浅谈蓝牙和ZigBee技术的可穿戴网络设计

　　可穿戴网络是指基于短间隔无线通讯技术（蓝牙和ZigBec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四周环境信息的一种新型个域网（PAN）。无线通讯技术被认为是工业控制领域继现场总线、工业以太网技术后的又一个热点，作为当前世界活力的新兴技术之一，无线通讯技术具有有线技术无法或很难取代的优势，并且逐步渗透到工业控制的各个环节。当前无线通讯技术重要的发展方向是通信协议的标准化。如无线系统与现有系统的共存性（Co-existence），不同厂家设备的相互可操作性以及系统之间的相互协作性，这些都有赖于制定能被普遍接受的无线通信协议。

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

　　1 基于蓝牙和ZigBee的可穿着网络系统构造

　　可穿着网络组网机动、移动性强，对外网的接入方法多种多样，可通过蓝牙网关、蓝牙机顶盒等由LAN和ADsL等全速接进Internet。当其大范畴移动时可以蓝牙手机作为接人手腕，使得可穿戴网络具有很强的移动性。目前基于蓝牙和ZigBee的可穿戴网络的系统构造如目1所示。

　　1.1 主机部分

　　可穿戴式盘算机因其可穿戴性，请求主机的重量轻、体积小。主机芯片采用IAnux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，请求主机有较高的存储才能，内部集成10GB的硬盘。

　　1.2 蓝牙装备

　　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。

　　头戴显示体系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芯片进行预处理以往除视频和图像信号的冗余，其视频紧缩尺度可以采取MPEG一4。DSP处置后的信号可直接送进显示屏或主机以进一步处理。数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

　　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把持，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设备可设计为腕表式和鞋垫式等。它包含传感器、MD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，通过ZigBee收发模块并经阿关送入主机。

　　1.4 蓝牙／ZigBoe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

　　在可穿戴网络的系统结构中，主要包含ZigBee节点和网关的硬件平台。下面先容这两种平台的硬件实现。

　　2.1 ZigBoa节点的硬件实现

　　ZigBee节点作为一种传感器，其主要功效是采集用户感兴致的数据，并将数据发送到蓝牙／ZigBee网关，通过GPRS、CDMA或WI—FI等发送到远程把持中心或数据库。ZigBee节点硬件框图如图3所示。

　　系统中的MCU采用Freescale公司hc（s）08系列的8位MC9SOSGB60。MC9S08GB60具有丰硕的片上存储功能，有64KB（其中Flash占60KB，RAM占4KB）的存储空间。在40MHz的工作频率下，其功率耗费不到lmW。而且该微把持用具有多种省电模式以供选择。除了具有丰盛的片上存储功能和多种省电模式以外，MC9S08GB60微节制器还具有8个lObit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）。

　　全部ZigBee节点的通讯模块由ZigBee收发器来实现。ZigBee收发器选用Freescale公司的MCl3192。该收发器工作在2.4GHz ISM公用频道。MCl3192特色如下：

　　（1）具有16个信道；

　　（2）典范的发射功率为0dBm，发射功率到达3.6dBm：

　　（3）采用DSSS扩频通讯技巧，速率为250Kbps；

　　（4）在分组过错率为1％的情形下，其接受敏锐度到达-92dBm（典范值）；

　　（5）7个通用输进，输出端口（GPl0）。

　　全部ZigBee节点采用AAA电池供电。

　　2.2 蓝牙／ZigBoe网关的硬件实现

　　网关在可穿戴网络中起着很主要的作用。蓝牙，ZigBee网关的硬件部分主要由ZigBee模块、蓝牙模块和中心处理单元组成。

　　网关的中心处理单元主要完成蓝牙与ZigBee协定的转换工作。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设备接受到的数据往掉物理层的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，进程类似。

　　中心处理单元的重要器件是Freescale的MC68HC-908KL8微处置器。该微处理用具有16种机动的寻址方法和高效指令集；支撑在线可反复编程，可满足低本钱的编程变革需求和现场软件升级；编程速度极快，64B的编码在2ms内完成。极快的编程速度下降了产品编程本钱：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，从而省往外部驱动设备，下降系统本钱。ZigBee模块同样采用Freescale的MCl3192。

　　蓝牙模块重要实现蓝牙HCI层以下的协定，并且供给符合蓝牙规范的空中接口。本设计中，采取Blue—Core2一Flash RF。PnG（8M）蓝牙单芯片计划，它集成了射频及基带芯片。

　　3 基于蓝牙和ZigBee技巧的可穿着网络软件构造

　　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。网关的主要功效是治理和处理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利用程序的报文发送到另一个网络设备，网关中的协定转换功能单元（即治理层）要将报文进行拆装和封装。网关把从发潮设备吸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吸收设备协议所请求的分组格局，依据目标地址和接口把数据发送到吸收设备。蓝牙与ZigBee分组格局的转换进程是：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，再依照蓝牙／ZigBee分组格局进行封装，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。每个与网关树立衔接的蓝牙设备或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设备交流信息时，同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流。地址映射可应用静态或动态映射两种方式。静态映射是创立一个表，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。

　　ZigBee节点上的软件主要应用c语言开发，完成的功效是接受传感单元的数据，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网关的设汁及编程，接下来将要实现可穿戴网络中的无线终真个集成以及在各种活动条件下可穿戴网络的性能剖析和改良。