可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用方案

1.1可穿戴式計算機(jī)[1]

    可穿戴式計算機(jī)是一種新概念的移動計算系統(tǒng)。其概念起源于20世紀(jì)60年代。自90年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，對可穿戴式計算機(jī)的研究進(jìn)入了一個全新的階段。目前，對可穿戴式計算機(jī)的概念并沒有確切的定義。大體而言，可穿戴式計算機(jī)應(yīng)具備以下基本特征：

• 可在運(yùn)動狀態(tài)下使用

• 使用的同時可騰出手或做其它的事情

• 使用者可進(jìn)行控制

• 具有可持續(xù)性

• 多樣性，即不同應(yīng)用的可穿戴式計算機(jī)在構(gòu)成、功能等方面應(yīng)有所不同

    從以上特征可看出，與傳統(tǒng)的計算機(jī)相比，可穿戴式計算機(jī)與人的結(jié)合更為緊密。這就要求穿戴式計算機(jī)必須采用全新的人-機(jī)交互技術(shù)，從而達(dá)到人-機(jī)的和諧統(tǒng)一。這也是當(dāng)前對可穿戴式計算機(jī)研究的熱點問題和必須攻克的難點。

 

1.2 可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)

    在上面介紹的可穿戴式計算機(jī)系統(tǒng)中，各硬件裝置之間主要是通過通信線纜連接的，采用的操作平臺也是基于有線裝置的。這種系統(tǒng)雖然在一定的場合有其適用性，但它的缺點也是明顯的：

    首先，它不夠靈活。因為采用通信線纜這種“硬”連接方式，勢必會影響用戶軀體的活動空間和幅度，而這在一些應(yīng)用場合是必須的，如體育鍛煉。

    其次，它沒有考慮與現(xiàn)有的個人通信終端（如手機(jī)、PDA、MP3等）的融合。這會使得現(xiàn)有的通信終端成了與可穿戴式計算機(jī)實體上相互獨立而功能上相互重疊的設(shè)備。

    針對這種狀況，本文提出可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的概念。與可穿戴式計算機(jī)相比，可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：

 

    ⑴ 更好的靈活性。

    ⑵ 充分考慮與現(xiàn)有的個人通信終端的融合。

    ⑶ 能進(jìn)行分散控制。這是由于各通信終端都有一定的運(yùn)算處理能力和存儲容量（并且隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，這方面的性能勢必會得到進(jìn)一步的提高）。

    ⑷ 更加人性化。用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用、方便程度、以及個人的喜好來選擇合適的主通信設(shè)備以控制整個網(wǎng)絡(luò)。

    由此可見，可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有比可穿戴式計算機(jī)更好的適用性和更廣泛的應(yīng)用前景，而且它可在現(xiàn)有的各種無線局域網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)。由于現(xiàn)有的各種無線局域網(wǎng)技術(shù)已較為成熟，因而較之可穿戴式計算機(jī)，在開發(fā)難度和開發(fā)周期上具有明顯的優(yōu)勢。

 

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

    當(dāng)前，適合用來構(gòu)建可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)主要有藍(lán)牙和ZigBee等。這兩種無線技術(shù)均屬于IEEE802.15家族，工作于ISM頻段。它們之間的區(qū)別如下表1-1所示。由于在組網(wǎng)方式上完全一致，因而用它們構(gòu)建的可穿戴式網(wǎng)絡(luò)模型也基本相同。

 

表 1-1 藍(lán)牙與 ZigBee 的比較

	擴(kuò)頻方式	最高速據(jù)速率	覆蓋范圍	接入方式	糾錯機(jī)制	設(shè)備激活時間	業(yè)務(wù)類型
藍(lán)牙	FHSS	1Mb/s	<10m	輪詢-應(yīng)答	前向糾錯	3s	語音+數(shù)據(jù)
ZigBee	DSSS	250kb/s	10-75m	CSMA/CA	差錯檢測/重傳	15ms	數(shù)據(jù)

    ⑴ 用藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)構(gòu)建的可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    藍(lán)牙和ZigBee的組網(wǎng)方式可分為三種形式：星型網(wǎng)、對等網(wǎng)和混合網(wǎng)[2]。采用藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)構(gòu)建的可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)宜采用混合結(jié)構(gòu)形式，如圖2.1所示。它是一個松散的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，正好符合穿戴的需要。

 

 

