基于藍牙和ZigBee技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡設(shè)計
[導讀]有Ad Hoc性能的藍牙和ZigBee等短距離無線通信技術(shù)作為其底層傳輸手段，結(jié)合各自優(yōu)勢組建一個無線、高度靈活、自組織，甚至是隱蔽的微型PAN。
可穿戴網(wǎng)絡是指基于短距離無線通信技術(shù)(藍牙和ZigBec技術(shù)等)與可穿戴式計算機(wearcomp)技術(shù)、穿戴在人體上、具有智能收集人體和周圍環(huán)境信息的一種新型個域網(wǎng)(PAN)?？纱┐饔嬎銠C可以為可穿戴網(wǎng)絡提供核心計算技術(shù)。有Ad Hoc性能的藍牙和ZigBee等短距離無線通信技術(shù)作為其底層傳輸手段，結(jié)合各自優(yōu)勢組建一個無線、高度靈活、自組織，甚至是隱蔽的微型PAN。可穿戴網(wǎng)絡具有移動性、持續(xù)性和交互性等特點。
1 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)
可穿戴網(wǎng)絡組網(wǎng)靈活、移動性強，對外網(wǎng)的接入方式多種多樣，可通過藍牙網(wǎng)關(guān)、藍牙機頂盒等由LAN和ADsL等全速接入Internet。當其大范圍移動時可以藍牙手機作為接人手段，使得可穿戴網(wǎng)絡具有很強的移動性。目前基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)如目1所示。系統(tǒng)中的設(shè)備包括主機、藍牙設(shè)備、ZigBee設(shè)備和藍牙／ZigBec網(wǎng)關(guān)。
1．1 主機部分
可穿戴式計算機因其可穿戴性，要求主機的重量輕、體積小。主機芯片采用IAnux嵌入式操作系統(tǒng)，其上集成藍牙協(xié)議棧。由于頭戴顯示系統(tǒng)中的多媒體流和GPRS骨干網(wǎng)的帶寬限制，要求主機有較高的存儲能力，內(nèi)部集成10GB的硬盤。在主機中集成藍牙適配器的主要目的是使主機能與其他藍牙設(shè)備進行通信。如果條件允許，還可在主機中集成GPS模塊等。
1．2 藍牙設(shè)備
可穿戴網(wǎng)絡中的藍牙設(shè)備是內(nèi)嵌了藍牙模塊的小型化設(shè)備。采集到的數(shù)據(jù)通過藍牙鏈路在主機與藍牙設(shè)備(如藍牙手機)之間傳輸。
頭戴顯示系統(tǒng)內(nèi)部集成了微型藍牙模塊、攝像頭和DSP芯片。攝像頭采集初始圖像，送入DSP芯片進行預處理以去除視頻和圖像信號的冗余，其視頻壓縮標準可以采用MPEG一4。DSP處理后的信號可直接送入顯示屏或主機以進一步處理。
藍牙耳機可以實現(xiàn)與其他藍牙設(shè)備的音頻信號傳輸，通過語音命令實現(xiàn)對主機的控制，或者將話音信號通過GPRS、CDMA和TD—SCDMA網(wǎng)絡傳送到遠端。
1．3 ZigBee設(shè)備
ZigBee設(shè)備可設(shè)計為手表式和鞋墊式等。它包括傳感器、MD轉(zhuǎn)換器和ZigBee模塊。傳感器采集外部信號(心跳、血壓、脈搏、溫度和干濕度等)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)阿關(guān)送入主機。經(jīng)主機處理之后，再傳送到其他設(shè)備。
1．4 藍牙／ZigBoe網(wǎng)關(guān)
藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)主要針對可穿戴網(wǎng)絡無線通信中藍牙和ZigBee產(chǎn)品之間的相互通信，其協(xié)議模型如圖2所示。
2 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡的硬件實現(xiàn)
在可穿戴網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)中，主要包括ZigBee節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺。下面介紹這兩種平臺的硬件實現(xiàn)。
2.1 ZigBoa節(jié)點的硬件實現(xiàn)
ZigBee節(jié)點作為一種傳感器，其主要功能是采集用戶感興趣的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過GPRS、CDMA或WI—FI等發(fā)送到遠程控制中心或數(shù)據(jù)庫。ZigBee節(jié)點硬件框圖如圖3所示。它主要由電源模塊、微控制器(MCU)、存儲器、ZigBee收發(fā)器和傳感器等組成。
系統(tǒng)中的MCU采用Freescale公司hc(s)08系列的8位MC9SOSGB60。MC9S08GB60具有豐富的片上存儲功能，有64KB(其中Flash占60KB，RAM占4KB)的存儲空間。在40MHz的工作頻率下，其功率消耗不到lmW。而且該微控制器具有多種省電模式以供選擇。除了具有豐富的片上存儲功能和多種省電模式以外，MC9S08GB60微控制器還具有8個lObit的A／D轉(zhuǎn)換器、多個I／O數(shù)據(jù)線、2個串行通信接口(SCI)、四線串行外圍接口(SPI)。這些特點使它易于進行軟件編程，其接口還可用作與傳感器的接口。
整個ZigBee節(jié)點的通信模塊由ZigBee收發(fā)器來實現(xiàn)。ZigBee收發(fā)器選用Freescale公司的MCl3192。該收發(fā)器工作在2．4GHz ISM公用頻道。MCl3192特點如下：
(1)具有16個信道；
