可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用方案

1.1可穿戴式計算機[1]

可穿戴式計算機是一種新概念的移動(dòng)計算系統。其概念起源于20世紀60年代。自90年代以來(lái)，隨著(zhù)大規模和超大規模集成電路的迅猛發(fā)展，對可穿戴式計算機的研究進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。目前，對可穿戴式計算機的概念并沒(méi)有確切的定義。大體而言，可穿戴式計算機應具備以下基本特征：

• 可在運動(dòng)狀態(tài)下使用

• 使用的同時(shí)可騰出手或做其它的事情

• 使用者可進(jìn)行控制

• 具有可持續性

• 多樣性，即不同應用的可穿戴式計算機在構成、功能等方面應有所不同

從以上特征可看出，與傳統的計算機相比，可穿戴式計算機與人的結合更為緊密。這就要求穿戴式計算機必須采用全新的人-機交互技術(shù)，從而達到人-機的和諧統一。這也是當前對可穿戴式計算機研究的熱點(diǎn)問(wèn)題和必須攻克的難點(diǎn)。

1.2 可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

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

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

其次，它沒(méi)有考慮與現有的個(gè)人通信終端（如手機、PDA、MP3等）的融合。這會(huì )使得現有的通信終端成了與可穿戴式計算機實(shí)體上相互獨立而功能上相互重疊的設備。

針對這種狀況，本文提出可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的概念。與可穿戴式計算機相比，可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有以下特點(diǎn)：

⑴ 更好的靈活性。

⑵ 充分考慮與現有的個(gè)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算處理能力和存儲容量（并且隨著(zhù)超大規模集成電路的發(fā)展，這方面的性能勢必會(huì )得到進(jìn)一步的提高）。

⑷ 更加人性化。用戶(hù)可根據不同的應用、方便程度、以及個(gè)人的喜好來(lái)選擇合適的主通信設備以控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。

由此可見(jiàn)，可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應具有比可穿戴式計算機更好的適用性和更廣泛的應用前景，而且它可在現有的各種無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)的基礎上開(kāi)發(fā)。由于現有的各種無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)已較為成熟，因而較之可穿戴式計算機，在開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)周期上具有明顯的優(yōu)勢。

2.1 網(wǎng)絡(luò )模型

當前，適合用來(lái)構建可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)主要有藍牙和ZigBee等。這兩種無(wú)線(xiàn)技術(shù)均屬于IEEE802.15家族，工作于ISM頻段。它們之間的區別如下表1-1所示。由于在組網(wǎng)方式上完全一致，因而用它們構建的可穿戴式網(wǎng)絡(luò )模型也基本相同。

表 1-1 藍牙與 ZigBee 的比較

⑴ 用藍牙和ZigBee技術(shù)構建的可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構

藍牙和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]。采用藍牙和ZigBee技術(shù)構建的可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )宜采用混合結構形式，如圖2.1所示。它是一個(gè)松散的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )，正好符合穿戴的需要。

圖 2.1 可穿戴式藍牙網(wǎng)絡(luò )模型

上圖中整個(gè)網(wǎng)絡(luò )被劃分為兩級層次結構。Ⅰ級匹克網(wǎng)的主設備（Master）連接各Ⅱ級匹克網(wǎng)的主設備，各Ⅱ級匹克網(wǎng)的主設備在Ⅰ級匹克網(wǎng)中充當從設備（Slave）。每級匹克網(wǎng)均由主設備負責維護管理。為便于維護和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，由Ⅰ級匹克網(wǎng)的主設備充當連接外部網(wǎng)絡(luò )的LAP，并且該主設備不作為Ⅱ級匹克網(wǎng)的主（從）設備。當然，這里的LAP并不直接與有線(xiàn)網(wǎng)直接相連?？沙洚擫AP角色的設備可能不止一個(gè)，但無(wú)論哪個(gè)設備作為網(wǎng)關(guān)設備，都應遵循上述的組網(wǎng)原則。

⑵ 可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備

在上述的兩種可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )內的設備按照角色的不同可分為兩種基本的類(lèi)型：

