可穿戴式智能型网关(WSG)为世界第一个可穿戴式通讯网关,让急救人员能实时透过网络来安全地分享多媒体信息。
由Mutualink来开发并利用英特尔的技术, WSG提供指挥中心与跨单位之间对于现场实况的信息存取,包括影像、生物特征识别与环境数据。 WSG具有强大的功能,能强化所执行的任务并在快速移动的状态中能缩短反应时间,藉此能帮助警察、SWAT、消防人员与医护急救人员克服在执行任务时所产生的盲点,并藉由完整的讯息能做出正确的决定。
WSG是第一台以公共安全物联网问世的装置(IoPST)由英特尔与Mutualink所推出的技术。 主要的目标是希望能透过相互链接的技术将其安装在急救人员下一代新型的设备当中并能救更多的生命。 依照有价值的创新项目,联合倡议已经收到来自 创新学会2016年的综合司法信息系统。
此白皮书检视了WSG的背景,而此技术曾经建立并执行。 在写入的时间,WSG将在2016年在工业试产阶段推出。 因此,在此白皮书内容将会对于目前与未来的布局来作探讨。 WSG与其技术在IoPST的背景与FirstNet* LTE宽带网络会陆续来作探讨。
The WSG* 起源
Mutualink 总部位于康涅狄格州沃灵福德镇,公司创始人拥有 20 年公共安全领域开发通信技术的经验。 Mutualink 基于 IP 的网络服务被广泛应用,其应用领域包括国防、法律部门，以及金融与公共卫生机构。 他们的现有系统融合了基于硬件的机架、高性能软件,以及企业标准的端到端加密技术,可有效支持机构间共享影片、语音和相关数据。
紧急服务与所面临的一个主要问题是通讯的互操作性 —由于技术标准与协议之间的差异,机构间的重要数据共享不仅复杂,而且速度非常缓慢。 Mutualink一直致力于克服这些障碍。 借鉴 Edison Laboratory 在20 世纪率先开展电讯开发的工作,创新团队受到了启发,开始首次尝试开发可穿戴式产品的开发技术。 Mutualink与Intel合作,希望通过能够无缝、安全地紧急能与救护人员连接、指挥中心和协作机构所使用点对点连接系统的技术,来克服通信所会遇到的障碍。
他们合作开发的的产品就是 WAS — 使用Wi-Fi*、有线 USB 和蓝牙,通过与服务器连接（云端或当地）的安全虚拟专有网络(VPN),将紧急救护人员所穿戴、手持,或附近的设备与远程指挥中心可穿戴通信网关连接。 无论多少家合作机构利害关系者,都可以根据需要透过该网关无缝共享相关讯息。
紧急救护人员在WSG输入数据的设计
在紧急救护人员通信领域当中,Mutualink颇具知名度,因为它深深了解这些在一线工作者的需求。 Mutualink 的业务开发团队拜访了许多具有数十年在紧急救护有实战经验的工作人员,以定义用户案例,并了解哪些适用,哪些不适用。
在 WSG 创意构思阶段,Intel和 Mutualink更进一步,对紧急救护人员进行了深度访谈,并详细了解了他们的需求以及对产品功能的期望。 在构建产品原型之前,团队召开了内部设计和智囊团研讨会,对方法进行了进一步试炼和改进。 紧急救护人员的回馈为满足指挥用户接口 (UI) 的特定需求和装置整体功能设计,提供了宝贵的意见。
与其他可穿戴技术一样,WSG 的外形最为重要,需要精心设计,以协助紧急救护人员,而非分散他们的注意力,或妨碍他们开展关键工作。 团队决定在 WSG 的核心位置安装英特尔® Edison模块,该模块性能高、能耗低，尺寸小，是满足 SWG 外形需求的最佳选择。
WSG原型构建考虑事项
为了将 SWG 从概念变成原型设计,Mutualink 团队首先从Intel® Edison模块着手,它以小外形结合本机 Wi-Fi、蓝牙和 USB 连接功能,甚至还能够与电池搭配使用。 该模块的内置连接功能连接支持紧急救护人员的多台设备,比如相机、心率监测器,语音通信设备等,还可连接 Wi-Fi 网络实现广域网连接的功能。
