基于藍(lán)牙和ZigBee 技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

可穿戴網(wǎng)絡(luò)是指基于短距離無線通信技術(shù)( 藍(lán)牙和ZigBee 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周圍環(huán)境信息的一種新型個域網(wǎng)( PAN) ?？纱┐饔嬎銠C可以為可穿戴網(wǎng)絡(luò)提供核心計算技術(shù)。有Ad Hoc 性能的藍(lán)牙和ZigBee等短距離無線通信技術(shù)作為其底層傳輸手段, 結(jié)合各自優(yōu)勢組建一個無線、高度靈活、自組織, 甚至是隱蔽的微型PAN?？纱┐骶W(wǎng)絡(luò)具有移動性、持續(xù)性和交互性等特點。
1 基于藍(lán)牙和ZigBee 的可穿戴網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
可穿戴網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活、移動性強, 對外網(wǎng)的接入方式多種多樣, 可通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙機頂盒等由LAN 和ADSL 等全速接入Internet 。當(dāng)其大范圍移動時可以藍(lán)牙手機作為接入手段, 使得可穿戴網(wǎng)絡(luò)具有很強的移動性。目前基于藍(lán)牙和ZigBee 的可穿戴網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)中的設(shè)備包括主機、藍(lán)牙設(shè)備、ZigBee 設(shè)備和藍(lán)牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)。

1 .1 主機部分
可穿戴式計算機因其可穿戴性, 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(tǒng), 其上集成藍(lán)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, 要求主機有較高的存儲能力,內(nèi)部集成10GB 的硬盤。在主機中集成藍(lán)牙適配器的主要目的是使主機能與其他藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通信。如果條件允許, 還可在主機中集成GPS 模塊等。

1 .2 藍(lán)牙設(shè)備
可穿戴網(wǎng)絡(luò)中的藍(lán)牙設(shè)備是內(nèi)嵌了藍(lán)牙模塊的小型化設(shè)備。采集到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙鏈路在主機與藍(lán)牙設(shè)備(如藍(lán)牙手機)之間傳輸。
頭戴顯示系統(tǒng)內(nèi)部集成了微型藍(lán)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(yù)處理以去除視頻和圖像信號的冗余, 其視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以采用MPEG- 4。DSP 處理后的信號可直接送入顯示屏或主機以進(jìn)一步處理。
藍(lán)牙耳機可以實現(xiàn)與其他藍(lán)牙設(shè)備的音頻信號傳輸, 通過語音命令實現(xiàn)對主機的控制, 或者將話音信號通過GPRS 、CDMA 和TD- SCDMA 網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端。

1 .3 ZigBee 設(shè)備
ZigBee 設(shè)備可設(shè)計為手表式和鞋墊式等。它包括傳感器、A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電信號, 然后通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入MCU, 最后通過ZigBee 收發(fā)模塊并經(jīng)網(wǎng)關(guān)送入主機。經(jīng)主機處理之后, 再傳送到其他設(shè)備。

1 .4 藍(lán)牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)
藍(lán)牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)主要針對可穿戴網(wǎng)絡(luò)無線通信中藍(lán)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(lán)牙和ZigBee 的可穿戴網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)
在可穿戴網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中, 主要包括ZigBee 節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺。下面介紹這兩種平臺的硬件實現(xiàn)。

2 .1 ZigBee 節(jié)點的硬件實現(xiàn)
ZigBee 節(jié)點作為一種傳感器, 其主要功能是采集用戶感興趣的數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān), 通過GPRS、CDMA 或WI - FI 等發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心或數(shù)據(jù)庫。ZigBee 節(jié)點硬件框圖如圖3 所示。它主要由電源模塊、微控制器( MCU) 、存儲器、ZigBee 收發(fā)器和傳感器等組成。

圖3 ZigBee 節(jié)點硬件框圖
系統(tǒng)中的MCU 采用Freescale 公司hc (s)08 系列的8 位MC9S08GB60。MC9S08GB60 具有豐富的片上存儲功能, 有64KB( 其中Flash 占60KB, RAM 占4KB) 的存儲空間。在40MHz 的工作頻率下, 其功率消耗不到1mW。而且該微控制器具有多種省電模式以供選擇。除了具有豐富的片上存儲功能和多種省電模式以外,MC9S08GB60 微控制器還具有8 個10bit 的A/D 轉(zhuǎn)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(jìn)行軟件編程, 其接口還可用作與傳感器的接口。
整個ZigBee 節(jié)點的通信模塊由ZigBee 收發(fā)器來實現(xiàn)。ZigBee 收發(fā)器選用Freescale 公司的MC13192。該收發(fā)器工作在2.4GHz ISM 公用頻道。MC13192 特點如下:
(1)具有16 個信道;
(2 ) 典型的發(fā)射功率為0dBm, 最大發(fā)射功率達(dá)到3.6dBm;
(3)采用DSSS 擴頻通信技術(shù), 最大速率為250Kbps ;
(4)在分組錯誤率為1%的情況下, 其接收靈敏度達(dá)到- 92dBm( 典型值) ;
(5)7 個通用輸入/ 輸出端口( GPIO) 。
整個ZigBee 節(jié)點采用AAA 電池供電。