(2)典型的發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率達到3．6dBm：
(3)采用DSSS擴頻通信技術(shù)，最大速率為250Kbps；
(4)在分組錯誤率為1％的情況下，其接收靈敏度達到-92dBm(典型值)；
(5)7個通用輸入，輸出端口(GPl0)。
整個ZigBee節(jié)點采用AAA電池供電。
2．2 藍牙／ZigBoe網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)
網(wǎng)關(guān)在可穿戴網(wǎng)絡中起著很重要的作用。藍牙，ZigBee網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由ZigBee模塊、藍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藍牙與ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作。當有主機數(shù)據(jù)從ZigBee設(shè)備發(fā)送到帶藍牙適配器時，藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)需依次進行以下處理：將從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頭的藍牙分組；添加物理層頭的藍牙分組。當有數(shù)據(jù)從藍牙設(shè)備發(fā)送到ZigBee設(shè)備時，過程相似。
中央處理單元的主要器件是Freescale的MC68HC-908KL8微處理器。該微處理器具有16種靈活的尋址方式和高效指令集；支持在線可重復編程，可滿足低成本的編程變更需求和現(xiàn)場軟件升級；編程速度極快，64B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MCl3192。
藍牙模塊主要實現(xiàn)藍牙HCI層以下的協(xié)議，并且提供符合藍牙規(guī)范的空中接口。本設(shè)計中，采用Blue—Core2一Flash RF。PnG(8M)藍牙單芯片方案，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。
3 基于藍牙和ZigBee技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡軟件結(jié)構(gòu)
所設(shè)計的可穿戴網(wǎng)絡中，軟件部分主要集中在網(wǎng)關(guān)和ZigBee節(jié)點上。網(wǎng)關(guān)的主要功能是管理和處理ZigBee節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)。主要處理兩個問題：分組處理和地址處理。
(1)分組處理是將來自一個網(wǎng)絡設(shè)備的應用程序的報文發(fā)送到另一個網(wǎng)絡設(shè)備，網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能單元(即管理層)要將報文進行拆裝和封裝。網(wǎng)關(guān)把從發(fā)潮設(shè)備接收到的分組數(shù)據(jù)進行拆裝，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。藍牙與ZigBee分組格式的轉(zhuǎn)換過程是：網(wǎng)關(guān)通過射頻單元從ZigBee／藍牙設(shè)備收到zigBee/藍牙分組對其進行拆裝，去掉分組頭和分組尾，提取出數(shù)據(jù)凈載荷，再按照藍牙／ZigBee分組格式進行封裝，添加分組頭和分組尾，通過射頻發(fā)送到藍牙／ZigBee設(shè)備。
(2)地址處理。每個與網(wǎng)關(guān)建立連接的藍牙設(shè)備或ZigBee設(shè)備都將與網(wǎng)關(guān)中的一個端口綁定(通過動態(tài)或靜態(tài)的分配)。這樣，就可以通過網(wǎng)關(guān)的地址和端口號來惟一地標識該藍牙設(shè)備或ZigBee設(shè)備。當藍牙設(shè)備與ZigBee設(shè)備交換信息時，同關(guān)就負責藍牙通信協(xié)議與ZigBee協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換工作，從而使藍牙設(shè)備與ZigBee設(shè)備透明地進行數(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)映射是創(chuàng)建一個表，將一個邏輯地址與物理地址關(guān)聯(lián)起來，該表存儲在每個設(shè)備上。每當物理地址發(fā)生變化時，該表就必須更新，較繁瑣。動態(tài)映射是當設(shè)備知道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)絡的特點，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。用戶能很容易地在其基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應用程序。
ZigBee節(jié)點上的軟件主要利用c語言開發(fā)，完成的功能是接收傳感單元的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙／Zig Bee網(wǎng)關(guān)上。
