可穿戴式无线网络核心技术及应用详解

　　1.可穿戴式计算机和可穿戴式无线网络

　　可穿戴式计算机可穿戴式计算机是一种新概念的移动计算系统。其概念起源于20世纪60年代。自90年代以来，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，对可穿戴式计算机的研究进入了一个全新的阶段。目前，对可穿戴式计算机的概念并没有确切的定义。大体而言，可穿戴式计算机应具备以下基本特征：？可在运动状态下使用？使用的同时可腾出手或做其它的事情？使用者可进行控制？具有可持续性？多样性，即不同应用的可穿戴式计算机在构成、功能等方面应有所不同从以上特征可看出，与传统的计算机相比，可穿戴式计算机与人的结合更为紧密。这就要求穿戴式计算机必须采用全新的人-机交互技术，从而达到人- 机的和谐统一。这也是当前对可穿戴式计算机研究的热点问题和必须攻克的难点。

　　可穿戴式无线网络在上面介绍的可穿戴式计算机系统中，各硬件装置之间主要是通过通信线缆连接的，采用的操作平台也是基于有线装置的。这种系统虽然在一定的场合有其适用性，但它的缺点也是明显的：首先，它不够灵活。因为采用通信线缆这种“硬”连接方式，势必会影响用户躯体的活动空间和幅度，而这在一些应用场合是必须的，如体育锻炼。

　　其次，它没有考虑与现有的个人通信终端（如手机、PDA、MP3等）的融合。这会使得现有的通信终端成了与可穿戴式计算机实体上相互独立而功能上相互重叠的设备。

　　针对这种状况，本文提出可穿戴式无线网络的概念。与可穿戴式计算机相比，可穿戴式无线网络具有以下特点：

　　⑴更好的灵活性。

　　⑵充分考虑与现有的个人通信终端的融合。

　　⑶能进行分散控制。这是由于各通信终端都有一定的运算处理能力和存储容量（并且随着超大规模集成电路的发展，这方面的性能势必会得到进一步的提高）。

　　⑷更加人性化。用户可根据不同的应用、方便程度、以及个人的喜好来选择合适的主通信设备以控制整个网络。

　　由此可见，可穿戴式无线网络应具有比可穿戴式计算机更好的适用性和更广泛的应用前景，而且它可在现有的各种无线局域网技术的基础上开发。由于现有的各种无线局域网技术已较为成熟，因而较之可穿戴式计算机，在开发难度和开发周期上具有明显的优势。

　　2.可穿戴式无线网络的系统模型

　　2.1网络模型当前，适合用来构建可穿戴式无线网络的技术主要有蓝牙和ZigBee等。这两种无线技术均属于IEEE802.15家族，工作于ISM频段。它们之间的区别如下表1-1所示。由于在组网方式上完全一致，因而用它们构建的可穿戴式网络模型也基本相同。

　　表1-1蓝牙与ZigBee的比较

　　⑴ 用蓝牙和ZigBee技术构建的可穿戴式无线网络结构

　　蓝牙和ZigBee的组网方式可分为三种形式：星型网、对等网和混合网［2］。采用蓝牙和ZigBee技术构建的可穿戴式无线网络宜采用混合结构形式，如图2.1所示。它是一个松散的Ad Hoc网络，正好符合穿戴的需要。

　　图 2.1 可穿戴式蓝牙网络模型

　　上图中整个网络被划分为两级层次结构。Ⅰ级匹克网的主设备（Master）连接各Ⅱ级匹克网的主设备，各Ⅱ级匹克网的主设备在Ⅰ级匹克网中充当从设备（Slave）。每级匹克网均由主设备负责维护管理。为便于维护和管理整个网络，由Ⅰ级匹克网的主设备充当连接外部网络的LAP，并且该主设备不作为Ⅱ级匹克网的主（从）设备。当然，这里的LAP并不直接与有线网直接相连。可充当LAP角色的设备可能不止一个，但无论哪个设备作为网关设备，都应遵循上述的组网原则。

　　⑵ 可穿戴式无线网络设备

　　在上述的两种可穿戴式无线网络中，整个网络内的设备按照角色的不同可分为两种基本的类型：

　　传感器或其它终端设备：这类设备只需将采集到的数据传到Master即可，不承担任何管理和维护网络的任务。这类设备主要有传感器、探测器、耳麦和摄像机等。

　　网络互连设备：网络互连设备不只是负责转发终端设备传来的数据，还必须管理和维护各Ⅱ级网络。同时这些互连设备之间还必须形成新的网络。因而，网络互连设备应具有一定的存储容量和数据处理能力。从理论上说，各Master均可充当LAP，但实际上并没有这样的必要。在本模型中，充当网关的LAP只作为Ⅰ级网络的成员，负责管理和维护Ⅰ级网络，而不作为Ⅱ级网络的基站。这样做的目的是为防止同一设备担任过多的角色，会增加设备的复杂度。可充当网络互连设备的设备有PDA、GPS、头戴设备、MP3、手机以及PTT（Push To Talk）等，其中手机等亦可充当与外网联系的网关。

　　2.2 服务原理

　　无论是采用哪种无线技术构建可穿戴式无线网络，都应能提供基本的服务和管理功能，这些功能包括内部数据传输、基于Web的服务和网络管理服务等。

　　⑴ 内部数据传输

　　内部数据传输是可穿戴式无线网络最基本的服务要求。在网络内部，Ⅰ级网络和Ⅱ级网络可采用不同的数据传输模式。在Ⅱ级网络中，传感器等终端设备与 Master之间通常采用点到点传输模式，这是因为通常情况下Ⅱ级网络中的终端只需单项发送数据即可，且各通信终端之间一般不具有需要建立直接路由来完成的大量的通信业务。而在Ⅰ级网络中，Master则既可采用点对点传输，也可采用点对多点传输。但Slave之间若需进行点对点通信则必须脱离原来的匹克网，单独组建新的匹克网。

　　很显然，同一Ⅱ级网络中终端设备之间若需进行数据传输，则须经Master转发。若某一Ⅱ级网络中的终端设备要向其它Ⅱ级网络中的终端设备发送数据，则必须经过Ⅰ级网络中的LAP转发。当Ⅰ级网络中的设备需要向外部网络传送数据时，可考虑通过作为网关的LAP来转发，或建立虚连接。

　　⑵ Web 访问

　　通常情况下，只有Ⅰ级网络中的设备才具有Web访问的需求和条件。Web访问应通过网关来进行，这主要是考虑到网络的安全性。建立与Web站点的连接后，可以考虑采用C/S模式来提供业务，这些业务应包括FTP服务、E-mail服务、以及音频和视频服务等。对语音业务，可以考虑采取VoIP技术。

　　⑶ 网络管理服务

　　网络管理的任务是为维护整个网络的可靠运行。为了设备间建立通信连接和维护管理网络的方便，通常情况下都要对网络中的设备分配逻辑地址。在IPv6尝未启用之前，肯定很难做到把实际的IP地址作为各通信设备的逻辑地址。但作为网关的设备应拥有实际的IP地址，这样有利于进行Web访问。当然，如果必要，也可考虑将网关设备作为DHCP服务器，但这样显然会加重网关设备的工作负荷。事实上，也可利用各无线技术自己的地址编址和分配方案。

　　为检测网络内部设备的活动状态，可以向整个网络或特定的Ⅱ级网络发布广播消息。并根据反馈的情况对整个网络进行诊断，以便及时向使用者发出预警。当然，也可发布包含特定网络设备地址的广播消息，这种情况通常发生在消息发布者需要与该设备建立联系的时候。