無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在可穿戴計算機中應用研究

摘　要：將藍牙、CPRS無(wú)線(xiàn)通信以及USB技術(shù)應用于可穿戴計算機中，使其更具操作性、靈活性。重點(diǎn)介紹了藍牙和CPRS技術(shù)以及藍牙模塊與USB接口的CPRS模塊的硬件及軟件實(shí)現。

關(guān)鍵詞：可穿戴計算機 藍牙 CPRS(通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)) USB(通用串行總線(xiàn))

　　近年來(lái)， 可穿戴計算機 (Wearable Computer，WearComp)悄然成為研究熱點(diǎn)，發(fā)展勢頭非常迅猛?？纱┐饔嬎銠C技術(shù)打破了傳統的交互模式，使人與計算機成為一體，提高了人的整體交互和計算能力。它提供了一種無(wú)處不在的計算和無(wú)時(shí)不有的交互方式。

　　可穿戴計算機系統的硬件在應用的促進(jìn)下得到了長(cháng)足發(fā)展?；谄涮攸c(diǎn)，可穿戴計算機的各個(gè)組成部分(終端設備)一般都處于分置狀態(tài)，即“穿戴”在人體的不同部位。傳統的WearComp一般是利用線(xiàn)纜將各終端設備連接到主機的各種接口，使穿戴人肢體活動(dòng)受到限制且主機的端口顯得比較冗雜。而將以藍牙(Bluetooth)以及GPRS技術(shù)為代表的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)引人可穿戴計算機中，可以進(jìn)一步使可穿戴計算機的交互方式向移動(dòng)性、可獲取性、自然性和簡(jiǎn)潔性發(fā)展。相對于傳統的有線(xiàn)接口方式，無(wú)線(xiàn)方式的設計則更具有人性化。其中，藍牙技術(shù)解決了WearComp中各終端設備與主機的通信問(wèn)題，除去了眾多線(xiàn)纜對人的束縛；GPRS技術(shù)使得WearComp能夠輕松地享受電信服務(wù)商提供的各項無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)，且時(shí)時(shí)在線(xiàn)。另外，藍牙和USB總線(xiàn)技術(shù)的應用使得傳統可穿戴計算機過(guò)于冗雜的主機接口得以精簡(jiǎn)。在這些基礎上，筆者提出了一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在可穿戴計算機中的應用。

1 可穿戴計算機

　　隨著(zhù)計算機及相關(guān)元器件不斷超微型化的發(fā)展，可穿戴計算機應運而生，是人們追求“計算機以人為本”這一理念和市場(chǎng)需求的必然產(chǎn)物。WearComp是計算機方面具有挑戰性的前沿研究領(lǐng)域，是繼PC機、筆記本電腦和掌上電腦之后的新一代計算機，也是計算機的尖端技術(shù)產(chǎn)品。它拓展了計算機的功能，開(kāi)辟了新的應用領(lǐng)域，用途廣泛，市場(chǎng)潛力巨大。作為新一代計算機(而不是新的機型)，可穿戴計算機將形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，并將深刻地改變計算機市場(chǎng)的競爭格局，其社會(huì )和經(jīng)濟效益不可估量。

　　可穿戴計算機在許多領(lǐng)域具有特殊用途，可廣泛應用于工業(yè)、軍事、情報、新聞、醫療、商業(yè)、農業(yè)、金融與證券、搶險與救災乃至日常生活等領(lǐng)域。它與UC技術(shù)、智能化住宅、智能化商業(yè)、智能化交通等相結合將使未來(lái)人類(lèi)的生活方式發(fā)生巨大的變革，進(jìn)入一個(gè)高度數字化和自動(dòng)化的時(shí)代。工業(yè)是目前最有潛力的應用領(lǐng)域之一，特別是在室外、野外、水下等一些特殊場(chǎng)合，可穿戴計算機將發(fā)揮非常重要的作用。例如：大型復雜設備的安裝與檢修、巡視與檢查、采掘、野外勘探等。軍事是目前可穿戴計算機另一個(gè)最具潛力的應用領(lǐng)域，主要用于偵察、作戰指揮、通信、復雜武器系統的操作與維護及仿真演習等。根據不同的用途，可穿戴計算機的種類(lèi)也是多樣化的，分別有偵察兵、炮兵、裝甲兵、步兵、后勤人員及飛行員等專(zhuān)用的可穿戴計算機[1]。