傳感器或其它終端設備：這類(lèi)設備只需將采集到的數據傳到Master即可，不承擔任何管理和維護網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)。這類(lèi)設備主要有傳感器、探測器、耳麥和攝像機等。

網(wǎng)絡(luò )互連設備：網(wǎng)絡(luò )互連設備不只是負責轉發(fā)終端設備傳來(lái)的數據，還必須管理和維護各Ⅱ級網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)這些互連設備之間還必須形成新的網(wǎng)絡(luò )。因而，網(wǎng)絡(luò )互連設備應具有一定的存儲容量和數據處理能力。從理論上說(shuō)，各Master均可充當LAP，但實(shí)際上并沒(méi)有這樣的必要。在本模型中，充當網(wǎng)關(guān)的LAP只作為Ⅰ級網(wǎng)絡(luò )的成員，負責管理和維護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備擔任過(guò)多的角色，會(huì )增加設備的復雜度?？沙洚斁W(wǎng)絡(luò )互連設備的設備有PDA、GPS、頭戴設備、MP3、手機以及PTT（Push To Talk）等，其中手機等亦可充當與外網(wǎng)聯(lián)系的網(wǎng)關(guān)。

2.2 服務(wù)原理

無(wú)論是采用哪種無(wú)線(xiàn)技術(shù)構建可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，都應能提供基本的服務(wù)和管理功能，這些功能包括內部數據傳輸、基于Web的服務(wù)和網(wǎng)絡(luò )管理服務(wù)等。

⑴ 內部數據傳輸

內部數據傳輸是可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最基本的服務(wù)要求。在網(wǎng)絡(luò )內部，Ⅰ級網(wǎng)絡(luò )和Ⅱ級網(wǎng)絡(luò )可采用不同的數據傳輸模式。在Ⅱ級網(wǎng)絡(luò )中，傳感器等終端設備與Master之間通常采用點(diǎn)到點(diǎn)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)送數據即可，且各通信終端之間一般不具有需要建立直接路由來(lái)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(diǎn)對點(diǎn)傳輸，也可采用點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸。但Slave之間若需進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信則必須脫離原來(lái)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 )中終端設備之間若需進(jìn)行數據傳輸，則須經(jīng)Master轉發(fā)。若某一Ⅱ級網(wǎng)絡(luò )中的終端設備要向其它Ⅱ級網(wǎng)絡(luò )中的終端設備發(fā)送數據，則必須經(jīng)過(guò)Ⅰ級網(wǎng)絡(luò )中的LAP轉發(fā)。當Ⅰ級網(wǎng)絡(luò )中的設備需要向外部網(wǎng)絡(luò )傳送數據時(shí)，可考慮通過(guò)作為網(wǎng)關(guān)的LAP來(lái)轉發(fā)，或建立虛連接。

⑵ Web 訪(fǎng)問(wèn)

通常情況下，只有Ⅰ級網(wǎng)絡(luò )中的設備才具有Web訪(fǎng)問(wèn)的需求和條件。Web訪(fǎng)問(wèn)應通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)進(jìn)行，這主要是考慮到網(wǎng)絡(luò )的安全性。建立與Web站點(diǎn)的連接后，可以考慮采用C/S模式來(lái)提供業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)應包括FTP服務(wù)、E-mail服務(wù)、以及音頻和視頻服務(wù)等。對語(yǔ)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)是為維護整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的可靠運行。為了設備間建立通信連接和維護管理網(wǎng)絡(luò )的方便，通常情況下都要對網(wǎng)絡(luò )中的設備分配邏輯地址。在IPv6嘗未啟用之前，肯定很難做到把實(shí)際的IP地址作為各通信設備的邏輯地址。但作為網(wǎng)關(guān)的設備應擁有實(shí)際的IP地址，這樣有利于進(jìn)行Web訪(fǎng)問(wèn)。當然，如果必要，也可考慮將網(wǎng)關(guān)設備作為DHCP服務(wù)器，但這樣顯然會(huì )加重網(wǎng)關(guān)設備的工作負荷。事實(shí)上，也可利用各無(wú)線(xiàn)技術(shù)自己的地址編址和分配方案。

