藍(lán)牙/ZigBee技術(shù) 助臂可穿戴網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著微電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了新一代小型、可移動、功能強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備的出現(xiàn)。但是人們已經(jīng)不滿足各設(shè)備獨(dú)立工作，而是希望它們能根據(jù)人的需要和追求而工作，也就是要達(dá)到“計(jì)算以認(rèn)為本”的概念。因此在小范圍內(nèi)能夠?qū)⑺械脑O(shè)備互連而組成的網(wǎng)絡(luò)--——可穿戴網(wǎng)絡(luò)便應(yīng)運(yùn)而生。

　　所謂可穿戴網(wǎng)絡(luò)是指基于短距離無線通信技術(shù)（藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)等）與可穿戴式計(jì)算機(jī)（wearcomp）技術(shù)的結(jié)合，穿戴在人體身上的、具有智能的、能收集人體和周圍環(huán)境信息的一種新型的個域網(wǎng)概念（PAN）。

　　2 基于藍(lán)牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　可穿戴網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活、移動性強(qiáng)，對外網(wǎng)的接入方式多種多樣：可通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙機(jī)頂盒等由LAN、ADSL等全速接入internet；當(dāng)其大范圍移動時可以藍(lán)牙手機(jī)作為接入手段，使得可穿戴網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的移動性。目前考慮的可穿戴網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中的設(shè)備包括主機(jī)、藍(lán)牙設(shè)備、ZigBee設(shè)備、Bluetooth/ZigBee網(wǎng)關(guān)。

　　2.1 主機(jī)部分

　　可穿戴式計(jì)算機(jī)由于其可穿戴性，則要求主機(jī)的重量輕、體積小。主機(jī)芯片采用linux嵌入式操作系統(tǒng)，其上集成藍(lán)牙協(xié)議棧。在主機(jī)中集成藍(lán)牙適配器的主要目的是使主機(jī)能與其它藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通信。如果條件允許還可在主機(jī)中集成GPS模塊等。

　　2.2 藍(lán)牙設(shè)備

　　可穿戴網(wǎng)絡(luò)中的藍(lán)牙設(shè)備是內(nèi)嵌了藍(lán)牙模塊的小型化設(shè)備，把設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙鏈路傳輸?shù)街鳈C(jī)或反向傳輸。

　　頭戴顯示系統(tǒng)：內(nèi)部集成了微型藍(lán)牙模塊、攝像頭、DSP芯片。首先通過攝像頭采集初始圖像，送入DSP 芯片進(jìn)行預(yù)處理以去除視頻和圖像信號的冗余，其視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以采用 MPEG-4 。 DSP 處理后的信號可直接送入顯示屏或送入主機(jī)以進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　藍(lán)牙耳機(jī)：可以實(shí)現(xiàn)與其它藍(lán)牙設(shè)備的音頻信號傳輸，通過語音命令實(shí)現(xiàn)對主機(jī)的控制，或者將話音信號通過GPRS、CDMA、TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端。

　　圖 1 基于藍(lán)牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

　　2.3 ZigBee設(shè)備

　　ZigBee設(shè)備可設(shè)計(jì)為手表式、鞋墊式等。它包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、ZigBee模塊。傳感器采集外部信號（心跳、血壓、脈搏、溫度、干濕度等）并將它們轉(zhuǎn)化為電信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入MCU，最后通過ZigBee收發(fā)模塊，并經(jīng)網(wǎng)關(guān)送入到主機(jī)。經(jīng)主機(jī)處理之后，再傳送到其它設(shè)備。

　　2.4 藍(lán)牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)

　　藍(lán)牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)主要針對可穿戴網(wǎng)絡(luò)無線通信中兩種不同標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙和ZigBee產(chǎn)品之間的相互通信，其協(xié)議模型如圖2所示

　　圖 2 藍(lán)牙 /ZigBee 網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議模型

　　3 基于藍(lán)牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　在本文介紹的可穿戴網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中，主要需要實(shí)現(xiàn)的是ZigBee節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺，下面介紹這兩個平臺的硬件實(shí)現(xiàn)。

　　3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)作為一種傳感器，其主要的功能是采集人們感興趣的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)，然后通過GPRS、CDMA或WI-FI等發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心或數(shù)據(jù)庫。ZigBee節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、微控制器模塊、存儲單元、ZigBee收發(fā)模塊和傳感單元等組成，如圖3所示。

　　圖 3 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件框圖

　　整個ZigBee節(jié)點(diǎn)的通信模塊是由ZigBee收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)的。ZigBee收發(fā)器我們選用的是Freescale公司的MC13192，該收發(fā)器工作在2.4GHzISM公用頻道。MC13192具有以下一些主要特點(diǎn)：

　　• 具有 16 個信道。

　　• 典型的發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率達(dá)到3.6dBm。

　　• 采用DSSS擴(kuò)頻通信技術(shù)，最大速率為250kbps。

　　• 在分組錯誤率為1％的情況下，其接收靈敏度達(dá)到－92dBm（典型值）。

　　• 7個通用輸入輸出端口（GPIO）。

　　• 整個ZigBee節(jié)點(diǎn)采用AAA電池供電。

　　3.2 藍(lán)牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　網(wǎng)關(guān)在可穿戴網(wǎng)絡(luò)中起著很重要的作用。藍(lán)牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由ZigBee模塊、藍(lán)牙模塊和中央處理單元組成。

