（系统分析与集成专业论文）蓝牙技术在掌上型无线心电监护仪中的应用.pdf

学位论文独创性声明 本人所里交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：三声j 已立、 日期；型生i ： 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：j 左弋导师签名。专弋址 日期：塑芏：6 3日期：) m 型2 摘要 蓝牙作为一种短程无线通信技术，由于体积小、功耗低等特点， 已成为无线嵌入式医疗设备所考虑采用的基本无线通信技术之一。 新型的心电图监护设备一一掌上型无线心电监护仪采用蓝牙技 术作为心电采集器和掌上计算机之间数据传输的桥梁，取代了传统的 线缆连接方式。本文以医疗保健设备的发展趋势为背景，介绍了蓝牙 技术的特点、协议，并将其与当今流行的其它无线通信技术进行了对 比。然后，设计和实现了一种利用精简蓝牙协议栈实现蓝牙无线通信 的方法，主要包括： 逻辑链路控制和适配协议( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o n p r o t o c o l ，l 2 c a p ) 的设计与实现。l 2 c a p 是蓝牙协议栈的核心协 议，它为应用和更高层的协议屏蔽了下层传输协议的细节，是高 层协议和底层协议的纽带。 服务发现协议( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ，s d p ) 的测试。s d p 也是蓝牙协议栈的核心协议，它定义了一种标准方法，以使蓝牙 设备可以发现其它设备提供的服务。 最后，对蓝牙技术的发展及其在医疗保健领域的进一步应用作了 展望。包含本论文所介绍的主要工作在内的掌上型无线心电监护仪已 经实现。 关键词：蓝牙，逻辑链路控制和适配协议，服务发现协议，无线通信 嵌入式系统，心电监护仪 摘要 a b s t r a c t a sak i n d o f s h o r t r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y b l u e t o o t hh a sb e c o m e0 1 - 1 eo ft h eb a s i cw i r e l e s st e c h n o l o g i e st ob eu s e d i nw i r e i e sse m b e d d e dm e d i c a le q u i p m e n t sw i t hs m a l ls i z ea n dl o w p o w e r c o n s u m p t i o n a d o p t i n gb l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i e a t i o nt e c h n o l o g y an e wt y p e o fe c gm o n i t o re q u i p m e n t w i r e l e s sp a l me c g ( e l e c t r o c a r d i o g r a p h i c ) m o n i t o r r e p l a c e s t h et r a d i t i o n a lw i r e c o n n e c t e do n e w i t ht h e b a c k g r o u n d o ft h et r e n do ft h e d e v e l o p i n e n t o fm e d i c a lh e a l t h i n s t r u m e n t t h et h e s isi n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o t o c o lo f b 1 u e t o o t ha n d c o m p a r e s t h e mw i t h o t h e r p r e v a l e n t w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a f t e rt h a t i t p r e s e n t s t h e d e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fb l u e t o o t hw i r e l e s sc o m i l l u n i c a t i o nw i t hs i m p “f i e d p r o t o c 0 1 t h em a i ni s s u e sa r e ： d e s i g na n di m p l e m e n to fl 2 c a p ( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n d a d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) l 2 c a p ，w h i c hi st h eb r i d g eb e t w e e nh i g h e rl e v e