圖 2.1 可穿戴式藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模型

    上圖中整個網(wǎng)絡(luò)被劃分為兩級層次結(jié)構(gòu)。Ⅰ級匹克網(wǎng)的主設(shè)備（Master）連接各Ⅱ級匹克網(wǎng)的主設(shè)備，各Ⅱ級匹克網(wǎng)的主設(shè)備在Ⅰ級匹克網(wǎng)中充當(dāng)從設(shè)備（Slave）。每級匹克網(wǎng)均由主設(shè)備負(fù)責(zé)維護(hù)管理。為便于維護(hù)和管理整個網(wǎng)絡(luò)，由Ⅰ級匹克網(wǎng)的主設(shè)備充當(dāng)連接外部網(wǎng)絡(luò)的LAP，并且該主設(shè)備不作為Ⅱ級匹克網(wǎng)的主（從）設(shè)備。當(dāng)然，這里的LAP并不直接與有線網(wǎng)直接相連?？沙洚?dāng)LAP角色的設(shè)備可能不止一個，但無論哪個設(shè)備作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，都應(yīng)遵循上述的組網(wǎng)原則。

 

    ⑵ 可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

    在上述的兩種可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)中，整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備按照角色的不同可分為兩種基本的類型：

    傳感器或其它終端設(shè)備：這類設(shè)備只需將采集到的數(shù)據(jù)傳到Master即可，不承擔(dān)任何管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。這類設(shè)備主要有傳感器、探測器、耳麥和攝像機(jī)等。

    網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備不只是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)終端設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)，還必須管理和維護(hù)各Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)。同時這些互連設(shè)備之間還必須形成新的網(wǎng)絡(luò)。因而，網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備應(yīng)具有一定的存儲容量和數(shù)據(jù)處理能力。從理論上說，各Master均可充當(dāng)LAP，但實際上并沒有這樣的必要。在本模型中，充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的LAP只作為Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)的成員，負(fù)責(zé)管理和維護(hù)Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)，而不作為Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)的基站。這樣做的目的是為防止同一設(shè)備擔(dān)任過多的角色，會增加設(shè)備的復(fù)雜度。可充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備的設(shè)備有PDA、GPS、頭戴設(shè)備、MP3、手機(jī)以及PTT（Push To Talk）等，其中手機(jī)等亦可充當(dāng)與外網(wǎng)聯(lián)系的網(wǎng)關(guān)。

 

2.2 服務(wù)原理

    無論是采用哪種無線技術(shù)構(gòu)建可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)，都應(yīng)能提供基本的服務(wù)和管理功能，這些功能包括內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸、基于Web的服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)等。

    ⑴ 內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸

    內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸是可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)最基本的服務(wù)要求。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)和Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)可采用不同的數(shù)據(jù)傳輸模式。在Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中，傳感器等終端設(shè)備與Master之間通常采用點到點傳輸模式，這是因為通常情況下Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中的終端只需單項發(fā)送數(shù)據(jù)即可，且各通信終端之間一般不具有需要建立直接路由來完成的大量的通信業(yè)務(wù)。而在Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)中,Master則既可采用點對點傳輸，也可采用點對多點傳輸。但Slave之間若需進(jìn)行點對點通信則必須脫離原來的匹克網(wǎng)，單獨組建新的匹克網(wǎng)。

    很顯然，同一Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備之間若需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則須經(jīng)Master轉(zhuǎn)發(fā)。若某一Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備要向其它Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，則必須經(jīng)過Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)中的LAP轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備需要向外部網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)時，可考慮通過作為網(wǎng)關(guān)的LAP來轉(zhuǎn)發(fā)，或建立虛連接。

    ⑵ Web 訪問

    通常情況下，只有Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備才具有Web訪問的需求和條件。Web訪問應(yīng)通過網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行，這主要是考慮到網(wǎng)絡(luò)的安全性。建立與Web站點的連接后，可以考慮采用C/S模式來提供業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)應(yīng)包括FTP服務(wù)、E-mail服務(wù)、以及音頻和視頻服務(wù)等。對語音業(yè)務(wù)，可以考慮采取VoIP技術(shù)。

    ⑶ 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)

    網(wǎng)絡(luò)管理的任務(wù)是為維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。為了設(shè)備間建立通信連接和維護(hù)管理網(wǎng)絡(luò)的方便，通常情況下都要對網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分配邏輯地址。在IPv6嘗未啟用之前，肯定很難做到把實際的IP地址作為各通信設(shè)備的邏輯地址。但作為網(wǎng)關(guān)的設(shè)備應(yīng)擁有實際的IP地址，這樣有利于進(jìn)行Web訪問。當(dāng)然，如果必要，也可考慮將網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為DHCP服務(wù)器，但這樣顯然會加重網(wǎng)關(guān)設(shè)備的工作負(fù)荷。事實上，也可利用各無線技術(shù)自己的地址編址和分配方案。

