當然，設備開發者必須滿足非常嚴格的制造要求。可穿戴醫療設備必須外形小巧，能夠持續保持連接，并且具有較長的電池續航時間。它們將能在設備內提供更多計算資源。市場競爭日趨復雜且日益激烈，而設備開發者必須在這樣的市場中生存下來。為了達到這個目標，設備開發者必須構建快速、靈活、輕巧而又具成本效益的平臺（圖 1）。

 

圖 1： 軟件平臺必須覆蓋所有非應用程序特定代碼。

 

 

可穿戴醫療設備分為兩大類：一次性設備以及可重復使用設備。一次性設備屬于相對較新的市場領域，由于這些設備的產品壽命相對較短，因此其發展較為快速。相反，可重復使用設備則要求更長的產品壽命和更高的安全性，以及很高的可靠性系數。

 

驅動一次性設備發展的模式是薄利高產量。為了實現這個目標，一次性設備必須讓資源最有限的處理器提供最多的功能。為了最大程度提高收入，設備開發者通常會針對最終用戶群體提供一系列產品，以價格換取功能。為產品的每項功能編寫應用程序的做法不太合算。

 

因此，必須構建一個通用軟件環境，既可支持單種應用程序，也能夠在各種計算資源之間無縫遷移。此類環境必須能夠壓縮到最精簡的系統，它們通常只提供很少的存儲器資源，但能夠進行擴展以支持更加豐富的功能。

 

可重復使用設備市場向設備開發者提出了一系列不同的挑戰。設備制造商向市場提供的主要增值是最終客戶使用的處理器不再是臨時性質的。半導體供應商支持的設備生命周期存在很大差異。醫療行業客戶通常不希望產品更換周期達到十年甚至更長。要消除這種沖突，并且維持必要的應用程序代碼生命周期以保持盈利，就要設計穩定的編程 API，而不是特定的處理器設備。

 

 

我們一直都有能力制造出足夠小巧、便于佩戴的設備。當前設備與以往設備的區別在于是否能提供全球連接——包括直接連接到互聯網或云，或者連接到本地中間設備（可穿戴醫療設備與用戶的智能手機配對），再通過中間設備連接到互聯網。這種連接可能是間斷的（使用無線連接或臨時的有線連接），也可能是持續的（使用某一種無線選項）。

 

有線選項是成本最低的連接方式，但卻最不靈活。不過，對于低成本設備而言，它們仍然是可行的解決方案。當通過有線鏈路連接到可穿戴系統供應商提供的另一部設備時，可以使用極其簡單的連接方法，例如 SPI 和 I2C。相反，當連接到通用的計算設備時，則需要使用更為開放的標準，例如 USB。使用過這些不同連接方法的工程師知道，USB 和其他簡單連接方法的協議復雜性相差很遠。連接選項很可能在設備生命周期內變化，甚至在開發周期內變化。操作環境應該能夠最有效地將應用程序層與底層連接方法隔離開。

 

然而，未來的可穿戴醫療設備的趨勢是使用無線連接方式。雖然 USB 是比 SPI 更加復雜的協議，但各種不同的無線連接選項遠比 USB 復雜得多，特別是在涉及安全性時。無線連接方法包括近場無線電、藍牙/BLE、Wi-Fi，以及蜂窩移動網絡（圖 2）。在這些無線連接方面，技術、協議和選項都在快速變化。更加重要的是，這些系統的成本也會發生變化，雖然在當前看來，這些解決方案似乎過于昂貴，但在今后很可能成為經濟實惠的標準，當應用程序層代碼可以維持很長的生命周期時。

 

圖 2：無線連接選項豐富多樣而又在不斷變化。

 

實時操作系統 (RTOS) 環境具有 SPI 級別接口，當前能夠應用于最精簡的設備中，并且能夠實現向全蜂窩連接的遷移（無論是整個產品系列還是產品生命周期），它們無疑能夠讓可佩戴醫療設備 OEM 廠商適應可能出現的任何形勢。

 

 

可穿戴醫療設備的電池續航時間顯然是一大關鍵要素。對于人們隨身攜帶或佩戴的任何設備而言，重量始終都是一個倍受關注的指標，而電池又是所有便攜式設備中的最笨重部件。最大程度地減少功耗可以延長電池續航時間，但對于整天甚至夜間都要使用設備的用戶來說，光做到這一點還遠遠不夠。在大幅降低電源需求的同時，還要最大程度地減小電池尺寸。智能手機等設備采用特定尺寸的電池，由電池提供特定的電量。而這一參數通常是固定不變的，因此只需達到一定的電池充電續航時間，就能滿足客戶的需求。但可穿戴醫療設備并非如此。當電池充電續航時間確定之后，必須不斷地降低功耗，因為每次降低功耗都能進一步減小電池尺寸和重量。

