功耗、聯(lián)網(wǎng)與交互：可穿戴設(shè)備操作系統(tǒng)問題解讀

 智能設(shè)備包括很多類，有大有小，例如機(jī)器人、無人飛行器、IoT物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能家居設(shè)備、可穿戴設(shè)備等等。這些智能設(shè)備上的計(jì)算中樞和服務(wù)器、桌面、平板、手機(jī)有著很多不同，各自有各自的特點(diǎn)。在服務(wù)器、桌面、手機(jī)上，操作系統(tǒng)是成熟的市場(chǎng)，新的操作系統(tǒng)難以獲得機(jī)會(huì)。針對(duì)整個(gè)智能設(shè)備，這個(gè)題目有些大，而且也一直覺得，不同類型的東西它對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)也不見得就可以統(tǒng)一起來。所以這里只拎出其中的一小部分，只敘述可穿戴類設(shè)備的操作系統(tǒng)。

可穿戴設(shè)備形態(tài)包括很多種，例如：手環(huán)、手表、眼鏡、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、體溫計(jì)、衣服、襪、鞋、帽、戒指、項(xiàng)鏈、心率帶、耳機(jī)等。這其中從計(jì)算的角度有復(fù)雜的也有簡(jiǎn)單的，簡(jiǎn)單的如溫度計(jì)，復(fù)雜的如眼鏡、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔等，從目前的應(yīng)用看，首先它不是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，而一定是一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，這個(gè)網(wǎng)主要的一個(gè)是手機(jī)，因?yàn)槭謾C(jī)太普及，是一個(gè)很好的通訊橋梁。

在可穿戴設(shè)備中需要考慮的計(jì)算問題包括：

功耗問題

聯(lián)網(wǎng)問題

人機(jī)交互

數(shù)據(jù)采集

體積問題

可穿戴設(shè)備操作系統(tǒng)考慮的主要問題是其中的軟件問題，所以我們把關(guān)注點(diǎn)更多地放在和軟件相關(guān)的部分，體積不在考慮之列(但體積問題又會(huì)極大地限制電池的容量，這樣反過來制約了功耗)。按傳統(tǒng)說法，操作系統(tǒng)是計(jì)算資源管理者，廣義來說，操作系統(tǒng)更應(yīng)該考慮用戶的友好性(或者說應(yīng)用的友好性)。

功耗問題

首先功耗問題關(guān)鍵在于硬件，只有硬件層面的功耗降低，才有可能降低整體功耗，增加設(shè)備的使用時(shí)間。從電路來說，電路的功耗等于：電壓x電流。要想降低功耗，可以降低電壓，也可以降低電流。假定電壓恒定，我們繪制一幅電流按照時(shí)間變化的圖，可以得出功耗時(shí)：從起點(diǎn)到終點(diǎn)，電流圖上的面積。(如果電壓也變化怎么辦?好吧，繪制一個(gè)三維圖，然后計(jì)算其中的體積)

功耗電流時(shí)序圖

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，一般不會(huì)讓它持續(xù)的全力工作(筆記本也有風(fēng)扇轉(zhuǎn)和不轉(zhuǎn)的時(shí)候)，這其中包括了CPU、RAM、閃存、傳感器、外設(shè)、無線通信等。理想的狀態(tài)是，當(dāng)這些資源不使用，能夠停掉，進(jìn)入睡眠低耗電模式。這些硬件資源的工作電流(激活工作時(shí)及休眠省電時(shí))決定了整機(jī)的耗電量。需要注意的是，硬件功耗情況，也和它待機(jī)時(shí)的底電流密切相關(guān)，因?yàn)樾菝邥r(shí)間可能占據(jù)整個(gè)時(shí)間的90%，休眠低電流是1mA還是100uA，這個(gè)差別將直接導(dǎo)致待機(jī)時(shí)間相差十倍。理想的功耗電流時(shí)序圖是，大多數(shù)時(shí)候是待機(jī)狀態(tài)，電流為0uA，工作時(shí)電流上升，但最好是僅僅上升成一個(gè)非常細(xì)的尖峰，時(shí)間段一定要短，這樣面積也相應(yīng)的小!