2 .2 藍(lán)牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)
網(wǎng)關(guān)在可穿戴網(wǎng)絡(luò)中起著很重要的作用。藍(lán)牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由ZigBee 模塊、藍(lán)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藍(lán)牙與ZigBee 協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作。當(dāng)有主機數(shù)據(jù)從ZigBee 設(shè)備發(fā)送到帶藍(lán)牙適配器時, 藍(lán)牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)需依次進(jìn)行以下處理: 將從ZigBee 設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)去掉物理層的ZigBee 分組; 去掉MAC 層的ZigBee 分組; 添加L2CAP 頭的藍(lán)牙分組;添加物理層頭的藍(lán)牙分組。當(dāng)有數(shù)據(jù)從藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送到ZigBee 設(shè)備時, 過程相似。
中央處理單元的主要器件是Freescale 的MC68HC-908KL8 微處理器。該微處理器具有16 種靈活的尋址方式和高效指令集; 支持在線可重復(fù)編程, 可滿足低成本的編程變更需求和現(xiàn)場軟件升級; 編程速度極快, 64B的編碼在2ms 內(nèi)完成, 極快的編程速度降低了產(chǎn)品編程成本; 多達(dá)26 個雙向I/O 口, 大電流的I/O 口可直接驅(qū)動LED 和其他電路, 從而省去外部驅(qū)動設(shè)備, 降低系統(tǒng)成本。ZigBee 模塊同樣采用Freescale 的MC13192。
藍(lán)牙模塊主要實現(xiàn)藍(lán)牙HCI 層以下的協(xié)議, 并且提供符合藍(lán)牙規(guī)范的空中接口。本設(shè)計中, 采用Blue-Core2- Flash RF PnG( 8M) 藍(lán)牙單芯片方案, 它集成了射頻及基帶芯片。其UART(可以為二線: RXD、TXD; 四線:RXD、TXD、RTS、CTS; 八線: 完全RS232 方式)連接數(shù)據(jù)口用于數(shù)據(jù)傳輸。

3 基于藍(lán)牙和ZigBee 技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡(luò)軟件結(jié)構(gòu)
所設(shè)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(jié)點上。網(wǎng)關(guān)的主要功能是管理和處理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(luò)設(shè)備的應(yīng)用程序的報文發(fā)送到另一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備, 網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能單元(即管理層)要將報文進(jìn)行拆裝和封裝。網(wǎng)關(guān)把從發(fā)送設(shè)備接收到的分組數(shù)據(jù)進(jìn)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接收設(shè)備協(xié)議所要求的分組格式, 根據(jù)目的地址和接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到接收設(shè)備。藍(lán)牙與ZigBee 分組格式的轉(zhuǎn)換過程是: 網(wǎng)關(guān)通過射頻單元從ZigBee/ 藍(lán)牙設(shè)備收到ZigBee/藍(lán)牙分組對其進(jìn)行拆裝, 去掉分組頭和分組尾, 提取出數(shù)據(jù)凈載荷, 再按照藍(lán)牙/ZigBee 分組格式進(jìn)行封裝, 添加分組頭和分組尾, 通過射頻發(fā)送到藍(lán)牙/ZigBee 設(shè)備。
(2)地址處理。每個與網(wǎng)關(guān)建立連接的藍(lán)牙設(shè)備或ZigBee 設(shè)備都將與網(wǎng)關(guān)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(guān)的地址和端口號來惟一地標(biāo)識該藍(lán)牙設(shè)備或ZigBee 設(shè)備。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與ZigBee 設(shè)備交換信息時, 網(wǎng)關(guān)就負(fù)責(zé)藍(lán)牙通信協(xié)議與ZigBee 協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換工作, 從而使藍(lán)牙設(shè)備與ZigBee設(shè)備透明地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。地址映射可使用靜態(tài)或動態(tài)映射兩種方法。靜態(tài)映射是創(chuàng)建一個表, 將一個邏輯地址與物理地址關(guān)聯(lián)起來, 該表存儲在每個設(shè)備上。每當(dāng)物理地址發(fā)生變化時, 該表就必須更新, 較繁瑣。動態(tài)映射是當(dāng)設(shè)備知道邏輯地址或物理地址中的一個時, 就可使用協(xié)議將另一個地址找出來。通常使用動態(tài)映射的兩個協(xié)議來解析地址。
考慮到可穿戴網(wǎng)絡(luò)的特點, 采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng), 用戶能很容易地在其基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應(yīng)用程序。ZigBee 節(jié)點上的軟件主要利用C 語言開發(fā), 完成的功能是接收傳感單元的數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)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(jié)構(gòu)設(shè)計、無線傳輸技術(shù)的選擇, 正在進(jìn)行藍(lán)牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計及編程,接下來將要實現(xiàn)可穿戴網(wǎng)絡(luò)中的無線終端的集成以及在各種運動條件下可穿戴網(wǎng)絡(luò)的性能分析和改進(jìn)。