    為檢測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的活動狀態(tài)，可以向整個網(wǎng)絡(luò)或特定的Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)發(fā)布廣播消息。并根據(jù)反饋的情況對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，以便及時向使用者發(fā)出預(yù)警。當(dāng)然，也可發(fā)布包含特定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址的廣播消息，這種情況通常發(fā)生在消息發(fā)布者需要與該設(shè)備建立聯(lián)系的時候。

 

    盡管目前無線局域網(wǎng)技術(shù)已較為成熟，可作為開發(fā)可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，但要將其真正應(yīng)用于可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)還需解決多項關(guān)鍵難題，這些難題集中體現(xiàn)了可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，它主要表現(xiàn)在以下方面：

 

3.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

    網(wǎng)絡(luò)設(shè)計首先要盡可能的保證系統(tǒng)功能的發(fā)揮和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。相對有線技術(shù)而言，采用無線技術(shù)的可穿戴式網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)上有較大的靈活性。

    除此之外，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計還應(yīng)考慮人的體形特征和行為習(xí)慣。良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有穿戴方便、舒適，重量輕、便于攜帶，有一定的抗震性等特征，同時還應(yīng)盡量使網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便（特別是操作和閱讀方面的服務(wù)）。

 

3.2 輸入輸出裝置[3][4]

    輸入輸出裝置是實現(xiàn)可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)人-機(jī)交互的重要接口，人-機(jī)交互的靈活性和方便性不止會影響系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮，而且還會影響到市場上的推廣應(yīng)用。

    輸入裝置既包括手寫板、鍵盤、麥克風(fēng)等由人操控的裝置，也包括攝像頭、GPS、傳感器等專門的數(shù)據(jù)輸入裝置。輸入裝置除實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的輸入外，還應(yīng)能滿足控制上的要求；輸出裝置包括耳機(jī)、顯示裝置和觸動裝置等。輸出裝置不僅要向使用者提供信息服務(wù)，同時還應(yīng)體現(xiàn)使用者的意志和要求。當(dāng)然，不同的應(yīng)用所需要的輸入輸出裝置不一定相同，應(yīng)根據(jù)實際需要來配置。

 

3.3 多功能集成裝置

    應(yīng)當(dāng)說，滿足穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)需要的具有特定功能的設(shè)備目前市場上大都已經(jīng)具備，有些功能之間還進(jìn)行了整合設(shè)計，如耳麥、觸摸屏等。但這些設(shè)備大多不具有無線接口，所以需要對它們進(jìn)行集成，并在外殼上重新設(shè)計以符合人體穿戴的需要。對那些在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)多種角色的設(shè)備而言，多功能集成的需要就更為迫切，也更為重要。例如，作為網(wǎng)關(guān)的手機(jī)不僅應(yīng)具有手機(jī)的各項功能，還應(yīng)承擔(dān)管理整個可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，這顯然具有一定的挑戰(zhàn)性。

    多功能集成裝置的集成度越高、設(shè)備越微型化，就越能更好地滿足穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的需要。當(dāng)然，這有賴于超大規(guī)模集成電路的進(jìn)一步發(fā)展。

 

3.4 操作平臺

    針對可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的要求，應(yīng)提供與其硬件設(shè)備相對應(yīng)的操作平臺。操作平臺同樣可根據(jù)具體的應(yīng)用需求來開發(fā)，但它們應(yīng)具備基本的為保障整個網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行的各項管理服務(wù)?？傮w說來，可以直接借鑒當(dāng)前在手機(jī)等移動終端上使用的掌上OS，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)；也可采用Linux來開發(fā)專用的OS。前種方式將明顯有利于縮短開發(fā)周期，并可重用現(xiàn)有的應(yīng)用軟件，其缺點是功能有限；后種方式可具有很強(qiáng)的針對性，其缺點是沒有相應(yīng)的應(yīng)用軟件支撐，開發(fā)難度較大。

 

3.5 網(wǎng)絡(luò)頑存性[5]

