無線通信技術在可穿戴計算機中的應用研究

武漢大學電子信息學院(430072) 黃天戍 岳 斌 萬志江 汪汝寧
 
　　摘　要：將藍牙、GPRS無線通信以及USB技術應用于可穿戴計算機中,使其更具操作性、靈活性。重點介紹了藍牙和GPRS技術以及藍牙模塊與USB接口的GPRS模塊的硬件及軟件實現(xiàn)。
　　關鍵詞：可穿戴計算機 藍牙 GPRS(通用分組無線業(yè)務) USB(通用串行總線)

　　近年來,可穿戴計算機(Wearable Computer,WearComp)悄然成為研究熱點,發(fā)展勢頭非常迅猛?？纱┐饔嬎銠C技術打破了傳統(tǒng)的交互模式,使人與計算機成為一體,提高了人的整體交互和計算能力。它提供了一種無處不在的計算和無時不有的交互方式。
　　可穿戴計算機系統(tǒng)的硬件在應用的促進下得到了長足發(fā)展。基于其特點,可穿戴計算機的各個組成部分(終端設備)一般都處于分置狀態(tài),即´´穿戴´´在人體的不同部位。傳統(tǒng)的WearComp一般是利用線纜將各終端設備連接到主機的各種接口,使穿戴人肢體活動受到限制且主機的端口顯得比較冗雜。而將以藍牙(Bluetooth)以及GPRS技術為代表的無線通信技術引入可穿戴計算機中,可以進一步使可穿戴計算機的交互方式向移動性、可獲取性、自然性和簡潔性發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的有線接口方式,無線方式的設計則更具有人性化。其中,藍牙技術解決了WearComp中各終端設備與主機的通信問題,除去了眾多線纜對人的束縛;GPRS技術使得WearComp能夠輕松地享受電信服務商提供的各項無線通信業(yè)務,且時時在線。另外,藍牙和USB總線技術的應用使得傳統(tǒng)可穿戴計算機過于冗雜的主機接口得以精簡。在這些基礎上,筆者提出了一種無線通信技術在可穿戴計算機中的應用。
1 可穿戴計算機
　　隨著計算機及相關元器件不斷超微型化的發(fā)展,可穿戴計算機應運而生,是人們追求´´計算機以人為本´´這一理念和市場需求的必然產物。WearComp是計算機方面具有挑戰(zhàn)性的前沿研究領域,是繼PC機、筆記本電腦和掌上電腦之后的新一代計算機,也是計算機的尖端技術產品。它拓展了計算機的功能,開辟了新的應用領域,用途廣泛,市場潛力巨大。作為新一代計算機(而不是新的機型),可穿戴計算機將形成一個新的產業(yè),并將深刻地改變計算機市場的競爭格局,其社會和經濟效益不可估量。
　　可穿戴計算機在許多領域具有特殊用途,可廣泛應用于工業(yè)、軍事、情報、新聞、醫(yī)療、商業(yè)、農業(yè)、金融與證券、搶險與救災乃至日常生活等領域。它與UC技術、智能化住宅、智能化商業(yè)、智能化交通等相結合將使未來人類的生活方式發(fā)生巨大的變革,進入一個高度數(shù)字化和自動化的時代。工業(yè)是目前最有潛力的應用領域之一,特別是在室外、野外、水下等一些特殊場合,可穿戴計算機將發(fā)揮非常重要的作用。例如:大型復雜設備的安裝與檢修、巡視與檢查、 采掘、野外勘探等。軍事是目前可穿戴計算機另一個最具潛力的應用領域,主要用于偵察、作戰(zhàn)指揮、通信、復雜武器系統(tǒng)的操作與維護及仿真演習等。根據(jù)不同的用途,可穿戴計算機的種類也是多樣化的,分別有偵察兵、炮兵、裝甲兵、步兵、后勤人員及飛行員等專用的可穿戴計算機[1]。
　　可穿戴計算機的主要組成部分包括低功耗嵌入式CPU、多種多樣的便攜式外設及其接口設備和能量高體積小的電源;基本外設主要有輸出設備和輸入設備。為了便于攜帶,輸出設備用頭盔顯示器或眼鏡顯示器代替了傳統(tǒng)的桌面臺式顯示器,輸入設備用語音控制或較少按鍵的袖珍鍵盤代替了傳統(tǒng)的鍵盤。另外,根據(jù)用戶不同的需求,還需配備相應的外部設備,如無線通信設備、語音輸入輸出設備、圖像采集設備、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及各種各樣的傳感器。然而,為了將眾多的外設集成在一起,必需將相應的接口電路集成在主板上。所以接口電路設計技術是可穿戴技術中關鍵技術之一[2]。
