可穿戴智能网关：面向急救人员的革命性可穿戴技术

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引言

可穿戴智能网关* (WSG*) 是世界上首款可穿戴通信网关，允许急救人员通过广域网实时安全地共享多媒体信息。

WSG由Mutualink使用英特尔®技术开发，提供前所未有的指挥中心和机构间实时态势情报访问能力——包括视频、生物识别和环境数据。WSG的功能显著增强了态势感知能力，缩短了快速移动情况下的响应时间，从而通过促进快速、知情的决策，帮助警察、特警、消防和医疗急救人员克服了操作盲区的挑战。

WSG是英特尔®和Mutualink主导的公共安全物联网* (IoPST*) 倡议的首个成果。该倡议旨在为下一代急救人员配备无缝互联的技术，以帮助挽救生命。鉴于该项目带来的宝贵创新，这项联合倡议获得了2016年综合司法信息系统 (IJIS) 研究所创新奖。

本白皮书探讨了WSG的背景及其构建和操作所使用的技术。撰写本文时，WSG正处于原型阶段，预计将于2016年商业推广。因此，本文还探讨了该设备在此时到彼时之间所面临的未来发展。文中还讨论了WSG及其技术在IoPST和FirstNet* LTE*-宽带网络背景下的应用。

WSG* 的诞生

Mutualink及其创始人总部位于康涅狄格州沃灵福德，在公共安全领域的通信技术开发方面拥有超过20年的经验。Mutualink的IP网络服务被从国防和执法到金融和公共卫生领域的各种组织使用。他们现有的系统结合了机架式硬件、高性能软件和行业标准的端到端加密，以促进视频、语音和数据的机构间共享。

应急服务和机构面临的主要问题之一是通信互操作性——技术标准和协议的差异使得机构间关键数据的共享变得复杂和缓慢。Mutualink在打破这些障碍方面有着悠久的历史。汲取19世纪爱迪生实验室开创性的电信工作的灵感，创新团队首次受到启发，将技术带入可穿戴领域。Mutualink与英特尔合作，着手通过一个系统来打破通信障碍，该系统将无缝、安全地连接急救人员、其指挥中心和协作机构使用的众多先进技术。

这项合作的成果是WSG，一种可穿戴通信网关，它使用
Wi-Fi*、有线USB和蓝牙*将急救人员佩戴、持有或附近设备通过安全的虚拟专用网络 (VPN) 连接到服务器，从而连接到远程指挥中心，该服务器可以位于云端或本地。从那里，信息可以根据需要无缝地与任何数量的合作机构和利益相关者共享。

急救人员对WSG设计的投入

Mutualink在急救人员通信领域是一个知名品牌，并通过对一线人员需求和要求的深刻理解赢得了其地位。Mutualink的业务发展团队包括一些经验丰富的退役急救人员，他们在定义用例和确切了解哪些可行、哪些不可行方面拥有数十年的现场经验。

在WSG的构思阶段，英特尔和Mutualink更进一步，通过一系列深入访谈，邀请在职急救人员就需求和功能集提供详细意见。内部设计和智囊团会议帮助团队在进行原型设计之前完善了方法。急救人员的反馈还为指挥中心用户界面 (UI) 的许多特定需求以及设备的整体功能提供了宝贵的见解。

与任何可穿戴技术一样，WSG的外形尺寸至关重要，甚至更重要，因为它不能分散急救人员的注意力，或以任何方式阻碍他们旨在协助的关键工作。决定将Intel® Edison模块作为WSG的核心，其高性能、极低的功耗和微小尺寸使其非常适合这项任务。

WSG原型设计考量

为了将WSG从概念变为原型，Mutualink团队开始使用Intel® Edison模块，该模块即使与电池结合使用，其小巧的外形尺寸内也具有原生Wi-Fi、蓝牙和USB连接。该模块的内置连接允许它连接到急救人员身上的多个设备——例如摄像头、心率监测器、音频通信等——以及用于广域连接的Wi-Fi网络。