Intel® Edison 面板上的主要系统芯片 (SoC) 是一颗 22 奈米 英特尔® Atom™ Z34XX 系列处理器, 后者包含两个运行速度为 500 MHz 的 Silvermont 微架构内核和一个运行速度为 100 MHz 的 Intel® Quark ™ （以执行 Wind River Viper* 实时操作系统 (RTOS））。 该 SoC 在封装中结合了1GB 的RAM。 还包含 4 GB 嵌入式多媒体卡 (eMMC) 面板载存、Wi-Fi、蓝牙 4 和 USB 控制器。 该面板有一个 70 针脚密度的连接头 (Hirose DF40),用于连接 USB、SD、UART 和 GPIO。
目前,WSG 尚不具备支持独立行动操作4G/LTE* 的功能,而是透过手机共享Wi-Fi 连接至 4G/LTE 网络或 Wi-Fi 热点。 其中一种原型实施主要在牢牢连接至坚固耐用的FirstNet Sonim* 手机,建立起整洁、高度灵活的袖珍型装置。 组合型 WSG 设备既符合人体工程学设计,又可放入夹克或裤子口袋,便于携带,是小型解决方案必备的组件。 最后,团队也探讨如何直接将 4G/LTE联机功能与设备结合。
将WSG的能耗降至最低
WSG 的能耗要求非常严谨,因为它用于连接多台装置,以便它们随时向任意位置发送不同情况下的相关数字数据。 此外,紧急救护人员要求装置本身在显示部分能让人容易了解。 有鉴于这些需求,电池续航时间自然而然成为设备能够成功地操作所考虑的重要因素,所以这是团队选择低能耗Intel® Edison模块的主要原因。
对于电池,团队努力在容量和尺寸之间取得完美平衡,以确保其便携性。 WSG 原型的主体是由 3.7 伏、1200 毫安锂电池供电。 根据不同的用户案例和情形，WSG 还可以任意充电式电池（例如 6000 毫安电池组）来构建,只不过体积会稍大一点。 在早期 测试阶段,WSG 原型可以保持 12小时甚至更长时间的全速运行,如果紧急救护人员不想担心是否需要为硬件充电,这对能长时间运行的需求将变得至关重要。 还有重要的一点，WSG 的充电方式和手机一样简单。
揭示局限性、设计解决方法与继续构建原型
即插即用型Intel® Edison模块的一个局限是,当使用 3.7 伏电源时,USB 活动式 (OTG) 端口无法为连接设备供电。 如果用户需要为外部 +5V USB 相机供电,这将成为一个问题。 团队想出了一种解决方案,在 WSG 和外部间另外连接一根升压型USB传输线。
如图4所示, WSG 最终原型采用 3 块 Spark Fun* 面板堆栈的方式：第一块为Intel® Edison模块、第二块为电池与充电,第三块为I/O 功能。
尽管团队想出了解决 USB 电源问题的方法,但当前的 WSG 原型青睐于使用外形精巧并具备即插即用功能的Intel® Edison模块。 在USB电源需求与面板4G LTE 连接目标的双重推动下,团队找到了一种制定的解决方案（目前处于研发阶段）。 而且,团队正在与电池制造商积极探讨,以将 WSG 直接与电池外壳结合,而进一步优化电源/尺寸之比例。
建立使用灵活性
在 WSG 创意构思与设计过程中,灵活性和适应性始终处于核心地位。 装置及其生态系统必须能够随软硬件的更新升级,以及新使用案例的不断出现,而逐渐演进。 WSG 软件基于 Linux*操作系统构建而成,并使用JavaScript* 程序来设计,因此具有出色的可扩展性和开放性,支持添加新功能的能力。
此外,WSG配备了2个LED灯,如图5所示:如果与服务器的安全连接状态稳定,红灯常亮；黄灯则根据装置正在处理的数据流量级别闪烁。 这2个LED灯会将设备的运行状态及时告知配戴者。 透过程序设计,这些 LED 灯还能以任意形式提供紧急救护人员或指挥所认为重要的回复。
指挥所用户接口
为实现整体的灵活性,开发团队通过 Web应用来架构,基于Web的客户端程序代码Node.js*建构指挥 UI。 它支持客户端在浏览器的装置上运行,包括智能型手机、平板计算机、笔记本电脑或插入至任何配备支持HDMI显示器的英特尔® 计算机棒。 指挥人员可能需要执行远程的相关操作,或在操作过程中建立临时的指挥所,这种方法能够为他们提供更高的灵活性。
