简介

可穿戴智能网关* (WSG*) 是全球首款可穿戴通信网关，支持紧急救护人员通过广域网实时、安全地共享多媒体信息。

WSG 由 Mutualink 采用英特尔® 技术开发而成，史无前例地支持指挥中心与机构间访问实时情景智能，包括视频、计量生物与环境数据。 WSG 的出色功能显著增强了操作感知，并缩短了对紧急情况的响应时间，因此可帮助警察、SWAT、消防员和医疗急救人员快速、明智地制定决策，从而克服操作盲目性所带来的挑战。

WSG 是英特尔® 和 Mutualink 联合启动的公共安全物联网 (Internet of Public Safety Things* (IoPST*)) 计划的第一个产物。该计划旨在用无缝互连技术武装下一代紧急救护人员，帮助救助更多生命。项目实现的宝贵创新得到了高度认可，这一联合计划荣获了 2016 年 Justice Information Systems (IJIS) Institute 创新奖。

本白皮书介绍了 WSG 的研发背景，以及支持其构建与运行的技术。截至本白皮书撰写之际，WSG 正处于原型构建阶段，预计将于 2016 年正式推出。因此本白皮书还探讨了该设备未来的前景。此外，本文还探讨了应用于 IoPST 和 FirstNet* LTE* 宽带网络环境的 WSG 及其技术。

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 年为公共安全领域开发通信技术的经验。 Mutualink 基于 IP 的网络服务被广泛采用，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机架的硬件、高性能软件，以及行业标准的端到端加密技术，可有效支持机构间共享视频、语音和数据。

图 1：可穿戴智能网关* (WSG*) 设备原型。

紧急服务与机构面临的一个主要问题是通信互操作性 — 由于技术标准与协议之间的差异，机构间的关键数据共享不仅复杂，而且非常缓慢。 Mutualink 一直致力于打破这些障碍。通过借鉴 Edison Laboratory 在 20 世纪率先开展的电信工作，创新团队受到了启发，开始首次尝试开发可穿戴技术。 Mutualink 与英特尔合作，希望通过能够无缝、安全地连接紧急救护人员、指挥中心和协作机构使用的多项高级技术之间的点的系统，来扫清通信障碍。

他们合作的产物就是 WAS — 使用
Wi-Fi*、有线 USB 和蓝牙，通过与连接服务器（云中或本地）的安全虚拟专有网络(VPN)，将紧急救护人员穿戴的、拿着的，或附近的设备连接至远程指挥中心的可穿戴通信网关。无论多少家合作机构和利益相关方，都可以根据需要通过该网关无缝共享信息。

紧急救护人员对 WSG 设计的输入

在紧急救护人员通信领域，Mutualink 颇具声望，因为它深深了解这些一线工作者的需求。 Mutualink 的业务开发团队拜访了许多具有数十年实战经验的前紧急救护人员，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，英特尔和 Mutualink 更进一步，对在岗的紧急救护人员进行了深度访谈，详细了解了他们的需求以及对产品功能的期望。在构建原型之前，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提炼和改进。紧急救护人员的反馈还为满足指挥所用户界面 (UI) 特定需求和设备整体功能设计提供了宝贵的洞察。

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，Mutualink 团队首先从英特尔® Edison 模块着手，它以小外形集成了本机 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支持其连接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。

英特尔® Edison 开发板的主片上系统 (SoC) 是一颗 22 纳米英特尔® 凌动™ 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 的英特尔® Quark™ 内核（以执行 Wind River Viper* 实时操作系统 (RTOS)）。该 SoC 在封装中集成了 1GB RAM。还包含 4 GB 嵌入式多媒体卡 (eMMC) 板载存储、Wi-Fi、蓝牙 4和 USB控制器。该开发板有一个 70 针脚密度连接器 (Hirose DF40)，用于连接 USB、SD、UART和 GPIO。