l a n dl o w e rl e v e lp r o t o c o ls i sp a r to fc o r ec o n t e n t s i tm a s k st h ed e t a i l s o fl o w e th o s t - h o s tp r o t o c o lf o rt h ea p p l i c a t i o na n dh i g h e rp r o t o c 0 1 t e s t i n go fs d p ( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l l s d pi s a l s op a r to f c o r ec o n t e n t s i td e f i i l esas t a n d a r d w a y t h r o u g hw h i c hb i u e t o o t h d e v i c ec a nf i n dt h es e r v i c e ss u p p l i e db yo t h e r s i nt h ee n d 。t h et h e s ism a k esa p r os p e c to ft h ed e v e l o p m e n to f b l u e t o o t ht e c h n 0 1 0 9 ya n di t sf u r t h e ra p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fm e d i c a l h e a l t h t h ew i r e l e s sp a l me c gm o n i t o ri sr e a d yf o rt h et i m eb e i n g k e yw o r d s ：b l u e t o o t h ，l 2 c a p e m b e d d e ds y s t e m s ， s d p ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s e c gm o t t i t or 引言 第一章引言 1 1 医疗保健设备的发展趋势 随着现代信息技术的发展以及人们对自身保健质量要求的不断 提高，医疗保健业日益朝着移动、无线、便利方向发展。医疗保健机 构正逐步通过各种通信方式从保健现场获得患者信息并更新它们的 数据库。 移动无线解决方案允许用户在患者病榻旁即时地更新患者信息， 从而可以确保数据反应了患者的最新情况。这有助于减少医疗差错、 节省医疗专业人员的时间，并降低数据录入成本：同时，便于浏览患 者病历、检验治疗结果、访问付费情形、输入诊断信息，与其他医疗 保健人员一起研究药物处方，并能够在患者最方便的场所将关键性的 统计数据输入到患者病历中。对于家庭治疗，患者不仅可以免去到治 疗中心的旅行负担，而且还能够在它们自己舒适的家庭环境中接受治 疗。 总之，从发展的角度来看，医疗保健产品的无线化、网络化是趋 势，移动型、掌上型产品将成为未来市场的主流。 1 2 无线通信技术在医疗保健设备中的应用【卜| 0 】 参考文献能一一对应最好 医学i | 缶床监护技术是将患者的各重要生理信息及时、准确地提取出来 进行处理、分析，以利于医护人员对患者病情进行检测和防护的技术。 它可以分为病房监护、动态监护、远程监护和家庭保健监护等。生物 医学工程中所检测的信号大多是人体信号，而且需要检测人体处于自 然状态时的信号，但将检测设备通过有线方式连到人体上进行监测的 传统方法会使患者感到不自然，心情紧张，从而导致所检测到的数据 不准确，特别是在病房监护中，各种连线不仅使患者感到不舒服，而 且还使病房显得杂乱无章，影响患者的心情。使用无线通信技术就可 以解决这个问题：通常将检测仪器戴在患者身上，通过无线通信技术 将患者身体的各种数据传送到接收设备上，并进行处理。 1 2 1 无线通信技术在病房监护中的应用 在病房监护中，病房里安装有带有微处理器的无线通信模块并 通过通信总线和计算机系统相连。上述无线通信模块实时地接收来自 患者身上的无线通信模块传来的数据。这样，从患者身上得到的数据 就可以非常方便地被计算机系统获取，从而在医院的计算机室就可以 对数据进行分析、存储。 引言 1 2 2 无线通信技术在动态监护中的应用 为了早期发现和诊断一些重要的疾病，往往需要正常生活中的患 者进行连续监控，这称为动态监控，目前常用的有动态心电监护、动 态血压监护等。可以利用无线通信技术实现简单便捷的动态监护：带 有无线通信模块的探测器件佩带在患者身上，而同样具有无线通信模 块的数据接收部分可以由患者随身携带，探测器部分把数据通过无线 通信技术发到数据接收部分。经过一定的时间( 通常是一昼夜) 再将 接收到的数据传到个人计算机，从而可以对数据进行各种处理。 1 2 3 无线通信技术在远程监护中的应用 远程医疗中发展最快和最具实用价值的是远程监护和家庭保健 监护。其大体方式和上述的病房监护系统相同，也是在患者家中安装 无线接收器，带无线通信设备的探测器将数据通过无线通信模块传输 到无线接收器，无线接收器带有微处理器，并和因特网相连，数据可 传输到医院的计算机系统以便于进行各种处理。 1 2 4 发展前景 将无线通信技术应用于医疗监护设备，在国外已经取得了较大发 展。