的主导产品。

1.1.3 智能手机辅助类

Pebble 等，这些智能手机辅助类可穿戴设备作为其他移动设备的功能补充，一方面必须与智能手机等设备配合使用，另一方面可以简化智能手机的操作。

1.2 佩戴位置

按照智能可穿戴设备的佩戴位置进行分类，虽然分类方法缺乏依据，但是其分类方法相对简单、界限清晰。主要有手（臂）环类：主要以一系列运动记录手环、臂环为主；手表类：Pebble等辅助类智能设备；眼镜类：主要是以Google Glass 等为主的新型智能终端；智能服装类：主要由Geek 开发，几乎没有正式发布的产品，例如可以通过转化太阳能为电子设备充电的比基尼、靴子等。

1.3 已发布智能可穿戴设备[5,6,7]

1.3.1 Google Glass&微软眼镜

Google Glass 内置GPS、动作传感器、摄像头等，可以指路、好友互动、拍照和拍摄视频，并与Google 其他服务紧密集成，更是增加现实体验感。

微软眼镜命名为“Monocle”，该智能眼镜可以在观看实况比赛过程中，为用户提供相关的数据信息，增强现场体验感。

1.3.2 Nike+和iWatch

Nike+和iWatch 为智能运动手环。Nike+是一系列可穿戴设备和应用，主要为用户提供运动记录和数据分享等功能，产品包括：Nike+ SportWatch GPS、Nike+ Running 应 用 程 序、Nike+ SportBand 等；iWatch 所能实现的是简单的数据通信和中转。

1.3.3 小米智能鞋和Heapsylon

小米智能鞋是由小米公司推出，该智能鞋能与小米手机连接在一起，不仅可以测算路线，还可以测算出跑步时的心率等情况；Heapsylon 则是可以测量跑步者的步数、步距、速度和消耗的卡路里的智能袜子。

2.智能可穿戴设备相关技术

智能可穿戴设备的发展离不开关键技术的支持，这些技术可划分为感知层、个人服务层以及后台服务层等[8,9]，所涉及的关键技术主要包括语音识别、眼球追踪、骨传导技术、低功耗互联技术、裸眼3D 技术、高速互联网和云计算以及人体芯片等[4]。

2.1 技术层次

2.1.1 感知层

通过各种类型感知设备获取人体相关信息，交由数据预处理模块处理。预处理包括：A/D 转换、标示、封装等。由于人体相关生理参数和运动状态密切相关，因此监测用户的生理参数、并且“知道”用户处在何种运动状态下，可以区分人体是由于剧烈运动引起的生理异常或疾病引起的病理性生理异常，对准确判断用户的身体健康情况具有重要意义。由此，感知层应包括生理参数传感器、运动状态传感器。

2.1.2 个人服务层

个人服务层是智能可穿戴设备的数据处理中心，面向的人员是穿戴者，包括：生理信息诊断模块、运动状态与危险动作识别模块、历史运动状态与事件队列、决策模块、报警模块、人机交互模块。生理和运动监测模块对应不同的分类器，执行相应的分类算法，然后将该分类结果放入历史运动状态与事件队列中。决策模块从该队列中取出生理状态和运动状态进行判断。感知层和个人服务层的处理单元之间连接用短距离通信方式，如Blue Tooth、Zigbee；个人服务层和后台服务层之间的互联采用远距离通信技术，如WiFi、3G或4G。

2.1.3 后台服务层

后台服务层是系统的数据处理和分析中心，面向的人员主要有系统管理者和医生。功能单元主要有系统管理模块、服务响应模块、数据存储与分析模块。服务相应模块对多用户数据进行分析、统计服务、个人用户的既定服务；系统管理模块对多个警报信息进行分类、识别、优先级处理，以便用户能得到实时的救助；数据存储与分析模块负责为各个功能模块提供数据支持。

