藍牙/ZigBee技術 助臂可穿戴網(wǎng)絡設計

　　1 引言

　　隨著微電子、計算機等技術的進步，促進了新一代小型、可移動、功能強大的計算設備的出現(xiàn)。但是人們已經不滿足各設備獨立工作，而是希望它們能根據(jù)人的需要和追求而工作，也就是要達到“計算以認為本”的概念。因此在小范圍內能夠將所有的設備互連而組成的網(wǎng)絡--——可穿戴網(wǎng)絡便應運而生。

　　所謂可穿戴網(wǎng)絡是指基于短距離無線通信技術（藍牙和ZigBee技術等）與可穿戴式計算機（wearcomp）技術的結合，穿戴在人體身上的、具有智能的、能收集人體和周圍環(huán)境信息的一種新型的個域網(wǎng)概念（PAN）。

　　2 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡體系結構

　　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、藍牙機頂盒等由LAN、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。目前考慮的可穿戴網(wǎng)絡的體系結構如圖1所示。系統(tǒng)中的設備包括主機、藍牙設備、ZigBee設備、Bluetooth/ZigBee網(wǎng)關。

　　2.1 主機部分

　　可穿戴式計算機由于其可穿戴性，則要求主機的重量輕、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。在主機中集成藍牙適配器的主要目的是使主機能與其它藍牙設備進行通信。如果條件允許還可在主機中集成GPS模塊等。

　　2.2 藍牙設備

　　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，把設備采集的數(shù)據(jù)通過藍牙鏈路傳輸?shù)街鳈C或反向傳輸。

　　頭戴顯示系統(tǒng)：內部集成了微型藍牙模塊、攝像頭、DSP芯片。首先通過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送入主機以進行進一步處理。

　　藍牙耳機：可以實現(xiàn)與其它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、TD-SCDMA網(wǎng)絡傳送到遠端。

　　圖 1 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡的體系結構

　　2.3 ZigBee設備

　　ZigBee設備可設計為手表式、鞋墊式等。它包括傳感器、A/D轉換器、ZigBee模塊。傳感器采集外部信號（心跳、血壓、脈搏、溫度、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，并經網(wǎng)關送入到主機。經主機處理之后，再傳送到其它設備。

　　2.4 藍牙/ZigBee網(wǎng)關

　　藍牙/ZigBee網(wǎng)關主要針對可穿戴網(wǎng)絡無線通信中兩種不同標準藍牙和ZigBee產品之間的相互通信，其協(xié)議模型如圖2所示

　　圖 2 藍牙 /ZigBee 網(wǎng)關的通信協(xié)議模型

　　3 基于藍牙和ZigBee的可穿戴網(wǎng)絡的硬件實現(xiàn)

　　在本文介紹的可穿戴網(wǎng)絡的體系結構中，主要需要實現(xiàn)的是ZigBee節(jié)點和網(wǎng)關的硬件平臺，下面介紹這兩個平臺的硬件實現(xiàn)。

　　3.1 ZigBee節(jié)點的硬件實現(xiàn)

　　ZigBee節(jié)點作為一種傳感器，其主要的功能是采集人們感興趣的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙/ZigBee網(wǎng)關，然后通過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)點主要由電源模塊、微控制器模塊、存儲單元、ZigBee收發(fā)模塊和傳感單元等組成，如圖3所示。

　　圖 3 ZigBee節(jié)點硬件框圖

　　整個ZigBee節(jié)點的通信模塊是由ZigBee收發(fā)器來實現(xiàn)的。ZigBee收發(fā)器我們選用的是Freescale公司的MC13192，該收發(fā)器工作在2.4GHzISM公用頻道。MC13192具有以下一些主要特點：

　　• 具有 16 個信道。

　　• 典型的發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率達到3.6dBm。

　　• 采用DSSS擴頻通信技術，最大速率為250kbps。

　　• 在分組錯誤率為1％的情況下，其接收靈敏度達到－92dBm（典型值）。

　　• 7個通用輸入輸出端口（GPIO）。

　　• 整個ZigBee節(jié)點采用AAA電池供電。

　　3.2 藍牙/ZigBee網(wǎng)關的硬件實現(xiàn)

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

　　網(wǎng)關的中央處理單元主要完成從藍牙和ZigBee協(xié)議的轉換工作：對從ZigBee設備發(fā)送到帶藍牙適配器的主機的數(shù)據(jù)來說，在藍牙/ZigBee網(wǎng)關它需經過以下處理：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。對從藍牙設備發(fā)送到ZigBee設備的數(shù)據(jù)來說過程相似。

　　中央處理單元的主要器件是Freescale的MC68HC908KL8微處理器，該微處理器具有16種靈活的尋址方式、高效指令集；支持在線可重復編程，這樣可達成低成本的編程變更和現(xiàn)場軟件升級；編程速度極快，64字節(jié)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(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。在本設計中，我們采用BlueCore2-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。

　　4 基于藍牙和ZigBee技術的可穿戴網(wǎng)絡的軟件結構

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

　　分組處理：要將來自一個網(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)關中的協(xié)議轉換功能單元----管理層就要將報文進行拆裝和封裝。網(wǎng)關把它從發(fā)送設備接收到的分組進行拆裝，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分組格式的轉換式：網(wǎng)關通過射頻單元從ZigBee設備（藍牙設備）收到ZigBee分組（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，再按照藍牙分組（ZigBee分組）格式進行封裝，添加分組頭和分組尾，通過射頻發(fā)送到藍牙設備（ZigBee設備）。

　　地址處理：每一個與網(wǎng)關建立連接的藍牙設備或ZigBee設備都將與網(wǎng)關中的一個端口綁定在一起（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唯一地標識該藍牙設備或ZigBee設備。當藍牙設備和ZigBee設備交換信息時，網(wǎng)關就負責藍牙通信協(xié)議和ZigBee協(xié)議之間的轉換工作。從而使藍牙設備和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)映射使創(chuàng)建一個表，將一個邏輯地址與物理地址關聯(lián)起來，該表存儲在每一個設備上。每當物理地址發(fā)生變化，這個表就必須更新，比較麻煩。動態(tài)映射是當設備知道兩個地址（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，我們采用嵌入式linux操作系統(tǒng)，用戶很容易在其基礎上開發(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)，主要完成的功能是接受傳感單元的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙/ZigBee網(wǎng)關上。

　　5 目前的工作進展以及總結

　　文中對可穿戴網(wǎng)絡的概念、特點、網(wǎng)絡體協(xié)結構、整個網(wǎng)絡的硬件實現(xiàn)和軟件結構作料分別進行了介紹。目前我們已經完成了可穿戴網(wǎng)絡網(wǎng)絡結構設計、無線傳輸技術的選擇，正在進行藍牙/ZigBee網(wǎng)關的設計以及編程工作，接下來我們還要實現(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。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)2月《可穿戴技術特刊》“透視新設計”欄目，轉載請注明出處，違者必究！