　　可穿戴計算機使人機關系變得非常緊密。同時,由于各種設備裝備在人的身上,因此,安裝的位置、形狀、操作的便捷性等都要與人的自然屬性密切結合,形成一個綜合的、和諧的人機界面。這對新一代人機交互的研究提出了新的挑戰(zhàn)。藍牙技術的日漸興起為實現(xiàn)人機交互方式的最大自由度提供了一個很好的解決方案。
2 藍牙技術在可穿戴計算機中的應用
2.1 藍牙技術概述
　　藍牙是短距離無線數(shù)據(jù)的開放性規(guī)范。它以低成本近距離無線連接為基礎,為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。藍牙技術最初以取消各種電器之間的連線為目標。隨著研究的深入,藍牙技術已經用于實現(xiàn)網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)及語音設備之間的無縫資源共享,以及工業(yè)控制網(wǎng)絡之中。
　　藍牙體系主要由藍牙主機和藍牙模塊兩大結構組成。藍牙模塊中最下層是無線電(Radio),負責最終的物理鏈接,包括信號的調制、發(fā)送和接收。
　　基帶(Baseband):負責基帶鏈路控制器的數(shù)字信號處理規(guī)范?；鶐ф溌房刂破髫撠熖幚砘鶐f(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議?；鶐ф溌房刂破髦邪N糾錯方案:1/3比例前向糾錯(FEC)碼、2/3比例前向糾錯碼、數(shù)據(jù)自動重發(fā)請求(ARQ)方案。
　　鏈路管理層(Link Manager):攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設置、鑒權、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其它遠端的LM并通過LMP(鏈路管理協(xié)議)與之通信。
　　主機控制接口(HCI):通過主機控制接口HCI,可以方便地把藍牙模塊嵌入到各種數(shù)字設備中作為一個終端。
　　應用層:在藍牙主機上,是一些應用程序。
2.2藍牙無線個域網(wǎng)
　　無線個域網(wǎng)WPAN的目的就是為了在小范圍內能夠將個人設備互聯(lián)而組成網(wǎng)絡。藍牙作為一種小范圍無線連接技術,能夠在設備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信,是目前實現(xiàn)無線個域網(wǎng)的主流技術之一。
　　藍牙個人區(qū)域網(wǎng)PAN有兩種應用模型:一種被稱為組網(wǎng)絡GN(Group Ad-hoc Networking);另一種被稱為網(wǎng)絡訪問點NAP(Networking Access Point)。這兩種實現(xiàn)模式分別有不同的網(wǎng)絡結構和協(xié)議模型[3]。組網(wǎng)被設計用來允許一個或多個藍牙設備組成一個局域網(wǎng)絡,而網(wǎng)絡訪問點提供藍牙設備進入Internet網(wǎng)絡的能力。無論是NAP還是GN都必須提供與TCP/IP和其它網(wǎng)絡協(xié)議的無縫實現(xiàn)。圖1是GN在協(xié)議棧部分圖示[4]。

　　根據(jù)可穿戴計算機將組成的個域網(wǎng)的特點,采用組網(wǎng)絡模型顯然是比較合適的。
2.3WearComp藍牙個域網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)
2.3.1 系統(tǒng)結構
　　下面以從事?lián)岆U救災技術勘察工作人員的可穿戴計算機為例,具體介紹藍牙技術的應用。根據(jù)工作人員的實際需求,該套可穿戴計算機應具有頭戴顯示器、耳機、耳麥、微型攝像機、手寫輸入板、腕式鍵盤和無線通信模塊等外設。
　　根據(jù)藍牙個人區(qū)域網(wǎng)PAN的組網(wǎng)絡GN模式,筆者設計的可穿戴計算機系統(tǒng)結構組成如圖2所示。其中各個終端設備和主機均內置了藍牙模塊。

2.3.2 可穿戴計算機終端設備和藍牙技術集成的實現(xiàn)