在国内，目前无线通信技术的应用主要集中于小型的移动通信设 备，而把无线通信技术应用于医疗设备的工作尚处于起步阶段，但已 显示出广阔的前景。 1 3 短程无线通信方式川1 当今流行的短程无线通信方式主要包括以下几种： i e e e 8 0 2 1 1 b a g 、h y p e r l a n 2 、h o m e r f 、红外、超宽带、z i g b e e 、 蓝牙：这些无线技术以其不同的特点在定领域和一定时期发挥着积 极作用。 1 3 1i e e e8 0 2 1 1 b 1 ) 技术背景 1 9 9 7 年，在经过了7 年的工作以后，i e e e ( i n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，电气与电子工程师协会) 发布了8 0 2 11 协 议，这是在无线局域网领域内的第一个被国际上认可的协议。这个基 于标准的技术使得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构 造自己的网络，满足他们的商业和其他用户的需求。8 0 2 1 1 协议主要 工作在o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r e o n n e c t i o n ，开放系统互联) 协议的最 引言 低两层上，并在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特 性并增强连接的稳定性。1 9 9 9 年9 月，i e e e 又提出了8 0 2 1 1 b 协议， 用来对8 0 2 i l 协议进行补充，8 0 2 1 1 b 在8 0 2 1 1 的1 m b s 和2 m b s 速率下又增加了5 5 m b s 和11 m b s 两个新的速率。利用8 0 2 1 】b ，移 动用户能够获得同以太网一样的性能、网络吞吐率和可用性。 2 ) 技术特点 工作频段：2 4 g h z 。 传输速率：采用d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，直接序 列扩频) 的调变技术，提供最大为1 1 m b s 的数据传输速率，无须 直线传播。 动态速率转换：当射频情况变差时，数据传输速率降低为5 5 m b s 、 2 m b s 或l m b s 。 使用范围：8 0 2 1 1 b 支持以百米为单位的范围( 在室外为3 0 0 米， 在办公环境中最长为1 0 0 米) 。 可靠性：与以太网类似的连接协议和数据包保证可靠的数据传送 和网络带宽的有效使用。 互用性：8 0 2 1 1 b 只允许一种标准的信号发送技术。w e c a ( w i r e l e s s e t h e r n e tc o m p a t i b i l i t ya l l i a n c e ，无线以太网兼容性联盟) 负责认 证产品的互用性。 电源管理：8 0 2 1 1 b 网络接口卡可转到休眠模式，访问点将信息缓 冲到客户，延长了电池使用时间和寿命。 漫游支持：当用户在楼房或公司部门之间移动时，允许在访问点 之间进行无缝连接。 加载平衡：8 0 2 1 l b 动态更改与之连接的访问点，以提高性能( 例 如，当前的访问点流量较拥挤，或发出低质量的信号时) 。 可伸缩性：最多三个访问点可以同时定位于有效使用范围中，以 支持上百个用户。 同时支持语音和数据。 安全性：内置式认证和加密。 3 ) 应用范围 不易接线的区域：在不易接线或接线费用较高的区域中提供网络 服务。 灵活的工作组：为经常进行网络配置更改的工作区降低了总成本。 网络化的会议室：用户可在从一个会议室移动到另一个会议室时 进行网络连接，以获得最新的信息，并且可在决策时相互交流。 特殊网络：现场顾问和小工作组的快速安装和兼容软件可提高工 作效率。 部门范围的网络移动：漫游功能使企业可以建立易于使用的无线 引言 网络，可覆盖所有部门。 4 ) 发展前景 8 0 2 1 l b 在无线局域网市场无疑已经取得了巨大成功，并成为了 目前市场上应用最广泛的无线局域网技术。8 0 2 1 1 b 相对低廉的价格、 高速的数据业务服务使其将在一定时期占据市场主导，但从长远来 看，随着一些更优秀的标准不断出台，8 0 2 1 l b 被取代也是必然的。 1 3 2i e e e8 0 2 1 1 i i 1 ) 技术背景 随着无线局域网技术的飞速发展，8 0 2 1 1 b 最大只能提供1 l m b p s 传输数率的不足凸显出来，虽然对现有的一些网络应用绰绰有余，但 对收发动态图像等今后日趋普及的大容量内容应用却是心有余而力 不足。 1 9 9 9 年，i e e e8 0 2 1 1 a 标准制定完成，8 0 2 1 1 a 的出现在很大程 度上解决了8 0 2 1 l b 所存在的欠缺。8 0 2 1 1 a 标准是8 0 2 1 1 b 无线联网 标准的后续标准，提供了更高的传输速率。 2 ) 技术特点 工作频段：5 g h z 。 传输速率：5 4 m b s 。 传输距离：8 0 2 1 l b 的1 3 ，无障碍传输为3 0 5 0 m 。 业务支持：支持语音、数据、图像业务。 3 ) 应用领域 目前业界普遍观点的是用8 0 2 1 1 a 做室外桥接，而8 0 2 1 l b 主要 用做室内覆盖。 