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 )是指基于短間隔無(wú)線(xiàn)通訊技術(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四周環(huán)境信息的一種新型個(gè)域網(wǎng)(PAN)?？纱┐鞅P(pán)算機可認為可穿戴網(wǎng)絡(luò )供給核心計算技巧。有Ad Hoc性能的藍牙和ZigBee等短間隔無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為其底層傳輸手腕，聯(lián)合各自上風(fēng)組建一個(gè)無(wú)線(xiàn)、高度機動(dòng)、自組織，甚至是隱藏的微型PAN。可穿戴網(wǎng)絡(luò )具有移動(dòng)性、連續性和交互性等特色。

1 基于藍牙和ZigBee的可穿著(zhù)網(wǎng)絡(luò )系統構造
　　可穿著(zhù)網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)機動(dòng)、移動(dòng)性強，對外網(wǎng)的接入方法多種多樣，可通過(guò)藍牙網(wǎng)關(guān)、藍牙機頂盒等由LAN和ADsL等全速接進(jìn)Internet。當其大范疇移動(dòng)時(shí)可以藍牙手機作為接人手腕，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 )的系統構造如目1所示。體系中的設備包含主機、藍牙設備、ZigBee裝備和藍牙／ZigBec網(wǎng)關(guān)。

1．1 主機部分
　　可穿戴式盤(pán)算機因其可穿戴性，請求主機的重量輕、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GPRS骨干網(wǎng)的帶寬限制，請求主機有較高的存儲才能，內部集成10GB的硬盤(pán)。在主機中集成藍牙適配器的主要目標是使主性能與其他藍牙設備進(jìn)行通信。假如條件容許，還可在主機中集成GPS模塊等。

1．2 藍牙裝備
　　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。

　　頭戴顯示體系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)行預處理以往除視頻和圖像信號的冗余，其視頻緊縮尺度可以采取MPEG一4。DSP處置后的信號可直接送進(jìn)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)現對主機的把持，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設備可設計為腕表式和鞋墊式等。它包含傳感器、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)主機處置之后，再傳送到其他裝備。

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 )的系統結構中，主要包含ZigBee節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺。下面先容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，其主要功效是采集用戶(hù)感興致的數據，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)送到遠程把持中心或數據庫。ZigBee節點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。它重要由電源模塊、微節制器(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具有豐碩的片上存儲功能，有64KB(其中Flash占60KB，RAM占4KB)的存儲空間。在40MHz的工作頻率下，其功率耗費不到lmW。而且該微把持用具有多種省電模式以供選擇。除了具有豐盛的片上存儲功能和多種省電模式以外，MC9S08GB60微節制器還具有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。

　　全部ZigBee節點(diǎn)的通訊模塊由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特色如下：

(1)具有16個(gè)信道；
(2)典范的發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率到達3．6dBm：
(3)采用DSSS擴頻通訊技巧，最大速率為250Kbps；
(4)在分組過(guò)錯率為1％的情形下，其接受敏銳度到達-92dBm(典范值)；
(5)7個(gè)通用輸進(jìn)，輸出端口(GPl0)。
全部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)很主要的作用。藍牙，ZigBee網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由ZigBee模塊、藍牙模塊和中心處理單元組成。
　　
　　網(wǎng)關(guān)的中心處理單元主要完成藍牙與ZigBee協(xié)定的轉換工作。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設備接受到的數據往掉物理層的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)，進(jìn)程類(lèi)似。

　　中心處理單元的重要器件是Freescale的MC68HC-908KL8微處置器。該微處理用具有16種機動(dòng)的尋址方法和高效指令集；支撐在線(xiàn)可反復編程，可滿(mǎn)足低本錢(qián)的編程變革需求和現場(chǎng)軟件升級；編程速度極快，64B的編碼在2ms內完成．極快的編程速度下降了產(chǎn)品編程本錢(qián)：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，從而省往外部驅動(dòng)設備，下降系統本錢(qián)。ZigBee模塊同樣采用Freescale的MCl3192。

　　藍牙模塊重要實(shí)現藍牙HCI層以下的協(xié)定，并且供給符合藍牙規范的空中接口。本設計中，采取Blue—Core2一Flash RF。PnG(8M)藍牙單芯片計劃，它集成了射頻及基帶芯片。其UART(可認為二線(xiàn)：RXD、TXD；四線(xiàn)：RXD、TXD、RTS、CTS；八線(xiàn)：完整RS232方法)銜接數據口用于數據傳輸。

3 基于藍牙和ZigBee技巧的可穿著(zhù)網(wǎng)絡(luò )軟件構造
　　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)的主要功效是治理和處理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。

　　 (1)分組處理是將來(lái)自一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備的利用程序的報文發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備，網(wǎng)關(guān)中的協(xié)定轉換功能單元(即治理層)要將報文進(jìn)行拆裝和封裝。網(wǎng)關(guān)把從發(fā)潮設備吸收到的分組數據進(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吸收設備協(xié)議所請求的分組格局，依據目標地址和接口把數據發(fā)送到吸收設備。藍牙與ZigBee分組格局的轉換進(jìn)程是：網(wǎng)關(guān)通過(guò)射頻單元從ZigBee／藍牙設備收到zigBee/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，再依照藍牙／ZigBee分組格局進(jìn)行封裝，添加分組頭和分組尾，通過(guò)射頻發(fā)送到藍牙／ZigBee設備。

　　(2)地址處理。每個(gè)與網(wǎng)關(guān)樹(shù)立銜接的藍牙設備或ZigBee設備都將與網(wǎng)關(guān)中的一個(gè)端口綁定(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)惟一地標識該藍牙設備或ZigBee設備。當藍牙設備與ZigBee設備交流信息時(shí)，同關(guān)就負責藍牙通信協(xié)議與ZigBee協(xié)議之間的轉換工作，從而使藍牙設備與ZigBee設備透明地進(jìn)行數據交流。地址映射可應用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)映射兩種方式。靜態(tài)映射是創(chuàng )立一個(gè)表，將一個(gè)邏輯地址與物理地址關(guān)聯(lián)起來(lái)，該表存儲在每個(gè)設備上。每當物理地址產(chǎn)生變更時(shí)，該表就必需更新，較繁瑣。動(dòng)態(tài)映射是當設備知道邏輯地址或物理地址中的一個(gè)時(shí)，就可應用協(xié)議將另一個(gè)地址找出來(lái)。通常應用動(dòng)態(tài)映射的兩個(gè)協(xié)議來(lái)解析地址。

　　斟酌到可穿戴網(wǎng)絡(luò )的特色，采取嵌入式Linux操作體系。用戶(hù)能很輕易地在其基本上開(kāi)發(fā)自己的利用程序。

　　ZigBee節點(diǎn)上的軟件主要應用c語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，完成的功效是接受傳感單元的數據，并將數據發(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(luò )的結構設計、無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的選擇，正在進(jìn)行藍牙／ZigBee網(wǎng)關(guān)的設汁及編程，接下來(lái)將要實(shí)現可穿戴網(wǎng)絡(luò )中的無(wú)線(xiàn)終真個(gè)集成以及在各種活動(dòng)條件下可穿戴網(wǎng)絡(luò )的性能剖析和改良。