　　藍牙協(xié)議支持點對點和點對多點的鏈接。每個藍牙的微微網(wǎng)(piconet)中有Master和Slave兩種權限,除了Slave和Master以外,各個Slave節(jié)點之間也可以通信。在這里只以單個的piconet為主干構建WearComp無線網(wǎng)絡。Master節(jié)點為WearComp網(wǎng)絡主控節(jié)點,實現(xiàn)信息的匯集處理功能;Slave節(jié)點為無線設備?？紤]到各個無線設備之間是互相獨立的,信息融合只在Master節(jié)點完成,所以僅實現(xiàn)Master點對多Slave點的通信,形成一個星型的拓撲結構。每個piconet有3位地址碼,即piconet的容量最多為8個節(jié)點,各個Slave節(jié)點負責對原始數(shù)據(jù)的預處理(包括濾波、補償、數(shù)字化等)和處理后數(shù)據(jù)的發(fā)送,上層是基于普通PC機或其他類型上位機(如嵌入式計算機)的Master節(jié)點,所有無線設備的信息在這里進行更高一級處理。
　　在通用異步收發(fā)(UART)模式下,藍牙模塊依照標準接口使用,主控接口HCI已定義好,可以在RS232接口上實現(xiàn)。終端設備模塊攜帶與藍牙模塊兼容的接口,如RS232。通過這個標準接口,終端設備接口模塊可以與藍牙模塊連接在一起,實現(xiàn)對藍牙模塊的控制。這樣不同廠家生產的藍牙模塊就可以與同一種終端設備銜接。
　　軟件部分:整個系統(tǒng)的應用軟件可分為三部分:
　　(1)運行在上位機上的應用程序,包括面向用戶的圖形用戶界面、面向終端設備接口模塊層的操作(主要是對終端設備的控制和通信),以及同藍牙模塊上的HCI固件(firmware)的通信程序。這部分可用面向對象的編程語言實現(xiàn),把每個終端設備節(jié)點作為一個節(jié)點類的實例對象,應用程序通過與實例對應的句柄訪問控制各個終端設備節(jié)點。
　　(2)嵌入到終端設備模塊的MCU上的程序。針對不同的MCU用匯編或是C語言寫成。主要完成原始信息的采集、處理、讀取、與HCI固件的通信、利用終端設備接口模塊層與上位機通信。
　　(3)藍牙模塊上的HCI固件固化在藍牙基帶模塊的Flash存儲器里。通過它實現(xiàn)終端設備模塊、上位機中軟件與藍牙硬件的通信。
　　硬件部分:藍牙模塊采用愛立信公司的ROK 101 007,由無線電、基帶和閃存構成,內置支持HCI的固件,外圍有適于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢ART接口和USB接口,也有適于語音傳輸?shù)腜CM接口。功耗小,具有內置屏蔽功能。主機CPU采用嵌入式Pentium,功耗僅為1.5W,不需要風扇即可正常使用。
3 USB接口技術應用于可穿戴計算機
　　體積小、功能強、外圍設備多、集成度高是可穿戴計算機的主要特點之一。由于可穿戴計算機對多媒體的要求很高,要實現(xiàn)的功能很多,以至于其外設種類很多,所以要求其接口種類也比較多,如串口、MCP接口、USB接口及PCMCIA接口等。若將眾多接口都集成在一起,不但設計復雜,而且集成后的體積仍然較大,且其擴充性也較低。USB接口則將這些不同的接口統(tǒng)一起來,使用一個4針插頭作為標準插頭。在可穿戴計算機的設計中采用USB接口作為主要的外設接口,可彌補上述不足。
　　具體實現(xiàn):
　　(1)硬件部分:在主機端采用PHILIPS公司生產的PDIUSBD12獨立USB控制器。PDIUSBD12的突出特點是特別適用于便攜式USB設備、產品的改型設計,以及需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
　　(2)軟件部分:USB設備的軟件設計主要包括兩部分:一是USB設備端的單片機軟件,主要完成USB協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換(多數(shù)情況下是一個中斷子程序)以及其它應用功能程序(例如A/D轉換、MP3解碼等);二是PC端的程序由USB通信程序和用戶服務程序兩部分組成,用戶服務程序通過USB通信程序與系統(tǒng)USBDI(USB Device Interface)通信,由系統(tǒng)完成USB協(xié)議的處理與數(shù)據(jù)傳輸。PC端程序的開發(fā)難度非常大,程序員不僅要熟悉USB協(xié)議,還要熟悉WINDOWS體系結構并能熟練運用DDK工具。
