藍牙/ZigBee技術(shù) 助臂可穿戴網(wǎng)絡(luò )設計

　　1 引言

　　隨著(zhù)微電子、計算機等技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了新一代小型、可移動(dòng)、功能強大的計算設備的出現。但是人們已經(jīng)不滿(mǎn)足各設備獨立工作，而是希望它們能根據人的需要和追求而工作，也就是要達到“計算以認為本”的概念。因此在小范圍內能夠將所有的設備互連而組成的網(wǎng)絡(luò )--——可穿戴網(wǎng)絡(luò )便應運而生。

　　所謂可穿戴網(wǎng)絡(luò )是指基于短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)（藍牙和ZigBee技術(shù)等）與可穿戴式計算機（wearcomp）技術(shù)的結合，穿戴在人體身上的、具有智能的、能收集人體和周?chē)h(huán)境信息的一種新型的個(gè)域網(wǎng)概念（PAN）。

　　2 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、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入手段，使得可穿戴網(wǎng)絡(luò )具有很強的移動(dòng)性。目前考慮的可穿戴網(wǎng)絡(luò )的體系結構如圖1所示。系統中的設備包括主機、藍牙設備、ZigBee設備、Bluetooth/ZigBee網(wǎng)關(guān)。

　　2.1 主機部分

　　可穿戴式計算機由于其可穿戴性，則要求主機的重量輕、體積小。主機芯片采用linux嵌入式操作系統，其上集成藍牙協(xié)議棧。在主機中集成藍牙適配器的主要目的是使主機能與其它藍牙設備進(jìn)行通信。如果條件允許還可在主機中集成GPS模塊等。

　　2.2 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，把設備采集的數據通過(guò)藍牙鏈路傳輸到主機或反向傳輸。

　　頭戴顯示系統：內部集成了微型藍牙模塊、攝像頭、DSP芯片。首先通過(guò)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-4 。 DSP 處理后的信號可直接送入顯示屏或送入主機以進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　藍牙耳機：可以實(shí)現與其它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、TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )傳送到遠端。

　　圖 1 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡(luò )的體系結構

　　2.3 ZigBee設備

　　ZigBee設備可設計為手表式、鞋墊式等。它包括傳感器、A/D轉換器、ZigBee模塊。傳感器采集外部信號（心跳、血壓、脈搏、溫度、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)網(wǎng)關(guān)送入到主機。經(jīng)主機處理之后，再傳送到其它設備。

　　2.4 藍牙/ZigBee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)通信中兩種不同標準藍牙和ZigBee產(chǎn)品之間的相互通信，其協(xié)議模型如圖2所示

　　圖 2 藍牙 /ZigBee 網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議模型

　　3 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡(luò )的硬件實(shí)現

　　在本文介紹的可穿戴網(wǎng)絡(luò )的體系結構中，主要需要實(shí)現的是ZigBee節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺，下面介紹這兩個(gè)平臺的硬件實(shí)現。

　　3.1 ZigBee節點(diǎn)的硬件實(shí)現

　　ZigBee節點(diǎn)作為一種傳感器，其主要的功能是采集人們感興趣的數據，并將數據發(fā)送到藍牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)，然后通過(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)主要由電源模塊、微控制器模塊、存儲單元、ZigBee收發(fā)模塊和傳感單元等組成，如圖3所示。

　　圖 3 ZigBee節點(diǎn)硬件框圖

　　整個(gè)ZigBee節點(diǎn)的通信模塊是由ZigBee收發(fā)器來(lái)實(shí)現的。ZigBee收發(fā)器我們選用的是Freescale公司的MC13192，該收發(fā)器工作在2.4GHzISM公用頻道。MC13192具有以下一些主要特點(diǎn)：