4 ) 发展前景 8 0 2 11 a 由于工作在5 g h z 频段上，一则需要申请，另外在传输 过程中信号损失较大，穿越墙壁困难。但是随着i e e e 对标准的不断 完善，现存的某些问题也许将得到彻底的解决，比如硬件厂商将会设 法提供能够同时支持8 0 2 1 l a 和8 0 2 11 b 这两种标准的产品，以解决 它们之间的兼容问题等。 1 3 3i e e e8 0 2 1l g 1 ) 技术背景 在8 0 2 1l a 和8 0 2 11 b 彼此都飞速发展的情况下，新的问题又接 踵而至。8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 bt 作在不同的频段，彼此的不兼容，制 约了其发展。于是一种既有8 0 2 1 1 a 的高速率又能兼容8 0 2 1 l b 的新 标准8 0 2 1 1 9 被制定出来。 引言 2 ) 技术特点 工作频段：2 4 g h z 。 传输速度：支持1 1m b s 和5 4 m b s 两种。8 0 2 1 l g 产品有可同时 使用8 0 2 1 1 b 与8 0 2 1 l g 的“8 0 2 1 l b 兼容模式”。在这一模式下， 8 0 2 1 1 b 用户的最高传输速度为1 l m b p s ，但是，这时8 0 2 1 1 9 用 户也只有1 1 m b p s 。总之，该兼容模式是“平时以高速的8 0 2 1 1 9 通信，只要有一个8 0 2 1 1 b 用户进入，所有人员均转换到8 0 2 1 l b ”。 如果想达到5 4 m b p s ，所有用户必须是8 0 2 1 1 9 用户。 通信距离：在通常情况下，8 0 2 1 1 b 模式的通信距离是以接入点为 中心的半径约4 5 米。如果是8 0 2 1 i g 模式，那么通信距离是以接 入点为中心的半径15 米。 3 ) 应用领域 8 0 2 1 l g 在性能方面与8 0 2 1 1 a 相似，而且其设备价格比8 0 2 1 1 a 更便宜，加上它可兼容8 0 2 1 1 b ，应用领域很广泛。 4 ) 发展前景 8 0 2 1 1 9 产品有带宽、产品兼容性、保护现有投资等方面的明显 优势，虽然目前存在着诸多问题，但已经被很多的厂商看好。8 0 2 11 9 很可能将成为无线网络的主流标准，一旦8 0 2 1 l g 最终标准得到正式 颁布，8 0 2 1 1 9 势必得到更广泛的发展。 1 3 4h i p e r l a n 2 1 ) 技术背景 h i p e r l a n 2 是h 2 g f ( h i p e r l a n 2g l o b a lf o r u m ，h i p e r l a n 2 全 球论坛) 开发的下一代无线局域网技术。h 2 g f 是由b o s c ht e l c o m 、 d e l l 、e r i c s s o n 、n o k i a 、t e l i am o b i l e 和t e x a si n s t r u m e n t s 等公司发 起的，其宗旨就是要推动h i p e r l a n 2 技术的标准化。 2 ) 技术特点 工作频段：5 g h z 。 传输速率：最高可达到5 4 m b s 。 面向连接：在h i p e r l a n 2 网络中，需要先使用h i p e r l a n 2 控制 板的信令功能，在移动终端和访问点之问建立连接，然后才能进 行数据传输。h i p e r l a n 2 中使用的连接有两类，即点对点的连接 和单点对多点的连接。 服务质量支持：h i p e r l a n 2 的面向连接的特性使它很容易满足服 务质量要求，可以为每个连接分配一个指定的q o s ，确定这个连 接在带宽、延迟、拥塞、比特错误率等方面的要求。 动态频率分配：在h i p e r l a n 2 网络中，不需要像在蜂窝网络( 如 g s m 中) 那样手工规划频率。无线基站( 在h i p e r l a n 2 中被称为 引言 a p ( a c c e s sp o i n t ，访问点) 本身支持为每个a p 在覆盖范围内进 行的传输选择最适当的无线信道。每一个a p 都监视邻近的a p 以 及h i p e r l a n 2 环境中的其它无线资源，并且根据无线信道已经被 其它a p 占用和把对无线网络环境的干扰降到最低这两个原则， 选择最适当的传输信道。 安全支持：h i p e r l a n 2 支持认证和加密。 移动性支持：移动终端将能够自动从最近的a p 发射和接收数据。 网络和应用独立：h i p e r l a n 2 协议栈具有一个灵活的结构。因此 很容易与多种固定网络进行适配和集成。如一个h i p e r l a n 2 网络 可以被用于一个交换式以太网的最后一段，但它也可能被用于其 它的配置，如作为对第三代蜂窝网络的一个访问网络。所有今天 可以在固定网络中运行的应用都可以在h i p e r l a n 2 网络中运行。 功耗较低：在h i p e r l a n 2 中，移动终端节省功耗的机制是基于移 动终端启动的休眠期状态。移动终端可以在任意时刻请求a p 进 入一种低功率休眠状态，而且可以确定这一状态的时间。当协商 好的休眠期满时，移动终端搜索是否有a p 发出的唤醒指示。如 果没有搜索到唤醒指示，移动终端将重新转换到低功率状态进入 下一个休眠期。