图 2：英特尔® Ediso 模块可用于多个 WSG 原型。

目前，WSG 尚不具备支持独立移动操作的 4G/LTE* 功能，而是通过手机共享的 Wi-Fi 连接至 4G/LTE 网络或 Wi-Fi 热点。其中一种原型实施旨在牢牢连接至坚固耐用的 FirstNet 就绪型 Sonim* 手机，创建整洁、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，团队还探索了如何直接将 4G/LTE 连接性融入设备之中。

WSG 能耗降至最低

WSG 的能耗要求非常严苛，因为它用于连接多台设备，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，紧急救护人员要求设备本身能够显示一目了然的指标。鉴于这些需求，电池续航时间自然而然成为设备能够成功实地操作的重要考虑因素，而且是团队选择低能耗英特尔® Edison 模块的主要原因。

对于电池，团队努力在容量和尺寸之间实现完美平衡，以确保便携性。 WSG 原型的主体由 3.7 伏、1200 毫安锂电池供电。根据不同的用户案例和情形，WSG 还可围绕任意充电式电池（例如 6000 毫安电池组）来构建，只不过体积稍大一点。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，这对长时间运行将变得至关重要。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，继续构建原型

即插即用型英特尔® Edison 模块的一个局限是，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 和外部外设之间另外连接一根升压型 USB 电缆。

图 3：升压型 USB 电缆方法支持 USB 端口为连接设备供电。

如图 4 所示，最终的 WSG 原型采用 3 块 Spark Fun* 开发板堆栈的方式：第一块面向英特尔® Edison 模块、第二块面向电池与充电，第三块面向 I/O 功能。

图 4：用于构建 WSG 原型的 Spark Fun* 开发板。

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紧凑并具备即插即用功能的英特尔® Edison 模块。在 USB 电源需求与板载 4G LTE 连接目标的双重推动下，团队找到了一种定制解决方案（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 直接集成到电池筒内，从而进一步优化电源/尺寸比。

面向灵活使用而构建

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。设备及其生态系统必须能够随软硬件的更新换代，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* 编程，因此具有出色的可扩展性和开放性，支持轻松添加新功能。

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；黄灯则根据设备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佩戴者。通过编程，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可视反馈。

图 5： LED 指示灯为用户提供有关 VPN 和网络流量状态的快速反馈。

指挥所用户界面

为实现整体灵活性，团队通过 Web 应用框架中的基于 Web 的瘦客户端代码 Node.js* 构建指挥所 UI。它支持客户端在带有浏览器的任意设备上运行，包括智能手机、平板电报、笔记本电脑，或插入至任意配备 HDMI 的显示器的英特尔® 计算棒。指挥人员可能需要远程或移动操作，或在操作过程中创建临时指挥所，这种方法能够为他们提供更高的灵活性。

图 6： WSG 指挥所用户界面基于浏览器，并实现了模块化。

经过编程，UI 可以显示实地操作设备正在发送的任何数据，包括视频流、心率、GPS 定位，以及联网代理的状态。

网络不可知，安全最重要

处于原型状态的 WSG 通过 Wi-Fi 连接至使用商用 4G 网络的手机，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。为了充分利用可用的最佳连接，系统经过设计，可以跨所有网络运行，且安全性不会受到丝毫影响。

尽管 WSG 具有类似的不可知性，但对在可信同行虚拟网络中，将数据从上行链路传输至指挥中心或其他利益相关者的服务器来说，它是非常安全的。使用私有英特尔服务器的分布式节点和按需远程应用服务，以及最近的 Amazon Web Services* 都已得到充分利用。该模块化灵活性可完全确保数据完整性，而且已选作支持客户来选择最适合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 可能容易受到可影响标准计算机系统或网络的威胁的攻击，比如分布式拒绝服务 (DDoS) 的攻击和网络终端。为阻止恶意设备进行欺诈或数据窃取，系统使用行业标准、经过认证的 AES256 验证网络中的每台设备。

团队努力从硬件层级开始提供最高安全性。这样有助于确保数据完整性，支持实施高级恶意软件防护，同时不影响重要数据传输速度。

数据流专门使用基于开放标准的客户端，通过端到端加密 VPN 隧道来进行处理。 Mutualink 插件可下载至 WSG 和客户端，而且客户端上的 WSG 应用可构建 VPN 隧道并处理验证。

