無線通信技術在可穿戴計算機中應用研究

摘　要：將藍牙、CPRS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CPRS技術以及藍牙模塊與USB接口的CPRS模塊的硬件及軟件實現(xiàn)。

關鍵詞：可穿戴計算機 藍牙 CPRS(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?；谄涮攸c，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人可穿戴計算機中，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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)，并將深刻地改變計算機市場的競爭格局，其社會和經(jīng)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(nóng)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(jié)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(jié)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(diào)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(HCl)：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(nèi)能夠?qū)€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(jié)構(gòu)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Intemet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。

2．3 WearComp藍牙個域網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)

2．3．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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(jié)構(gòu)組成如圖2所示。其中各個終端設備和主機均內(nèi)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(gòu)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(jié)構(gòu)。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(chǎn)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?qū)ο蟮木幊陶Z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 101007，由無線電、基帶和閃存構(gòu)成，內(nèi)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(nèi)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接口技術應用子可穿戴計算機

　　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(chǎn)的PDIUSBDl2獨立USB控制器。PDIUSBDl2的突出特點是特別適用于便攜式USB設備、產(chǎn)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(zhuǎn)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(USBDevice 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(jié)構(gòu)并能熟練運用DDK工具。

　　USB總線驅(qū)動設計主要包括五部分，分別是向上對USB設備驅(qū)動和應用提供的函數(shù)接口USBDAPI、向下對主機控制器驅(qū)動提供的函數(shù)接口HCDAPI、USB系統(tǒng)資源、集線器驅(qū)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(chǎn)品種類很多。由于本文設計的USB總線驅(qū)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(qū)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

4．1 GPRS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接人更廉價；新的應用能夠?qū)崿F(xiàn)真正的插人及操作方案；用戶可以即時接人多種服務，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(chǎn)的GPRS模塊GM47(如圖4所示)。

    W77E58是由Winbond公司生產(chǎn)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(zhuǎn)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(gòu)成的USB接口電路：PDIUSBD12的8位并行數(shù)據(jù)接人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)：刊。

　　由GM47模塊和W77E58構(gòu)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)、DED(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(jīng)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(jié)束標志結(jié)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ME、SM、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(zhuǎn)換到在線數(shù)據(jù)模式；

AT+CGATr／／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 ／／進人數(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。