于藍牙和ZigBee技術的可穿戴網(wǎng)絡設計

　　可穿戴網(wǎng)絡是指基于短間隔無線通訊技術(藍牙和ZigBec技術等)與可穿戴式計算機(wearcomp)技術、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域網(wǎng)(PAN)?？纱┐鞅P算機可認為可穿戴網(wǎng)絡供給核心計算技巧。有Ad Hoc性能的藍牙和ZigBee等短間隔無線通信技術作為其底層傳輸手腕，聯(lián)合各自上風組建一個無線、高度機動、自組織，甚至是隱藏的微型PAN。可穿戴網(wǎng)絡具有移動性、連續(xù)性和交互性等特色。

1 基于藍牙和ZigBee的可穿著網(wǎng)絡系統(tǒng)構造
　　可穿著網(wǎng)絡組網(wǎng)機動、移動性強，對外網(wǎng)的接入方法多種多樣，可通過藍牙網(wǎng)關、藍牙機頂盒等由LAN和ADsL等全速接進Internet。當其大范疇移動時可以藍牙手機作為接人手腕，使得可穿戴網(wǎng)絡具有很強的移動性。目前基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡的系統(tǒng)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。

1．1 主機部分
　　可穿戴式盤算機因其可穿戴性，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(tǒng)，其上集成藍牙協(xié)議棧。由于頭戴顯示系統(tǒng)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。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(shù)據(jù)通過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顯示屏或主機以進一步處理。

　　藍牙耳機可以實現(xiàn)與其他藍牙設備的音頻信號傳輸，通過語音命令實現(xiàn)對主機的把持，或者將話音信號通過GPRS、CDMA和TD—SCDMA網(wǎng)絡傳送到遠端。

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A／D轉換器轉換后送入MCU，最后通過ZigBee收發(fā)模塊并經阿關送入主機。經主機處置之后，再傳送到其他裝備。

1．4 藍牙／ZigBoe網(wǎng)關
　　藍牙／ZigBee網(wǎng)關主要針對可穿戴網(wǎng)絡無線通信中藍牙和ZigBee產品之間的相互通信，其協(xié)議模型如圖2所示。

2 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡的硬件實現(xiàn)
　　在可穿戴網(wǎng)絡的系統(tǒng)結構中，主要包含ZigBee節(jié)點和網(wǎng)關的硬件平臺。下面先容這兩種平臺的硬件實現(xiàn)。

2.1 ZigBoa節(jié)點的硬件實現(xiàn)
　　ZigBee節(jié)點作為一種傳感器，其主要功效是采集用戶感興致的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙／ZigBee網(wǎng)關，通過GPRS、CDMA或WI—FI等發(fā)送到遠程把持中心或數(shù)據(jù)庫。ZigBee節(jié)點硬件框圖如圖3所示。它重要由電源模塊、微節(jié)制器(MCU)、存儲器、ZigBee收發(fā)器和傳感器等組成。

　　系統(tǒng)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(jié)制器還具有8個lObit的A／D轉換器、多個I／O數(shù)據(jù)線、2個串行通信接口(SCI)、四線串行外圍接口(SPI)。這些特點使它易于進行軟件編程，其接口還可用作與傳感器的接口。

　　全部ZigBee節(jié)點的通訊模塊由ZigBee收發(fā)器來實現(xiàn)。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)在分組過錯率為1％的情形下，其接受敏銳度到達-92dBm(典范值)；
(5)7個通用輸進，輸出端口(GPl0)。
全部ZigBee節(jié)點采用AAA電池供電。

2．2 藍牙／ZigBoe網(wǎng)關的硬件實現(xiàn)
　　網(wǎng)關在可穿戴網(wǎng)絡中起著很主要的作用。藍牙，ZigBee網(wǎng)關的硬件部分主要由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(shù)據(jù)從ZigBee設備發(fā)送到帶藍牙適配器時，藍牙／ZigBee網(wǎng)關需依次進行以下處理：將從ZigBee設備接受到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)從藍牙設備發(fā)送到ZigBee設備時，進程類似。

　　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種機動的尋址方法和高效指令集；支撐在線可反復編程，可滿足低本錢的編程變革需求和現(xiàn)場軟件升級；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品編程本錢：多達26個雙向I／O口，大電流的I／O口可直接驅動LED和其他電路，從而省往外部驅動設備，下降系統(tǒng)本錢。ZigBee模塊同樣采用Freescale的MCl3192。

　　藍牙模塊重要實現(xiàn)藍牙HCI層以下的協(xié)定，并且供給符合藍牙規(guī)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：RXD、TXD；四線：RXD、TXD、RTS、CTS；八線：完整RS232方法)銜接數(shù)據(jù)口用于數(shù)據(jù)傳輸。

3 基于藍牙和ZigBee技巧的可穿著網(wǎng)絡軟件構造
　　所設計的可穿戴網(wǎng)絡中，軟件部分主要集中在網(wǎng)關和ZigBee節(jié)點上。網(wǎng)關的主要功效是治理和處理ZigBee節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)。主要處理兩個問題：分組處理和地址處理。

　　 (1)分組處理是將來自一個網(wǎng)絡設備的利用程序的報文發(fā)送到另一個網(wǎng)絡設備，網(wǎng)關中的協(xié)定轉換功能單元(即治理層)要將報文進行拆裝和封裝。網(wǎng)關把從發(fā)潮設備吸收到的分組數(shù)據(jù)進行拆裝，去掉數(shù)據(jù)首部和尾部，從分組中提取有用數(shù)據(jù)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(jù)目標地址和接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到吸收設備。藍牙與ZigBee分組格局的轉換進程是：網(wǎng)關通過射頻單元從ZigBee／藍牙設備收到zigBee/藍牙分組對其進行拆裝，去掉分組頭和分組尾，提取出數(shù)據(jù)凈載荷，再依照藍牙／ZigBee分組格局進行封裝，添加分組頭和分組尾，通過射頻發(fā)送到藍牙／ZigBee設備。

　　(2)地址處理。每個與網(wǎng)關樹立銜接的藍牙設備或ZigBee設備都將與網(wǎng)關中的一個端口綁定(通過動態(tài)或靜態(tài)的分配)。這樣，就可以通過網(wǎng)關的地址和端口號來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，同關就負責藍牙通信協(xié)議與ZigBee協(xié)議之間的轉換工作，從而使藍牙設備與ZigBee設備透明地進行數(shù)據(jù)交流。地址映射可應用靜態(tài)或動態(tài)映射兩種方式。靜態(tài)映射是創(chuàng)立一個表，將一個邏輯地址與物理地址關聯(lián)起來，該表存儲在每個設備上。每當物理地址產生變更時，該表就必需更新，較繁瑣。動態(tài)映射是當設備知道邏輯地址或物理地址中的一個時，就可應用協(xié)議將另一個地址找出來。通常應用動態(tài)映射的兩個協(xié)議來解析地址。

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

　　ZigBee節(jié)點上的軟件主要應用c語言開發(fā)，完成的功效是接受傳感單元的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙／Zig Bee網(wǎng)關上。

　　目前已經完成了可穿戴網(wǎng)絡的結構設計、無線傳輸技術的選擇，正在進行藍牙／ZigBee網(wǎng)關的設汁及編程，接下來將要實現(xiàn)可穿戴網(wǎng)絡中的無線終真?zhèn)€集成以及在各種活動條件下可穿戴網(wǎng)絡的性能剖析和改良。