為檢測網(wǎng)絡(luò )內部設備的活動(dòng)狀態(tài)，可以向整個(gè)網(wǎng)絡(luò )或特定的Ⅱ級網(wǎng)絡(luò )發(fā)布廣播消息。并根據反饋的情況對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行診斷，以便及時(shí)向使用者發(fā)出預警。當然，也可發(fā)布包含特定網(wǎng)絡(luò )設備地址的廣播消息，這種情況通常發(fā)生在消息發(fā)布者需要與該設備建立聯(lián)系的時(shí)候。

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

3.1 網(wǎng)絡(luò )設計

網(wǎng)絡(luò )設計首先要盡可能的保證系統功能的發(fā)揮和網(wǎng)絡(luò )的穩定。相對有線(xiàn)技術(shù)而言，采用無(wú)線(xiàn)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 )設計還應考慮人的體形特征和行為習慣。良好的網(wǎng)絡(luò )結構應具有穿戴方便、舒適，重量輕、便于攜帶，有一定的抗震性等特征，同時(shí)還應盡量使網(wǎng)絡(luò )的結構簡(jiǎn)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(shí)現可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )人-機交互的重要接口，人-機交互的靈活性和方便性不止會(huì )影響系統功能的充分發(fā)揮，而且還會(huì )影響到市場(chǎng)上的推廣應用。

輸入裝置既包括手寫(xiě)板、鍵盤(pán)、麥克風(fēng)等由人操控的裝置，也包括攝像頭、GPS、傳感器等專(zhuān)門(mén)的數據輸入裝置。輸入裝置除實(shí)現語(yǔ)音和數據的輸入外，還應能滿(mǎn)足控制上的要求；輸出裝置包括耳機、顯示裝置和觸動(dòng)裝置等。輸出裝置不僅要向使用者提供信息服務(wù)，同時(shí)還應體現使用者的意志和要求。當然，不同的應用所需要的輸入輸出裝置不一定相同，應根據實(shí)際需要來(lái)配置。

3.3 多功能集成裝置

應當說(shuō)，滿(mǎn)足穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )需要的具有特定功能的設備目前市場(chǎng)上大都已經(jīng)具備，有些功能之間還進(jìn)行了整合設計，如耳麥、觸摸屏等。但這些設備大多不具有無(wú)線(xiàn)接口，所以需要對它們進(jìn)行集成，并在外殼上重新設計以符合人體穿戴的需要。對那些在網(wǎng)絡(luò )中承擔多種角色的設備而言，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)的手機不僅應具有手機的各項功能，還應承擔管理整個(gè)可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和進(jìn)行數據轉發(fā)的任務(wù)，這顯然具有一定的挑戰性。

多功能集成裝置的集成度越高、設備越微型化，就越能更好地滿(mǎn)足穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的需要。當然，這有賴(lài)于超大規模集成電路的進(jìn)一步發(fā)展。

3.4 操作平臺

針對可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的要求，應提供與其硬件設備相對應的操作平臺。操作平臺同樣可根據具體的應用需求來(lái)開(kāi)發(fā)，但它們應具備基本的為保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò )穩定運行的各項管理服務(wù)?？傮w說(shuō)來(lái)，可以直接借鑒當前在手機等移動(dòng)終端上使用的掌上OS，并在此基礎上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)；也可采用Linux來(lái)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的OS。前種方式將明顯有利于縮短開(kāi)發(fā)周期，并可重用現有的應用軟件，其缺點(diǎn)是功能有限；后種方式可具有很強的針對性，其缺點(diǎn)是沒(méi)有相應的應用軟件支撐，開(kāi)發(fā)難度較大。

3.5 網(wǎng)絡(luò )頑存性[5]