　　• 具有 16 個(gè)信道。

　　• 典型的發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率達到3.6dBm。

　　• 采用DSSS擴頻通信技術(shù)，最大速率為250kbps。

　　• 在分組錯誤率為1％的情況下，其接收靈敏度達到－92dBm（典型值）。

　　• 7個(gè)通用輸入輸出端口（GPIO）。

　　• 整個(gè)ZigBee節點(diǎn)采用AAA電池供電。

　　3.2 藍牙/ZigBee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從藍牙和ZigBee協(xié)議的轉換工作：對從ZigBee設備發(fā)送到帶藍牙適配器的主機的數據來(lái)說(shuō)，在藍牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)它需經(jīng)過(guò)以下處理：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。對從藍牙設備發(fā)送到ZigBee設備的數據來(lái)說(shuō)過(guò)程相似。

　　中央處理單元的主要器件是Freescale的MC68HC908KL8微處理器，該微處理器具有16種靈活的尋址方式、高效指令集；支持在線(xiàn)可重復編程，這樣可達成低成本的編程變更和現場(chǎng)軟件升級；編程速度極快，64字節的編碼在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MC13192。

　　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。在本設計中，我們采用BlueCore2-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。

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

　　在我們所設計的可穿戴網(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。其主要處理兩個(gè)問(wèn)題：分組處理和地址處理。

　　分組處理：要將來(lái)自一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備的應用程序的報文發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備，網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議轉換功能單元----管理層就要將報文進(jìn)行拆裝和封裝。網(wǎng)關(guān)把它從發(fā)送設備接收到的分組進(jìn)行拆裝，去掉數據首部和尾部，從分組中提取有用數據信息，再把該有用信息封裝成接收設備協(xié)議所要求的分組格式，根據目的地址和接口把數據發(fā)送到接收設備。藍牙與ZigBee分組格式的轉換式：網(wǎng)關(guān)通過(guò)射頻單元從ZigBee設備（藍牙設備）收到ZigBee分組（藍牙分組）對其進(jìn)行拆裝，去掉分組頭和分組尾，提取出數據凈載荷，再按照藍牙分組（ZigBee分組）格式進(jìn)行封裝，添加分組頭和分組尾，通過(guò)射頻發(fā)送到藍牙設備（ZigBee設備）。

　　地址處理：每一個(gè)與網(wǎng)關(guān)建立連接的藍牙設備或ZigBee設備都將與網(wǎng)關(guān)中的一個(gè)端口綁定在一起（通過(guò)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的分配）。這樣，就可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)的地址和端口號來(lái)唯一地標識該藍牙設備或ZigBee設備。當藍牙設備和ZigBee設備交換信息時(shí)，網(wǎng)關(guān)就負責藍牙通信協(xié)議和ZigBee協(xié)議之間的轉換工作。從而使藍牙設備和ZigBee設備透明地進(jìn)行數據交換。地址映射可使用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)映射兩種方法。靜態(tài)映射使創(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(lái)，該表存儲在每一個(gè)設備上。每當物理地址發(fā)生變化，這個(gè)表就必須更新，比較麻煩。動(dòng)態(tài)映射是當設備知道兩個(gè)地址（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(lái)。通常使用動(dòng)態(tài)映射的兩個(gè)協(xié)議來(lái)解析地址。

　　考慮到可穿戴網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，我們采用嵌入式linux操作系統，用戶(hù)很容易在其基礎上開(kāi)發(fā)自己的應用程序。

　　ZigBee節點(diǎn)上的軟件主要利用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，主要完成的功能是接受傳感單元的數據，并將數據發(fā)送到藍牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)上。

　　5 目前的工作進(jìn)展以及總結

　　文中對可穿戴網(wǎng)絡(luò )的概念、特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò )體協(xié)結構、整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的硬件實(shí)現和軟件結構作料分別進(jìn)行了介紹。目前我們已經(jīng)完成了可穿戴網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )結構設計、無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的選擇，正在進(jìn)行藍牙/ZigBee網(wǎng)關(guān)的設計以及編程工作，接下來(lái)我們還要實(shí)現可穿戴網(wǎng)絡(luò )中的無(wú)線(xiàn)終端的集成以及在各種運動(dòng)條件下可穿戴網(wǎng)絡(luò )的性能分析和改進(jìn)。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)2月《可穿戴技術(shù)特刊》“透視新設計”欄目，轉載請注明出處，違者必究！