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急救人员穿戴式装置的革命新技术:智慧型闸道

急救人员穿戴式装置的革命新技术:智慧型闸道
简介

可穿戴式智慧型闸道为世界第一个可穿戴式通讯闸道,让急救人员能即时透过网路来安全地分享多媒体资讯。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资讯存取,包括影像、生物特徵识别与环境数据。 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连结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。

依照有价值的创新专案,联合倡议已经收到来自创新学会 2016 年的综合司法资讯系统。

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 I oPST 的背景与 FirstNet* LTE 宽频网路会陆续来作探讨。

The WSG* 起源

Mutualink 总部位于康乃迪克州沃灵福德镇,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 的网路服务被广泛应用,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体的机架、高性能软体,以及企业标準的端到端加密技术,可有效支援机构间共用影片、语音和相关资料。

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图 1:可穿戴式智慧型闸道原型装置。

紧急服务与所面临的一个主要问题是通讯的互通性 —由于技术标準与协议之间的差异,机构间的重要资料共用不仅複杂,而且速度非常缓慢。

Mutualink 一直致力于克服这些障碍。借鑒 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 和蓝芽,通过与伺服器连接的安全虚拟专有网路,将紧急救护人员所穿戴、手持,或附近的设备与远端指挥中心可穿戴通讯闸道连接。无论多少家合作机构利害关係者,都可以根据需要透过该闸道无缝共用相关讯息。

紧急救护人员在 WSG 输入资料的设计

在紧急救护人员通讯领域当中, 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测试与改进。 紧急救护人员的回馈为满足指挥使用者介面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 模组,该模组性能高、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 模组着手,它以小巧的外形结合本机 Wi-Fi、蓝牙和 USB 连接功能,甚至还能够与电池搭配使用。该模组的内置连接功能连接支援紧急救护人员的多台设备,比如相机、心跳监测器,语音通讯设备等,还可连接 Wi-Fi 网路实现广域网路连接的功能。

Inetel® Edison 面板上的主要系统晶片是一颗 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 微架构核心和一个运行速度为 100 MHz 的 Intel® Quark™。 该 SoC 在封装中结合了 1GB 的 RAM 。还包含 4 GB 嵌入式多媒体卡面板载存、 Wi-Fi 、蓝芽 4 和 USB 控制器。该面板有一个 70 针脚密度的连接头 ,用于连接 USB 、 SD 、 UART 和 GPIO 。

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图 2: [email protected] 模组应用在多数 WSG 原型。

目前, WSG 尚不具备支援独立行动操作 4G/LTE 的功能,而是透过手机共用 Wi-Fi 连接至 4G / LTE 网路或 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 连线功能与设备结合。

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位数据。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。有鑒于这些需求,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 模组的主要原因。

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 毫安培锂电池供电。根据不同的使用者案例和情形, WSG 还可以任意充电式电池来构建,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体充电,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

随插即用型 Intel® Edison 模组的一个局限是,当使用 3.7 伏电源时, USB 活动式连接埠无法为连接设备供电。 如果使用者需要为外部 +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条升压型 USB 传输线。

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图 3:升压型 USB 传输线支援 USB 埠为连接设备供电。

如图 4 所示, WSG 最终原型採用 3 块 Spark Fun* 面板堆叠的方式:第一块为 Intel® Edison 模组、第二块为电池与充电,第三块为 I/O 功能。

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图 4 :Spark Fun*面板用于构建 WSG 原型。

儘管团队想出了解决 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随插即用功能的 Intel® Edison 模组。 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。而且,团队正在与电池製造商积极探讨,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体的更新升级,以及新使用案例的不断出现,而逐渐演进。 WSG 软体基于 Linux 作业系统构建而成,并使用 JavaScript 程式来设计,因此具有出色的可扩展性和开放性,支援添加新功能的能力。
此外, WSG 配备了 2 个 LED 灯,

如图 5 所示:如果与伺服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资料流程量级别闪烁。这 2 个 LED 灯会将设备的运行状态及时告知配戴者。透过程式设计,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覆。

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图 5 :LED 指示灯为使用者提供有关  VPN 和网路流量状态的快速回馈。
指挥所用户介面

为实现整体的灵活性,开发团队通过 Web 应用来架构,基于 Web 的用户端程式码 Node.js* 建构指挥 UI 。它支援用户端在流览器的装置上运行,包括智慧型手机、平板电脑、笔记型电脑或插入至任何配备支援 HDMI 显示器的英特尔® 电脑棒。指挥人员可能需要执行远端的相关操作,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。

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图 6 : WSG 指挥所使用者流览器,并实现了模组化介面。

经过程式设计, UI 可以显示实际操作装置正在发送的资料,其中包括影片流量、心率、 GPS 定位,以及联网代理的状态。

网路不可知,安全为首要

处于原型状态的 WSG 透过 Wi-Fi 连接至商用 4G 网路手机,或专用 First Responder Network Authority公共安全宽频网路来传输资料。为了利用最佳可用的连接,系统经过设计,可以跨所有网路来运行,且安全性不会受到丝毫影响。

网路安全性

系统安全性是最为重要的,由于 WSG 可能容易受到影响,而电脑系统或网路的受到威胁与攻击,比如分散式拒绝服务的攻击。为阻止恶意设备进行欺诈或资料的窃取,系统使用企业标準、经过认证的 AES256 来验证网路中的每台装置。

团队努力从硬体层级来提供最高的安全性。这样有助于确保资料完整性,并支援实施进阶恶意软体防护,同时不影响重要资料传送速度。

资料流量专门使用在开放标準的用户端,经由端到端加密 VPN 通道来进行处理。 Mutualink 外挂程式可下载至 WSG 和用户端, 而且用户端上的 WSG 应用可建构 VPN 通道并来处理验证的问题。