Intel® Edison开发板的主系统芯片 (SoC) 是一个22纳米的Intel® Atom™ 处理器Z34XX系列，包含两个运行在500 MHz的Silvermont微架构核心和一个运行在100 MHz的Intel® Quark™ 核心（用于执行Wind River Viper* 实时操作系统 (RTOS)）。该SoC集成了1 GB内存。板载还有4 GB的嵌入式多媒体卡 (eMMC) 存储、Wi-Fi、蓝牙4和USB控制器。该开发板具有70针密集连接器 (Hirose DF40)，支持USB、SD、UART和GPIO。

目前，WSG尚未配备4G/LTE*功能以实现独立移动操作，而是通过Wi-Fi热点连接到移动电话或Wi-Fi热点来连接4G/LTE网络。其中一个原型实现旨在紧密连接到超坚固、FirstNet就绪的Sonim*手机，从而创建一个整洁且高度弹性的袖珍套装。组合的WSG设备代表了一种符合人体工程学的设计，虽然它可以轻松地放在夹克或工装裤的口袋里，但更小的解决方案是理想的。为此，团队还在探索将4G/LTE连接直接集成到设备中。

最小化WSG功耗

对WSG的功耗要求非常严格，因为它可能用于连接任何数量的设备，这些设备能够在任何时间、任何地点提供相关的态势数字数据。此外，急救人员需要在设备本身上提供简单的即时状态指示器。考虑到这些需求，电池寿命自然是设备在现场成功运行的重要考量，也是选择低功耗Intel® Edison模块的关键原因。

对于电池，团队在能量容量和尺寸之间寻找最佳折衷方案，以确保易于携带。大多数WSG原型都使用3.7伏、1200毫安的锂离子电池供电。根据用例和情况，WSG也可以围绕几乎任何可充电电池构建——例如6000毫安的电池——尽管需要在增加体积方面做出权衡。在早期测试中，WSG原型在12小时或更长时间内保持完全运行，这在长时间操作期间至关重要，因为急救人员不希望担心他们的硬件是否已充电。请注意，为WSG充电就像为任何手机充电一样简单。

发现限制，设计变通方案，原型开发继续进行

现成的Intel® Edison模块的一个限制是，当由3.7伏供电时，USB On-the-Go (OTG) 端口不向连接的设备供电。例如，如果用户需要为外部+5V USB摄像头供电，这将成为一个问题。团队设计了一个变通方案，包括在WSG和外部外设之间连接一根额外的升压USB电缆。

如图4所示，随后的WSG原型使用了三块Spark Fun*板的堆叠：一块用于Intel® Edison模块，一块用于电池和充电，第三块用于I/O功能。

当前的WSG原型倾向于Intel® Edison模块，因为它具有紧凑的外形尺寸和开箱即用的功能，尽管团队正在为这些原型解决USB供电问题。对USB供电的需求以及实现板载4G LTE连接的愿望促使团队寻求定制解决方案，目前该解决方案正处于研发阶段。团队还在与电池制造商讨论将WSG直接集成到电池外壳中，这将带来更优的功率/尺寸比。

为灵活使用而设计

灵活性和适应性是WSG设计理念的核心。该设备及其生态系统需要随着硬件和软件的变化以及新用例的出现而发展。WSG软件基于Linux*操作系统并使用JavaScript*编程，具有可扩展性和开放性，易于添加新功能。

此外，WSG配备了两个LED指示灯，如图5所示：只要与服务器的安全连接保持不变，红灯就会常亮；黄灯根据设备处理的数据流量水平闪烁。这些指示灯让佩戴者了解设备的运行状态。这些LED可以编程为提供急救人员或指挥中心认为有价值的任何类型的视觉反馈。

指挥中心用户界面

为实现完全灵活性的目标，指挥中心用户界面由Web应用程序框架内的轻量级、基于Web的客户端代码Node.js*创建。这使得客户端几乎可以在任何配备浏览器的设备上运行，无论是智能手机、平板电脑、笔记本电脑，还是插入任何HDMI显示器的Intel® Compute Stick。指挥官可能需要在远程或移动中操作，或者在操作期间安装临时指挥中心，这种方法为他们提供了额外的灵活性。

用户界面本身经过编程，可显示现场操作员发送的任何数据，包括视频流、心率、GPS地理定位以及连接到网络的代理状态。

网络无关，安全至上

在其原型形式中，WSG通过Wi-Fi栓系到手机，使用任何商业4G网络传输数据，或者，一旦可用，连接到专用急救人员网络管理局 (FirstNet*) 公共安全宽带网络，该网络目前正在美国全国范围内开发使用。为了利用可用的最佳连接，该系统旨在跨任何网络工作而不损害安全性。

