1. 可穿戴式計算機和可穿戴式無線網絡

1.1 可穿戴式計算機是一種新概念的移動計算系統。其概念起源于20世紀60年代。自90年代以來，隨著大規模和超大規模集成電路的迅猛發展，對可穿戴式計算機的研究進入了一個全新的階段。目前，對可穿戴式計算機的概念并沒有確切的定義。大體而言，可穿戴式計算機應具備以下基本特征：可在運動狀態下使用；使用的同時可騰出手或做其它的事情；使用者可進行控制；具有可持續性、多樣性，即不同應用的可穿戴式計算機在構成、功能等方面應有所不同從以上特征可看出。與傳統的計算機相比，可穿戴式計算機與人的結合更為緊密。這就要求穿戴式計算機必須采用全新的人-機交互技術，從而達到人- 機的和諧統一。這也是當前對可穿戴式計算機研究的熱點問題和必須攻克的難點。

打造可穿戴設備：可穿戴式無線網絡技術方案詳解

1.2 可穿戴式無線網絡在上面介紹的可穿戴式計算機系統中，各硬件裝置之間主要是通過通信線纜連接的，采用的操作平臺也是基于有線裝置的。這種系統雖然在一定的場合有其適用性，但它的缺點也是明顯的：首先，它不夠靈活。因為采用通信線纜這種“硬”連接方式，勢必會影響用戶軀體的活動空間和幅度，而這在一些應用場合是必須的，如體育鍛煉。

其次，它沒有考慮與現有的個人通信終端（如手機、PDA、MP3等）的融合。這會使得現有的通信終端成了與可穿戴式計算機實體上相互獨立而功能上相互重疊的設備。

針對這種狀況，本文提出可穿戴式無線網絡的概念。與可穿戴式計算機相比，可穿戴式無線網絡具有以下特點：

⑴更好的靈活性。

⑵充分考慮與現有的個人通信終端的融合。

⑶能進行分散控制。這是由于各通信終端都有一定的運算處理能力和存儲容量（并且隨著超大規模集成電路的發展，這方面的性能勢必會得到進一步的提高）。

⑷更加人性化。用戶可根據不同的應用、方便程度、以及個人的喜好來選擇合適的主通信設備以控制整個網絡。

由此可見，可穿戴式無線網絡應具有比可穿戴式計算機更好的適用性和更廣泛的應用前景，而且它可在現有的各種無線局域網技術的基礎上開發。由于現有的各種無線局域網技術已較為成熟，因而較之可穿戴式計算機，在開發難度和開發周期上具有明顯的優勢。

2. 可穿戴式無線網絡的系統模型

2.1 網絡模型當前，適合用來構建可穿戴式無線網絡的技術主要有藍牙和ZigBee等。這兩種無線技術均屬于IEEE802.15家族，工作于ISM頻段。它們之間的區別如下表1-1所示。由于在組網方式上完全一致，因而用它們構建的可穿戴式網絡模型也基本相同。

表1-1藍牙與ZigBee的比較

⑴ 用藍牙和ZigBee技術構建的可穿戴式無線網絡結構

藍牙和ZigBee的組網方式可分為三種形式：星型網、對等網和混合網［2］。采用藍牙和ZigBee技術構建的可穿戴式無線網絡宜采用混合結構形式，如圖2.1所示。它是一個松散的Ad Hoc網絡，正好符合穿戴的需要。

圖 2.1 可穿戴式藍牙網絡模型

上圖中整個網絡被劃分為兩級層次結構。Ⅰ級匹克網的主設備（Master）連接各Ⅱ級匹克網的主設備，各Ⅱ級匹克網的主設備在Ⅰ級匹克網中充當從設備（Slave）。每級匹克網均由主設備負責維護管理。為便于維護和管理整個網絡，由Ⅰ級匹克網的主設備充當連接外部網絡的LAP，并且該主設備不作為Ⅱ級匹克網的主（從）設備。當然，這里的LAP并不直接與有線網直接相連。可充當LAP角色的設備可能不止一個，但無論哪個設備作為網關設備，都應遵循上述的組網原則。

⑵ 可穿戴式無線網絡設備

在上述的兩種可穿戴式無線網絡中，整個網絡內的設備按照角色的不同可分為兩種基本的類型：

傳感器或其它終端設備：這類設備只需將采集到的數據傳到Master即可，不承擔任何管理和維護網絡的任務。這類設備主要有傳感器、探測器、耳麥和攝像機等。

網絡互連設備：網絡互連設備不只是負責轉發終端設備傳來的數據，還必須管理和維護各Ⅱ級網絡。同時這些互連設備之間還必須形成新的網絡。因而，網絡互連設備應具有一定的存儲容量和數據處理能力。從理論上說，各Master均可充當LAP，但實際上并沒有這樣的必要。在本模型中，充當網關的LAP只作為Ⅰ級網絡的成員，負責管理和維護Ⅰ級網絡，而不作為Ⅱ級網絡的基站。這樣做的目的是為防止同一設備擔任過多的角色，會增加設備的復雜度。可充當網絡互連設備的設備有PDA、GPS、頭戴設備、MP3、手機以及PTT（Push To Talk）等，其中手機等亦可充當與外網聯系的網關。