在伺服器连接方面,除网路不可知外,WSG 还具备其操作的灵活性。 加密 VPN 通道可将设备连接至私有伺服器或公共云端伺服器,比如 Amazon Web Services。透过公共网路,当传输资料时,最关键的是确保资料安全的完整性。

Mutualink 在这方面拥有多年的丰富经验,他们使用高级加密和 VPN 技术安全地跨网路与设备连接。

跨机构间的分享
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图 7 :资料从 WSG传送至伺服器和指挥所,以及远端机构。

WSG 系统灵活、开放的架构具备的优势是能够充分利用

Mutualink 现有公共安全网路和平台的互通性,从而与协作机构和利益相关者远端共用指挥所的资源共享。

基于云端系统支援所採用 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。对于使用流览器的用户端对于设备的支援可直接与共用指挥所 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 应用程式,就可将影片、音讯和资料即时传输至手机,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路,有时会导致硬体故障,连接中断,或 4G 和 Wi-Fi 宽频连线受到影响。

在伺服器端,编入系统的故障防护冗余性可以确保,当 VPN 通道出现故障时,系统可自动切换至备用安全连接,从而确保可靠地将资讯回馈至指挥所。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路故障的情况下保持系统完整性。

引入 Mesh 技术

Mutualink 是提供资料共用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用户端,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。这种相同的分散资料流程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,主旨在网路中提供完整的冗余性。

Mesh 的工作原理是透过网路中任意数量的独立装置发送资料封包。这意味着,如果设备因故断网,资料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慧手机的热点,就可将每位成员的资料传输至指挥所。

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 的设备都可用于将资料封包传输至目的地。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,通过网路查询资料传输的路径,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 宽频网路,目前处于谘询阶段,即将在美国国内大规模部署。该网路是为回应 9/11 委员会关于为紧急救护人员所提供全国无线服务网路推荐而开发的,有助于紧急救护人员克服之前由于超出公共网路的功能,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 计画都已投入使用。其中有一项是纽泽西 JerseyNet 行对网路,在 2015 年天主教皇访美时投入使用。在德克萨斯州哈里斯郡, FirstNet 专案也已启动,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,以确保资料完整性和进阶恶意软体防护已经就位,并精心设计,以确保与公共安全网路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,对于支援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。 儘管 WSG 设备还处于原型建构阶段,暂不在紧急回应的应用,但于 2015 年 9 月在 Urban Shield 的展示活动中,在类比真实环境下测试系统和整体使用者体验提供了宝贵的经验,进而确保在真正紧急、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的重要平台 —与感知工具。

在活动之前的研究, Mutualink 谘询了加利福尼亚州森尼韦尔市的紧急救护人员,最终製作了採用 Intel® Edison 模组的 WSG 原型。

经过设计,它们可以牢牢固定在支援 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、心率和位置资料即时传输至指挥所。

活动场景涉及绑架和汽车炸弹, SWAT 小组使用喷枪进行回应,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、準确地了解活动的有关资讯,并借助 WSG 的其他资料有效沟通,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。

从用户端学习经验

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,要求以连接网路连接至手机。为该活动构建的 WSG 原型经过专门设计,可以连接至支援 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 软体进行了进一步改进,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,儘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。

即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电脑空间需求。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採用这种技术。

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® 电脑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® 电脑棒可提供多项优于庞大塔式装置或笔记型电脑的优势。 Intel® 电脑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芽、 Wi-Fi 和 USB 连接,并支援连接至网路的功能。

安装 WSG 指挥所软体后,操作员只需将英特尔®电脑棒插入配有 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,想像一下,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即时性。

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图 8 :在 Urban Shield 2015 的指挥中心内测试 WSG 。
公共安全物联网

关于物联网及其对于未来网路的互联功能,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,包括智慧型家电设备和超市蓝芽信标。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计画。

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,它也可以作为智慧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慧技术原型的概念。消防箱硬体不是将资料发往指挥中心,而是为紧急救护人员提供专用 Wi-Fi 网路,如果警报响后,将启动网路,通过紧急服务密码就可自动连接。

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图 9 : 2015 年于纽约 Maker Faire 展览所展出的公共安全物联网—消防箱中的英特尔 ® Edison 模组。

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路过度使用所造成连线中断问题,进而造成服务品质差或服务不存在,以及由于密码保护造成在特定场所无法使用 Wi-Fi  网路。

WiFi911 技术能够嵌入至所有通电硬体装置,比如灯泡。现代节能灯泡不仅能够与这种硬体外挂程式结合,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 支持使用者网路无缝连接的期望。为此, Mutualink 成功将 WSG 中心的英特尔 ® Edison 模组融入原型灯泡当中。

屡获殊荣的创新

在拓展公共安全物联网计画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 SystemsInstitute 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 测试专案及其成果,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。

未来计画

WSG* 目前处于开发阶段,计画将于 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介面。

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。

关于 Mutuallink

Mutualink 公司开发了一款交互操作通讯平台,可支援社群在安全环境下进行多媒体共享,包括录音、语音、文字编辑、视讯、数据档和电话通讯。 Mutualink 的系统目前部署于全球数百家公共事业单位和私营机构,包括国土安全和国防设施部、北约特种作战部队、公安消防部分、医院、学校、交通部门、公用事业公司、商场,赌场等。 Mutualink 是一家私营企业,总部位于康乃迪克州沃灵福德镇,在麻塞诸塞州韦斯特福德市、德克萨斯州艾伦市和波多黎各马亚圭斯市拥有三家研发机构并在华盛顿 附近开设了国防服务办事处,关于更多资讯可参阅以下网页 www.mutualink.net。

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