经过程序设计,UI可以显示实际操作装置正在发送的数据,其中包括影片流量、心率、GPS定位，以及联网代理的状态。
网络不可知,安全为首要
处于原型状态的 WSG 透过 Wi-Fi连接至商用4G网络手机,或（未来的）专用 First Responder Network Authority (FirstNet*) 公共安全宽带网络（目前处于开发中,将供美国全国使用）来传输数据。 为了利用最佳可用的连接,系统经过设计,可以跨所有网络来运行,且安全性不会受到丝毫影响。
尽管 WSG 具有类似的不可知性,但对在虚拟网络中,将数据上传至指挥中心或其他利益相关者的服务器来说,是非常安全的。 使用私有Intel服务器的分布式节点和按所需远程应用服务,以及最近的 Amazon Web Services* 都已充分利用这相关的技术。 该模块的灵活性可完全确保数据完整性,而且可让客户来选择最适合且满足其需求,和现有资源的配置。
网络安全性
系统安全性是最为重要的,由于 WSG可能容易受到影响,而计算机系统或网络的受到威胁与攻击,比如分布式拒绝服务 (DDoS) 的攻击。 为阻止恶意设备进行欺诈或数据的窃取,系统使用企业标准、经过认证的 AES256 来验证网络中的每台装置。
团队努力从硬件层级来提供最高的安全性。 这样有助于确保数据完整性,并支持实施进阶恶意软件防护,同时不影响重要数据传送速度。
数据流量专门使用在开放标准的客户端,经由端到端加密 VPN 信道来进行处理。 Mutualink 插件可下载至 WSG 和客户端, 而且客户端上的 WSG 应用可建构VPN 信道并来处理验证的问题。
在服务器连接方面,除网络不可知外,WSG还具备其操作的灵活性。 加密VPN信道可将设备连接至私有服务器或公共云端服务器,比如 Amazon Web Services。 透过公共网络,当传输数据时,最关键的是确保数据安全的完整性。 Mutualink在这方面拥有多年的丰富经验,他们使用高级加密和 VPN技术安全地跨网络与设备连接。
机构间的分享
WSG 系统灵活、开放的架构具备的优势是能够充分利用 Mutualink现有公共安全网络和平台的互操作性,从而与协作机构和利益相关者远程共享指挥所的资源共享。
基于云端系统支持所采用 Mutualink系统机构与获得许可的利益者能实现在动态媒体的资源共享。 对于使用浏览器的客户端对于设备的支持（包括笔记本电脑、平板计算机和智能型手机）可直接与共享指挥所 UI的共享。 在实践过程中,意味着在任意既定情况下,远程利益相关者只需透过手机和Mutualink应用程序,就可将视频、音频和数据实时传输至手机，并注意操作的每一个步骤。
冗余性
在极端环境下确保WSG系统的完整性,使其保持顺畅运行的关键是冗余性。 系统中各个不同的点都有可能出现故障的问题:在紧急情况下,大量人群同时试着使用网络,有时会导致硬件故障,连接中断,或 4G 和 Wi-Fi 宽带连接受到影响。
在服务器端，编入系统的故障防护冗余性可以确保,当VPN 信道出现故障时,系统可自动切换至备用安全连接,从而确保可靠地将信息回馈至指挥所。 就WSG及其本地连接装置领域的冗余性而言,Mutualink正在开发一款无所不包的解决方案,以在出现任何可预见网络故障的情况下保持系统完整性。
引入Mesh*技术
Mutualink 是提供数据共享架构非集中式解决方案的顶级专家。 如果大量紧急救护人员客户端,该模型可避免任一机构成为中枢,从而为所有利益相关者保持平台的公正性。 这种相同的分散数据流原则已应用于可穿戴WSG架构的核心位置。 Mesh* 技术解决方案是其逻辑的扩展,主旨在网络中提供完整的冗余性。
Mesh 的工作原理是透过网络中任意数量的独立装置（而非单个路径）发送数据封包。 这意味着,如果设备因故断网,数据仍然可以前往目的地。 在实际状况中,它可应用于多种用途:例如,近距离工作的四人小组只需使用一个智能手机的热点,就可将每位成员的数据传输至指挥所。