　　USB總線驅動設計主要包括五部分,分別是向上對USB設備驅動和應用提供的函數(shù)接口USBDAPI、向下對主機控制器驅動提供的函數(shù)接口HCDAPI、USB系統(tǒng)資源、集線器驅動、系統(tǒng)配置及總線枚舉器(如圖3所示)。定義好這些接口之后,后三部分可并行設計和開發(fā)。

　　目前嵌入式系統(tǒng)中軟硬件產品種類很多。由于本文設計的USB總線驅動與USB設備和USB主機之間通過定義的標準軟件接口,對USB設備和USB主機的操作分別通過各自的驅動完成,從而避免了與硬件直接打交道,所以這部分設計與硬件和操作系統(tǒng)的相關性不大,適于各種不同的系統(tǒng)。
4 GPRS技術在可穿戴計算機中的應用
4.1GPRS技術概述
　　通用分組無線業(yè)務(GPRS)是在現(xiàn)有的全球移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡基礎上疊加了一個新的網(wǎng)絡,它充分利用了現(xiàn)有移動通信網(wǎng)的設備,在GSM網(wǎng)絡上增加一些硬件設備并進行軟件升級,形成一個新的網(wǎng)絡邏輯實體。它突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維定式,以分組交換技術為基礎,采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡協(xié)議,能夠提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kbps更高的數(shù)據(jù)速率,其數(shù)據(jù)速率可達170kbps;它可以給GSM用戶提供移動環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)業(yè)務,包括收發(fā)電子郵件、因特網(wǎng)瀏覽等IP業(yè)務功能[5]。
　　由于GPRS是分組交換技術,應用了統(tǒng)計復用技術,因此GPRS開通的數(shù)據(jù)通信是按用戶數(shù)據(jù)的傳輸信息量計費,而不是按傳統(tǒng)的按時計費方式,所以對用戶而言還可以節(jié)省費用。另外,由于GPRS支持X.25協(xié)議和IP協(xié)議,因此,對于GSM網(wǎng)現(xiàn)有電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(CSD)和短信息業(yè)務(SMS),GPRS是補充而不是替代。
　　GPRS開啟了大眾移動數(shù)據(jù)應用的大門。采用GPRS技術,用戶可以得到以下好處:只對傳輸數(shù)據(jù)收費(實際用量)而對連接間隙不收費;保持永久連接;通過IP的直接ISP接入更廉價;新的應用能夠實現(xiàn)真正的插入及操作方案;用戶可以即時接入多種服務,如:在上網(wǎng)的同時可以進行語音呼叫;手機的IP功能(互聯(lián)網(wǎng)、遙測、電子商務等)。
　　基于可穿戴計算機的可移動性和靈活性,能夠與外界進行良好的無線通信成為其必備的功能。因此,筆者為WearComp配備了一個基于GPRS技術的無線網(wǎng)卡。
4.2 USB接口的GPRS Modem的設計
4.2.1 硬件設計
　　本Modem設計中用到的主要元件包括51系列單片機W77E58、獨立的USB接口芯片PDIUSBD12及愛立信公司生產的GPRS模塊GM47(如圖4所示)。

　　W77E58是由Winbond公司生產的與51系列兼容的單片機。它支持40MHz晶振頻率且縮短了指令周期,具有與51系列兼容的指令集和與80C52兼容的引腳排列,以及32KB的Flash EPROM和1KB的片上SRAM;另外,它所提供的CMOS電平也與GM47模塊所提供的CMOS電平完全兼容,無需再進行電平轉換。以上這些特性都說明將單片機W77E58用于本Modem的設計是非常合適的[6]。
