基于蓝牙和ZigBee 技术的可穿戴网络设计

可穿戴网络是指基于短距离无线通信技术( 蓝牙和ZigBee 技术等) 与可穿戴式计算机( wearcomp ) 技术、穿戴在人体上、具有智能收集人体和周围环境信息的一种新型个域网( PAN) 。可穿戴计算机可以为可穿戴网络提供核心计算技术。有Ad Hoc 性能的蓝牙和ZigBee等短距离无线通信技术作为其底层传输手段, 结合各自优势组建一个无线、高度灵活、自组织, 甚至是隐蔽的微型PAN。可穿戴网络具有移动性、持续性和交互性等特点。
1 基于蓝牙和ZigBee 的可穿戴网络体系结构
可穿戴网络组网灵活、移动性强, 对外网的接入方式多种多样, 可通过蓝牙网关、蓝牙机顶盒等由LAN 和ADSL 等全速接入Internet 。当其大范围移动时可以蓝牙手机作为接入手段, 使得可穿戴网络具有很强的移动性。目前基于蓝牙和ZigBee 的可穿戴网络的体系结构如图1 所示。系统中的设备包括主机、蓝牙设备、ZigBee 设备和蓝牙/ZigBee 网关。

1 .1 主机部分
可穿戴式计算机因其可穿戴性, 要求主机的重量轻、体积小。主机芯片采用Linux 嵌入式操作系统, 其上集成蓝牙协议栈。由于头戴显示系统中的多媒体流和GPRS 骨干网的带宽限制, 要求主机有较高的存储能力,内部集成10GB 的硬盘。在主机中集成蓝牙适配器的主要目的是使主机能与其他蓝牙设备进行通信。如果条件允许, 还可在主机中集成GPS 模块等。

1 .2 蓝牙设备
可穿戴网络中的蓝牙设备是内嵌了蓝牙模块的小型化设备。采集到的数据通过蓝牙链路在主机与蓝牙设备(如蓝牙手机)之间传输。
头戴显示系统内部集成了微型蓝牙模块、摄像头和DSP 芯片。摄像头采集初始图像, 送入DSP 芯片进行预处理以去除视频和图像信号的冗余, 其视频压缩标准可以采用MPEG- 4。DSP 处理后的信号可直接送入显示屏或主机以进一步处理。
蓝牙耳机可以实现与其他蓝牙设备的音频信号传输, 通过语音命令实现对主机的控制, 或者将话音信号通过GPRS 、CDMA 和TD- SCDMA 网络传送到远端。

1 .3 ZigBee 设备
ZigBee 设备可设计为手表式和鞋垫式等。它包括传感器、A/D 转换器和ZigBee 模块。传感器采集外部信号( 心跳、血压、脉搏、温度和干湿度等) 并将它们转化为电信号, 然后通过A/D 转换器转换后送入MCU, 最后通过ZigBee 收发模块并经网关送入主机。经主机处理之后, 再传送到其他设备。

1 .4 蓝牙/ZigBee 网关
蓝牙/ZigBee 网关主要针对可穿戴网络无线通信中蓝牙和ZigBee 产品之间的相互通信, 其协议模型如图2所示。

2 基于蓝牙和ZigBee 的可穿戴网络的硬件实现
在可穿戴网络的体系结构中, 主要包括ZigBee 节点和网关的硬件平台。下面介绍这两种平台的硬件实现。

2 .1 ZigBee 节点的硬件实现
ZigBee 节点作为一种传感器, 其主要功能是采集用户感兴趣的数据, 并将数据发送到蓝牙/ZigBee 网关, 通过GPRS、CDMA 或WI - FI 等发送到远程控制中心或数据库。ZigBee 节点硬件框图如图3 所示。它主要由电源模块、微控制器( MCU) 、存储器、ZigBee 收发器和传感器等组成。

图3 ZigBee 节点硬件框图
系统中的MCU 采用Freescale 公司hc (s)08 系列的8 位MC9S08GB60。MC9S08GB60 具有丰富的片上存储功能, 有64KB( 其中Flash 占60KB, RAM 占4KB) 的存储空间。在40MHz 的工作频率下, 其功率消耗不到1mW。而且该微控制器具有多种省电模式以供选择。除了具有丰富的片上存储功能和多种省电模式以外,MC9S08GB60 微控制器还具有8 个10bit 的A/D 转换器、多个I/O 数据线、2 个串行通信接口(SCI)、四线串行外围接口(SPI)。这些特点使它易于进行软件编程, 其接口还可用作与传感器的接口。
整个ZigBee 节点的通信模块由ZigBee 收发器来实现。ZigBee 收发器选用Freescale 公司的MC13192。该收发器工作在2.4GHz ISM 公用频道。MC13192 特点如下:
(1)具有16 个信道;
(2 ) 典型的发射功率为0dBm, 最大发射功率达到3.6dBm;
(3)采用DSSS 扩频通信技术, 最大速率为250Kbps ;
(4)在分组错误率为1%的情况下, 其接收灵敏度达到- 92dBm( 典型值) ;
(5)7 个通用输入/ 输出端口( GPIO) 。
整个ZigBee 节点采用AAA 电池供电。