在服务器连接方面，除网络不可知外，WSG 还具备同样的灵活性。加密 VPN 隧道可将设备连接至私有服务器或基于公有云的服务器，比如 Amazon Web Services。通过网络，尤其是公共网络，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 技术安全地跨网络连接设备。

机构间共享

图 7：数据包从 WSG（图左侧）流入服务器和指挥所，以及远程机构。

WSG 系统灵活、开放的架构具备的一项优势是，能够充分利用 Mutualink 现有公共安全网络和平台的互操作性，从而与任意数量的协作机构和利益相关者远程共享指挥所。

基于云的系统支持所有采用 Mutualink 系统的机构与获得许可的利益相关者实现动态媒体共享。基于浏览器的瘦客户端支持在任意设备（包括笔记本电脑、平板电脑和智能手机）上直接共享指挥所 UI。在实践中，这意味着，在任意既定情况下，远程利益相关者只需手机和 Mutualink 应用，就可将视频、音频和数据实时传输至手机，关注操作的每一步骤。

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：在紧急情况下，大量人群同时尝试使用网络，有时会导致硬件故障，连接断开，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 隧道出现故障时，系统可自动切换至备用安全连接，从而确保可靠地将信息反馈至指挥所。就 WSG 及其本地连接设备领域的冗余性而言，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 是提供面向数据共享架构的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扩展，旨在在网络中提供完整冗余性。

Mesh的工作原理是通过网络中任意数量的独立设备（而非单个路径）发送数据包。这意味着，如果设备因故断网，数据仍然可以前往目的地。在实践中，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包传输至目的地。这些环境设备包括经过改造，具备 WSG 功能（蓝牙、Wi-Fi 和 4G 连接）的应急灯、火警箱或电灯泡。从本质上来说，系统将能够自动运行，通过网络查找数据传输路径，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* 是一种可确保公共安全的专用 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提供全国无线服务网络的最终推荐而开发的，有助于紧急救护人员克服之前由于超出公共网络的功能，而在基础通信服务方面遭遇的严峻挑战。

多项 FirstNet Early Builder 计划都已投入使用。其中有一项是新泽西的移动 JerseyNet 网络，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 项目也已启动，供紧急救护人员使用 Mutualink 技术。英特尔-Mutualink 团队从头研究了 WSG 的安全性，以确保数据完整性和高级恶意软件防护已经就位，并进行了精心设计，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如此。他们最不希望担心的就是新套件的使用。确保紧急救护人员接受并使用 WSG 的关键是严格的实地测试。尽管 WSG 设备还处于原型构建阶段，暂不用于紧急响应，但 2015 年 9 月开展的 Urban Shield活动提供同样宝贵的机会来在模拟真实环境下测试系统和整体用户体验，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反馈的功能。

Urban Shield 是加利福尼亚北部每年一次的 48 小时战术训练活动。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）的重要测试平台 — 和感知工具。

在活动之前的研究阶段，Mutualink 咨询了加利福尼亚州森尼韦尔市的紧急救护人员小组，最终制作了大量采用英特尔® 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 4G 连接。在训练期间，WSG 将视频、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，以替换真实炸药。小组希望 WSG 解决的问题是，在紧急状态下，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。在测试过程中不仅积累了宝贵经验，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的窗口。

从用户体验总结经验

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身体。如果 WSG 设备妨碍了他们的工作，或分散了他们的注意力，该设备将无法投入实际使用。这意味着，必须对设备的外形、重量和操作简易性进行优化。

在外形方面，在 Urban Shield 活动中使用的 WSG 原型未安装 4G，因此要求连接至手机（还需用户携带）以连接网络。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，外形约为单台手机厚度的两倍，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。