2.2 服務原理

無論是采用哪種無線技術構建可穿戴式無線網絡，都應能提供基本的服務和管理功能，這些功能包括內部數據傳輸、基于Web的服務和網絡管理服務等。

⑴ 內部數據傳輸

內部數據傳輸是可穿戴式無線網絡最基本的服務要求。在網絡內部，Ⅰ級網絡和Ⅱ級網絡可采用不同的數據傳輸模式。在Ⅱ級網絡中，傳感器等終端設備與 Master之間通常采用點到點傳輸模式，這是因為通常情況下Ⅱ級網絡中的終端只需單項發送數據即可，且各通信終端之間一般不具有需要建立直接路由來完成的大量的通信業務。而在Ⅰ級網絡中，Master則既可采用點對點傳輸，也可采用點對多點傳輸。但Slave之間若需進行點對點通信則必須脫離原來的匹克網，單獨組建新的匹克網。

很顯然，同一Ⅱ級網絡中終端設備之間若需進行數據傳輸，則須經Master轉發。若某一Ⅱ級網絡中的終端設備要向其它Ⅱ級網絡中的終端設備發送數據，則必須經過Ⅰ級網絡中的LAP轉發。當Ⅰ級網絡中的設備需要向外部網絡傳送數據時，可考慮通過作為網關的LAP來轉發，或建立虛連接。

⑵ Web 訪問

通常情況下，只有Ⅰ級網絡中的設備才具有Web訪問的需求和條件。Web訪問應通過網關來進行，這主要是考慮到網絡的安全性。建立與Web站點的連接后，可以考慮采用C/S模式來提供業務，這些業務應包括FTP服務、E-mail服務、以及音頻和視頻服務等。對語音業務，可以考慮采取VoIP技術。

⑶ 網絡管理服務

網絡管理的任務是為維護整個網絡的可靠運行。為了設備間建立通信連接和維護管理網絡的方便，通常情況下都要對網絡中的設備分配邏輯地址。在IPv6嘗未啟用之前，肯定很難做到把實際的IP地址作為各通信設備的邏輯地址。但作為網關的設備應擁有實際的IP地址，這樣有利于進行Web訪問。當然，如果必要，也可考慮將網關設備作為DHCP服務器，但這樣顯然會加重網關設備的工作負荷。事實上，也可利用各無線技術自己的地址編址和分配方案。

為檢測網絡內部設備的活動狀態，可以向整個網絡或特定的Ⅱ級網絡發布廣播消息。并根據反饋的情況對整個網絡進行診斷，以便及時向使用者發出預警。當然，也可發布包含特定網絡設備地址的廣播消息，這種情況通常發生在消息發布者需要與該設備建立聯系的時候。

3. 可穿戴式無線網絡核心技術

盡管目前無線局域網技術已較為成熟，可作為開發可穿戴式無線網絡的基礎，但要將其真正應用于可穿戴式無線網絡還需解決多項關鍵難題，這些難題集中體現了可穿戴式無線網絡的核心技術，它主要表現在以下方面：

3.1 網絡設計

網絡設計首先要盡可能的保證系統功能的發揮和網絡的穩定。相對有線技術而言，采用無線技術的可穿戴式網絡在組網上有較大的靈活性。

除此之外，網絡設計還應考慮人的體形特征和行為習慣。良好的網絡結構應具有穿戴方便、舒適，重量輕、便于攜帶，有一定的抗震性等特征，同時還應盡量使網絡的結構簡單、使用方便（特別是操作和閱讀方面的服務）。

3.2 輸入輸出裝置

輸入輸出裝置是實現可穿戴式無線網絡人-機交互的重要接口，人-機交互的靈活性和方便性不止會影響系統功能的充分發揮，而且還會影響到市場上的推廣應用。

輸入裝置既包括手寫板、鍵盤、麥克風等由人操控的裝置，也包括攝像頭、GPS、傳感器等專門的數據輸入裝置。輸入裝置除實現語音和數據的輸入外，還應能滿足控制上的要求；輸出裝置包括耳機、顯示裝置和觸動裝置等。輸出裝置不僅要向使用者提供信息服務，同時還應體現使用者的意志和要求。當然，不同的應用所需要的輸入輸出裝置不一定相同，應根據實際需要來配置。

3.3 多功能集成裝置

應當說，滿足穿戴式無線網絡需要的具有特定功能的設備目前市場上大都已經具備，有些功能之間還進行了整合設計，如耳麥、觸摸屏等。但這些設備大多不具有無線接口，所以需要對它們進行集成，并在外殼上重新設計以符合人體穿戴的需要。對那些在網絡中承擔多種角色的設備而言，多功能集成的需要就更為迫切，也更為重要。例如，作為網關的手機不僅應具有手機的各項功能，還應承擔管理整個可穿戴式無線網絡和進行數據轉發的任務，這顯然具有一定的挑戰性。

