無線通信技術在可穿戴計算機中的應用研究

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。

近年來， 可穿戴計算機 (Wearable Computer，WearComp)悄然成為研究熱點，發展勢頭非常迅猛�？纱┐饔嬎銠C技術打破了傳統的交互模式，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。

可穿戴計算機系統的硬件在應用的促進下得到了長足發展�；�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，即“穿戴”在人體的不同部位。傳統的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、自然性和簡潔性發展。相對于傳統的有線接口方式，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務，且時時在線。另外，藍牙和USB總線技術的應用使得傳統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物。WearComp是計算機方面具有挑戰性的前沿研究領域，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業，并將深刻地改變計算機市場的競爭格局，其社會和經濟效益不可估量。

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、軍事、情報、新聞、醫療、商業、農業、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、智能化交通等相結合將使未來人類的生活方式發生巨大的變革，進入一個高度數字化和自動化的時代。工業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、作戰指揮、通信、復雜武器系統的操作與維護及仿真演習等。根據不同的用途，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的鍵盤。另外，根據用戶不同的需求，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(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。藍牙技術的日漸興起為實現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據的開放性規范。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，藍牙技術已經用于實現網絡中的各種數據及語音設備之間的無縫資源共享，以及工業控制網絡之中。

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，包括信號的調制、發送和接收。

基帶(Baseband)：負責基帶鏈路控制器的數字信號處理規范�；鶐ф溌房刂破髫撠熖幚砘鶐�協議和其它一些低層常規協議�；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、數據自動重發請求(ARQ)方案。

鏈路管理層(Link Manager)：攜帶了鏈路的數據設置、鑒權、鏈路硬件配置和其它一些協議。LM能夠發現其它遠端的LM并通過LMP(鏈路管理協議)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

無線個域網WPAN的目的就是為了在小范圍內能夠將個人設備互聯而組成網絡。藍牙作為一種小范圍無線連接技術，能夠在設備間實現方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數據和語音通信，是目前實現無線個域網的主流技術之一。

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

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