基于藍牙和ZigBee技術的可穿戴網絡設計

可穿戴網絡是指基于短距離無線通信技術(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周圍環(huán)境信息的一種新型個域網(PAN)?？纱┐饔嬎銠C可以為可穿戴網絡提供核心計算技術。有Ad Hoc性能的藍牙和ZigBee等短距離無線通信技術作為其底層傳輸手段，結合各自優(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┐?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/網絡">網絡具有移動性、持續(xù)性和交互性等特點。

1 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網絡體系結構

可穿戴網絡組網靈活、移動性強，對外網的接入方式多種多樣，可通過藍牙網關、藍牙機頂盒等由LAN和ADsL等全速接入Internet。當其大范圍移動時可以藍牙手機作為接人手段，使得可穿戴網絡具有很強的移動性。目前基于藍牙和ZigBee的可穿戴網絡的體系結構如目1所示。系統中的設備包括主機、藍牙設備、ZigBee設備和藍牙/ZigBec網關。

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IAnux嵌入式操作系統，其上集成藍牙協議棧。由于頭戴顯示系統中的多媒體流和 GP

RS骨干網的帶寬限制，要求主機有較高的存儲能力，內部集成10GB的硬盤。在主機中集成藍牙適配器的主要目的是使主機能與其他藍牙設備進行通信。如果條件允許，還可在主機中集成GPS模塊等。

1.2 藍牙設備

可穿戴網絡中的藍牙設備是內嵌了藍牙模塊的小型化設備。采集到的數據通過藍牙鏈路在主機與藍牙設備(如藍牙手機)之間傳輸。

頭戴顯示系統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芯片進行預處理以去除視頻和圖像信號的冗余，其視頻壓縮標準可以采用MPEG一4。DSP處理后的信號可直接送入顯示屏或主機以進一步處理。

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

1.3 ZigBee設備

ZigBee設備可設計為手表式和鞋墊式等。它包括傳感器、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。經主機處理之后，再傳送到其他設備。

1.4 藍牙/ZigBoe網關

藍牙/ZigBee網關主要針對可穿戴網絡無線通信中藍牙和ZigBee產品之間的相互通信，其協議模型如圖2所示。

2 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網絡的硬件實現

在可穿戴網絡的體系結構中，主要包括ZigBee節(jié)點和網關的硬件平臺。下面介紹這兩種平臺的硬件實現。

2.1 ZigBoa節(jié)點的硬件實現

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據，并將數據發(fā)送到藍牙/ZigBee網關，通過GPRS、CDMA或WI—FI等發(fā)送到遠程控制中心或數據庫。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。

系統中的MCU采用Freescale公司hc(s)08系列的8位MC9SOSGB60。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lmW。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lObit的A/D轉換器、多個I/O數據線、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。

整個ZigBee節(jié)點的通信模塊由ZigBee收發(fā)器來實現。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)射功率達到3.6dBm：

(3)采用DSSS擴頻通信技術，最大速率為250Kbps;

(4)在分組錯誤率為1%的情況下，其接收靈敏度達到-92dBm(典型值);

(5)7個通用輸入，輸出端口(GPl0)。

整個ZigBee節(jié)點采用AAA電池供電。

2.2 藍牙/ZigBoe網關的硬件實現

網關在可穿戴網絡中起著很重要的作用。藍牙，ZigBee網關的硬件部分主要由ZigBee模塊、藍牙模塊和中央處理單元組成。

網關的中央處理單元主要完成藍牙與ZigBee協議的轉換工作。當有主機數據從ZigBee設備發(fā)送到帶藍牙適配器時，藍牙/ZigBee網關需依次進行以下處理：將從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。當有數據從藍牙設備發(fā)送到ZigBee設備時，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;支持在線可重復編程，可滿足低成本的編程變更需求和現場軟件升級;編程速度極快，64B的編碼在2ms內完成.極快的編程速度降低了產品編程成本：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，從而省去外部驅動設備，降低系統成本。ZigBee模塊同樣采用Freescale的MCl3192。

藍牙模塊主要實現藍牙HCI層以下的協議，并且提供符合藍牙

規(guī)范的空中接口。本設計中，采用Blue—Core2一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：RXD、TXD;四線：RXD、TXD、RTS、CTS;八線：完全RS232方式)連接數據口用于數據傳輸。

3 基于藍牙和ZigBee技術的可穿戴網絡軟件結構

所設計的可穿戴網絡中，軟件部分主要集中在網關和ZigBee節(jié)點上。網關的主要功能是管理和處理ZigBee節(jié)點傳輸過來的數據。主要處理兩個問題：分組處理和地址處理。