多功能集成裝置的集成度越高、設備越微型化，就越能更好地滿足穿戴式無線網絡的需要。當然，這有賴于超大規模集成電路的進一步發展。

3.4 操作平臺

針對可穿戴式無線網絡的要求，應提供與其硬件設備相對應的操作平臺。操作平臺同樣可根據具體的應用需求來開發，但它們應具備基本的為保障整個網絡穩定運行的各項管理服務。總體說來，可以直接借鑒當前在手機等移動終端上使用的掌上OS，并在此基礎上進一步開發；也可采用Linux來開發專用的OS。前種方式將明顯有利于縮短開發周期，并可重用現有的應用軟件，其缺點是功能有限；后種方式可具有很強的針對性，其缺點是沒有相應的應用軟件支撐，開發難度較大。

3.5 網絡頑存性

網絡的頑存性體現在它對周圍環境的適應能力。它主要表現在兩個方面：網絡連接的可靠性和穩定性、網絡的抗干擾能力。網絡的頑存性在很大程度上決定了網絡的服務質量（QoS）。由表1-1可知，藍牙和ZigBee技術都有一些增強環境適應性的技術措施。例如在抗干擾方面，ZigBee和藍牙分別采用了 DSSS、FHSS技術；在糾錯機制方面，藍牙和ZigBee分別采用了前向糾錯機制和差錯檢測/重傳機制等等。但是，由于當前無線設備的迅猛增多，無線設備的使用環境也隨之惡化，在加之它們都工作于ISM頻段，因而有必要研究更可靠的技術措施來保障網絡的頑存性。

3.6 能源

對可穿戴式無線網絡，網絡中的設備通常通過電池來供電。電池一個周期的平均工作時間一方面取決于電池的容量，另一方面也與設備的能耗和電源的使用效率有關。

目前，在大規模集成電路的推動下，很多電子設備都在向小型化和微型化方向發展。比較而言，電源技術并沒有取得實質性進展，從而使得在很多移動通信設備中電池所占重量和體積的比例越來越大。因而尋找新的替代能源將是一項具有重要意義的課題。

在現階段只能通過電池供電的情況下，除要求使用者應養成良好的操作習慣外，可從硬件和軟件兩方面來著手以提高電池的平均工作時間。硬件方面，應盡可能地提高設備的集成度，并利用新型元器件進行節能設計以降低設備的能耗；軟件方面，應設計合理的設備工作模式和節能模式，同時開發相應的算法以使信號的發射功率具有自適應特性。

3.7 安全

安全問題也是無線網絡固有的問題。解決安全問題的前提是使用者要有安全意識，其次才是技術和管理上的問題。當前很多無線網絡都提供了認證和加密等方面的安全功能，但僅有這些措施是不夠的！然而，安全措施的增多會加重網絡設備的運行負擔，降低網絡的運行效率，這是矛與盾的關系。

有關無線網絡的安全問題在很多文獻中都有深入的討論，這里不再贅述。

4. 可穿戴式無線網絡的應用

可穿戴式無線網絡可粗略地理解為無線局域網技術在個體上的實現（見圖4.1）。可以說，在不同的領域都有可穿戴式無線網絡的應用需求。

4.1 軍事應用

軍事領域是可穿戴式無線網絡最有潛力的應用領域之一，特別是對情報搜索、敵后偵察等軍事任務而言情況更是如此。對這類應用，通常要求系統中配備有耳麥、攝像裝置、穿戴式 GPS裝置、具有顯示和存儲功能的通信設備等，以便偵察人員通過系統與外界保持通信聯系、確定自己所處的位置、方便地進行偵察活動。

圖 4.1 可穿戴式無線網絡應用于人體的示意圖

4.2 工業應用

在工業生產領域，當空間環境等因素導致很多有線檢測設備不能進行正常的作業，或者由于需要多個檢測設備協同工作、而使用有線連接很不方便的時候，可應用可穿戴式無線網絡。這不僅會帶來方便，而且還可及時的獲取、處理和傳輸數據，提高檢測效果。

4.3 醫療保健和助殘

對可穿戴式無線網絡具有吸引力的另一個領域是醫療保健和助殘。例如，可通過在病人身上安放多個傳感器或其它醫療設備（還可根據需要將傳感器安放到病人的體內），以檢測病人的體征；對那些不需要住院治療而又需要隨時觀察病情的病人，也可在病人身上安放一定數量的傳感器，并通過無線網絡發送的數據及時了解病人的最新情況。而對于殘疾人，則更可以通過可穿戴式無線網絡上的各項設備獲取使用者或周邊環境的信息，然后根據具體的情況提供幫助或告警信息（語音的或圖像的）。

4.4 日常生活應用

在現實生活中，很多人其實都同時攜帶有多個終端。如果采用可穿戴式無線網絡將這些終端連接起來，將能帶來很多方便。例如可通過手機及時地下載朋友推薦的音樂、然后傳送到自己的MP3上欣賞等。

可穿戴式無線網絡還可為旅游探險者帶來方便或提供安全保障，如此等等。