WSG在用于将数据从上行链路中继到指挥中心以及分布式对等虚拟网络中的其他利益相关者的服务器方面，同样具有无关性，但高度安全。已经使用了分布式节点和按需远程应用程序服务，这些服务使用私人Intel服务器，最近还使用了Amazon Web Services*。这种模块化灵活性完全保持了数据完整性，并被选择为允许客户选择最适合其需求和现有资源的配置。

网络安全

系统安全至关重要，WSG可能容易受到影响任何标准计算机系统或网络的许多威胁，例如分布式拒绝服务攻击和网络中断。为了防止流氓设备的欺骗或数据窃听，系统使用行业标准、基于证书的AES256对网络上的每个设备进行身份验证。

团队正在努力从硬件层面提供最佳安全性。这有助于确保数据完整性，并允许实施高级恶意软件保护，同时不损害至关重要的数据传输速度。

数据流通过使用开放标准客户端的端到端加密VPN隧道独家处理。Mutualink插件被下载到WSG和客户端，WSG应用程序在客户端建立VPN隧道并处理身份验证。

除了与网络无关，WSG在服务器连接方面也同样灵活。加密的VPN隧道可以将设备连接到私有服务器或公共云服务器，例如Amazon Web Services。在任何网络上传输时，尤其是在公共网络上传输时，确保数据安全完整性至关重要。这就是Mutualink多年的经验发挥作用的地方，它利用其先进的加密和VPN技术安全地跨网络连接设备。

机构间共享

WSG系统灵活开放的架构的优势之一是其能够利用Mutualink现有公共安全网络的既定互操作性平台，与任何数量的协作机构和利益相关者远程共享指挥中心。

基于云的系统允许任何拥有Mutualink系统的机构与任何经批准的利益相关者进行动态媒体共享。轻量级、基于浏览器的客户端使得在任何设备（包括笔记本电脑、平板电脑和智能手机）上共享指挥中心UI变得简单。实际上，这意味着在任何给定场景中的远程利益相关者只需一部手机和Mutualink应用程序，即可实时跟踪操作的每一步，视频、音频和更多数据实时传输到他们的手机上。

冗余

确保WSG系统在其设计运行的极端情况下的完整性的关键是冗余。系统内部的任何多个点都可能发生故障：硬件可能故障，连接可能中断，4G和Wi-Fi带宽访问可能受到影响，这在紧急情况下经常发生，因为大量人员同时尝试使用网络。

在服务器端，系统中编程的故障安全冗余确保，如果VPN隧道失败，系统会自动切换到备用安全连接，从而确保向指挥中心提供可靠的馈送。就WSG及其本地连接设备的地面冗余而言，Mutualink正在开发一个包罗万象的解决方案，以在几乎任何可预见的网络故障面前保持系统完整性。

引入Mesh*

Mutualink是提供数据共享架构去中心化解决方案的世界领先专家。在其急救人员客户群的背景下，这种模式避免了任何一个机构成为中心，为所有利益相关者维护了公平的竞争环境。这种去中心化数据流的相同原则已应用于可穿戴规模的WSG架构核心，而Mesh*技术解决方案是其逻辑扩展，旨在提供网络内的完整冗余。

Mesh通过网络内的任何数量的单个设备而不是通过单个路径发送数据包。这意味着，如果设备因任何原因从网络中掉线，数据仍将找到到达目的地的路径。实际上，这可以通过多种方式应用：例如，一个四人小组在近距离工作时，只需一个智能手机热点即可将每个成员的数据传输到指挥中心。

环境中的任何配备WSG的设备（例如本文后面“公共安全物联网”部分中详述的设备）也可以用于将数据包传输到其目的地。环境设备可能包括应急灯、消防报警器或灯泡，这些灯泡可以通过蓝牙、Wi-Fi和4G连接等WSG功能进行改造。本质上，该系统将自动工作以在网络中找到数据路径，确保高水平的冗余和可靠性，同时为用户提供无缝体验。

