无线通信技术在可穿戴计算机中的应用研究

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摘要：将蓝牙、CPRS无线通信以及USB技术应用于可穿戴计算机中，使其更具操作性、灵活性。重点介绍了蓝牙和CPRS技术以及蓝牙模块与USB接口的CPRS模块的硬件及软件实现。

    关键词：可穿戴计算机 蓝牙 CPRS(通用分组无线业务) USB(通用串行总线)

近年来， 可穿戴计算机 (Wearable Computer，WearComp)悄然成为研究热点，发展势头非常迅猛。可穿戴计算机技术打破了传统的交互模式，使人与计算机成为一体，提高了人的整体交互和计算能力。它提供了一种无处不在的计算和无时不有的交互方式。

可穿戴计算机系统的硬件在应用的促进下得到了长足发展。基于其特点，可穿戴计算机的各个组成部分(终端设备)一般都处于分置状态，即“穿戴”在人体的不同部位。传统的WearComp一般是利用线缆将各终端设备连接到主机的各种接口，使穿戴人肢体活动受到限制且主机的端口显得比较冗杂。而将以蓝牙(Bluetooth)以及GPRS技术为代表的无线通信技术引人可穿戴计算机中，可以进一步使可穿戴计算机的交互方式向移动性、可获取性、自然性和简洁性发展。相对于传统的有线接口方式，无线方式的设计则更具有人性化。其中，蓝牙技术解决了WearComp中各终端设备与主机的通信问题，除去了众多线缆对人的束缚；GPRS技术使得WearComp能够轻松地享受电信服务商提供的各项无线通信业务，且时时在线。另外，蓝牙和USB总线技术的应用使得传统可穿戴计算机过于冗杂的主机接口得以精简。在这些基础上，笔者提出了一种无线通信技术在可穿戴计算机中的应用。

1 可穿戴计算机

随着计算机及相关元器件不断超微型化的发展，可穿戴计算机应运而生，是人们追求“计算机以人为本”这一理念和市场需求的必然产物。WearComp是计算机方面具有挑战性的前沿研究领域，是继PC机、笔记本电脑和掌上电脑之后的新一代计算机，也是计算机的尖端技术产品。它拓展了计算机的功能，开辟了新的应用领域，用途广泛，市场潜力巨大。作为新一代计算机(而不是新的机型)，可穿戴计算机将形成一个新的产业，并将深刻地改变计算机市场的竞争格局，其社会和经济效益不可估量。
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    可穿戴计算机在许多领域具有特殊用途，可广泛应用于工业、军事、情报、新闻、医疗、商业、农业、金融与证券、抢险与救灾乃至日常生活等领域。它与UC技术、智能化住宅、智能化商业、智能化交通等相结合将使未来人类的生活方式发生巨大的变革，进入一个高度数字化和自动化的时代。工业是目前最有潜力的应用领域之一，特别是在室外、野外、水下等一些特殊场合，可穿戴计算机将发挥非常重要的作用。例如：大型复杂设备的安装与检修、巡视与检查、采掘、野外勘探等。军事是目前可穿戴计算机另一个最具潜力的应用领域，主要用于侦察、作战指挥、通信、复杂武器系统的操作与维护及仿真演习等。根据不同的用途，可穿戴计算机的种类也是多样化的，分别有侦察兵、炮兵、装甲兵、步兵、后勤人员及飞行员等专用的可穿戴计算机[1]。

可穿戴计算机的主要组成部分包括低功耗嵌入式CPU、多种多样的便携式外设及其接口设备和能量高体积小的电源；基本外设主要有输出设备和输入设备。为了便于携带，输出设备用头盔显示器或眼镜显示器代替了传统的桌面台式显示器，输入设备用语音控制或较少按键的袖珍键盘代替了传统的键盘。另外，根据用户不同的需求，还需配备相应的外部设备，如无线通信设备、语音输入输出设备、图像采集设备、全球定位系统(GPS)以及各种各样的传感器。然而，为了将众多的外设集成在一起，必需将相应的接口电路集成在主板上。所以接口电路设计技术是可穿戴技术中关键技术之一[2]。

可穿戴计算机使人机关系变得非常紧密。同时，由于各种设备装备在人的身上，因此，安装的位置、形状、操作的便捷性等都要与人的自然属性密切结合，形成一个综合的、和谐的人机界面。这对新一代人机交互的研究提出了新的挑战。蓝牙技术的日渐兴起为实现人机交互方式的最大自由度提供了一个很好的解决方案。

2 蓝牙技术在可穿戴计算机中的应用

2．1 蓝牙技术概述

蓝牙是短距离无线数据的开放性规范。它以低成本近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。蓝牙技术最初以取消各种电器之间的连线为目标。随着研究的深入，蓝牙技术已经用于实现网络中的各种数据及语音设备之间的无缝资源共享，以及工业控制网络之中。

蓝牙体系主要由蓝牙主机和蓝牙模块两大结构组成。蓝牙模块中最下层是无线电(Radio)，负责最终的物理链接，包括信号的调制、发送和接收。
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    基带(Baseband)：负责基带链路控制器的数字信号处理规范。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。基带链路控制器中包含三种纠错方案：1／3比例前向纠错(FEC)码、2／3比例前向纠错码、数据自动重发请求(ARQ)方案。

链路管理层(Link Manager)：携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM能够发现其它远端的LM并通过LMP(链路管理协议)与之通信。

主机控制接口(HCl)：通过主机控制接口HCI，可以方便地把蓝牙模块嵌入到各种数字设备中作为一个终端。

应用层：在蓝牙主机上，是一些应用程序。

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[3]。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Intemet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[4]。

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。

2．3 WearComp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。
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