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1、-.z.无线通信技术在可穿戴计算机中的应用研究 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 puter，Wearp)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
2、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Wearp 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 Wearp 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 Wearp 能够轻松地享受电信服务商提供的各项无
3、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。Wearp 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
4、场的竞争格局，其社会和经济效益不可估量。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-.z.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
5、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。
6、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 21 蓝牙技术概述 蓝牙是短距离无线数据的开放性规*。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
7、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，包括信号的调制、发送和接收。基带(Baseband)：负责基带链路控制器的数字信号处理规*。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：13 比例前向纠错(FEC)码、23 比例前向纠错码、数据自动重发请求(ARQ)方案。-.z.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
8、(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。22 蓝牙无线个域网 无线个域网 WPAN 的目的就是为了在小*围内能够将个人设备互联而组成网络。蓝牙作为一种小*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
9、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 TCPIP 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。23 Wearp 蓝牙个域网系统实现 231 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
10、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。232 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。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-.z.piconet 为主干构建 Wearp 无线网络。Master 节点为 Wearp 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
11、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
12、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
13、、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 101007，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 15W，不需要风扇即可正常使用。3 USB 接口技术应用子可穿戴计算机-.z.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
14、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PDIUSBDl2独立USB控制器。PDIUSBDl2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。
15、(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 AD 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(USBDevice 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
16、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。4 GPRS 技术在可穿戴计算机中的应用 41 GPRS 技术概述 通用分组无线业务(GPRS)是在现有的全球移动通
17、信系统(GSM)网络基础上叠加了一个新的网络，它充分利用了现有移动通信网的设备，在 GSM 网络上增加一些硬件设备并进行-.z.软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它突破了 GSM 网只能提供电路交换的思维定式，以分组交换技术为基础，采用 IP 数据网络协议，能够提供比现有 GSM 网 96kbps 更高的数据速率，其数据速率可达 170kbps；它可以给 GSM 用户提供移动环境下的高速数据业务，包括收发电子、因特网浏览等 IP 业务功能5。由于 GPRS 是分组交换技术，应用了统计复用技术，因此 GPRS 开通的数据通信是按用户数据的传输信息量计费，而不是按传统的按时计费方式，所以对用户而
18、言还可以节省费用。另外，由于 GPRS 支持*25 协议和 IP 协议，因此，对于 GSM 网现有电路交换数据业务(CSD)和短信息业务(SMS)，GPRS 是补充而不是替代。GPRS 开启了大众移动数据应用的大门。采用 GPRS 技术，用户可以得到以下好处：只对传输数据收费(实际用量)而对连接间隙不收费；保持永久连接；通过 IP 的直接 ISP 接人更廉价；新的应用能够实现真正的插人及操作方案；用户可以即时接人多种服务，如：在上网的同时可以进行语音呼叫；手机的 IP 功能(互联网、遥测、电子商务等)。基于可穿戴计算机的可移动性和灵活性，能够与外界进行良好的无线通信成为其必备的功能。因此，笔者
19、为 Wearp 配备了一个基于 GPRS 技术的无线网卡。42 USB 接口的 GPRS Modem 的设计 421 硬件设计 本 Modem 设计中用到的主要元件包括 51 系列单片机 W77E58、独立的 USB 接口芯片PDIUSBD12及爱立信公司生产的GPRS模块GM47(如图4所示)。图4 W77E58是由 Winbond公司生产的与 51 系列兼容的单片机。它支持 40MHz 晶振频率且缩短了指令周期，具有与51 系列兼容的指令集和与 80C52 兼容的引脚排列，以及 32KB 的 Flash EPROM 和 1KB 的片上 SRAM；另外，它所提供的 CMOS 电平也与 GM4
20、7 模块所提供的 CMOS 电平完全兼容，无需再进行电平转换。以上这些特性都说明将单片机 W77E58 用于本 Modem 的设计是非常合适的6。由 PDIUSBD12 和 W77E58 构成的 USB 接口电路：PDIUSBD12 的 8 位并行数据接人W77E58 的 P0 口，P26 作为 PDIUSBD12 的命令或数据的选择线。PDIUSBD12 与 W77E58的数据交换采用中断方式(外部中断 0)。USB 设备通过四线电缆接入主机或 USBHub，这四线分别是：Vbus(总线电源)、GND(地线)、D+和 D-(数据线)。主机通过 D+和 D-上的电压变化检测设备的状态：刊。-.
21、z.由 GM47 模块和 W77E58 构成的 GPRS 接口电路：作为一种应用终端模块，GM47 通过自带的 UART 端口与控制它的 MCU 或 PC 机联系。在 UART 端口引脚中，RD(串行数据输出)和TD(串行数据输入)作为数据口分别与W77E58的R*D和T*D连接，而CTS(发送清零)、TS(发送请求)、DTR(数据终端准备好)、DED(数据有效检测)作为控制口分别与 W77E58 的 P10P1 3 连接。这样就完成了 GM47 与 W77E58 的通信控制连接。为了实现 GPRS 的功能，GM47模块还需要完成 SIM 卡、天线、电源等部分的连接。422 软件设计 USB
22、部分：W77E58 对 PDIUSBD12 的控制软件主要完成 USB 协议处理与数据交换以及其它应用功能程序。在本设计中，要求利用 W77E58 相对高的处理速度完成可穿戴计算机主机发来的较大数据量的处理(如经压缩过的视频、音频信号等)。GPRS 部分：GM47 GPRS 模块的软件部分对外提供了一个控制系统操作的 AT 指令集，通过接收来自 UART 的 AT 指令，解释并执行相应的操作，从而实现无线 Modem 的对应功能。所有的 Modem 命令都是从一个特定的指令前缀(AT)开始，到一个命令结束标志结束。以下介绍几个常用的 AT 指令8：ATD 拨号指令：在后面接，并可通过 ME、SM、LD 等控制字选择的来源是机器、SIM 卡或是最近所拨号；ATH 挂起：提示终止通话；ATO 返回至在线数据模式：在通话过程中从在线控制模式转换到在线数据模式；AT+CGATr是移动终端进入或离开 GPRS 服务(后接“1”为进入，“0”为离开)；AT+CGDATA 进人数据状态：利用 PPP 等协议完成将移动终端连接到网络上的操作；AT+CGEREP GPRS 事件报告；AT+CDREG GPRS 网络登记状态。GM47 模块还提供了很多其他指令，这些指令为实现该模块强大的功能奠定了基础，也为众多应用开发人员提供了优良的开发平台。