基于藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

    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ZigBec技術(shù)等)與可穿戴式計(jì)算機(jī)(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(gè)域網(wǎng)(PAN)?？纱┐饔?jì)算機(jī)可以為可穿戴網(wǎng)絡(luò)提供核心計(jì)算技術(shù)。有Ad Hoc性能的藍(lán)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(gè)無線、高度靈活、自組織，甚至是隱蔽的微型PAN?？纱┐骶W(wǎng)絡(luò)具有移動(dòng)性、持續(xù)性和交互性等特點(diǎn)。

1 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(dòng)性強(qiáng)，對(duì)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和ADsL等全速接入Internet。當(dāng)其大范圍移動(dòng)時(shí)可以藍(lán)牙手機(jī)作為接人手段，使得可穿戴網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的移動(dòng)性。目前基于藍(lán)牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如目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)備和藍(lán)牙／ZigBec網(wǎng)關(guān)。

1．1 主機(jī)部分 

     可穿戴式計(jì)算機(jī)因其可穿戴性，要求主機(jī)的重量輕、體積小。主機(jī)芯片采用IAnux嵌入式操作系統(tǒng)，其上集成藍(lán)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(jī)有較高的存儲(chǔ)能力，內(nèi)部集成10GB的硬盤。在主機(jī)中集成藍(lán)牙適配器的主要目的是使主機(jī)能與其他藍(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。

1．2 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。采集到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙鏈路在主機(jī)與藍(lán)牙設(shè)備(如藍(lán)牙手機(jī))之間傳輸。 
        
     頭戴顯示系統(tǒng)內(nèi)部集成了微型藍(lán)牙模塊、攝像頭和DSP芯片。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(hào)的冗余，其視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以采用MPEG一4。DSP處理后的信號(hào)可直接送入顯示屏或主機(jī)以進(jìn)一步處理。 

     藍(lán)牙耳機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與其他藍(lán)牙設(shè)備的音頻信號(hào)傳輸，通過語音命令實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的控制，或者將話音信號(hào)通過GPRS、CDMA和TD—SCDMA網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端。

1．3 ZigBee設(shè)備 

     ZigBee設(shè)備可設(shè)計(jì)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(hào)(心跳、血壓、脈搏、溫度和干濕度等)并將它們轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(jī)。經(jīng)主機(jī)處理之后，再傳送到其他設(shè)備。

1．4 藍(lán)牙／ZigBoe網(wǎng)關(guān) 

     藍(lán)牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)主要針對(duì)可穿戴網(wǎng)絡(luò)無線通信中藍(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。



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

      在可穿戴網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中，主要包括ZigBee節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)。下面介紹這兩種平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)。

2.1 ZigBoa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(lán)牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)，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)硬件框圖如圖3所示。它主要由電源模塊、微控制器(MCU)、存儲(chǔ)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(chǔ)功能，有64KB(其中Flash占60KB，RAM占4KB)的存儲(chǔ)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(chǔ)功能和多種省電模式以外，MC9S08GB60微控制器還具有8個(gè)lObit的A／D轉(zhuǎn)換器、多個(gè)I／O數(shù)據(jù)線、2個(gè)串行通信接口(SCI)、四線串行外圍接口(SPI)。這些特點(diǎn)使它易于進(jìn)行軟件編程，其接口還可用作與傳感器的接口。 

     整個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的通信模塊由ZigBee收發(fā)器來實(shí)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(diǎn)如下：

(1)具有16個(gè)信道；
(2)典型的發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率達(dá)到3．6dBm：
(3)采用DSSS擴(kuò)頻通信技術(shù)，最大速率為250Kbps；
(4)在分組錯(cuò)誤率為1％的情況下，其接收靈敏度達(dá)到-92dBm(典型值)；
(5)7個(gè)通用輸入，輸出端口(GPl0)。
整個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)采用AAA電池供電。

2．2 藍(lán)牙／ZigBoe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藍(lán)牙與ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作。當(dāng)有主機(jī)數(shù)據(jù)從ZigBee設(shè)備發(fā)送到帶藍(lán)牙適配器時(shí)，藍(lán)牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)需依次進(jìn)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(lán)牙分組；添加物理層頭的藍(lán)牙分組。當(dāng)有數(shù)據(jù)從藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送到ZigBee設(shè)備時(shí)，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(fù)編程，可滿足低成本的編程變更需求和現(xiàn)場軟件升級(jí)；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(dá)26個(gè)雙向I／O口，大電流的I／O口可直接驅(qū)動(dòng)LED和其他電路，從而省去外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備，降低系統(tǒng)成本。ZigBee模塊同樣采用Freescale的MCl3192。 
 
     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。本設(shè)計(jì)中，采用Blue—Core2一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。

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

     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)。主要處理兩個(gè)問題：分組處理和地址處理。

(1)分組處理是將來自一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用程序的報(bào)文發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(bào)文進(jìn)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(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)換過程是：網(wǎng)關(guān)通過射頻單元從ZigBee／藍(lán)牙設(shè)備收到zigBee/藍(lán)牙分組對(duì)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／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／ZigBee設(shè)備。

(2)地址處理。每個(gè)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(gè)端口綁定(通過動(dòng)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(hào)來惟一地標(biāo)識(shí)該藍(lán)牙設(shè)備或ZigBee設(shè)備。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與ZigBee設(shè)備交換信息時(shí)，同關(guān)就負(fù)責(zé)藍(lán)牙通信協(xié)議與ZigBee協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換工作，從而使藍(lán)牙設(shè)備與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(dòng)態(tài)映射兩種方法。靜態(tài)映射是創(chuàng)建一個(gè)表，將一個(gè)邏輯地址與物理地址關(guān)聯(lián)起來，該表存儲(chǔ)在每個(gè)設(shè)備上。每當(dāng)物理地址發(fā)生變化時(shí)，該表就必須更新，較繁瑣。動(dòng)態(tài)映射是當(dāng)設(shè)備知道邏輯地址或物理地址中的一個(gè)時(shí)，就可使用協(xié)議將另一個(gè)地址找出來。通常使用動(dòng)態(tài)映射的兩個(gè)協(xié)議來解析地址。 

     考慮到可穿戴網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，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(yīng)用程序。 

      ZigBee節(jié)點(diǎn)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(lán)牙／Zig Bee網(wǎng)關(guān)上。 

     目前已經(jīng)完成了可穿戴網(wǎng)絡(luò)的結(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)汁及編程，接下來將要實(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(dòng)條件下可穿戴網(wǎng)絡(luò)的性能分析和改進(jìn)。