無線通信技術在可穿戴計算機中的應用研究

摘要：將藍牙、CPRS無線通信以及USB技術應用于可穿戴計算機中，使其更具操作性、靈活性。重點介紹了藍牙和CPRS技術以及藍牙模塊與USB接口的CPRS模塊的硬件及軟件實現(xiàn)。

近年來， 可穿戴計算機 (Wearable Computer，WearComp)悄然成為研究熱點，發(fā)展勢頭非常迅猛。可穿戴計算機技術打破了傳統(tǒng)的交互模式，使人與計算機成為一體，提高了人的整體交互和計算能力。它提供了一種無處不在的計算和無時不有的交互方式。

可穿戴計算機系統(tǒng)的硬件在應用的促進下得到了長足發(fā)展�；�于其特點，可穿戴計算機的各個組成部分(終端設備)一般都處于分置狀態(tài)，即“穿戴”在人體的不同部位。傳統(tǒng)的WearComp一般是利用線纜將各終端設備連接到主機的各種接口，使穿戴人肢體活動受到限制且主機的端口顯得比較冗雜。而將以藍牙(Bluetooth)以及GPRS技術為代表的無線通信技術引人可穿戴計算機中，可以進一步使可穿戴計算機的交互方式向移動性、可獲取性、自然性和簡潔性發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的有線接口方式，無線方式的設計則更具有人性化。其中，藍牙技術解決了WearComp中各終端設備與主機的通信問題，除去了眾多線纜對人的束縛；GPRS技術使得WearComp能夠輕松地享受電信服務商提供的各項無線通信業(yè)務，且時時在線。另外，藍牙和USB總線技術的應用使得傳統(tǒng)可穿戴計算機過于冗雜的主機接口得以精簡。在這些基礎上，筆者提出了一種無線通信技術在可穿戴計算機中的應用。

1 可穿戴計算機

隨著計算機及相關元器件不斷超微型化的發(fā)展，可穿戴計算機應運而生，是人們追求“計算機以人為本”這一理念和市場需求的必然產(chǎn)物。WearComp是計算機方面具有挑戰(zhàn)性的前沿研究領域，是繼PC機、筆記本電腦和掌上電腦之后的新一代計算機，也是計算機的尖端技術產(chǎn)品。它拓展了計算機的功能，開辟了新的應用領域，用途廣泛，市場潛力巨大。作為新一代計算機(而不是新的機型)，可穿戴計算機將形成一個新的產(chǎn)業(yè)，并將深刻地改變計算機市場的競爭格局，其社會和經(jīng)濟效益不可估量。

可穿戴計算機在許多領域具有特殊用途，可廣泛應用于工業(yè)、軍事、情報、新聞、醫(yī)療、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、金融與證券、搶險與救災乃至日常生活等領域。它與UC技術、智能化住宅、智能化商業(yè)、智能化交通等相結合將使未來人類的生活方式發(fā)生巨大的變革，進入一個高度數(shù)字化和自動化的時代。工業(yè)是目前最有潛力的應用領域之一，特別是在室外、野外、水下等一些特殊場合，可穿戴計算機將發(fā)揮非常重要的作用。例如：大型復雜設備的安裝與檢修、巡視與檢查、采掘、野外勘探等。軍事是目前可穿戴計算機另一個最具潛力的應用領域，主要用于偵察、作戰(zhàn)指揮、通信、復雜武器系統(tǒng)的操作與維護及仿真演習等。根據(jù)不同的用途，可穿戴計算機的種類也是多樣化的，分別有偵察兵、炮兵、裝甲兵、步兵、后勤人員及飛行員等專用的可穿戴計算機[1]。

可穿戴計算機的主要組成部分包括低功耗嵌入式CPU、多種多樣的便攜式外設及其接口設備和能量高體積小的電源；基本外設主要有輸出設備和輸入設備。為了便于攜帶，輸出設備用頭盔顯示器或眼鏡顯示器代替了傳統(tǒng)的桌面臺式顯示器，輸入設備用語音控制或較少按鍵的袖珍鍵盤代替了傳統(tǒng)的鍵盤。另外，根據(jù)用戶不同的需求，還需配備相應的外部設備，如無線通信設備、語音輸入輸出設備、圖像采集設備、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及各種各樣的傳感器。然而，為了將眾多的外設集成在一起，必需將相應的接口電路集成在主板上。所以接口電路設計技術是可穿戴技術中關鍵技術之一[2]。

可穿戴計算機使人機關系變得非常緊密。同時，由于各種設備裝備在人的身上，因此，安裝的位置、形狀、操作的便捷性等都要與人的自然屬性密切結合，形成一個綜合的、和諧的人機界面。這對新一代人機交互的研究提出了新的挑戰(zhàn)。藍牙技術的日漸興起為實現(xiàn)人機交互方式的最大自由度提供了一個很好的解決方案。

2 藍牙技術在可穿戴計算機中的應用

2．1 藍牙技術概述

藍牙是短距離無線數(shù)據(jù)的開放性規(guī)范。它以低成本近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。藍牙技術最初以取消各種電器之間的連線為目標。隨著研究的深入，藍牙技術已經(jīng)用于實現(xiàn)網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)及語音設備之間的無縫資源共享，以及工業(yè)控制網(wǎng)絡之中。

藍牙體系主要由藍牙主機和藍牙模塊兩大結構組成。藍牙模塊中最下層是無線電(Radio)，負責最終的物理鏈接，包括信號的調(diào)制、發(fā)送和接收。

基帶(Baseband)：負責基帶鏈路控制器的數(shù)字信號處理規(guī)范�；鶐ф溌房刂破髫撠熖幚砘鶐�協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議�；鶐ф溌房刂破髦邪�含三種糾錯方案：1／3比例前向糾錯(FEC)碼、2／3比例前向糾錯碼、數(shù)據(jù)自動重發(fā)請求(ARQ)方案。

鏈路管理層(Link Manager)：攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設置、鑒權、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其它遠端的LM并通過LMP(鏈路管理協(xié)議)與之通信。

主機控制接口(HCl)：通過主機控制接口HCI，可以方便地把藍牙模塊嵌入到各種數(shù)字設備中作為一個終端。

應用層：在藍牙主機上，是一些應用程序。

2．2 藍牙無線個域網(wǎng)

無線個域網(wǎng)WPAN的目的就是為了在小范圍內(nèi)能夠將個人設備互聯(lián)而組成網(wǎng)絡。藍牙作為一種小范圍無線連接技術，能夠在設備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信，是目前實現(xiàn)無線個域網(wǎng)的主流技術之一。

藍牙個人區(qū)域網(wǎng)PAN有兩種應用模型：一種被稱為組網(wǎng)絡GN(Group Ad-hoc Networking)；另一種被稱為網(wǎng)絡訪問點NAP(Networking Access Poi

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