網(wǎng)絡(luò )的頑存性體現在它對周?chē)h(huán)境的適應能力。它主要表現在兩個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò )連接的可靠性和穩定性、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，藍牙和ZigBee技術(shù)都有一些增強環(huán)境適應性的技術(shù)措施。例如在抗干擾方面，ZigBee和藍牙分別采用了DSSS、FHSS技術(shù)；在糾錯機制方面，藍牙和ZigBee分別采用了前向糾錯機制和差錯檢測/重傳機制等等。但是，由于當前無(wú)線(xiàn)設備的迅猛增多，無(wú)線(xiàn)設備的使用環(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(lái)保障網(wǎng)絡(luò )的頑存性。

3.6 能源

對可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中的設備通常通過(guò)電池來(lái)供電。電池一個(gè)周期的平均工作時(shí)間一方面取決于電池的容量，另一方面也與設備的能耗和電源的使用效率有關(guān)。

目前，在大規模集成電路的推動(dòng)下，很多電子設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(méi)有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，從而使得在很多移動(dòng)通信設備中電池所占重量和體積的比例越來(lái)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。

在現階段只能通過(guò)電池供電的情況下，除要求使用者應養成良好的操作習慣外，可從硬件和軟件兩方面來(lái)著(zhù)手以提高電池的平均工作時(shí)間。硬件方面，應盡可能地提高設備的集成度，并利用新型元器件進(jìn)行節能設計以降低設備的能耗；軟件方面，應設計合理的設備工作模式和節能模式，同時(shí)開(kāi)發(fā)相應的算法以使信號的發(fā)射功率具有自適應特性。

3.7 安全

安全問(wèn)題也是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )固有的問(wèn)題。解決安全問(wèn)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(wèn)題。當前很多無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )都提供了認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(huì )加重網(wǎng)絡(luò )設備的運行負擔，降低網(wǎng)絡(luò )的運行效率，這是矛與盾的關(guān)系。

有關(guān)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的安全問(wèn)題在很多文獻中都有深入的討論，這里不再贅述。

　

　

可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可粗略地理解為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)在個(gè)體上的實(shí)現（見(jiàn)圖4.1）?？梢哉f(shuō)，在不同的領(lǐng)域都有可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用需求。

4.1 軍事應用

軍事領(lǐng)域是可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最有潛力的應用領(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(lèi)應用，通常要求系統中配備有耳麥、攝像裝置、穿戴式 GPS裝置、具有顯示和存儲功能的通信設備等，以便偵察人員通過(guò)系統與外界保持通信聯(lián)系、確定自己所處的位置、方便地進(jìn)行偵察活動(dòng)。

圖 4.1 可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用于人體的示意圖

4.2 工業(yè)應用

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，當空間環(huán)境等因素導致很多有線(xiàn)檢測設備不能進(jìn)行正常的作業(yè)，或者由于需要多個(gè)檢測設備協(xié)同工作、而使用有線(xiàn)連接很不方便的時(shí)候，可應用可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。這不僅會(huì )帶來(lái)方便，而且還可及時(shí)的獲取、處理和傳輸數據，提高檢測效果。

4.3 醫療保健和助殘

對可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有吸引力的另一個(gè)領(lǐng)域是醫療保健和助殘。例如，可通過(guò)在病人身上安放多個(gè)傳感器或其它醫療設備（還可根據需要將傳感器安放到病人的體內），以檢測病人的體征；對那些不需要住院治療而又需要隨時(shí)觀(guān)察病情的病人，也可在病人身上安放一定數量的傳感器，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送的數據及時(shí)了解病人的最新情況。而對于殘疾人，則更可以通過(guò)可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的各項設備獲取使用者或周邊環(huán)境的信息，然后根據具體的情況提供幫助或告警信息（語(yǔ)音的或圖像的）。

4.4 日常生活應用

在現實(shí)生活中，很多人其實(shí)都同時(shí)攜帶有多個(gè)終端。如果采用可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將這些終端連接起來(lái)，將能帶來(lái)很多方便。例如可通過(guò)手機及時(shí)地下載朋友推薦的音樂(lè )、然后傳送到自己的MP3上欣賞等。

可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )還可為旅游探險者帶來(lái)方便或提供安全保障，如此等等。