目前已經(jīng)完成了可穿戴網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)設(shè)計、無線傳輸技術(shù)的選擇，正在進行藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)汁及編程，接下來將要實現(xiàn)可穿戴網(wǎng)絡中的無線終端的集成以及在各種運動條件下可穿戴網(wǎng)絡的性能分析和改進。
1 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)
可穿戴網(wǎng)絡組網(wǎng)靈活、移動性強，對外網(wǎng)的接入方式多種多樣，可通過藍牙網(wǎng)關(guān)、藍牙機頂盒等由LAN和ADsL等全速接入Internet。當其大范圍移動時可以藍牙手機作為接人手段，使得可穿戴網(wǎng)絡具有很強的移動性。目前基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)如目1所示。系統(tǒng)中的設(shè)備包括主機、藍牙設(shè)備、ZigBee設(shè)備和藍牙／ZigBec網(wǎng)關(guān)。
1．1 主機部分
可穿戴式計算機因其可穿戴性，要求主機的重量輕、體積小。主機芯片采用IAnux嵌入式操作系統(tǒng)，其上集成藍牙協(xié)議棧。由于頭戴顯示系統(tǒng)中的多媒體流和GPRS骨干網(wǎng)的帶寬限制，要求主機有較高的存儲能力，內(nèi)部集成10GB的硬盤。在主機中集成藍牙適配器的主要目的是使主機能與其他藍牙設(shè)備進行通信。如果條件允許，還可在主機中集成GPS模塊等。
1．2 藍牙設(shè)備
可穿戴網(wǎng)絡中的藍牙設(shè)備是內(nèi)嵌了藍牙模塊的小型化設(shè)備。采集到的數(shù)據(jù)通過藍牙鏈路在主機與藍牙設(shè)備(如藍牙手機)之間傳輸。
頭戴顯示系統(tǒng)內(nèi)部集成了微型藍牙模塊、攝像頭和DSP芯片。攝像頭采集初始圖像，送入DSP芯片進行預處理以去除視頻和圖像信號的冗余，其視頻壓縮標準可以采用MPEG一4。DSP處理后的信號可直接送入顯示屏或主機以進一步處理。
藍牙耳機可以實現(xiàn)與其他藍牙設(shè)備的音頻信號傳輸，通過語音命令實現(xiàn)對主機的控制，或者將話音信號通過GPRS、CDMA和TD—SCDMA網(wǎng)絡傳送到遠端。
1．3 ZigBee設(shè)備
ZigBee設(shè)備可設(shè)計為手表式和鞋墊式等。它包括傳感器、MD轉(zhuǎn)換器和ZigBee模塊。傳感器采集外部信號(心跳、血壓、脈搏、溫度和干濕度等)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)阿關(guān)送入主機。經(jīng)主機處理之后，再傳送到其他設(shè)備。
1．4 藍牙／ZigBoe網(wǎng)關(guān)
藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)主要針對可穿戴網(wǎng)絡無線通信中藍牙和ZigBee產(chǎn)品之間的相互通信，其協(xié)議模型如圖2所示。
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2 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡的硬件實現(xiàn)
在可穿戴網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)中，主要包括ZigBee節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺。下面介紹這兩種平臺的硬件實現(xiàn)。
2.1 ZigBoa節(jié)點的硬件實現(xiàn)
ZigBee節(jié)點作為一種傳感器，其主要功能是采集用戶感興趣的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過GPRS、CDMA或WI—FI等發(fā)送到遠程控制中心或數(shù)據(jù)庫。ZigBee節(jié)點硬件框圖如圖3所示。它主要由電源模塊、微控制器(MCU)、存儲器、ZigBee收發(fā)器和傳感器等組成。
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系統(tǒng)中的MCU采用Freescale公司hc(s)08系列的8位MC9SOSGB60。MC9S08GB60具有豐富的片上存儲功能，有64KB(其中Flash占60KB，RAM占4KB)的存儲空間。在40MHz的工作頻率下，其功率消耗不到lmW。而且該微控制器具有多種省電模式以供選擇。除了具有豐富的片上存儲功能和多種省電模式以外，MC9S08GB60微控制器還具有8個lObit的A／D轉(zhuǎn)換器、多個I／O數(shù)據(jù)線、2個串行通信接口(SCI)、四線串行外圍接口(SPI)。這些特點使它易于進行軟件編程，其接口還可用作與傳感器的接口。
整個ZigBee節(jié)點的通信模塊由ZigBee收發(fā)器來實現(xiàn)。ZigBee收發(fā)器選用Freescale公司的MCl3192。該收發(fā)器工作在2．4GHz ISM公用頻道。MCl3192特點如下：
(1)具有16個信道；
(2)典型的發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率達到3．6dBm：
(3)采用DSSS擴頻通信技術(shù)，最大速率為250Kbps；
(4)在分組錯誤率為1％的情況下，其接收靈敏度達到-92dBm(典型值)；
(5)7個通用輸入，輸出端口(GPl0)。
整個ZigBee節(jié)點采用AAA電池供電。