在体眠期间，a p 将延迟所有等待的数据传输任务， 直到移动终端中结束相应的休眠期为止。h i p e r l a n 2 支持不同的 休眠时间，这样可以满足用户对短延迟或低功率等不同的需求。 3 ) 应用范围 企业局域网：可以利用h i p e r l a n 2 在企业中组建无线以太网。 h i p e r l a n 2 网络支持同一个子网中的移动性。 重要地点：h i p e r l a n 2 可以部署在一些重要地点( 如机场、宾 馆等) ，以便为正在旅行的用户提供远程访问和因特网服务。与 h i p e r l a n 2 连接的访问服务器允许点对点连接，也可以访问特定 的企业网络。 访问第三代蜂窝网络：用户可以通过h i p e r l a n 2 访问第三代蜂 窝网络( 如w c d m a 等) 。将来，h i p e r l a n 2 和w c d m a 技术覆盖的 地区必将越来越广泛，而用户可以从中得到最大的好处，他们不 仅可以使用h i p e r l a n 2 提供的服务，而且在没有h i p e r l a n 2 的 地方仍然可以使用w c d m a 蜂窝网络服务。当用户在两类网络之间 移动时，核心网络可以保证用户无缝地自动在两类网络之间进行 转换。 h i p e r l a n 2 可以为家庭环境创建一个无线基础设施，用于家用设 备( 如家用p c 、v c r 、照相机和打印机等) 的联网。h i p e r l a n 2 的高输出和服务质量特性可以满足各种家用设备视频传输与数 据通信的要求。在这种情况下，a p 可能会提供一个到公众因特网 6 引占 的“上行”链路。 4 ) 发展前景 h i p e r l a n 2 虽然在技术上有优势，然而它在开发过程中却落在 8 0 2 1 1 a 的后面，不过因为它是欧洲的标准，所以一直得到政府的支 持，尤其在频率规划上，因为它使用的波段和8 0 2 1 l a 相同，许多投 资商一直在游说，希望8 0 2 1 1 a 也能在h i p e r l a n 2 波段使用，i e e e 也正在开发一个可以将两种5 g h z 系统统一起来的标准。 1 3 5h o m e r f 1 ) 技术背景 h o m e r f 无线联网标准是由p r o x i m 、西门子、摩托罗拉、康柏等 技术巨头于19 9 8 年发起组建的h o m e r f 工作组负责研发的，其研发 初衷旨在为家庭无线联网提供一种方便易用、部署成本低廉的通用性 标准，它汲取了i e e e8 0 2 1 l 与d e c t ( d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n ，数字增强型无绳通信) 等无线标准的优点，能够 有效降低语音和数据传输成本，可提供1 m b s 至2 m b s 的数据传输带 宽，新的h o m e r f2 x 标准的最高数据传输带宽则可达1 0 m b s 。作为 无线技术方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网 络中的设备，如笔记本计算机和因特网应用提供了漫游功能。 2 ) 技术特点 工作频段：2 4 g h z 。 传输速率：采用跳频扩频技术，跳频速率为5 0 跳秒，共有7 5 个 带宽为l m h z 的跳频信道。调制方式为恒定包络的f s k ( f r e q u e n c y s h i f tk e y ，频移键控) 调制，分为2 f s k 与4 f s k 两种。2 f s k 方 式下，最大数据的传输速率为1 m b s ；4 f s k 方式下，速率可达 2 m b s 。在新的h o m e r f2 x 标准中，采用了宽带调频技术来增加 跳频带宽，由原来的l m h z 跳频信道增加到3 m h z 、5 m h z ，跳频 的速率也增加到7 5 跳秒，数据峰值达到1 0 m b s 。 提供了对流媒体真正意义上的支持：由于流媒体规定了高级别的 优先权并采用了带有优先权的重发机制，这样就确保了实时播放 流媒体所需的带宽，而且干扰少、误码低。 3 ) 应用范围 h o m e r f 是一种优化的在家庭住宅环境内组建家庭网络的无线 连接技术，其主要应用是在诸如p c 、无绳电话、宽带电缆或d s l 调 制解调器等设备之间实现话音、数据的无线传输。 4 ) 发展前景 2 0 0 0 年，h o m e r f 的普及率一度高达4 5 ，在家庭无线联网市场 独占鳌头。但由于h o m e r f 技术标准没有公开，仅获得了数十家公司 引言 的支持，并且在抗干扰能力等方面与其它技术标准相比也存在不少欠 缺，这些先天不足决定了h o m e r f 标准应用和发展前景有限。又加上 这一标准推出后，市场营销策略失当、后续研发与技术升级进展迟缓， 因此，2 0 0 0 年之后，h o m e r f 技术开始走上了下坡路，2 0 0 1 年h o m e r f 的普及率降至3 0 ，市场优势逐渐丧失。芯片制造巨头英特尔公司决 定在其面向家庭无线网络市场的a n y p o i n t 产品系列中增加对8 0 2 1 l b 标准的支持后，h o m e r f 的失败几乎已成定局。其后，随着包括p r o x i m 在内的原h o m e r f 阵营中的主将也转而投向8 0 2 1 l b 标准的怀抱。 