　　可穿戴計算機的主要組成部分包括低功耗嵌入式CPU、多種多樣的便攜式外設及其接口設備和能量高體積小的電源；基本外設主要有輸出設備和輸入設備。為了便于攜帶，輸出設備用頭盔顯示器或眼鏡顯示器代替了傳統的桌面臺式顯示器，輸入設備用語(yǔ)音控制或較少按鍵的袖珍鍵盤(pán)代替了傳統的鍵盤(pán)。另外，根據用戶(hù)不同的需求，還需配備相應的外部設備，如無(wú)線(xiàn)通信設備、語(yǔ)音輸入輸出設備、圖像采集設備、全球定位系統(GPS)以及各種各樣的傳感器。然而，為了將眾多的外設集成在一起，必需將相應的接口電路集成在主板上。所以接口電路設計技術(shù)是可穿戴技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。
　　
　　可穿戴計算機使人機關(guān)系變得非常緊密。同時(shí)，由于各種設備裝備在人的身上，因此，安裝的位置、形狀、操作的便捷性等都要與人的自然屬性密切結合，形成一個(gè)綜合的、和諧的人機界面。這對新一代人機交互的研究提出了新的挑戰。藍牙技術(shù)的日漸興起為實(shí)現人機交互方式的最大自由度提供了一個(gè)很好的解決方案。

2 藍牙技術(shù)在可穿戴計算機中的應用

2．1 藍牙技術(shù)概述

　　藍牙是短距離無(wú)線(xiàn)數據的開(kāi)放性規范。它以低成本近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎，為固定與移動(dòng)設備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。藍牙技術(shù)最初以取消各種電器之間的連線(xiàn)為目標。隨著(zhù)研究的深入，藍牙技術(shù)已經(jīng)用于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中的各種數據及語(yǔ)音設備之間的無(wú)縫資源共享，以及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )之中。

　　藍牙體系主要由藍牙主機和藍牙模塊兩大結構組成。藍牙模塊中最下層是無(wú)線(xiàn)電(Radio)，負責最終的物理鏈接，包括信號的調制、發(fā)送和接收。

    基帶(Baseband)：負責基帶鏈路控制器的數字信號處理規范?；鶐ф溌房刂破髫撠熖幚砘鶐f(xié)議和其它一些低層常規協(xié)議?；鶐ф溌房刂破髦邪N糾錯方案：1／3比例前向糾錯(FEC)碼、2／3比例前向糾錯碼、數據自動(dòng)重發(fā)請求(ARQ)方案。

　　鏈路管理層(Link Manager)：攜帶了鏈路的數據設置、鑒權、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現其它遠端的LM并通過(guò)LMP(鏈路管理協(xié)議)與之通信。

　　主機控制接口(HCl)：通過(guò)主機控制接口HCI，可以方便地把藍牙模塊嵌入到各種數字設備中作為一個(gè)終端。

　　應用層：在藍牙主機上，是一些應用程序。

2．2 藍牙無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)

　　無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)WPAN的目的就是為了在小范圍內能夠將個(gè)人設備互聯(lián)而組成網(wǎng)絡(luò )。藍牙作為一種小范圍無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，能夠在設備間實(shí)現方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數據和語(yǔ)音通信，是目前實(shí)現無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。

　　藍牙個(gè)人區域網(wǎng)PAN有兩種應用模型：一種被稱(chēng)為組網(wǎng)絡(luò )GN(Group Ad-hoc Networking)；另一種被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)NAP(Networking Access Point)。這兩種實(shí)現模式分別有不同的網(wǎng)絡(luò )結構和協(xié)議模型[3]。組網(wǎng)被設計用來(lái)允許一個(gè)或多個(gè)藍牙設備組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò )，而網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)提供藍牙設備進(jìn)入Intemet網(wǎng)絡(luò )的能力。無(wú)論是NAP還是GN都必須提供與TCP／IP和其它網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的無(wú)縫實(shí)現。圖1是GN在協(xié)議棧部分圖示[4]。

　　根據可穿戴計算機將組成的個(gè)域網(wǎng)的特點(diǎn)，采用組網(wǎng)絡(luò )模型顯然是比較合適的。

2．3 WearComp藍牙個(gè)域網(wǎng)系統實(shí)現

2．3．1系統結構

　　下面以從事?lián)岆U救災技術(shù)勘察工作人員的可穿戴計算機為例，具體介紹藍牙技術(shù)的應用。根據工作人員的實(shí)際需求，該套可穿戴計算機應具有頭戴顯示器、耳機、耳麥、微型攝像機、手寫(xiě)輸入板、腕式鍵盤(pán)和無(wú)線(xiàn)通信模塊等外設。

