總有一天，可佩戴的可攜式醫療設備將在我們的日常生活中隨處可見。事實上，我們不會再將它們視為「設備」，而是更在意它們提供的各種服務。隨著無線連接的持續發展，以及醫療行業向門診服務模式的轉變，設備研發人員如果能夠提前預測到未來需求並充分加以利用，則將迎來真正的時代。
當然，設備研發人員必須滿足非常嚴格的製造要求。可穿戴醫療設備必須外形小巧，能夠持續保持連接，並且具有較長的電池續航時間，並能提供更多計算資源。市場競爭日趨複雜且日益激烈，而設備研發人員必須在這樣的市場中生存下來。為了達到這個目標，設備研發人員必須構建快速、靈活、輕巧而又具成本效益的平台(圖1)。
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| 圖1 軟體平台必須覆蓋所有非應用程式特定代碼。 |
兩大可穿戴醫療設備差異
可穿戴醫療設備分為兩大類：一次性穿戴設備以及可重複使用穿戴設備。一次性穿戴設備屬於相對較新的市場領域，由於這些設備的產品壽命相對較短，因此其發展較為快速。相反，可重複使用設備則要求更長的產品壽命和更高的安全性，以及很高的可靠性係數。
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。為了大幅度提高收入，設備研發人員通常會針對最終使用者群體提供一系列產品，以價格換取功能，產品的每項功能編寫應用程式的效率不佳。因此，必須構建一個通用軟體環境，既可支援單種應用程式，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記憶體資源，但能夠進行擴展以支持更加豐富的功能。
可重複使用設備市場向設備研發人員提出了一系列不同的挑戰。設備製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。半導體供應商支援的設備生命週期存在很大差異。醫療行業客戶通常不希望產品更換週期長達至十年甚至更長。要消除這種衝突，並且維持必要的應用程式碼生命週期以保持盈利，就要設計穩定的應用程式介面(API)，而不是特定的處理器。
解密穿戴設備連接型態
當前設備與以往設備的區別在於是否能提供全球性連接—包括直接連接到互聯網或雲端，或者連接到本地中繼裝置(可穿戴醫療設備與使用者的智慧手機配對)，再通過中繼裝置連接到互聯網。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，對於低成本設備而言，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，例如串列周邊介面(SPI)和內部整合電路(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複雜性相差很遠。連接選項很可能在設備生命週期內變化，甚至在開發週期內變化。操作環境應該能夠最有效地將應用程式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更加複雜的協議，但各種不同的無線連接選項遠比USB複雜得多，特別是在涉及安全性時。無線連接方法包括近距離無線通訊(NFC)、藍牙/藍牙低功耗(BLE)、Wi-Fi，以及ZigBee(圖2)。在這些無線連接方面，技術、協定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於昂貴，但在今後很可能成為經濟實惠的標準，而應用程式層代碼可以維持很長的生命週期。
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| 圖2 無線連接選項豐富多樣且不斷變化。 |
即時操作系統(RTOS)環境具有SPI Level Interface，當前能夠應用於最精簡的設備中，並且能夠實現無縫遷移(無論是整個產品系列還是產品生命週期)，它們無疑能夠讓可佩戴醫療設備原始設備製造商(OEM)廠商適應可能出現的任何形勢。
電源效能為穿戴設備關鍵要素
可穿戴醫療設備的電池續航時間顯然是一大關鍵要素。對於人們隨身攜帶或佩戴的任何設備而言，重量始終都是一個備受關注的指標，而電池又是所有可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，但對於整天甚至夜間都要使用設備的使用者來說，光做到這一點還遠遠不夠。在大幅降低電源需求的同時，還要最大程度地縮小電池尺寸。
智慧手機等設備採用特定尺寸的電池，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。但可穿戴醫療設備並非如此，當電池充電續航時間確定之後，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，這些功能非常複雜，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訊時脈速率，即便通訊週邊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，也就讓應用程式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。設備研發人員面臨著雙重壓力，既要讓軟體達到或超出應用程式要求，又要兼顧專案的週邊設備的尺寸，這樣才能在市場上立足。
要解決這個問題，就需要在集成了電源管理功能並將其作為環境必不可少的一部分的軟體平台上開發應用程式(圖3)。大部分大型通用作業系統都包括一系列非常先進的電源管理功能；但是，這些作業系統在可攜式醫療設備的處理器中並不能發揮作用。
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| 圖3 功率優化涉及到所有可穿戴設備元件。 |
大部分即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，它將中斷內核週期性計時器Tick，直至下一個計時器事件。可穿戴設備需要其他更為複雜的方法，而這樣的方法在RTOS中非常罕見。
目前已有業者推出相關產品，如明導國際(Mentor Graphics)的Nucleus RTOS可提供對所有元件節能功能的內置支援，包括動態電壓頻率調整(DVFS)，以及對週邊設備之間所有交互的週邊設備功率級別的完全控制和對內核操作時鐘週期的完全控制(圖4)。
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| 圖4 結構化電源框架優化開發工作。 |
RTOS用於穿戴式產品遭逢阻礙
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需要努力解決的兩大問題。由於物理尺寸限制，導致我們通常選擇微控制器(MCU)片上系統單晶片(SoC)作為內核處理引擎。
雖然這些元件可以容納很多不同尺寸的週邊，但由於記憶體容量問題，無法控制記憶體的幾何形狀。每個應用程式都需要更多存儲空間，而小型設備中的記憶體，包括易失性和非易失性記憶體更是如此。設備研發人員最不希望看到的就是應用程式與RTOS爭奪資源。正是這個問題妨礙了通用作業系統進入可穿戴醫療設備領域。考慮採用某個RTOS時，它必須能夠在代碼和資料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，例如蜂窩移動通訊。如果做不到，設備研發人員必須嘗試支援跨越多個應用程式環境的應用程式。
高適應性/可擴展性RTOS環境滿足穿戴醫療設備產品要求
有些人還記得，在個人電腦(PC)革命興起初期，廣告商、行銷人員和科技雜誌關注的焦點是時鐘速度、匯流排大小和其他技術細節，而現代設備的唯一判定標準是終端使用者體驗。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誇耀的資本，但並非決定性的因素，這就迫使設備研發人員必須用最少的硬體提供最豐富的功能。無論是最小的記憶體、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複雜多樣、物超所值而又先進的底層硬體，要在這樣的市場之中生存下來，應用程式必須在功能強大且非常靈活的平台上運行。這種平台必須非常精簡，同時還能夠優化特定硬體特性。
這種平台不再完全取決於處理架構或週邊設備集合，還要取決於它為開發者提供的程式設計環境。滿足這些條件的標準平台，例如Windows、Android、iOS、Linux等作業系統，超出了最低硬體要求的底限。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，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作業系統的需求。
(本文作者為明導國際嵌入式系統部門產品行銷經理)