　　由PDIUSBD12和W77E58構成的USB接口電路:PDIUSBD12的8位并行數(shù)據(jù)接入W77E58的P0口,P2.6作為PDIUSBD12的命令或數(shù)據(jù)的選擇線。PDIUSBD12與W77E58的數(shù)據(jù)交換采用中斷方式(外部中斷0)。USB設備通過四線電纜接入主機或USBHub,這四線分別是:Vbus(總線電源)、GND(地線)、D+和D-(數(shù)據(jù)線)。主機通過D+和D-上的電壓變化檢測設備的狀態(tài)[7]。
　　由GM47模塊和W77E58構成的GPRS接口電路:作為一種應用終端模塊,GM47通過自帶的UART端口與控制它的MCU或PC機聯(lián)系。在UART端口引腳中,RD(串行數(shù)據(jù)輸出)和TD(串行數(shù)據(jù)輸入)作為數(shù)據(jù)口分別與W77E58的RXD和TXD連接,而CTS(發(fā)送清零)、TS(發(fā)送請求)、DTR(數(shù)據(jù)終端準備好)、DCD(數(shù)據(jù)有效檢測)作為控制口分別與W77E58的P1.0～P1.3連接。這樣就完成了GM47與W77E58的通信控制連接。為了實現(xiàn)GPRS的功能,GM47模塊還需要完成SIM卡、天線、電源等部分的連接。
4.2.2 軟件設計
　　USB部分:W77E58對PDIUSBD12的控制軟件主要完成USB協(xié)議處理與數(shù)據(jù)交換以及其它應用功能程序。在本設計中,要求利用W77E58相對高的處理速度完成可穿戴計算機主機發(fā)來的較大數(shù)據(jù)量的處理(如經壓縮過的視頻、音頻信號等)。
　　GPRS部分:GM47 GPRS模塊的軟件部分對外提供了一個控制系統(tǒng)操作的AT指令集,通過接收來自UART的AT指令,解釋并執(zhí)行相應的操作,從而實現(xiàn)無線Modem的對應功能。所有的Modem命令都是從一個特定的指令前綴(AT)開始,到一個命令結束標志結束。以下介紹幾個常用的AT指令[8]:
　　ATD             //撥號指令:在后面接電話號碼,并可通過MESM、LD等控制字選擇號碼的來源是機器、SIM卡或是最近所撥號;
　　ATH             //掛起:提示終止通話;
　　ATO             //返回至在線數(shù)據(jù)模式:在通話過程中從在線控制模式轉換到在線數(shù)據(jù)模式;
　　AT+CGATT        //是移動終端進入或離開GPRS服務(后接´´1´´為進入,´´0´´為離開);
　　AT+CGDATA       //進入數(shù)據(jù)狀態(tài):利用PPP等協(xié)議完成將移動終端連接到網(wǎng)絡上的操作;
　　AT+CGEREP       //GPRS事件報告;
　　AT+CDREG        //GPRS網(wǎng)絡登記狀態(tài)。
　　GM47模塊還提供了很多其他指令,這些指令為實現(xiàn)該模塊強大的功能奠定了基礎,也為眾多應用開發(fā)人員提供了優(yōu)良的開發(fā)平臺。
參考文獻
1 陳東義.可穿戴計算機及其應用.計算機世界,2002-1-23
2 趙蘊龍.USB技術在可穿戴計算機中的應用,計算機工程與設計,2001;(6)
3 Bluetooth Special Interest Group. Personal Area Networking Profile [Z]. June 26, 2001
4 Bluetooth Special Interest Group.Bluetooth Network Encapsu-lation Protocol (BNEP) Specification [Z]. June 12, 2001
5 祝 侃.通用分組無線業(yè)務(GPRS)[J]. 數(shù)據(jù)通信, 2000;(30):48～51
6 Winbond Electronics corp. W77E58 8-BIT MICROCONTR-OLLER. July 13 2001.
7 周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發(fā).北京:北京航空航天大學出版社,2003
8 Sony Ericsson Mobile Communications International. GM47Integrators Manual Draft PA1. 2001