h o m e r f 技术在市场更是节节败退，一发不可收拾，最终不得不黯然 宣布退出无线联网市场的角逐。 1 3 6 红外技术( i r d a ) 1 ) 技术背景 i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ，红外线数据协会) 是9 3 年由 h p 、i b m 、s h a r p 、s o n y 等5 0 家厂商在美国成立的组织，主要为整 合周边红外线传输装置，建立红外线无线传输之统一标准，并开发与 之关联的新技术及新市场而成立。i r d a 以低价位、点对点、近距离 无线传输、半双工及串列红外线标准为发展方向。9 4 年6 月i r d a 发 表红外线资料交换标准1 0 版，采用波长0 8 5 0 9 0 微米红外线为媒 介，传输速率115 2 k b p s ，有效距离在1 公尺以内，发射与接收角度 为3 0 度。9 5 年1 0 月i r d a 又针对高速资料传送应用，订定f i r ( f a s t i n f r a r e d ) 标准，进一步将速率提升为4 m b s ( 1 1 版) ，9 5 年1 1 月， w i n d o w s9 5 操作系统首度支持红外线传输，使得i r d a 飞速发展。9 9 年1 月，i r d a 根据1 1 版的f i r ，提出v f i r ( v e r yf a s ti n f r a r e d ) ， 传输速率提高为1 6 m b s ，有效距离达8 公尺，发射角度也达到1 2 0 度。根据i r d a 技术发展蓝图，6 4 m b s 及1 0 0 m b s 将是接下来的规格 标准。 2 ) 技术特点 传输速度：由于采用点对点的方式进行传输数据，因此数据传输 过程中受到的干扰比较小，最高数据传输率为1 6 m b s 。 功率底：相对于其它无线技术，使用红外技术的无线设备的功率 低，体积小。 成本低：使用红外技术的无线l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e 发光二 极管) 与接收器等组件的价格比现今大多数无线设备便宜。 直线传播：红外传输技术在传输数据时候，必须保证两者之间不 能有阻挡物，这一点在多个红外设备之间传输数据的时候会造成 诸多不便。 器件不耐用：红外设备的核心部件一一红外线l e d 是一种不耐用 弓f 言 的器件频繁使用后寿命大大缩短。 3 ) 应用领域 红外技术广泛应用于各种便携式设备及家用电器遥控设备中。 4 ) 发展前景： 红外技术进入市场较早，由于其自身的功耗低、价格便宜等优点 而成为目前普及最广的短距离无线传输技术，有很高的市场占有率。 不过由于其技术方面的缺陷，终不能成为无线局域网的标准。 1 3 7i e e e8 0 2 1 5 3u w b 1 ) 技术背景 u w b ( u l t r aw i d e b a n d ，超宽带) 技术起源于上个世纪6 0 年代， 直到l9 8 9 年美国国防部才使用“超宽带”这一术语。这项技术最初用 于军事目的，比如透地精密雷达和保密通信，过去几年间开始进入商 业应用开发。因其有高数据速率、低功耗、低成本、能有效对抗多径 效应、设计简单等优点，受到研究者和从业者的重视。有人称它为无 线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主 流技术，目前超宽带已经被i e e e 确立为8 0 2 1 5 3 标准。 对于数据通信来说，超宽带无疑大有用武之地。从计算机到外设、 外设到外设和数字家庭网络的应用中，超宽带无线技术提供了一个低 成本、低功率、高数据速率的解决方案。可执行精确的地理定位是该 技术一个很有用的特点。它能够辅助使用在移动自组网中，因为知道 其它主机的位置有利于移动主机的操作。这项技术有希望填补通用标 准( 如蓝牙、8 0 2 1l a b g ) 余留的空白。 2 ) 技术特点 抗干扰性能强：采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益， 在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功 率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来， 在解扩过程中产生扩频增益。超宽带具有很强的抗干扰性。 传输速率高：数据传输速率可以达到几十m b i t s 到几百m b i t s ， 有望高于蓝牙10 0 倍，也可以高于i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 1 b 。 带宽极宽：使用的带宽在1 g h z 以上，高达几个g h z 。超宽带系 统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。 这在频率资源日益紧张的今天尤为有益。 消耗电能小：通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射 载波，因此，要消耗一定电能。而超宽带不使用载波，只是发出 瞬间脉冲电波，也就是直接按o 和l 发送出去，并且在需要时才 发送脉冲电波，所以，消耗电能小。 