??? 摘 要： 將藍牙、GPRS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GPRS技術以及藍牙模塊" title="藍牙模塊">藍牙模塊與USB接口的GPRS模塊的硬件及軟件實現。
??? 關鍵詞： 可穿戴計算機? 藍牙? GPRS（通用分組無線業務）? USB（通用串行總線）
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??? 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。可穿戴計算機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。基于其特點，可穿戴計算機的各個組成部分（終端設備" title="終端設備">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入可穿戴計算機中，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" title="外設">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。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其它一些低層常規協議。基帶鏈路控制器中包含三種糾錯方案：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（HCI）：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" title="域網">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 Point）。這兩種實現模式分別有不同的網絡結構和協議模型[3]。組網被設計用來允許一個或多個藍牙設備組成一個局域網絡，而網絡訪問點提供藍牙設備進入Internet網絡的能力。無論是NAP還是GN都必須提供與TCP/IP和其它網絡協議的無縫實現。圖1是GN在協議棧部分圖示[4]。
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??? 根據可穿戴計算機將組成的個域網的特點，采用組網絡模型顯然是比較合適的。
2.3?WearComp藍牙個域網系統實現
2.3.1 系統結構
??? 下面以從事搶險救災技術勘察工作人員的可穿戴計算機為例，具體介紹藍牙技術的應用。根據工作人員的實際需求，該套可穿戴計算機應具有頭戴顯示器、耳機、耳麥、微型攝像機、手寫輸入板、腕式鍵盤和無線通信模塊等外設。
?? 根據藍牙個人區域網PAN的組網絡GN模式，筆者設計的可穿戴計算機系統結構組成如圖2所示。其中各個終端設備和主機均內置了藍牙模塊。
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2.3.2 可穿戴計算機終端設備和藍牙技術集成的實現
??? 藍牙協議支持點對點和點對多點的鏈接。每個藍牙的微微網（piconet）中有Master和Slave兩種權限，除了Slave和Master以外，各個Slave節點之間也可以通信。在這里只以單個的piconet為主干構建WearComp無線網絡。Master節點為WearComp網絡主控節點，實現信息的匯集處理功能；Slave節點為無線設備。考慮到各個無線設備之間是互相獨立的，信息融合只在Master節點完成，所以僅實現Master點對多Slave點的通信，形成一個星型的拓撲結構。每個piconet有3位地址碼，即piconet的容量最多為８個節點，各個Slave節點負責對原始數據的預處理（包括濾波、補償、數字化等）和處理后數據的發送，上層是基于普通PC機或其他類型上位機（如嵌入式計算機）的Master節點，所有無線設備的信息在這里進行更高一級處理。
??? 在通用異步收發（UART）模式下，藍牙模塊依照標準接口使用，主控接口HCI已定義好，可以在RS232接口上實現。終端設備模塊攜帶與藍牙模塊兼容的接口，如RS232。通過這個標準接口，終端設備接口模塊可以與藍牙模塊連接在一起，實現對藍牙模塊的控制。這樣不同廠家生產的藍牙模塊就可以與同一種終端設備銜接。
??? 軟件部分：整個系統的應用軟件可分為三部分：
??? （1）運行在上位機上的應用程序，包括面向用戶的圖形用戶界面、面向終端設備接口模塊層的操作（主要是對終端設備的控制和通信），以及同藍牙模塊上的HCI固件" title="固件">固件（firmware）的通信程序。這部分可用面向對象的編程語言實現，把每個終端設備節點作為一個節點類的實例對象，應用程序通過與實例對應的句柄訪問控制各個終端設備節點。