2.2 关键技术

2.2.1 语音识别

语音识别常见于一些移动操作系统、软件和部分网站，智能可穿戴设备中的语音识别技术，可以在输入上和人机交互时取代键盘和手写，真正“解放人类的双手”，提高效率。

2.2.2 眼球追踪

眼球追踪技术早已广泛应用于科学研究领域，尤其是心理学领域。眼球追踪技术在智能可穿戴设备中的出现，将有可能催生出比触屏操作更“直观”，比语音操作更“快捷”的操作方法。

2.2.3 骨传导技术

骨传导技术一直以来是一项军用技术，通过震动人类面部的骨骼来传递声音，是一种高效的降噪技术。

2.2.4 低功耗互联技术

现已成功商用的蓝牙4.0 可以很好地解决智能可穿戴设备的能耗问题。蓝牙4.0 技术的应用，使得智能可穿戴设备成本更低、速度更快、距离更远。

2.2.5 裸眼3D 技术

裸眼3D 摒弃了笨拙的3D 眼镜，使得人们可以直接看到立体的画面。通过时差障壁技术、柱状透镜技术和MLD 技术，用户可以在液晶屏幕上感受清晰的3D 显示效果。

2.2.6 高速互联网和云计算

当宽带或移动互联网速度接近甚至超过硬盘读写速度的时候，通过终端访问云数据就像读取自己硬盘里的东西一样容易。较大运算量的任务将在云端处理，再将处理结果发送到终端呈现在用户眼前。这样可大大降低智能可穿戴设备的成本并减少它的体积。

2.2.7 人体芯片

人体芯片已经广泛应用于军事和医疗领域，但目前因为体积和安全的原因，人体芯片技术未能得到广泛应用。

3.智能可穿戴设备的市场

3.1 智能可穿戴设备产业链

智能可穿戴设备的产业服务链主要包括芯片、传感器、屏幕、电池、设备厂商、系统平台以及营销模式等方面[10]，主要的参与者及相关品牌如图1 所示。

3.2 市场分析

中国是智能可穿戴设备的新兴市场，2012 年市场规模为8.9 亿元。随着智能手机和物联网技术的成熟，预测到2015 年，中国智能可穿戴设备市场规模可达26.1 亿元，2012 年至2015 年复合增长率为30.9%。从细分市场看，生活健康类可穿戴设备最为热门，预计2012 年至2015 年复合增长率为33.5%；信息资讯类可穿戴设备虽然在2012 年只有2.8 亿的市场规模，但随着谷歌眼镜的发布将迎来市场爆发点，预计2012 年至2015年复合增长率为47%。中国作为智能可穿戴设备的重要市场之一，预计未来三年将实现35%的年复合增长率。从电子终端演进趋势上来看，智能手机已经步入成熟期，厂商陷入了硬件参数比拼之中，产品形态和功能并未有颠覆性的创新。而作为新兴的智能可穿戴设备，为用户提供了更多想象的空间，并且符合用户“高便携性”的需求，极可能成为下一代主流的电子终端产品[11,12]。

图1. 智能可穿戴计算设备产业链重要参与者

表1. 国内外主流健康大数据云服务平台

3.3 国内外主流健康大数据云服务平台

国内外主流的健康大数据云服务平台及支持系统包括Google Fit、Apple Health Kit、阿里健康云、腾讯健康云等[10]，其主要内容如表1 所示。

4.存在问题及发展方向

4.1 存在问题

尽管智能可穿戴设备被炒得火热，但是该领域仍处在发展的初级阶段，相应的产业链、商业模式等都没有成型[4,10]。目前，主要存在以下问题：

4.1.1 多为智能手机“配件”，独立性不强

大部分的智能可穿戴设备大多是智能手机的辅助工具，一部分是对智能手机功能的拓展，一部分是对智能手机功能的平移。如小米智能手环，仅仅是对智能手机部分功能的平移。通过蓝牙连接后，小米手环可为用户提供闹钟叫醒、睡眠测试、运动记录等功能，只是作为智能手机（安卓系统）的辅助外设，失去了独立存在的必要性。另一方面，智能可穿戴设备的硬件设计、生产需要对接多个合作伙伴和厂商，其整个过程市场及其繁琐；同时由于智能可穿戴设备作为智能手机的“配件”存在，需要和代工厂合作，内部审核流程复杂，模具评审时间长，在一定程度上延长了智能可穿戴设备的研发周期。