2．2 藍牙／ZigBoe網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)
網(wǎng)關(guān)在可穿戴網(wǎng)絡中起著很重要的作用。藍牙，ZigBee網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由ZigBee模塊、藍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藍牙與ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作。當有主機數(shù)據(jù)從ZigBee設(shè)備發(fā)送到帶藍牙適配器時，藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)需依次進行以下處理：將從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頭的藍牙分組；添加物理層頭的藍牙分組。當有數(shù)據(jù)從藍牙設(shè)備發(fā)送到ZigBee設(shè)備時，過程相似。
中央處理單元的主要器件是Freescale的MC68HC-908KL8微處理器。該微處理器具有16種靈活的尋址方式和高效指令集；支持在線可重復編程，可滿足低成本的編程變更需求和現(xiàn)場軟件升級；編程速度極快，64B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MCl3192。
藍牙模塊主要實現(xiàn)藍牙HCI層以下的協(xié)議，并且提供符合藍牙規(guī)范的空中接口。本設(shè)計中，采用Blue—Core2一Flash RF。PnG(8M)藍牙單芯片方案，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。
3 基于藍牙和ZigBee技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡軟件結(jié)構(gòu)
所設(shè)計的可穿戴網(wǎng)絡中，軟件部分主要集中在網(wǎng)關(guān)和ZigBee節(jié)點上。網(wǎng)關(guān)的主要功能是管理和處理ZigBee節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)。主要處理兩個問題：分組處理和地址處理。
(1)分組處理是將來自一個網(wǎng)絡設(shè)備的應用程序的報文發(fā)送到另一個網(wǎng)絡設(shè)備，網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能單元(即管理層)要將報文進行拆裝和封裝。網(wǎng)關(guān)把從發(fā)潮設(shè)備接收到的分組數(shù)據(jù)進行拆裝，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。藍牙與ZigBee分組格式的轉(zhuǎn)換過程是：網(wǎng)關(guān)通過射頻單元從ZigBee／藍牙設(shè)備收到zigBee/藍牙分組對其進行拆裝，去掉分組頭和分組尾，提取出數(shù)據(jù)凈載荷，再按照藍牙／ZigBee分組格式進行封裝，添加分組頭和分組尾，通過射頻發(fā)送到藍牙／ZigBee設(shè)備。
(2)地址處理。每個與網(wǎng)關(guān)建立連接的藍牙設(shè)備或ZigBee設(shè)備都將與網(wǎng)關(guān)中的一個端口綁定(通過動態(tài)或靜態(tài)的分配)。這樣，就可以通過網(wǎng)關(guān)的地址和端口號來惟一地標識該藍牙設(shè)備或ZigBee設(shè)備。當藍牙設(shè)備與ZigBee設(shè)備交換信息時，同關(guān)就負責藍牙通信協(xié)議與ZigBee協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換工作，從而使藍牙設(shè)備與ZigBee設(shè)備透明地進行數(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)映射是創(chuàng)建一個表，將一個邏輯地址與物理地址關(guān)聯(lián)起來，該表存儲在每個設(shè)備上。每當物理地址發(fā)生變化時，該表就必須更新，較繁瑣。動態(tài)映射是當設(shè)備知道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)絡的特點，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。用戶能很容易地在其基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應用程序。
ZigBee節(jié)點上的軟件主要利用c語言開發(fā)，完成的功能是接收傳感單元的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙／Zig Bee網(wǎng)關(guān)上。
目前已經(jīng)完成了可穿戴網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)設(shè)計、無線傳輸技術(shù)的選擇，正在進行藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)汁及編程，接下來將要實現(xiàn)可穿戴網(wǎng)絡中的無線終端的集成以及在各種運動條件下可穿戴網(wǎng)絡的性能分析和改進。
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