??? （2）嵌入到終端設備模塊的MCU上的程序。針對不同的MCU用匯編或是C語言寫成。主要完成原始信息的采集、處理、讀取、與HCI固件的通信、利用終端設備接口模塊層與上位機通信。
??? （3）藍牙模塊上的HCI固件固化在藍牙基帶模塊的Flash存儲器里。通過它實現終端設備模塊、上位機中軟件與藍牙硬件的通信。
??? 硬件部分：藍牙模塊采用愛立信公司的ROK 101 007，由無線電、基帶和閃存構成，內置支持HCI的固件，外圍有適于高速數據傳輸的UART接口和USB接口，也有適于語音傳輸的PCM接口。功耗小，具有內置屏蔽功能。主機CPU采用嵌入式Pentium，功耗僅為1.5W，不需要風扇即可正常使用。
3? USB接口技術應用于可穿戴計算機
??? 體積小、功能強、外圍設備多、集成度高是可穿戴計算機的主要特點之一。由于可穿戴計算機對多媒體的要求很高，要實現的功能很多，以至于其外設種類很多，所以要求其接口種類也比較多，如串口、MCP接口、USB接口及PCMCIA接口等。若將眾多接口都集成在一起，不但設計復雜，而且集成后的體積仍然較大，且其擴充性也較低。USB接口則將這些不同的接口統一起來，使用一個4針插頭作為標準插頭。在可穿戴計算機的設計中采用USB接口作為主要的外設接口，可彌補上述不足。
具體實現：
??? （1）硬件部分：在主機端采用PHILIPS公司生產的PDIUSBD12獨立USB控制器。PDIUSBD12的突出特點是特別適用于便攜式USB設備、產品的改型設計，以及需要高速數據傳輸的數據采集系統。
??? （2）軟件部分：USB設備的軟件設計主要包括兩部分：一是USB設備端的單片機軟件，主要完成USB協議處理和數據交換（多數情況下是一個中斷子程序）以及其它應用功能程序（例如A/D轉換、MP3解碼等）；二是PC端的程序由USB通信程序和用戶服務程序兩部分組成，用戶服務程序通過USB通信程序與系統USBDI（USB Device Interface）通信，由系統完成USB協議的處理與數據傳輸。PC端程序的開發難度非常大，程序員不僅要熟悉USB協議，還要熟悉WINDOWS體系結構并能熟練運用DDK工具。
??? USB總線驅動設計主要包括五部分，分別是向上對USB設備驅動和應用提供的函數接口USBDAPI、向下對主機控制器驅動提供的函數接口HCDAPI、USB系統資源、集線器驅動、系統配置及總線枚舉器（如圖3所示）。定義好這些接口之后，后三部分可并行設計和開發。
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??? 目前嵌入式系統中軟硬件產品種類很多。由于本文設計的USB總線驅動與USB設備和USB主機之間通過定義的標準軟件接口，對USB設備和USB主機的操作分別通過各自的驅動完成，從而避免了與硬件直接打交道，所以這部分設計與硬件和操作系統的相關性不大，適于各種不同的系統。
4 GPRS技術在可穿戴計算機中的應用
4.1?GPRS技術概述
??? 通用分組無線業務（GPRS）是在現有的全球移動通信系統（GSM）網絡基礎上疊加了一個新的網絡，它充分利用了現有移動通信網的設備，在GSM網絡上增加一些硬件設備并進行軟件升級，形成一個新的網絡邏輯實體。它突破了GSM網只能提供電路交換的思維定式，以分組交換技術為基礎，采用IP數據網絡協議，能夠提供比現有GSM網9.6kbps更高的數據速率，其數據速率可達170kbps；它可以給GSM用戶提供移動環境下的高速數據業務，包括收發電子郵件、因特網瀏覽等IP業務功能[5]。
??? 由于GPRS是分組交換技術，應用了統計復用技術，因此GPRS開通的數據通信是按用戶數據的傳輸信息量計費，而不是按傳統的按時計費方式，所以對用戶而言還可以節省費用。另外，由于GPRS支持X.25協議和IP協議，因此，對于GSM網現有電路交換數據業務（CSD）和短信息業務（SMS），GPRS是補充而不是替代。
??? GPRS開啟了大眾移動數據應用的大門。采用GPRS技術，用戶可以得到以下好處：只對傳輸數據收費（實際用量）而對連接間隙不收費；保持永久連接；通過IP的直接ISP接入更廉價；新的應用能夠實現真正的插入及操作方案；用戶可以即時接入多種服務，如：在上網的同時可以進行語音呼叫；手機的IP功能（互聯網、遙測、電子商務等）。
??? 基于可穿戴計算機的可移動性和靈活性，能夠與外界進行良好的無線通信成為其必備的功能。因此，筆者為WearComp配備了一個基于GPRS技術的無線網卡。
4.2?USB接口的GPRS Modem的設計
4.2.1 硬件設計