 

當前的現代處理器提供了一系列有效的節能功能。遺憾的是，這些功能非常復雜，不僅功能之間通常具有很高的相互依賴性，而且其還要依賴與要實施的特定節能模式不相關的系統部件。例如，更改器件時鐘頻率會影響通信時鐘速率，即便通信外圍設備沒有更改它們的電源狀態也是如此。所有這些因素累加起來，也就讓應用程序開發人員更加不堪重負，因為他們原本就承擔了完成目標應用的重任。能否讓電池提供更高的電量，將決定設備在市場上的競爭力。設備開發者面臨著雙重壓力，既要讓軟件達到或超出應用程序要求，又要兼顧項目的外圍設備的尺寸，這樣才能在市場上立足。

 

圖 3：功率優化涉及到所有可穿戴設備元器件。

 

要解決這個問題，就需要在集成了電源管理功能并將其作為環境必不可少的一部分的軟件平臺上開發應用程序（圖 3）。大部分大型通用操作系統都包括一系列非常先進的電源管理功能；但是，這些操作系統在面向便攜式醫療設備的處理設備中并不能發揮作用。大部分實時操作系統都提供某種形式的電源管理，最常見的是 Tick 抑制，當沒有計劃運行的任務時，它將中斷內核周期性定時器 Tick，直至下一個定時器事件。可穿戴設備需要其他更為復雜的方法，而這樣的方法在 RTOS 中非常罕見。目前只有 Mentor Graphics 的 Nucleus RTOS 可提供對所有器件節能功能的內置支持，包括動態電壓頻率調整 (DVFS)，以及對外圍設備之間所有交互的外圍設備功率級別的完全控制和對內核操作時鐘周期的完全控制（圖 4）。

 

圖 4： 結構化電源框架優化開發工作。

 

 

為了適應可穿戴醫療設備的物理外形參數，電子設備能夠容納元器件的空間很小，散熱能力也比較有限。散熱問題和功耗問題一直都是我們在努力解決的兩大問題。由于物理尺寸限制，導致我們通常選擇 MCU 片上系統 (SoC) 作為內核處理引擎。雖然這些設備可以容納很多不同尺寸的外圍設備，但由于存儲器容量問題，我們無法控制存儲器的幾何形狀。每個應用程序都需要更多存儲空間。而小型設備中的存儲器，包括易失性和非易失性存儲器，更是如此。設備開發者最不希望看到的就是應用程序與 RTOS 爭奪資源。正是這個問題妨礙了通用操作系統進入可穿戴醫療設備領域。考慮采用某個 RTOS 時，它必須能夠在代碼和數據需求方面都壓縮到最小，以完美貼合 2K 精簡內核，如此就更能夠在最為低端的設備領域中經久不衰。這個 RTOS 還必須能夠擴展，以運行功能最全面的服務，例如蜂窩移動通信。如果做不到，設備開發者必須嘗試支持跨越多個操作系統環境的應用程序。

 

 

有些人還記得，在 PC 革命興起初期，廣告商、營銷人員和科技雜志關注的焦點是時鐘速度、總線大小和其他技術細節。現代設備的唯一判定標準是終端用戶體驗。有些開發者在工程方面取得了重大突破，讓腕帶能夠運行大量指令，這可能是在同行之間夸耀的資本，但并非決定性的因素。這就迫使設備開發者必須用最少的硬件提供最豐富的功能。無論是最小的存儲器、最慢的時鐘（設備限制或實際使用），還是體積最小的電池，工程師都能夠在設備中（很多情況下是一次性設備）提供神奇的功能。

 

 

當今的市場需要更為復雜多樣、物超所值而又先進的底層硬件，要在這樣的市場上生存下來，應用程序必須在功能強大且非常靈活的平臺上運行。這種平臺必須非常精簡，同時還能夠優化特定硬件特性。這種平臺不再完全取決于處理架構或外圍設備集合，還要取決于它為開發者提供的編程環境。滿足這些條件的標準平臺，例如 Windows、Android、iOS、Linux 等操作系統，超出了最低硬件要求的底限。一旦超出這些底限，則無法滿足可穿戴醫療設備在價格、電源和物理限制方面的要求。因此，我們需要具有高適應性和可擴展性的 RTOS 環境，用以取代裸機系統，滿足對功能全面的低端操作系統的需求。

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