WSG已准备好FirstNet*

FirstNet* 是一个专用公共安全LTE宽带网络，目前正处于全国推广前的咨询阶段。该网络是根据9/11委员会最终建议，为急救人员专门建立全国性无线服务网络而开发的，专门避免了公共网络容量超载时急救人员以前遇到的基本通信服务的严重障碍。

许多FirstNet早期建设者项目已经启动并运行。其中包括新泽西州的移动JerseyNet网络，该网络已投入使用并用于2015年教皇访问，以及德克萨斯州哈里斯县的FirstNet项目，其中Mutualink技术已由急救人员使用。英特尔-Mutualink团队从零开始处理WSG的安全性，确保数据的完整性和高级恶意软件保护到位，但设计确保与公共安全网络相关的速度和效率绝不会受到损害。

WSG现场测试

用户体验是任何新科技成功引入的关键，特别是对于在快节奏、高压环境下工作的急救人员而言，可穿戴科技更是如此。他们最不想担心的就是一套新设备。确保WSG被急救人员接受和可用性的关键在于严格的现场测试。尽管WSG仍处于原型阶段，尚未用于应急响应，但2015年9月的Urban Shield活动提供了一个同等甚至更有价值的机会来测试系统和整体用户体验，在一个模拟真实生活的环境中，提供收集真实紧急情况固有独特压力的反馈的能力。

Urban Shield 是一个每年举办的48小时战术训练活动，在北加州举行。来自全球各地的急救人员团队——主要是特警，也有消防和EMS——进行一系列要求严格的现实演习。该活动为团队提供了磨练作战战术的机会，也为新兴技术提供了一个宝贵的测试平台和宣传工具，WSG就是其中的一项技术。

在活动前的研究期间，包括与加利福尼亚州桑尼维尔的急救人员团队进行协商，Mutualink生产了多款基于Intel® Edison模块的WSG原型。这些原型旨在与用于提供Wi-Fi热点4G连接的FirstNet兼容手机紧密配合。在演习期间，WSG向指挥中心实时传输视频、心率和位置数据。

活动场景包括绑架和巴士炸弹，特警队使用彩弹枪代替实弹进行响应。团队希望WSG解决的问题是，指挥中心人员在紧急情况下需要更详细和准确的地面情况信息，WSG提供的额外数据有助于他们更有效地协调，并提高团队的整体效率和安全性。尽管这次测试无疑吸取了重要的教训，但WSG总体上按技术预期执行，为任务指挥官提供了一个前所未有的实时情况窗口。

从用户体验中学习

用户体验是WSG设计的关键因素。急救人员团队需要能够将设备无缝地集成到他们的工作环境中，对于可穿戴设备来说，这意味着实际佩戴在他们身上。如果WSG设备以任何方式阻碍或分散他们的工作，现场采用将受到阻碍。这意味着外形尺寸、重量和操作简便性的优化至关重要。

在外形尺寸方面，Urban Shield活动中使用的WSG原型未配备4G，需要通过手机（也需要用户携带）进行网络连接。为该活动创建的WSG原型专门设计用于连接FirstNet兼容的Sonim*手机。这两个单元加在一起的外形尺寸大约是单独手机厚度的两倍，Urban Shield的急救人员团队报告说，携带该设备以及他们的其他设备没有任何异议。

从技术角度来看，WSG在Urban Shield的简单而稳健的操作达到了预期，测试为未来必要的改进提供了宝贵的见解。突出现场测试重要性的一点是，视频流的延迟偶尔增加，导致传回指挥中心的视频不同步——这是一个潜在的严重问题。Mutualink将这些发现带回实验室，改进了WSG软件，使其能够自动感知带宽何时受到限制，并相应地降低视频帧率。虽然这使得在可用带宽受损期间视频不那么流畅，但它允许视频保持同步。

Mutualink还在考虑用H.264格式视频取代当前的Motion JPEG压缩，以进一步提高视频性能。另一个优先事项是将4G LTE连接集成到设备本身中，以消除对手机热点栓系的需要。

即时指挥中心™解决方案

Urban Shield测试的一个宝贵经验来自于一个简单的观察：指挥中心计算机的空间需求需要一个额外的帐篷，除了用于小队简报的帐篷。这使得小队与指挥中心分离，并需要安装额外的资源。在快速移动和紧张的紧急情况下，最大限度地减少这种资源密集型操作显然会对急救人员团队带来真正的益处，而提高效率将有助于鼓励该技术的采用。