　　根據藍牙個(gè)人區域網(wǎng)PAN的組網(wǎng)絡(luò )GN模式，筆者設計的可穿戴計算機系統結構組成如圖2所示。其中各個(gè)終端設備和主機均內置了藍牙模塊。

2．3．2可穿戴計算機終端設備和藍牙技術(shù)集成的實(shí)現

　　藍牙協(xié)議支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的鏈接。每個(gè)藍牙的微微網(wǎng)(piconet)中有Master和Slave兩種權限，除了Slave和Master以外，各個(gè)Slave節點(diǎn)之間也可以通信。在這里只以單個(gè)的piconet為主干構建WearComp無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。Master節點(diǎn)為WearComp網(wǎng)絡(luò )主控節點(diǎn)，實(shí)現信息的匯集處理功能；Slave節點(diǎn)為無(wú)線(xiàn)設備?？紤]到各個(gè)無(wú)線(xiàn)設備之間是互相獨立的，信息融合只在Master節點(diǎn)完成，所以?xún)H實(shí)現Master點(diǎn)對多Slave點(diǎn)的通信，形成一個(gè)星型的拓撲結構。每個(gè)piconet有3位地址碼，即piconet的容量最多為8個(gè)節點(diǎn)，各個(gè)Slave節點(diǎn)負責對原始數據的預處理(包括濾波、補償、數字化等)和處理后數據的發(fā)送，上層是基于普通PC機或其他類(lèi)型上位機(如嵌入式計算機)的Master節點(diǎn)，所有無(wú)線(xiàn)設備的信息在這里進(jìn)行更高一級處理。

　　在通用異步收發(fā)(UART)模式下，藍牙模塊依照標準接口使用，主控接口HCI已定義好，可以在RS232接口上實(shí)現。終端設備模塊攜帶與藍牙模塊兼容的接口，如RS232。通過(guò)這個(gè)標準接口，終端設備接口模塊可以與藍牙模塊連接在一起，實(shí)現對藍牙模塊的控制。這樣不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的藍牙模塊就可以與同一種終端設備銜接。

　　軟件部分：整個(gè)系統的應用軟件可分為三部分：

　　(1)運行在上位機上的應用程序，包括面向用戶(hù)的圖形用戶(hù)界面、面向終端設備接口模塊層的操作(主要是對終端設備的控制和通信)，以及同藍牙模塊上的HCI固件(firmware)的通信程序。這部分可用面向對象的編程語(yǔ)言實(shí)現，把每個(gè)終端設備節點(diǎn)作為一個(gè)節點(diǎn)類(lèi)的

　　實(shí)例對象，應用程序通過(guò)與實(shí)例對應的句柄訪(fǎng)問(wèn)控制各個(gè)終端設備節點(diǎn)。

　　(2)嵌入到終端設備模塊的MCU上的程序。針對不同的MCU用匯編或是C語(yǔ)言寫(xiě)成。主要完成原始信息的采集、處理、讀取、與HCI固件的通信、利用終端設備接口模塊層與上位機通信。

　　(3)藍牙模塊上的HCI固件固化在藍牙基帶模塊的Flash存儲器里。通過(guò)它實(shí)現終端設備模塊、上位機中軟件與藍牙硬件的通信。

　　硬件部分：藍牙模塊采用愛(ài)立信公司的ROK 101007，由無(wú)線(xiàn)電、基帶和閃存構成，內置支持HCI的固件，外圍有適于高速數據傳輸的UART接口和USB接口，也有適于語(yǔ)音傳輸的PCM接口。功耗小，具有內置屏蔽功能。主機CPU采用嵌入式Pentium，功耗僅為

1．5W，不需要風(fēng)扇即可正常使用。

3 USB接口技術(shù)應用子可穿戴計算機

　　體積小、功能強、外圍設備多、集成度高是可穿戴計算機的主要特點(diǎn)之一。由于可穿戴計算機對多媒體的要求很高，要實(shí)現的功能很多，以至于其外設種類(lèi)很多，所以要求其接口種類(lèi)也比較多，如串口、MCP接口、USB接口及PCMCIA接口等。若將眾多接口都集成在一起，不但設計復雜，而且集成后的體積仍然較大，且其擴充性也較低。USB接口則將這些不同的接口統一起來(lái)，使用一個(gè)4針插頭作為標準插頭。在可穿戴計算機的設計中采用USB接口作為主要的外設接口，可彌補上述不足。