譬如本文“公共安全物联网”部分所述,在一些情况下,任何装备了 WSG 的设备都可用于将数据封包传输至目的地。 这些环境装置包括经过改造,具备 WSG 功能（蓝牙、Wi-Fi和4G连接）的应急照明灯、消防箱或电灯泡。 从本质上来说,系统将能够自动运行,通过网络查询数据传输的路径,从而确保高级别冗余性和可靠性,同时为用户提供无缝体验。
FirstNet*就绪型WSG
FirstNet* 是一可确保公共安全的LTE宽带网络,目前处于咨询阶段,即将在美国国内大规模部署。 该网络是为响应 9/11 委员会关于为紧急救护人员所提供全国无线服务网络推荐而开发的,有助于紧急救护人员克服之前由于超出公共网络的功能,因而在基础通信服务方面所遭遇到的严峻挑战。
许多FirstNet Early Builder 计划都已投入使用。 其中有一项是新泽西JerseyNet行对网络,在2015 年天主教皇访美时投入使用。 在得克萨斯州哈里斯郡,FirstNet项目也已启动,供紧急救护人员使用 Mutualink技术。 Intel-Mutualink 团队从头研究了WSG 的安全性,以确保数据完整性和进阶恶意软件防护已经就位,并精心设计,以确保与公共安全网络相关的速度和效率不会受到丝毫影响。
WSG实地测试
用户体验是成功推出新技术的关键,对于支持紧急救护人员在紧急、高压情况下从容工作的可穿戴技术来说尤其重要。 他们最不希望担心的就是新套件的使用。 为确保紧急救护人员接受其使用性, WSG 的关键是严格实地测试。 尽管WSG设备还处于原型建构阶段,暂不在紧急响应的应用,但于2015年9月在Urban Shield 的展示活动中,在模拟真实环境下测试系统和整体用户体验提供了宝贵的经验,从而确保在真正紧急、承受独特压力的情况下具备提供收集回馈的能力。
Urban Shield 是加利福尼亚北部每年一次48 小时战术训练的活动。 全球的紧急救护人员小组 — 主要是 SWAT，还有消防和 EMS 部门 —需要经历一系列严格的真实训练。 该活动为小组制定操作战术提供了有利机会,同时也是测试新兴技术（本案例中为 WSG）的重要平台 —与感知工具。
在活动之前的研究,Mutualink 咨询了加利福尼亚州森尼韦尔市的紧急救护人员,最终制作了采用Intel® Edison模块的 WSG 原型。 经过设计,它们可以牢牢固定在支持 FirstNet的手机上,为其提供Wi-Fi热点与4G连接。 在训练期间,WSG将影片、心率和位置数据实时传输至指挥所。
活动场景涉及绑架和汽车炸弹,SWAT小组使用喷枪进行响应,来代替真实炸药。 小组人员希望WSG 能解决紧急状态的问题是,指挥中心需要更加详细、准确地了解活动的有关信息,并借助WSG的其他数据有效沟通,提高小组的整体效率和安全。 在测试过程中不仅累积了宝贵经验,整体而言,WSG也取得了预期的效果,为任务指挥人员提供了了解实地情况。
从客户端学习经验
用户体验是设计WSG的关键因素。 紧急救护小组需要能够将设备无缝连接至工作环境,如果是可穿戴设备,这里所说的工作环境实际上是指他们的个体。 如果 WSG 设备妨碍了他们的工作,或分散了他们的注意力,则该设备将无法实际应用。 这意味着,必须对设备的外形、重量和操作简易性进行优化。
外形方面,在 Urban Shield 活动中使用的WSG原型在尚未安装 4G的情况下,要求以连接网络连接至手机（还需用户携带）。 为该活动构建的WSG原型经过专门设计,可以连接至支持 FirstNet 的 Sonim*手机。 这两台装置组合在一起,外形约为单只手机厚度的两倍,参加 Urban Shield的紧急救护人员在携带设备及其他装备方面没有提出任何异议。
从技术层面来说,WSG简单、稳定的操作符合Urban Shield活动的需求,而且该测试为未来的技术改进提供了宝贵的见解。 有一个问题突显了在实验室外进行实地测试的重要性,即影片流量传输过程中的延迟的频率有时会有增加的情况,因而导致影片传回至指挥所时出现了不同步的现象,这是一个潜在的严重问题。 Mutualink将测试结果带回了实验室,对WSG软件进行了进一步改进,使其自动感应到影片中断问题,因而的降低影片画面播放速度。 当影片受到影响时,尽管这样会降低影片传输的流畅度,但有助于保持影片的同步性。