對(duì)于操作系統(tǒng)來說，它需要恰到好處的關(guān)閉不再使用的硬件，包括CPU/RAM/外設(shè)等等。另外也需要著重考慮的是，應(yīng)用本身的耗電情況。例如微信，5分鐘醒來接收一次消息和30秒就收一次消息是完全不一樣的。如何有效管理應(yīng)用的耗電情況是一個(gè)十分值得探索的話題。

聯(lián)網(wǎng)問題

可穿戴設(shè)備上低功耗藍(lán)牙(BLE，或Bluetooth Smart)比較流行，因?yàn)樗軌蛟谶B接時(shí)保持非常低的電流，激活再行收發(fā)數(shù)據(jù)也非常迅速。不過BLE如果在傳輸數(shù)據(jù)量比較大時(shí)，就比較尷尬了，目前它的數(shù)據(jù)傳輸速度非常有限(有所得必有所失嘛)。其他的連接技術(shù)還有，2G/3G、Wi-Fi等，Wi-Fi會(huì)比較耗電。這些是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，對(duì)于操作系統(tǒng)來說，更需要提供的是設(shè)備、手機(jī)和云的數(shù)據(jù)交互便捷性。這部分，JSON作為數(shù)據(jù)交互消息格式有很強(qiáng)的適應(yīng)性，不管在手機(jī)還是在云端都能夠很方便地剝離出其中的有效數(shù)據(jù)，同時(shí)即使是人眼來查看這些數(shù)據(jù)也具備良好的可讀性。

人機(jī)交互

有一點(diǎn)很明確的是，可穿戴設(shè)備不是PC桌面(辦公方式的大屏幕)、手機(jī)(便攜方式的小屏幕)，因?yàn)轶w積的關(guān)系，能夠提供的只能算微屏幕，或者投影方式(眼鏡)。從交互上說，必然是另外一種人機(jī)交互方式，不是鍵盤(Server)，不是鼠標(biāo)(Desktop)，也不是手指(Phone)。所以想讓Linux用于Desktop，Windows用于Phone，Android用于Wear都有很大挑戰(zhàn)性，原有的應(yīng)用程序并不能夠無縫遷移。智能設(shè)備操作系統(tǒng)需要新的交互方式，或類似于科幻片中的3D手勢(shì)交互，或直接的語音智能交互，或腦電波方式的人機(jī)思維交互等等，而不再局限于屏幕!也非常有可能，你隨身攜帶的可穿戴設(shè)備就是你的交互輸入端。

數(shù)據(jù)采集

可穿戴設(shè)備可以想象成另外的觸角，把人(或人周邊的環(huán)境)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(大腦)連接起來了，所以數(shù)據(jù)采集是可穿戴式設(shè)備基本功之一。如何采集到數(shù)據(jù)，并靈活運(yùn)用起來是可穿戴設(shè)備主要考慮的問題之一。提供相應(yīng)的低功耗傳感器框架，并把數(shù)據(jù)方便地派發(fā)到其他的組件(算法，云端)是這類操作系統(tǒng)要重點(diǎn)考慮的問題。

從以上的分析，可穿戴設(shè)備操作系統(tǒng)應(yīng)該具備以下的一些特征：

提供良好的功耗管理，不僅僅包括硬件也應(yīng)該包括應(yīng)用的功耗管理;

不局限于屏幕的人機(jī)交互方式(屏幕可能僅是提供信息的輔助手段之一);

有效的采集周邊數(shù)據(jù)，并派發(fā)到其他組件(算法軟件、手機(jī)或云端);

便利的聯(lián)網(wǎng)能力及交互格式。

智能將主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上面，可以是第三方定義的算法，也可以是自行進(jìn)行的算法緯度小調(diào)整，而后送到(不同的)計(jì)算大腦中，是大腦的一個(gè)個(gè)觸角。

關(guān)于智能手表，再多說兩句。最近Apple Watch已經(jīng)發(fā)布了，各種體驗(yàn)滿天飛，其中最被吐槽的還是它的一天18小時(shí)的新設(shè)定，這也暴露出目前硬件上當(dāng)前技術(shù)的短板。如果我們向后展望3年、5年，誰也不知道到時(shí)的具體情況，也許是電池技術(shù)的長(zhǎng)足長(zhǎng)進(jìn)，也許是芯片及外圍硬件功耗的進(jìn)一步探低。64位，8核芯片要出現(xiàn)在手表上可能還需要一段時(shí)間，手表應(yīng)該不會(huì)是一個(gè)計(jì)算見長(zhǎng)的設(shè)備。值得關(guān)注的是，ARM新發(fā)布的Cortex-M7核心，在200MHz/300MHz時(shí)，Coremark分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到了1000/1500的分值，這已經(jīng)可以媲美Cortex-A8的性能了，但它具備非常好的低功耗特性。