　　網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要完成從藍(lán)牙和ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作：對從ZigBee設(shè)備發(fā)送到帶藍(lán)牙適配器的主機(jī)的數(shù)據(jù)來說，在藍(lán)牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)它需經(jīng)過以下處理：從ZigBee設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)→去掉物理層的ZigBee分組→去掉MAC層的ZigBee分組→添加L2CAP頭的藍(lán)牙分組→添加物理層頭的藍(lán)牙分組。對從藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送到ZigBee設(shè)備的數(shù)據(jù)來說過程相似。

　　中央處理單元的主要器件是Freescale的MC68HC908KL8微處理器，該微處理器具有16種靈活的尋址方式、高效指令集；支持在線可重復(fù)編程，這樣可達(dá)成低成本的編程變更和現(xiàn)場軟件升級；編程速度極快，64字節(jié)的編碼在2ms內(nèi)完成，極快的編程速度降低了產(chǎn)品編程成本；多達(dá)26個雙向I/O口，大電流的I/O口可直接驅(qū)動LED和其他電路，從而省去外部驅(qū)動設(shè)備，降低系統(tǒng)成本。

　　ZigBee模塊同樣采用Freescale的MC13192。

　　藍(lán)牙模塊主要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙HCI層以下的協(xié)議，并且提供符合藍(lán)牙規(guī)范的空中接口。在本設(shè)計(jì)中，我們采用BlueCore2-Flash RF PnG（8M）藍(lán)牙單芯片方案，它集成了射頻及基帶芯片。其UART（可以為二線：RXD、TXD；四線：RXD、TXD、RTS、CTS；八線：完全RS232方式）連接數(shù)據(jù)口用于數(shù)據(jù)傳輸。

　　4 基于藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡(luò)的軟件結(jié)構(gòu)

　　在我們所設(shè)計(jì)的可穿戴網(wǎng)絡(luò)中，軟件部分主要集中在網(wǎng)關(guān)和ZigBee節(jié)點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)的主要功能是管理和處理ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)。其主要處理兩個問題：分組處理和地址處理。

　　分組處理：要將來自一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用程序的報(bào)文發(fā)送到另一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能單元----管理層就要將報(bào)文進(jìn)行拆裝和封裝。網(wǎng)關(guān)把它從發(fā)送設(shè)備接收到的分組進(jìn)行拆裝，去掉數(shù)據(jù)首部和尾部，從分組中提取有用數(shù)據(jù)信息，再把該有用信息封裝成接收設(shè)備協(xié)議所要求的分組格式，根據(jù)目的地址和接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到接收設(shè)備。藍(lán)牙與ZigBee分組格式的轉(zhuǎn)換式：網(wǎng)關(guān)通過射頻單元從ZigBee設(shè)備（藍(lán)牙設(shè)備）收到ZigBee分組（藍(lán)牙分組）對其進(jìn)行拆裝，去掉分組頭和分組尾，提取出數(shù)據(jù)凈載荷，再按照藍(lán)牙分組（ZigBee分組）格式進(jìn)行封裝，添加分組頭和分組尾，通過射頻發(fā)送到藍(lán)牙設(shè)備（ZigBee設(shè)備）。

　　地址處理：每一個與網(wǎng)關(guān)建立連接的藍(lán)牙設(shè)備或ZigBee設(shè)備都將與網(wǎng)關(guān)中的一個端口綁定在一起（通過動態(tài)或靜態(tài)的分配）。這樣，就可以通過網(wǎng)關(guān)的地址和端口號來唯一地標(biāo)識該藍(lán)牙設(shè)備或ZigBee設(shè)備。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備和ZigBee設(shè)備交換信息時，網(wǎng)關(guān)就負(fù)責(zé)藍(lán)牙通信協(xié)議和ZigBee協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換工作。從而使藍(lán)牙設(shè)備和ZigBee設(shè)備透明地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。地址映射可使用靜態(tài)或動態(tài)映射兩種方法。靜態(tài)映射使創(chuàng)建一個表，將一個邏輯地址與物理地址關(guān)聯(lián)起來，該表存儲在每一個設(shè)備上。每當(dāng)物理地址發(fā)生變化，這個表就必須更新，比較麻煩。動態(tài)映射是當(dāng)設(shè)備知道兩個地址（邏輯地址或物理地址）中的一個時，就可使用協(xié)議將另一個地址找出來。通常使用動態(tài)映射的兩個協(xié)議來解析地址。

　　考慮到可穿戴網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，我們采用嵌入式linux操作系統(tǒng)，用戶很容易在其基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應(yīng)用程序。

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)上的軟件主要利用C語言開發(fā)，主要完成的功能是接受傳感單元的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)上。

　　5 目前的工作進(jìn)展以及總結(jié)

　　文中對可穿戴網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)體協(xié)結(jié)構(gòu)、整個網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件結(jié)構(gòu)作料分別進(jìn)行了介紹。目前我們已經(jīng)完成了可穿戴網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無線傳輸技術(shù)的選擇，正在進(jìn)行藍(lán)牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)以及編程工作，接下來我們還要實(shí)現(xiàn)可穿戴網(wǎng)絡(luò)中的無線終端的集成以及在各種運(yùn)動條件下可穿戴網(wǎng)絡(luò)的性能分析和改進(jìn)。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)2月《可穿戴技術(shù)特刊》“透視新設(shè)計(jì)”欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處，違者必究！