Mutualink 还考虑将目前的Motion JPEG 压缩替换成 H.264 的影片格式,进一步提高影片的性能。 另外一个重要事项是将 4G LTE连接融入装置当中,以消除手机对于热点连接的需求。
实时指挥中心的解决方案
在Urban Shield测试期间,他们汲取了一个宝贵的经验,透过观察发现,除用于队伍进行简报外,还需另外一项其他安装的资源来满足指挥中心的计算机空间需求。 这样不仅将队伍和指挥所区隔,还要求安装其他资源。 在变化迅速、紧急救援任务重的情况下,将资源繁重的操作降至最低,无疑会为紧急救护小组带来真正的优势,而当效率提高后将有助于鼓舞采用这种技术。
观察到这些情况后,WSG 团队考虑使用Intel® Atom™ 四核心处理器的Intel®计算机棒来替换体积庞大的塔式装置,成为新的指挥中心。 为指挥中心安装英特尔® 计算机棒可提供多项优于庞大塔式装置或笔记本电脑的优势。 Intel®计算机棒的外形比大多数手机小，具有极大的便携性,同时,它还配备了即开即用的蓝牙、Wi-Fi 和 USB 连接,并支持连接至网络的功能。
安装 WSG指挥所软件后,操作员只需将英特尔®计算机棒插入配有HDMI的显示器,就可在数秒内建立一个动态指挥中心。 以工作为例,想象一下,在紧急情况下,饭店里任何一间有电视的房间就可瞬间变成指挥中心,供以前需要耗费大量时间和资源才能实现实时性。
公共安全物联网
关于物联网 (IoT) 及其对于未来\网络的互联功能,对英特尔来说有重要意义,且有大量关于这领域的报导。 2015 年,越来越多颠覆性技术的具体应用都已融入人们的日常生活当中,包括智能型家电设备和超市蓝牙信标。 英特尔和 Mutualink 已掌握了IoT 技术和运用到公共安全领域的机会,并启动了公共安全物联网 (IoPST*)计划。
WSG 设备就是两家公司合作的第一个产品,也将开启其他安全的创新产品开发的序幕。 其中的一个关键创意是,WSG的技术并不一定要具备可穿戴的特性,它也可以作为智能设备静态安装的一部分。
例如，在纽约的Maker Faire, Mutualink在英特尔展台展示了嵌入至消防箱的智能技术原型的概念。 消防箱硬件不是将数据发往指挥中心,而是为紧急救护人员提供专用 Wi-Fi 网络（称为“WiFi911*”）,如果警报响后,将启动网络,通过紧急服务密码就可自动连接。
它有效解决了紧急救护人员在紧急情况下所遇到的两个最大的通讯问题:由于情绪恐慌导致网络过度使用所造成联机中断问题,进而造成服务质量差或服务不存在,以及由于密码保护造成在特定场所无法使用Wi-Fi 网络。
WiFi911*技术能够嵌入至所有通电硬件装置,比如灯泡。 现代节能灯泡不仅能够与这种硬件插件结合,灯泡的使用还可与建立Edison稳定链路,该创意概念最初来源于Mutualink支持用户网络无缝连接的期望。 为此,Mutualink 成功将 WSG* 中心的英特尔® Edison模块融入原型灯泡当中。
屡获殊荣的创新
在拓展公共安全物联网计划所做出的开创性工作,Mutualink/Intel Corporation/San Mateo Sheriff Office 团队荣获了于2016 Integrated Justice Information Systems (IJIS) Institute创新奖 。 该奖表对司法、公共安全或国土安全领域内做出了重要贡献的技术创新。 IJIS Institute委员会高度认可 WSG Urban Shield 测试项目及其成果,因此推荐Mutualink 和英特尔入围该奖项,以表彰两家公司在该领域的卓越表现与贡献。
未来计划
WSG*目前处于开发阶段,计划将于 2016 正式发布。 英特尔和 Mutualink正抓紧时间设计和外形,以新增4G LTE连接功能、影片压缩等特性,并进一步改进指挥中心的接口。
与其他条件要求严苛的使用场景的产品一样,WSG 在上市之前，将经历严格的测试,以提高美国紧急救护人员的操作效率。
来源：Intel博客