2 .2 蓝牙/ZigBee 网关的硬件实现
网关在可穿戴网络中起着很重要的作用。蓝牙/ZigBee 网关的硬件部分主要由ZigBee 模块、蓝牙模块和中央处理单元组成。
网关的中央处理单元主要完成蓝牙与ZigBee 协议的转换工作。当有主机数据从ZigBee 设备发送到带蓝牙适配器时, 蓝牙/ZigBee 网关需依次进行以下处理: 将从ZigBee 设备接收到的数据去掉物理层的ZigBee 分组; 去掉MAC 层的ZigBee 分组; 添加L2CAP 头的蓝牙分组;添加物理层头的蓝牙分组。当有数据从蓝牙设备发送到ZigBee 设备时, 过程相似。
中央处理单元的主要器件是Freescale 的MC68HC-908KL8 微处理器。该微处理器具有16 种灵活的寻址方式和高效指令集; 支持在线可重复编程, 可满足低成本的编程变更需求和现场软件升级; 编程速度极快, 64B的编码在2ms 内完成, 极快的编程速度降低了产品编程成本; 多达26 个双向I/O 口, 大电流的I/O 口可直接驱动LED 和其他电路, 从而省去外部驱动设备, 降低系统成本。ZigBee 模块同样采用Freescale 的MC13192。
蓝牙模块主要实现蓝牙HCI 层以下的协议, 并且提供符合蓝牙规范的空中接口。本设计中, 采用Blue-Core2- Flash RF PnG( 8M) 蓝牙单芯片方案, 它集成了射频及基带芯片。其UART(可以为二线: RXD、TXD; 四线:RXD、TXD、RTS、CTS; 八线: 完全RS232 方式)连接数据口用于数据传输。

3 基于蓝牙和ZigBee 技术的可穿戴网络软件结构
所设计的可穿戴网络中, 软件部分主要集中在网关和ZigBee 节点上。网关的主要功能是管理和处理ZigBee节点传输过来的数据。主要处理两个问题: 分组处理和地址处理。
(1)分组处理是将来自一个网络设备的应用程序的报文发送到另一个网络设备, 网关中的协议转换功能单元(即管理层)要将报文进行拆装和封装。网关把从发送设备接收到的分组数据进行拆装, 去掉数据首部和尾部,从分组中提取有用数据信息, 再把该有用信息封装成接收设备协议所要求的分组格式, 根据目的地址和接口把数据发送到接收设备。蓝牙与ZigBee 分组格式的转换过程是: 网关通过射频单元从ZigBee/ 蓝牙设备收到ZigBee/蓝牙分组对其进行拆装, 去掉分组头和分组尾, 提取出数据净载荷, 再按照蓝牙/ZigBee 分组格式进行封装, 添加分组头和分组尾, 通过射频发送到蓝牙/ZigBee 设备。
(2)地址处理。每个与网关建立连接的蓝牙设备或ZigBee 设备都将与网关中的一个端口绑定( 通过动态或静态的分配) 。这样, 就可以通过网关的地址和端口号来惟一地标识该蓝牙设备或ZigBee 设备。当蓝牙设备与ZigBee 设备交换信息时, 网关就负责蓝牙通信协议与ZigBee 协议之间的转换工作, 从而使蓝牙设备与ZigBee设备透明地进行数据交换。地址映射可使用静态或动态映射两种方法。静态映射是创建一个表, 将一个逻辑地址与物理地址关联起来, 该表存储在每个设备上。每当物理地址发生变化时, 该表就必须更新, 较繁琐。动态映射是当设备知道逻辑地址或物理地址中的一个时, 就可使用协议将另一个地址找出来。通常使用动态映射的两个协议来解析地址。
考虑到可穿戴网络的特点, 采用嵌入式Linux 操作系统, 用户能很容易地在其基础上开发自己的应用程序。ZigBee 节点上的软件主要利用C 语言开发, 完成的功能是接收传感单元的数据, 并将数据发送到蓝牙/Zig-Bee 网关上。
目前已经完成了可穿戴网络的结构设计、无线传输技术的选择, 正在进行蓝牙/ZigBee 网关的设计及编程,接下来将要实现可穿戴网络中的无线终端的集成以及在各种运动条件下可穿戴网络的性能分析和改进。