保密性好：超宽带保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频， 弓i 言 接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是 系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。 发送功率非常小：系统发射功率非常小，通信设备可以用小于 l m w 的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工 作时问。 3 ) 应用领域 u w b 的高频使其信号具有很强的穿透力，可以利用超宽带技术侦 察出藏在厚墙另一侧、深埋在地下甚至是人体内部的目标物。这 一特点使其可以应用于消防、灾难救援等场合。 超宽带技术拥有很好的定位能力，它只有2 e m 的定位误差，甚至 比g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 有更高的精 度，这一特性可以使其应用于汽车及其它移动物体的定位中。 利用超宽带的高速率，可以进行高质量的音频和视频传输，从而 在包括笔记本计算机、掌上计算机、d v d 播放器和数字电视机等 的消费电子领域有用武之地。 在电视工业中，许多国家都已明确了全面实现数字电视网络的目 标，u w b 技术将在数字电视网络的许多环节上，充分发挥高速、 无线和低干扰等优势。 4 ) 发展前景 与当前流行的短距离无线通信技术相比，超宽带具有巨大的数据 传输速率优势，超宽带可成为具有竞争力的高速率短距离无线技术。 然而，广泛采用超宽带实现无线数据通信仍然面临着诸多挑战：技术 本身不成熟；缺乏可靠的信道模型；标准化进程尚处于早期阶段等； 缺乏低成本的片上系统实现。近来，i e e e8 0 2 15 3 a 标准的提交者把 超宽带作为一个可行的高速率无线个域网物理层选择方案。 总之，超宽带作为一种新技术有其鲜明的特点。其良好前景值得 期待。 1 3 8i e e e8 0 2 1 5 4z i g b e e 1 ) 技术背景 z i g b e e 联盟于2 0 0 2 年8 月成立，其发起者为英国i n v e n s y s 公司、 日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四 家公司。目前，z i g b e e 已被确定为i e e e s 0 2 15 4 标准。 2 ) 技术特点 数据传输速率低：数据传输速率只有1 0 k b p s 2 5 0 k b p s ，专注于低 速率传输应用。 功耗低：由于较低的传输速率，z i g b e e 的功耗很低。 网络容量大：每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说 0 引言 每个z i g b e e 设备可以与另外2 5 4 台设备相连接。 有效范围小：有效覆盖范围l o 7 5 m 之间，具体依据实际发射功 率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家 庭或办公室环境。 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及 9 15 m h z ( 美国) ，均为免执照频段。 3 ) 应用领域 z i g b e e 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设 备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等，具体如下： 在工业领域，利用传感器和z i g b e e 网络，使得数据的自动采集、 分析和处理变得更加容易，可以作为决簸辅助系统的重要组成部 分。例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋 转机器的检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续 的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命， 减少z i g b e e 网络的维护成本。 汽车工业：在汽车上，主要是传递信息的通用传感器。由于很多 传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测 系统，这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命( 大 于或等于轮胎本身的寿命) ，同时应该克服嘈杂的环境和金属结构 对电磁波的屏蔽效应。 精确农业：传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备， 主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和z i g b e e 网络 以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式， 使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。 