具體實(shí)現：

　　(1)硬件部分：在主機端采用PHILIPS公司生產(chǎn)的PDIUSBDl2獨立USB控制器。PDIUSBDl2的突出特點(diǎn)是特別適用于便攜式USB設備、產(chǎn)品的改型設計，以及需要高速數據傳輸的數據采集系統。

　　(2)軟件部分：USB設備的軟件設計主要包括兩部分：一是USB設備端的單片機軟件，主要完成USB協(xié)議處理和數據交換(多數情況下是一個(gè)中斷子程序)以及其它應用功能程序(例如A／D轉換、MP3解碼等)；二是PC端的程序由USB通信程序和用戶(hù)服務(wù)程序兩部分組成，用戶(hù)服務(wù)程序通過(guò)USB通信程序與系統USBDI(USBDevice Interface)通信，由系統完成USB協(xié)議的處理與數據傳輸。PC端程序的開(kāi)發(fā)難度非常大，程序員不僅要熟悉USB協(xié)議，還要熟悉WINDOWS體系結構并能熟練運用DDK工具。

　　USB總線(xiàn)驅動(dòng)設計主要包括五部分，分別是向上對USB設備驅動(dòng)和應用提供的函數接口USBDAPI、向下對主機控制器驅動(dòng)提供的函數接口HCDAPI、USB系統資源、集線(xiàn)器驅動(dòng)、系統配置及總線(xiàn)枚舉器(如圖3所示)。定義好這些接口之后，后三部分可并行設計和開(kāi)發(fā)。

　　目前嵌入式系統中軟硬件產(chǎn)品種類(lèi)很多。由于本文設計的USB總線(xiàn)驅動(dòng)與USB設備和USB主機之間通過(guò)定義的標準軟件接口，對USB設備和USB主機的操作分別通過(guò)各自的驅動(dòng)完成，從而避免了與硬件直接打交道，所以這部分設計與硬件和操作系統的相關(guān)性不大，適于各種不同的系統。

4 GPRS技術(shù)在可穿戴計算機中的應用

4．1 GPRS技術(shù)概述

　　通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(GPRS)是在現有的全球移動(dòng)通信系統(GSM)網(wǎng)絡(luò )基礎上疊加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )，’它充分利用了現有移動(dòng)通信網(wǎng)的設備，在GSM網(wǎng)絡(luò )上增加一些硬件設備并進(jìn)行軟件升級，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )邏輯實(shí)體。它突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維定式，以分組交換技術(shù)為基礎，采用IP數據網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，能夠提供比現有GSM網(wǎng)9．6kbps更高的數據速率，其數據速率可達170kbps；它可以給GSM用戶(hù)提供移動(dòng)環(huán)境下的高速數據業(yè)務(wù)，包括收發(fā)電子郵件、因特網(wǎng)瀏覽等IP業(yè)務(wù)功能[5]。

　　由于GPRS是分組交換技術(shù)，應用了統計復用技術(shù)，因此GPRS開(kāi)通的數據通信是按用戶(hù)數據的傳輸信息量計費，而不是按傳統的按時(shí)計費方式，所以對用戶(hù)而言還可以節省費用。另外，由于GPRS支持X．25協(xié)議和IP協(xié)議，因此，對于GSM網(wǎng)現有電路交換數據業(yè)務(wù)(CSD)和短信息業(yè)務(wù)(SMS)，GPRS是補充而不是替代。

　　GPRS開(kāi)啟了大眾移動(dòng)數據應用的大門(mén)。采用GPRS技術(shù)，用戶(hù)可以得到以下好處：只對傳輸數據收費(實(shí)際用量)而對連接間隙不收費；保持永久連接；通過(guò)IP的直接ISP接人更廉價(jià)；新的應用能夠實(shí)現真正的插人及操作方案；用戶(hù)可以即時(shí)接人多種服務(wù)，如：在上網(wǎng)的同時(shí)可以進(jìn)行語(yǔ)音呼叫；手機的IP功能(互聯(lián)網(wǎng)、遙測、電子商務(wù)等)。