从技术角度来说，WSG 简单、稳定的操作符合 Urban Shield 活动的期望，而且该测试为未来的技术改进提供了宝贵的洞察。有一个问题突显了在实验室外进行实地测试的重要性，即视频流传输过程中的延迟时有增加，导致视频传回至指挥所时出现了不同步现象 — 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，使其自动感应到带宽断开问题，并相应降低视频的帧速率。当可用带宽受到影响时，尽管这样会降低视频的流畅度，但有助于保持视频同步。

Mutualink 还考虑将当前 Motion JPEG 压缩替换成 H.264 格式视频，进一步提高视频性能。另外一个重要事项是将 4G LTE 连接融入设备本身，以消除连接手机热点的需求。

即时指挥中心™ 解决方案

在 Urban Shield 测试期间他们汲取了一个宝贵的教训，通过观察他们发现，除用于队伍进行简报的帐篷外，还需另外一顶帐篷来满足指挥中心计算机的空间需求。这样不仅隔开了队伍和指挥所，还要求安装其他资源。在瞬息万变、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，而且效率提高后将有助于鼓励采用这种技术。

观察到这些情况后，WSG 团队考虑使用基于四核英特尔® 凌动™ 处理器的英特尔® 计算棒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® 计算棒可提供多项优于庞大塔式装置或笔记本电脑的优势。英特尔® 计算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，支持轻松连接至任何网络。

安装 WSG 指挥所软件后，操作员只需将英特尔® 计算棒插入任何配备了 HDMI 的显示器，就可在数秒内创建一个动态指挥中心。作为工作示例，想像一下，在紧急情况下，酒店里任何一间带有电视的房间就可瞬间变成指挥中心，提供以前需要耗费大量时间和资源才能实现的即时性。

图 8： Urban Shield 2015 用于测试 WSG 的指挥中心内部。

公共安全物联网*

关于物联网 (IoT) 及其对互联未来，尤其对英特尔自身的重要意义，已经有大量的文字描述了。 2015 年，越来越多颠覆性技术的具体应用都在设法进入人们的日常生活，包括智能家庭设备和超市蓝牙信标。英特尔和 Mutualink 抓住了将 IoT 技术和思维运用到公共安全领域的机会，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物，也将拉开其他专注于安全的创新的序幕。其中的一个关键创意是，WSG 中的技术并不一定要具备可穿戴特性，它可以作为智能设备静态安装的一部分实现许多新的目标。

例如，在纽约创客展览 (Maker Faire) 上，Mutualink 在英特尔展台展示了嵌入至火警箱的智能技术的原型。火警箱硬件的宗旨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*”），如果警报拉响，该网络将激活，通过紧急服务已知的简单密码就可自动连接。

图 9： 2015 年纽约创客展览展出的公共安全物联网示例 —火警箱中的英特尔® Edison 模块。

它有效解决了紧急救护人员在紧急情况下遇到的两个最大的通信问题：由于恐慌，过度使用网络造成宽带中断，进而造成服务质量差或服务不存在，以及由于密码保护，在任意既定场所无法使用 Wi-Fi 网络。

WiFi911* 技术能够嵌入至某位置的所有通电硬件，比如灯泡。现代节能灯泡不仅能够轻松适应这种硬件插件，灯泡的使用还可创建返回至 Edison 的整齐链路，该创意最初来源于 Mutualink 支持人们无缝连接的愿望。为此，Mutualink 成功将 WSG* 中心的英特尔® Edison 模块插入至原型灯泡。

屡获殊荣的创新

由于开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 2016 Integrated Justice Information Systems (IJIS) Institute 创新奖。该奖表彰了对司法、公共安全或国土安全领域内集成与互操作性进步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，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。

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 正抓紧时间斟酌设计和外形，以添加 4G LTE 连接、视频压缩等特性，并进一步改进指挥中心界面。

与其他面向要求严苛的使用场景的产品一样，WSG 在大规模上市之前，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 Mutualink

Mutualink 公司开发了一款互操作通信平台，可支持社区在安全环境下进行多媒体共享，包括录音、语音、文本、视频、数据文件和电话通信。 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，总部位于康涅狄格州沃灵福德镇，在马萨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。更多信息敬请访问 www.mutualink.net。

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