    網(wǎng)絡(luò)的頑存性體現(xiàn)在它對周圍環(huán)境的適應(yīng)能力。它主要表現(xiàn)在兩個方面：網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性和穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。網(wǎng)絡(luò)的頑存性在很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。由表1-1可知，藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)都有一些增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的技術(shù)措施。例如在抗干擾方面，ZigBee和藍(lán)牙分別采用了DSSS、FHSS技術(shù)；在糾錯機(jī)制方面，藍(lán)牙和ZigBee分別采用了前向糾錯機(jī)制和差錯檢測/重傳機(jī)制等等。但是，由于當(dāng)前無線設(shè)備的迅猛增多，無線設(shè)備的使用環(huán)境也隨之惡化，在加之它們都工作于ISM頻段，因而有必要研究更可靠的技術(shù)措施來保障網(wǎng)絡(luò)的頑存性。

 

3.6 能源

    對可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通常通過電池來供電。電池一個周期的平均工作時間一方面取決于電池的容量，另一方面也與設(shè)備的能耗和電源的使用效率有關(guān)。

    目前，在大規(guī)模集成電路的推動下，很多電子設(shè)備都在向小型化和微型化方向發(fā)展。比較而言，電源技術(shù)并沒有取得實質(zhì)性進(jìn)展，從而使得在很多移動通信設(shè)備中電池所占重量和體積的比例越來越大。因而尋找新的替代能源將是一項具有重要意義的課題。

    在現(xiàn)階段只能通過電池供電的情況下，除要求使用者應(yīng)養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣外，可從硬件和軟件兩方面來著手以提高電池的平均工作時間。硬件方面，應(yīng)盡可能地提高設(shè)備的集成度，并利用新型元器件進(jìn)行節(jié)能設(shè)計以降低設(shè)備的能耗；軟件方面，應(yīng)設(shè)計合理的設(shè)備工作模式和節(jié)能模式，同時開發(fā)相應(yīng)的算法以使信號的發(fā)射功率具有自適應(yīng)特性。

 

3.7 安全

    安全問題也是無線網(wǎng)絡(luò)固有的問題。解決安全問題的前提是使用者要有安全意識，其次才是技術(shù)和管理上的問題。當(dāng)前很多無線網(wǎng)絡(luò)都提供了認(rèn)證和加密等方面的安全功能，但僅有這些措施是不夠的！然而，安全措施的增多會加重網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，這是矛與盾的關(guān)系。

    有關(guān)無線網(wǎng)絡(luò)的安全問題在很多文獻(xiàn)中都有深入的討論，這里不再贅述。

　

 

　

    可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)可粗略地理解為無線局域網(wǎng)技術(shù)在個體上的實現(xiàn)（見圖4.1）?？梢哉f，在不同的領(lǐng)域都有可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。

 

4.1 軍事應(yīng)用

    軍事領(lǐng)域是可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)最有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域之一，特別是對情報搜索、敵后偵察等軍事任務(wù)而言情況更是如此。對這類應(yīng)用，通常要求系統(tǒng)中配備有耳麥、攝像裝置、穿戴式 GPS裝置、具有顯示和存儲功能的通信設(shè)備等，以便偵察人員通過系統(tǒng)與外界保持通信聯(lián)系、確定自己所處的位置、方便地進(jìn)行偵察活動。

圖 4.1 可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于人體的示意圖  

 

4.2 工業(yè)應(yīng)用

    在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，當(dāng)空間環(huán)境等因素導(dǎo)致很多有線檢測設(shè)備不能進(jìn)行正常的作業(yè)，或者由于需要多個檢測設(shè)備協(xié)同工作、而使用有線連接很不方便的時候，可應(yīng)用可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)。這不僅會帶來方便，而且還可及時的獲取、處理和傳輸數(shù)據(jù)，提高檢測效果。

 

4.3 醫(yī)療保健和助殘

    對可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)具有吸引力的另一個領(lǐng)域是醫(yī)療保健和助殘。例如，可通過在病人身上安放多個傳感器或其它醫(yī)療設(shè)備（還可根據(jù)需要將傳感器安放到病人的體內(nèi)），以檢測病人的體征；對那些不需要住院治療而又需要隨時觀察病情的病人，也可在病人身上安放一定數(shù)量的傳感器，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)及時了解病人的最新情況。而對于殘疾人，則更可以通過可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)上的各項設(shè)備獲取使用者或周邊環(huán)境的信息，然后根據(jù)具體的情況提供幫助或告警信息（語音的或圖像的）。

 

4.4 日常生活應(yīng)用

    在現(xiàn)實生活中，很多人其實都同時攜帶有多個終端。如果采用可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)將這些終端連接起來，將能帶來很多方便。例如可通過手機(jī)及時地下載朋友推薦的音樂、然后傳送到自己的MP3上欣賞等。

    可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)還可為旅游探險者帶來方便或提供安全保障，如此等等。