医学领域：借助于各种传感器和z i g b e e 网络，可以准确而且实时 地监测每个病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生 查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应。 消费和家用自动化：这是z i g b e e 技术最有潜力的市场。据估测， 每个家庭需要l o o 到15 0 个z i g b e e 设备。可以联网的家用设备包 括电视、录像机、p c 外设、儿童玩具、游戏机、门禁系统、窗户 和窗帘、照明设备、空调系统和其它家用电器等。家用设备引入 z i g b e e 技术后，将大大改善人们居住环境和舒适度。同时基于 z i g b e e 技术的遥控器可以实现全球漫游和无缝使用，从而在一定 程度上降低这些设备的生产和使用成本。 4 ) 发展前景 z i g b e e 技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空 缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。 随着正式版本协议的即将公布，更多的注意力和研发力量将转到 应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。 引言 1 3 9 蓝牙 1 ) 技术背景 1 9 9 4 年e r i c s s o n 推出了解决无线连线问题的技术开发计划。1 9 9 7 年爱立信、i b m 、英特尔、诺基亚及东芝这5 个世界著名的无线设备 及计算机、半导体设备制造公司商议建立一种全球化的无线通信个人 接入与无线连线新手段，后定名为“蓝牙”( b l u e t o o t h ) 。1 9 9 8 年5 月正 式发起成立了b s i g ( b l u e t e o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，蓝牙特别兴趣 组织) ，简称蓝牙s i g 。1 9 9 9 年1 1 月美国4 家著名公司m o t o r o l a 、 l u c e n t 、m i c r o s o f t 及3 c o m 加盟b s i g ，b s i g 有了9 个成员。 2 ) 技术特点 运行频段：2 4 g h z 。 传输距离：正常有效工作范围为0 1 1 0 m ，通过加大发射功率 可达1 0 0 m 。 最大数据传输率：理论上每信道i m b s ，实际使用时有效值为每 信道7 2 1 k b s ，可传输语音或数据。 发射功率：1 m w ( 0 d b m ) 。 最大的语音通道：每个微微网3 个。 最大的数据通道：每个微微网8 个。 支持的设备数：每个微微网8 个。 最大的跳频速度：1 6 6 6 跳s 。 功耗：睡眠3 0 u a ，保持6 0 u a ，待机3 0 0 u a 。 3 ) 应用领域 移动电话与计算机的连接：可以方便地在移动电话和计算机之间 传送资料。 作无绳电话使用：内置蓝牙芯片的移动电话，在家里可以当作无 绳电话使用，不用双向收费，节省移动电话费用。当然离开屋子 一段距离后便自动切换至无线网络基站上。 数据共享：几乎各种设备都可以用蓝牙互传语音、文字、图像、 文件，白板纪录仪、投影机等都可以利用蓝牙来简化操作，从而 使办公更简易。 网络接入：内置蓝牙芯片的笔记本计算机或移动电话等，可以接 入公用电话交换网、综合服务数字网、局域网和因特网。 无线免提：笔记本计算机具有话筒及喇叭，用蓝牙连接将来的移 动电话，多人视频会议更为容易。 同步资料：回到办公室或者家里，通过蓝牙及相应程序，可以与 其它设备同步。笔记本计算机、移动电话或是掌上计算机等内部 的信息，永保信息的最新。 影像传递：带有蓝牙功能的数码相机在拍摄完成后，影像传至移 2 引言 动电话可直接送至全世界任何一个角落。 无线键盘、鼠标、电子名片。 4 ) 发展前景 蓝牙技术在发展初期被普遍看好，并在2 0 0 1 年被美国 杂志评为“十年来十大热门新技术”之一。但缺乏杀手级的应用以 及芯片价格过高等因素造成蓝牙产品迟迟不能普及，以至于其在2 0 0 2 年前景空前暗淡。2 0 0 3 年，随着蓝牙技术的不断成熟，大量移动电 话和掌上计算机中植入蓝牙芯片，推动了蓝牙应用的发展，使蓝牙技 术出现了复苏的迹象。目前，蓝牙技术的发展渐趋理性，同时，它也 面临着其它无线技术的巨大挑战。 1 3 1 0 无线数据收发模块c c l 0 0 0 1 ) 技术背景 c c l 0 0 0 是c h i p c o n 公司推出的基于c h i p c o n ss m a r tr f 技术的 单片可编程r f 收发芯片，c c l 0 0 0 集成了射频发射、射频接收、f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y ，频移键控) 调制解调、可编程控制等多种功 能。 2 ) 技术特点 工作频率：4 3 3 1 4 3 4 6 m h z 。 传输距离：在视距情况下，可靠传输距离3 0 0 m 。 信道数：1 l 。 调频方式：f s k 。 工作方式：半双工收发。 最大发射功率：+ 1 0 d b m 。 灵敏度：1 0 5 d b m 。 工作电压：2 8 3 6 v 。 传输速率：1 2