4.1.2 功能尚不完善，专属应用较少

随着智能可穿戴设备市场的不断发展壮大，逐步形成了一个新的智能可穿戴设备的App 市场，但目前智能可穿戴设备功能尚不完善， 专属应用较少。整个智能可穿戴设备市场呈现生态环境高度碎片化。市场上的各种智能可穿戴设备，由于各自运行的平台不同，使得开发商/研发者很难开发出适应多种设备的应用软件。

4.1.3 以数据为中心，用户体验差

大部分的智能可穿戴设备，都强调以数据为中心，实现与第三方数据的有效对接，主要集中在对各种数据进行分析、处理、综合等，以期为用户提供更多更可靠的数据和分析。但是由于不同的健康大数据服务平台进行数据整合的方式、标准各不相同，导致数据标准多样化，不同平台间的数据不能互通，在一定程度上忽略了人机交互设计和用户体验。智能可穿戴设备功能应用于用户的常规需求贴合度较低，不能满足用户对于智能可穿戴设备的期望。

4.1.4 电池技术亟待升级

智能可穿戴设备的电池使用时间一直是影响使用体验的重要问题。功耗、电池寿命都是阻碍智能可穿戴设备市场发展的因素，但是新的电池产品的研发及快速充电技术的研发进展缓慢，虽然在电池研发领域已经有所突破，但是受限于成本等问题，还未能大规模商用。

4.1.5 费用昂贵，渗透率低

在目前已经发布的智能可穿戴设备中，Google Glass 为一流产品，但是其价格的高昂使其不能被中低收入水平的用户接受。但是，随着技术的进步，智能可穿戴设备的价格将会出现一定程度的下滑。

4.2 发展方向

虽然智能可穿戴设备存在以上诸多问题，但是该领域的发展势头却不可阻挡[10,13]。主要表现在以下方面：

4.2.1 硬件

智能可穿戴设备未来硬件的发展方向主要集中在电池和充电技术、屏幕和处理器三个方面。在研究柔性薄膜电池技术、非接触式充电技术等的同时，提高智能可穿戴设备屏幕的曲度、柔韧性和分辨率；并且研发低功耗处理器，使智能可穿戴设备在实现人机交互的同时，更注重用户体验。

4.2.2 软件生态系统

随着智能可穿戴设备市场的蓬勃发展，智能可穿戴设备的产品类型将呈现整合与细分并行的发展趋势，不断整合新的应用和服务，力求为用户打造一体化的智能可穿戴体验；构建良好的软件生态系统，解决智能可穿戴设备领域的跨平台的操作。

4.2.3 大数据及云服务

未来的智能可穿戴设备将进一步整合传感器采集的数据与云服务，同时整合第三方服务机构，为用户提供基于大数据的个性定制化服务。

[1] 郭琪、杨勇强.可穿戴智能设备发展浅析.经济生活文摘,2013(3):539-540.

[2] 黄蕊.智能可穿戴设备或将爆发式增长. 投资北京,51-53.

[3] 可穿戴式智能设备简析.

[4] 白玉新.可穿戴设备.2014-05-11.

[5] Jerry.智能可穿戴式设备的过去、现在及未来.

[6] 国内外智能可穿戴产品调研.

[7] 李靖.里斯：破局“可穿戴智能设备”.中外管理.88-89.

[8] 可穿戴技术.医疗器械前沿动态.2014(1):1-2.

[9] 刘思言.可穿戴智能设备市场和技术发展研究.现代电信科技.20-24.

[10] 易观智库.中国智能可穿戴设备市场专题研究报告2015.2015-01.

[11] Frost&Sullivan.2013 年中国智能穿戴设备市场研究报告.

[12] 刘思言.可穿戴智能设备引领未来终端市场诸多关键技术仍待突破.世界电信.2013(12):38-42.

[13] 张洋.智能可穿戴设备的需求与机会.尚生活.2014(02):76.