基于藍牙和ZigBee技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡(luò )設計

可穿戴網(wǎng)絡(luò )是指基于短距離無(wú)線(xiàn)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?chē)h(huán)境信息的一種新型個(gè)域網(wǎng)(PAN)?？纱┐饔嬎銠C可以為可穿戴網(wǎng)絡(luò )提供核心計算技術(shù)。有Ad Hoc性能的藍牙和ZigBee等短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為其底層傳輸手段，結合各自?xún)?yōu)勢組建一個(gè)無(wú)線(xiàn)、高度靈活、自組織，甚至是隱蔽的微型PAN?？纱┐?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/網(wǎng)絡(luò )">網(wǎng)絡(luò )具有移動(dòng)性、持續性和交互性等特點(diǎn)。

1 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡(luò )體系結構

可穿戴網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)靈活、移動(dòng)性強，對外網(wǎng)的接入方式多種多樣，可通過(guò)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(dòng)時(shí)可以藍牙手機作為接人手段，使得可穿戴網(wǎng)絡(luò )具有很強的移動(dòng)性。目前基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡(luò )的體系結構如目1所示。系統中的設備包括主機、藍牙設備、ZigBee設備和藍牙/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，其上集成藍牙協(xié)議棧。由于頭戴顯示系統中的多媒體流和 GP

RS骨干網(wǎng)的帶寬限制，要求主機有較高的存儲能力，內部集成10GB的硬盤(pán)。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備進(jìn)行通信。如果條件允許，還可在主機中集成GPS模塊等。

1.2 藍牙設備

可穿戴網(wǎng)絡(luò )中的藍牙設備是內嵌了藍牙模塊的小型化設備。采集到的數據通過(guò)藍牙鏈路在主機與藍牙設備(如藍牙手機)之間傳輸。

頭戴顯示系統內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(jìn)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(jìn)一步處理。

藍牙耳機可以實(shí)現與其他藍牙設備的音頻信號傳輸，通過(guò)語(yǔ)音命令實(shí)現對主機的控制，或者將話(huà)音信號通過(guò)GPRS、CDMA和TD—SCDMA網(wǎng)絡(luò )傳送到遠端。

1.3 ZigBee設備

ZigBee設備可設計為手表式和鞋墊式等。它包括傳感器、MD轉換器和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)并將它們轉化為電信號，然后通過(guò)A/D轉換器轉換后送入MCU，最后通過(guò)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(luò )無(wú)線(xiàn)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(luò )的硬件實(shí)現

在可穿戴網(wǎng)絡(luò )的體系結構中，主要包括ZigBee節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺。下面介紹這兩種平臺的硬件實(shí)現。

2.1 ZigBoa節點(diǎn)的硬件實(shí)現

ZigBee節點(diǎn)作為一種傳感器，其主要功能是采集用戶(hù)感興趣的數據，并將數據發(fā)送到藍牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過(guò)GPRS、CDMA或WI—FI等發(fā)送到遠程控制中心或數據庫。ZigBee節點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。它主要由電源模塊、微控制器(MCU)、存儲器、ZigBee收發(fā)器和傳感器等組成。

系統中的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(gè)lObit的A/D轉換器、多個(gè)I/O數據線(xiàn)、2個(gè)串行通信接口 (SCI)、四線(xiàn)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節點(diǎn)的通信模塊由ZigBee收發(fā)器來(lái)實(shí)現。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(gè)通用輸入，輸出端口(GPl0)。

整個(gè)ZigBee節點(diǎn)采用AAA電池供電。

2.2 藍牙/ZigBoe網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現

網(wǎng)關(guān)在可穿戴網(wǎng)絡(luò )中起著(zhù)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)議的轉換工作。當有主機數據從ZigBee設備發(fā)送到帶藍牙適配器時(shí)，藍牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)需依次進(jìn)行以下處理：將從ZigBee設備接收到的數據去掉物理層的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。當有數據從藍牙設備發(fā)送到ZigBee設備時(shí)，過(guò)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(xiàn)可重復編程，可滿(mǎn)足低成本的編程變更需求和現場(chǎng)軟件升級;編程速度極快，64B的編碼在2ms內完成.極快的編程速度降低了產(chǎn)品編程成本：多達26個(gè)雙向I/O 口，大電流的I/O口可直接驅動(dòng)LED和其他電路，從而省去外部驅動(dòng)設備，降低系統成本。ZigBee模塊同樣采用Freescale的MCl3192。

藍牙模塊主要實(shí)現藍牙HCI層以下的協(xié)議，并且提供符合藍牙

規范的空中接口。本設計中，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(xiàn)：RXD、TXD;四線(xiàn)：RXD、TXD、RTS、CTS;八線(xiàn)：完全RS232方式)連接數據口用于數據傳輸。

3 基于藍牙和ZigBee技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡(luò )軟件結構

所設計的可穿戴網(wǎng)絡(luò )中，軟件部分主要集中在網(wǎng)關(guān)和ZigBee節點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)的主要功能是管理和處理ZigBee節點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數據。主要處理兩個(gè)問(wèn)題：分組處理和地址處理。