基于藍牙和ZigBee 技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡設計

可穿戴網(wǎng)絡是指基于短距離無線通信技術(shù)( 藍牙和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) 。可穿戴計算機可以為可穿戴網(wǎng)絡提供核心計算技術(shù)。有Ad Hoc 性能的藍牙和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(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)
可穿戴網(wǎng)絡組網(wǎng)靈活、移動性強, 對外網(wǎng)的接入方式多種多樣, 可通過藍牙網(wǎng)關(guān)、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入手段, 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)絡的體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)中的設備包括主機、藍牙設備、ZigBee 設備和藍牙/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(wǎng)絡中的藍牙設備是內(nèi)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。
頭戴顯示系統(tǒng)內(nèi)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- 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(xiàn)與其他藍牙設備的音頻信號傳輸, 通過語音命令實現(xiàn)對主機的控制, 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, 再傳送到其他設備。

1 .4 藍牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)
藍牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)主要針對可穿戴網(wǎng)絡無線通信中藍牙和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)絡的硬件實現(xiàn)
在可穿戴網(wǎng)絡的體系結(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)送到藍牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān), 通過GPRS、CDMA 或WI - FI 等發(fā)送到遠程控制中心或數(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 藍牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)
網(wǎng)關(guān)在可穿戴網(wǎng)絡中起著很重要的作用。藍牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由ZigBee 模塊、藍牙模塊和中央處理單元組成。
網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要完成藍牙與ZigBee 協(xié)議的轉(zhuǎn)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(guān)需依次進行以下處理: 將從ZigBee 設備接收到的數(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, 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(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)動設備, 降低系統(tǒng)成本。ZigBee 模塊同樣采用Freescale 的MC13192。
藍牙模塊主要實現(xiàn)藍牙HCI 層以下的協(xié)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- 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(shù)據(jù)口用于數(shù)據(jù)傳輸。

3 基于藍牙和ZigBee 技術(shù)的可穿戴網(wǎng)絡軟件結(jié)構(gòu)
所設計的可穿戴網(wǎng)絡中, 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)絡設備的應用程序的報文發(fā)送到另一個網(wǎng)絡設備, 網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能單元(即管理層)要將報文進行拆裝和封裝。網(wǎng)關(guān)把從發(fā)送設備接收到的分組數(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接收設備協(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)送到接收設備。藍牙與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, 再按照藍牙/ZigBee 分組格式進行封裝, 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(guān)建立連接的藍牙設備或ZigBee 設備都將與網(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識該藍牙設備或ZigBee 設備。當藍牙設備與ZigBee 設備交換信息時, 網(wǎng)關(guān)就負責藍牙通信協(xié)議與ZigBee 協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換工作, 從而使藍牙設備與ZigBee設備透明地進行數(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, 該表存儲在每個設備上。每當物理地址發(fā)生變化時, 該表就必須更新, 較繁瑣。動態(tài)映射是當設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)送到藍牙/Zig-Bee 網(wǎng)關(guān)上。
目前已經(jīng)完成了可穿戴網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)設計、無線傳輸技術(shù)的選擇, 正在進行藍牙/ZigBee 網(wǎng)關(guān)的設計及編程,接下來將要實現(xiàn)可穿戴網(wǎng)絡中的無線終端的集成以及在各種運動條件下可穿戴網(wǎng)絡的性能分析和改進。