无线通信技术在可穿戴计算机中的应用研究

2.2蓝牙无线个域网

无线个域网WPAN的目的就是为了在小范围内能够将个人设备互联而组成网络。蓝牙作为一种小范围无线连接技术,能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通信,是目前实现无线个域网的主流技术之一。

蓝牙个人区域网PAN有两种应用模型:一种被称为组网络GN(Group Ad-hoc Networking);另一种被称为网络访问点NAP(Networking Access Point)。这两种实现模式分别有不同的网络结构和协议模型。组网被设计用来允许一个或多个蓝牙设备组成一个局域网络,而网络访问点提供蓝牙设备进入Internet网络的能力。无论是NAP还是GN都必须提供与TCP/IP和其它网络协议的无缝实现。图1是GN在协议栈部分图示。



根据可穿戴计算机将组成的个域网的特点,采用组网络模型显然是比较合适的。

2.3WearComp蓝牙个域网系统实现

2.3.1 系统结构

下面以从事抢险救灾技术勘察工作人员的可穿戴计算机为例,具体介绍蓝牙技术的应用。根据工作人员的实际需求,该套可穿戴计算机应具有头戴显示器、耳机、耳麦、微型摄像机、手写输入板、腕式键盘和无线通信模块等外设。

根据蓝牙个人区域网PAN的组网络GN模式,笔者设计的可穿戴计算机系统结构组成如图2所示。其中各个终端设备和主机均内置了蓝牙模块。  




2.3.2 可穿戴计算机终端设备和蓝牙技术集成的实现

蓝牙协议支持点对点和点对多点的链接。每个蓝牙的微微网(piconet)中有Master和Slave两种权限,除了Slave和Master以外,各个Slave节点之间也可以通信。在这里只以单个的piconet为主干构建WearComp无线网络。Master节点为WearComp网络主控节点,实现信息的汇集处理功能;Slave节点为无线设备。考虑到各个无线设备之间是互相独立的,信息融合只在Master节点完成,所以仅实现Master点对多Slave点的通信,形成一个星型的拓扑结构。每个piconet有3位地址码,即piconet的容量最多为8个节点,各个Slave节点负责对原始数据的预处理(包括滤波、补偿、数字化等)和处理后数据的发送,上层是基于普通PC机或其他类型上位机(如嵌入式计算机)的Master节点,所有无线设备的信息在这里进行更高一级处理。

在通用异步收发(UART)模式下,蓝牙模块依照标准接口使用,主控接口HCI已定义好,可以在RS232接口上实现。终端设备模块携带与蓝牙模块兼容的接口,如RS232。通过这个标准接口,终端设备接口模块可以与蓝牙模块连接在一起,实现对蓝牙模块的控制。这样不同厂家生产的蓝牙模块就可以与同一种终端设备衔接。

软件部分:整个系统的应用软件可分为三部分:

(1)运行在上位机上的应用程序,包括面向用户的图形用户界面、面向终端设备接口模块层的操作(主要是对终端设备的控制和通信),以及同蓝牙模块上的HCI固件(firmware)的通信程序。这部分可用面向对象的编程语言实现,把每个终端设备节点作为一个节点类的实例对象,应用程序通过与实例对应的句柄访问控制各个终端设备节点。

(2)嵌入到终端设备模块的MCU上的程序。针对不同的MCU用汇编或是C语言写成。主要完成原始信息的采集、处理、读取、与HCI固件的通信、利用终端设备接口模块层与上位机通信。

(3)蓝牙模块上的HCI固件固化在蓝牙基带模块的Flash存储器里。通过它实现终端设备模块、上位机中软件与蓝牙硬件的通信。

硬件部分:蓝牙模块采用爱立信公司的ROK 101 007,由无线电、基带和闪存构成,内置支持HCI的固件,外围有适于高速数据传输的UART接口和USB接口,也有适于语音传输的PCM接口。功耗小,具有内置屏蔽功能。主机CPU采用嵌入式Pentium,功耗仅为1.5W,不需要风扇即可正常使用。

3 USB接口技术应用于可穿戴计算机

体积小、功能强、外围设备多、集成度高是可穿戴计算机的主要特点之一。由于可穿戴计算机对多媒体的要求很高,要实现的功能很多,以至于其外设种类很多,所以要求其接口种类也比较多,如串口、MCP接口、USB接口及PCMCIA接口等。若将众多接口都集成在一起,不但设计复杂,而且集成后的体积仍然较大,且其扩充性也较低。USB接口则将这些不同的接口统一起来,使用一个4针插头作为标准插头。在可穿戴计算机的设计中采用USB接口作为主要的外设接口,可弥补上述不足。

具体实现:

(1) 硬件部分:在主机端采用PHILIPS公司生产的PDIUSBD12独立USB控制器。PDIUSBD12的突出特点是特别适用于便携式USB设备、产品的改型设计,以及需要高速数据传输的数据采集系统。

(2)软件部分:USB设备的软件设计主要包括两部分:一是USB设备端的单片机软件,主要完成USB协议处理和数据交换(多数情况下是一个中断子程序)以及其它应用功能程序(例如A/D转换、MP3解码等);二是PC端的程序由USB通信程序和用户服务程序两部分组成,用户服务程序通过USB通信程序与系统USBDI(USB Device Interface)通信,由系统完成USB协议的处理与数据传输。PC端程序的开发难度非常大,程序员不仅要熟悉USB协议,还要熟悉WINDOWS体系结构并能熟练运用DDK工具。

USB总线驱动设计主要包括五部分,分别是向上对USB设备驱动和应用提供的函数接口USBDAPI、向下对主机控制器驱动提供的函数接口HCDAPI、USB系统资源、集线器驱动、系统配置及总线枚举器(如图3所示)。定义好这些接口之后,后三部分可并行设计和开发。



目前嵌入式系统中软硬件产品种类很多。由于本文设计的USB总线驱动与USB设备和USB主机之间通过定义的标准软件接口,对USB设备和USB主机的操作分别通过各自的驱动完成,从而避免了与硬件直接打交道,所以这部分设计与硬件和操作系统的相关性不大,适于各种不同的系统。