这些观察促使WSG团队考虑使用搭载四核Intel® Atom™的Intel® Compute Stick来取代笨重的塔式机箱作为指挥中心。使用Intel® Compute Stick为指挥中心供电将带来比笨重的塔式机箱甚至笔记本电脑更多的明显优势。Intel® Compute Stick的外形尺寸比大多数手机都要小得多，因此便携性极高，此外，它还配备了蓝牙、Wi-Fi和USB连接，开箱即用，可以轻松插入任何网络。

安装了WSG指挥中心软件后，操作员只需将Intel® Compute Stick插入任何配备HDMI接口的显示器，即可在几秒钟内创建一个即时指挥中心。举一个实际例子，想象一下酒店的紧急情况，任何带有电视的房间都可以立即转变为指挥中心，提供一种与情况接近的程度，否则将需要耗费大量时间和资源才能实现。

公共安全物联网*

关于物联网 (IoT) 及其对互联未来的重要性，已经有很多文章，其中英特尔本身也撰写了不少。2015年，越来越多的颠覆性技术的具体应用正在融入日常生活，从智能家居设备到超市蓝牙信标。英特尔和Mutualink看到了将物联网技术和理念应用于公共安全领域的机会，从而促成了公共安全物联网 (IoPST*) 倡议。

WSG是他们在该领域共同努力的首款设备，也是更多以安全为重点的创新的预兆。其中一个关键思想是，WSG内部的技术不一定需要是可穿戴的——它可以作为智能设备中的静态安装的一部分，服务于一系列全新的目的。

例如，Mutualink在纽约Maker Faire的英特尔展台上展示了一个安装在消防报警箱中的智能技术原型。消防报警箱硬件的一个想法不是将数据传输到指挥中心，而是为急救人员提供一个专用Wi-Fi网络——名为WiFi911*——该网络在报警时激活，并可通过急救服务部门已知的简单密码自动访问。

这巧妙地避免了急救人员在紧急情况下遇到的两个最大的通信问题：恐慌导致的带宽限制，造成网络过度使用，导致服务不稳定或缺失；以及由于密码保护而无法在任何给定位置使用任何Wi-Fi网络。

WiFi911* 技术可以安装在任何位置的任何带电硬件上：例如灯泡。现代低能耗灯泡不仅能更轻松地容纳此类硬件附加设备，而且灯泡的使用也巧妙地将我们与爱迪生联系起来，爱迪生是Mutualink无缝连接人们使命的最初灵感来源。为此，Mutualink已成功将WSG*核心的Intel® Edison模块植入原型灯泡中。

获奖创新

作为他们在公共安全物联网倡议方面开创性工作的一部分，Mutualink/Intel Corporation/San Mateo Sheriff Office团队获得了2016年综合司法信息系统 (IJIS) 研究所创新奖。该奖项旨在表彰在司法、公共安全或国土安全领域为集成和互操作性发展做出重要贡献的技术创新。IJIS研究所委员会一致支持WSG Urban Shield测试项目及其成果，并赞扬Mutualink和英特尔在杰出提名者领域中的卓越表现。

后续步骤

WSG*目前仍在开发中，计划于2016年发布商业版本。英特尔和Mutualink正在利用这段时间完善设计和外形，添加4G LTE连接和视频压缩等功能，并优化和改进指挥中心界面。

与任何旨在如此严苛使用场景的产品一样，WSG在大规模推广之前将继续进行高度严格的测试，届时其提升美国各地急救人员团队运营效率的潜力将得以实现。

关于Mutualink

Mutualink公司开发了一个可互操作的通信平台，可以在安全的环境中实现社区范围内的无线电、语音、文本、视频、数据文件和电话通信的多媒体共享。Mutualink的系统目前已在全球数百个公共和私人实体部署，包括国土安全和国防设施、北约特种作战部队、警察和消防部门、医院、学校、交通管理部门、公用事业、购物中心、赌场等。Mutualink是一家私营公司，总部位于康涅狄格州沃灵福德，在马萨诸塞州韦斯特福德、德克萨斯州艾伦和波多黎各马亚圭斯设有研发机构，并在华盛顿特区附近设有国防服务办公室。欲了解更多信息，请访问www.mutualink.net。

额外资源

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