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無線通信技術(shù)在可穿戴計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用研究
摘要：將藍(lán)牙、CPRS無線通信以及USB技術(shù)應(yīng)用于可穿戴計(jì)算機(jī)中，使其更具操作性、靈活性。重點(diǎn)介紹了藍(lán)牙和CPRS技術(shù)以及藍(lán)牙模塊與USB接口的CPRS模塊的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。近年來， 可穿戴計(jì)算機(jī) (Wearable Computer，WearComp)悄然成為研究熱點(diǎn)，發(fā)展勢頭非常迅猛�？纱┐饔�(jì)算機(jī)技術(shù)打破了傳統(tǒng)的交互模式，使人與計(jì)算機(jī)成為一體，提高了人的整體交互和計(jì)算能力。它提供了一種無處不在的計(jì)算和無時(shí)不有的交互方式。
可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件在應(yīng)用的促進(jìn)下得到了長足發(fā)展�；谄涮攸c(diǎn)，可穿戴計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分(終端設(shè)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(shè)備連接到主機(jī)的各種接口，使穿戴人肢體活動(dòng)受到限制且主機(jī)的端口顯得比較冗雜。而將以藍(lán)牙(Bluetooth)以及GPRS技術(shù)為代表的無線通信技術(shù)引人可穿戴計(jì)算機(jī)中，可以進(jìn)一步使可穿戴計(jì)算機(jī)的交互方式向移動(dòng)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(shè)計(jì)則更具有人性化。其中，藍(lán)牙技術(shù)解決了WearComp中各終端設(shè)備與主機(jī)的通信問題，除去了眾多線纜對人的束縛；GPRS技術(shù)使得WearComp能夠輕松地享受電信服務(wù)商提供的各項(xiàng)無線通信業(yè)務(wù)，且時(shí)時(shí)在線。另外，藍(lán)牙和USB總線技術(shù)的應(yīng)用使得傳統(tǒng)可穿戴計(jì)算機(jī)過于冗雜的主機(jī)接口得以精簡。在這些基礎(chǔ)上，筆者提出了一種無線通信技術(shù)在可穿戴計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用。
1 可穿戴計(jì)算機(jī)
隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)元器件不斷超微型化的發(fā)展，可穿戴計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，是人們追求“計(jì)算機(jī)以人為本”這一理念和市場需求的必然產(chǎn)物。WearComp是計(jì)算機(jī)方面具有挑戰(zhàn)性的前沿研究領(lǐng)域，是繼PC機(jī)、筆記本電腦和掌上電腦之后的新一代計(jì)算機(jī)，也是計(jì)算機(jī)的尖端技術(shù)產(chǎn)品。它拓展了計(jì)算機(jī)的功能，開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，用途廣泛，市場潛力巨大。作為新一代計(jì)算機(jī)(而不是新的機(jī)型)，可穿戴計(jì)算機(jī)將形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，并將深刻地改變計(jì)算機(jī)市場的競爭格局，其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益不可估量。
可穿戴計(jì)算機(jī)在許多領(lǐng)域具有特殊用途，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、情報(bào)、新聞、醫(yī)療、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、金融與證券、搶險(xiǎn)與救災(zāi)乃至日常生活等領(lǐng)域。它與UC技術(shù)、智能化住宅、智能化商業(yè)、智能化交通等相結(jié)合將使未來人類的生活方式發(fā)生巨大的變革，進(jìn)入一個(gè)高度數(shù)字化和自動(dòng)化的時(shí)代。工業(yè)是目前最有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域之一，特別是在室外、野外、水下等一些特殊場合，可穿戴計(jì)算機(jī)將發(fā)揮非常重要的作用。例如：大型復(fù)雜設(shè)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(jì)算機(jī)另一個(gè)最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域，主要用于偵察、作戰(zhàn)指揮、通信、復(fù)雜武器系統(tǒng)的操作與維護(hù)及仿真演習(xí)等。根據(jù)不同的用途，可穿戴計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)[1]。
可穿戴計(jì)算機(jī)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(shè)及其接口設(shè)備和能量高體積小的電源；基本外設(shè)主要有輸出設(shè)備和輸入設(shè)備。為了便于攜帶，輸出設(shè)備用頭盔顯示器或眼鏡顯示器代替了傳統(tǒng)的桌面臺(tái)式顯示器，輸入設(shè)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(yīng)的外部設(shè)備，如無線通信設(shè)備、語音輸入輸出設(shè)備、圖像采集設(shè)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(shè)集成在一起，必需將相應(yīng)的接口電路集成在主板上。所以接口電路設(shè)計(jì)技術(shù)是可穿戴技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。
可穿戴計(jì)算機(jī)使人機(jī)關(guān)系變得非常緊密。同時(shí)，由于各種設(shè)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(jié)合，形成一個(gè)綜合的、和諧的人機(jī)界面。這對新一代人機(jī)交互的研究提出了新的挑戰(zhàn)。藍(lán)牙技術(shù)的日漸興起為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互方式的最大自由度提供了一個(gè)很好的解決方案。
2 藍(lán)牙技術(shù)在可穿戴計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用
2．1 藍(lán)牙技術(shù)概述
藍(lán)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(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。藍(lán)牙技術(shù)最初以取消各種電器之間的連線為目標(biāo)。隨著研究的深入，藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)及語音設(shè)備之間的無縫資源共享，以及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)之中。
藍(lán)牙體系主要由藍(lán)牙主機(jī)和藍(lán)牙模塊兩大結(jié)構(gòu)組成。藍(lán)牙模塊中最下層是無線電(Radio)，負(fù)責(zé)最終的物理鏈接，包括信號(hào)的調(diào)制、發(fā)送和接收。
基帶(Baseband)：負(fù)責(zé)基帶鏈路控制器的數(shù)字信號(hào)處理規(guī)范�；鶐ф溌房刂破髫�(fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議�；鶐ф溌房刂破髦邪N糾錯(cuò)方案：1／3比例前向糾錯(cuò)(FEC)碼、2／3比例前向糾錯(cuò)碼、數(shù)據(jù)自動(dòng)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(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其它遠(yuǎn)端的LM并通過LMP(鏈路管理協(xié)議)與之通信。
主機(jī)控制接口(HCl)：通過主機(jī)控制接口HCI，可以方便地把藍(lán)牙模塊嵌入到各種數(shù)字設(shè)備中作為一個(gè)終端。
應(yīng)用層：在藍(lán)牙主機(jī)上，是一些應(yīng)用程序。
2．2 藍(lán)牙無線個(gè)域網(wǎng)
無線個(gè)域網(wǎng)WPAN的目的就是為了在小范圍內(nèi)能夠?qū)�(gè)人設(shè)備互聯(lián)而組成網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙作為一種小范圍無線連接技術(shù)，能夠在設(shè)備間實(shí)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(shí)現(xiàn)無線個(gè)域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。
藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域網(wǎng)PAN有兩種應(yīng)用模型：一種被稱為組網(wǎng)絡(luò)GN(Group Ad-hoc Networking)；另一種被稱為網(wǎng)絡(luò)訪問點(diǎn)NAP(Networking Access Poi
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