蓝牙/ZigBee技术 助臂可穿戴网络设计

　　1 引言

　　随着微电子、计算机等技术的进步，促进了新一代小型、可移动、功能强大的计算设备的出现。但是人们已经不满足各设备独立工作，而是希望它们能根据人的需要和追求而工作，也就是要达到"计算以认为本"的概念。因此在小范围内能够将所有的设备互连而组成的网络--——可穿戴网络便应运而生。

　　所谓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）技术的结合，穿戴在人体身上的、具有智能的、能收集人体和周围环境信息的一种新型的个域网概念（PAN）。

　　2 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、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。目前考虑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、Bluetooth/ZigBee网关。

　　2.1 主机部分

　　可穿戴式计算机由于其可穿戴性，则要求主机的重量轻、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。在主机中集成蓝牙适配器的主要目的是使主机能与其它蓝牙设备进行通信。如果条件允许还可在主机中集成GPS模块等。

　　2.2 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，把设备采集的数据通过蓝牙链路传输到主机或反向传输。

　　头戴显示系统：内部集成了微型蓝牙模块、摄像头、DSP芯片。首先通过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送入主机以进行进一步处理。

　　蓝牙耳机：可以实现与其它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、TD-SCDMA网络传送到远端。

　　图 1 基于蓝牙和ZigBee的可穿戴网络的体系结构

　　2.3 ZigBee设备

　　ZigBee设备可设计为手表式、鞋垫式等。它包括传感器、A/D转换器、ZigBee模块。传感器采集外部信号（心跳、血压、脉搏、温度、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，并经网关送入到主机。经主机处理之后，再传送到其它设备。

　　2.4 蓝牙/ZigBee网关

　　蓝牙/ZigBee网关主要针对可穿戴网络无线通信中两种不同标准蓝牙和ZigBee产品之间的相互通信，其协议模型如图2所示

　　图 2 蓝牙 /ZigBee 网关的通信协议模型

　　3 基于蓝牙和ZigBee的可穿戴网络的硬件实现

　　在本文介绍的可穿戴网络的体系结构中，主要需要实现的是ZigBee节点和网关的硬件平台，下面介绍这两个平台的硬件实现。

　　3.1 ZigBee节点的硬件实现

　　ZigBee节点作为一种传感器，其主要的功能是采集人们感兴趣的数据，并将数据发送到蓝牙/ZigBee网关，然后通过GPRS、CDMA或WI-FI等发送到远程控制中心或数据库。ZigBee节点主要由电源模块、微控制器模块、存储单元、ZigBee收发模块和传感单元等组成，如图3所示。

　　图 3 ZigBee节点硬件框图

　　整个ZigBee节点的通信模块是由ZigBee收发器来实现的。ZigBee收发器我们选用的是Freescale公司的MC13192，该收发器工作在2.4GHzISM公用频道。MC13192具有以下一些主要特点：

　　• 具有 16 个信道。

　　• 典型的发射功率为0dBm，最大发射功率达到3.6dBm。

　　• 采用DSSS扩频通信技术，最大速率为250kbps。

　　• 在分组错误率为1％的情况下，其接收灵敏度达到－92dBm（典型值）。

　　• 7个通用输入输出端口（GPIO）。

　　• 整个ZigBee节点采用AAA电池供电。

　　3.2 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从蓝牙和ZigBee协议的转换工作：对从ZigBee设备发送到带蓝牙适配器的主机的数据来说，在蓝牙/ZigBee网关它需经过以下处理：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。对从蓝牙设备发送到ZigBee设备的数据来说过程相似。

中央处理单元的主要器件是Freescale的MC68HC908KL8微处理器，该微处理器具有16种灵活的寻址方式、高效指令集；支持在线可重复编程，这样可达成低成本的编程变更和现场软件升级；编程速