摘  要： 針對計算機與服裝一體化集成設計中系統結構和功能融合方面的問題，研究服裝用模塊化計算機系統的設計與實現。將服裝用穿戴計算機系統的問題歸納為可靠性、集成性、人機交互性能等三個方面，為實現該系統，提出了模塊化的計算機結構和三層的服裝結構，通過高密度布線實現計算機模塊的微小型化，基于織物編織技術的織物線纜設計實現了模塊間的柔性互聯。
關鍵詞： 穿戴計算機；智能服裝；模塊化

　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。

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。
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。

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。

　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。
參考文獻
[1] CASSON A. Wearable electroencephalography[J]. Engineering in Medicine and Biology Magazine， IEEE， 2010， 29(3)： 44-56.
[2] PANTELOPOULOS A， BOURBAKIS N G. A survey on wearable sensor-based systems for health monitoring and prognosis[J]. Systems， Man， and Cybernetics， Part C： Applications and Reviews， IEEE Transactions on， 2010， 40(1)：1-12.
[3] 曾銳利.基于穿戴式計算機的數字化維修單兵系統[J]. 微計算機信息，2009，272(13)： 172-174.
[4] 王森，賈潤，徐伯夏.單兵戰場網絡系統初探[J].電子科技大學學報，2010，39(S1)：48-49.
[5] HYEJUNG K. A wearable fabric computer by planar-fashionable circuit board technique[C]. in Wearable and Implantable Body Sensor Networks， 2009. BSN 2009. Sixth International Workshop on. 2009.
[6] MOON H C， SEOK L J， HOON L. eRTOS ： The low-power real-time operating system for wearable computers. in Consumer Electronics[C]. ISCE ′09. IEEE 13th International Symposium on. 2009.
[7] 孫海艷，陳偉，李霞.關于可穿戴計算機硬件的研究[J].硅谷，2010，53(5)：11.
[8] 黃志奇，王厚軍，陳東義.可穿戴計算機主板振動優化模型研究[J].電子測量與儀器學報，2009，6(10)：31-36.