　　基于可穿戴計算機的可移動(dòng)性和靈活性，能夠與外界進(jìn)行良好的無(wú)線(xiàn)通信成為其必備的功能。因此，筆者為WearComp配備了一個(gè)基于GPRS技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡。

4．2 USB接口的GPRS Modem的設計

4．2．1 硬件設計

　　本Modem設計中用到的主要元件包括51系列單片機W77E58、獨立的USB接口芯片PDIUSBD12及愛(ài)立信公司生產(chǎn)的GPRS模塊GM47(如圖4所示)。

    W77E58是由Winbond公司生產(chǎn)的與51系列兼容的單片機。它支持40MHz晶振頻率且縮短了指令周期，具有與51系列兼容的指令集和與80C52兼容的引腳排列，以及32KB的Flash EPROM和1KB的片上SRAM；另外，它所提供的CMOS電平也與GM47模塊所提供的CMOS電平完全兼容，無(wú)需再進(jìn)行電平轉換。以上這些特性都說(shuō)明將單片機W77E58用于本Modem的設計是非常合適的[6]。

　　由PDIUSBD12和W77E58構成的USB接口電路：PDIUSBD12的8位并行數據接人W77E58的P0口，P2．6作為PDIUSBD12的命令或數據的選擇線(xiàn)。PDIUSBD12與W77E58的數據交換采用中斷方式(外部中斷0)。USB設備通過(guò)四線(xiàn)電纜接入主機或USBHub，這四線(xiàn)分別是：Vbus(總線(xiàn)電源)、GND(地線(xiàn))、D+和D-(數據線(xiàn))。主機通過(guò)D+和D-上的電壓變化檢測設備的狀態(tài)：刊。

　　由GM47模塊和W77E58構成的GPRS接口電路：作為一種應用終端模塊，GM47通過(guò)自帶的UART端口與控制它的MCU或PC機聯(lián)系。在UART端口引腳中，RD(串行數據輸出)和TD(串行數據輸入)作為數據口分別與W77E58的RXD和TXD連接，而CTS(發(fā)送清零)、TS(發(fā)送請求)、DTR(數據終端準備好)、DED(數據有效檢測)作為控制口分別與W77E58的P1．0～P1．3連接。這樣就完成了GM47與W77E58的通信控制連接。為了實(shí)現GPRS的功能，GM47模塊還需要完成SIM卡、天線(xiàn)、電源等部分的連接。

4．2．2 軟件設計

　　USB部分：W77E58對PDIUSBD12的控制軟件主要完成USB協(xié)議處理與數據交換以及其它應用功能程序。在本設計中，要求利用W77E58相對高的處理速度完成可穿戴計算機主機發(fā)來(lái)的較大數據量的處理(如經(jīng)壓縮過(guò)的視頻、音頻信號等)。

　　GPRS部分：GM47 GPRS模塊的軟件部分對外提供了一個(gè)控制系統操作的AT指令集，通過(guò)接收來(lái)自UART的AT指令，解釋并執行相應的操作，從而實(shí)現無(wú)線(xiàn)Modem的對應功能。所有的Modem命令都是從一個(gè)特定的指令前綴(AT)開(kāi)始，到一個(gè)命令結束標志結束。以下介紹幾個(gè)常用的AT指令[8]：

ATD ／／撥號指令：在后面接電話(huà)號碼，并可通過(guò)ME、SM、LD等控制字選擇號碼的來(lái)源是機器、SIM卡或是最近所撥號；

ATH ／／掛起：提示終止通話(huà)；

ATO ／／返回至在線(xiàn)數據模式：在通話(huà)過(guò)程中從在線(xiàn)控制模式轉換到在線(xiàn)數據模式；

AT+CGATr／／是移動(dòng)終端進(jìn)入或離開(kāi)GPRS服務(wù)(后接“1”為進(jìn)入，“0”為離開(kāi))；

AT+CGDATA ／／進(jìn)人數據狀態(tài)：利用PPP等協(xié)議完成將移動(dòng)終端連接到網(wǎng)絡(luò )上的操作；

AT+CGEREP ／／GPRS事件報告；

AT+CDREG ／／GPRS網(wǎng)絡(luò )登記狀態(tài)。

　　GM47模塊還提供了很多其他指令，這些指令為實(shí)現該模塊強大的功能奠定了基礎，也為眾多應用開(kāi)發(fā)人員提供了優(yōu)良的開(kāi)發(fā)平臺。