??? 本Modem設計中用到的主要元件包括51系列單片機W77E58、獨立的USB接口芯片PDIUSBD12及愛立信公司生產的GPRS模塊GM47（如圖4所示）。
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??? W77E58是由Winbond公司生產的與51系列兼容的單片機。它支持40MHz晶振頻率且縮短了指令周期，具有與51系列兼容的指令集和與80C52兼容的引腳排列，以及32KB的Flash EPROM和1KB的片上SRAM；另外，它所提供的CMOS電平也與GM47模塊所提供的CMOS電平完全兼容，無需再進行電平轉換。以上這些特性都說明將單片機W77E58用于本Modem的設計是非常合適的[6]。
??? 由PDIUSBD12和W77E58構成的USB接口電路：PDIUSBD12的8位并行數據接入W77E58的P0口，P2.6作為PDIUSBD12的命令或數據的選擇線。PDIUSBD12與W77E58的數據交換采用中斷方式（外部中斷0）。USB設備通過四線電纜接入主機或USBHub，這四線分別是：Vbus（總線電源）、GND（地線）、D+和D-（數據線）。主機通過D+和D-上的電壓變化檢測設備的狀態[7]。
??? 由GM47模塊和W77E58構成的GPRS接口電路：作為一種應用終端模塊，GM47通過自帶的UART端口與控制它的MCU或PC機聯系。在UART端口引腳中，RD（串行數據輸出）和TD（串行數據輸入）作為數據口分別與W77E58的RXD和TXD連接，而CTS（發送清零）、TS（發送請求）、DTR（數據終端準備好）、DCD（數據有效檢測）作為控制口分別與W77E58的P1.0～P1.3連接。這樣就完成了GM47與W77E58的通信控制連接。為了實現GPRS的功能，GM47模塊還需要完成SIM卡、天線、電源等部分的連接。
4.2.2? 軟件設計
??? USB部分：W77E58對PDIUSBD12的控制軟件主要完成USB協議處理與數據交換以及其它應用功能程序。在本設計中，要求利用W77E58相對高的處理速度完成可穿戴計算機主機發來的較大數據量的處理（如經壓縮過的視頻、音頻信號等）。
??? GPRS部分：GM47 GPRS模塊的軟件部分對外提供了一個控制系統操作的AT指令集，通過接收來自UART的AT指令，解釋并執行相應的操作，從而實現無線Modem的對應功能。所有的Modem命令都是從一個特定的指令前綴（AT）開始，到一個命令結束標志結束。以下介紹幾個常用的AT指令[8]：
??? ATD??//撥號指令：在后面接電話號碼，并可通過ME、SM、LD等控制字選擇號碼的來源是機器、SIM卡或是最近所撥號；
??? ATH??//掛起：提示終止通話；
??? ATO??//返回至在線數據模式：在通話過程中從在線控制模式轉換到在線數據模式；
??? AT+CGATT? //是移動終端進入或離開GPRS服務（后接“1”為進入，“0”為離開）；
??? AT+CGDATA??//進入數據狀態：利用PPP等協議完成將移動終端連接到網絡上的操作；
??? AT+CGEREP??//GPRS事件報告；
??? AT+CDREG??//GPRS網絡登記狀態。
??? GM47模塊還提供了很多其他指令，這些指令為實現該模塊強大的功能奠定了基礎，也為眾多應用開發人員提供了優良的開發平臺。
參考文獻
1 陳東義.可穿戴計算機及其應用.計算機世界，2002-1-23
2 趙蘊龍.USB技術在可穿戴計算機中的應用，計算機工程與設計，2001;(6)
3 Bluetooth Special Interest Group. Personal Area Networking?Profile [Z]. June 26, 2001
4 Bluetooth Special Interest Group.Bluetooth Network Encapsulation Protocol (BNEP) Specification [Z]. June 12, 2001
5 祝 侃.通用分組無線業務（GPRS）[J]. 數據通信， 2000;（30）:48～51
6 Winbond Electronics corp. W77E58 8-BIT MICROCONTROLLER. July 13 2001.
7 周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發.北京:北京航空航天大學出版社，2003
8 Sony Ericsson Mobile Communications International. GM47?Integrators Manual Draft PA1. 2001