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1、 基于低能耗蓝牙和惯性测量单元的人体跌倒检测系统基于低能耗蓝牙和惯性测量单元的人体跌倒检测系统摘要意外摔倒已成为老年人主要的健康威胁及死亡原因。在大多数情况下，跌倒对老年人所造成的严重后果主要是由于跌倒后没有及时通知医护人员，因而未获得及时的救助。因此实现对跌倒的及时检测和报警是很重要的。传统的跌倒检测系统主要利用可穿戴于人身上的设备来采集并发送数据，在计算机端完成数据处理。这种方法需要传输大量数据，对无线网络带宽要求较高。此外，传统的方法往往采用单个惯性传感器(如加速度计)来检测人体的姿态信息，这种方法不能充分获取人体摔倒时的运动参数，因此精确度不够高，鲁棒性不够强。本论文设计了一种新型的可
2、穿戴人体跌倒检测系统，并构建了一个快速原型。快速原型利用多自由度的惯性测量单元(加速度计和陀螺仪的组合)对人的运动参数进行测量，并通过基于ARM Cortex M0内核的微控制器运行跌倒检测算法处理传感器采集到的数据。如果检测出跌倒事件，将会立即把报警信号通过低能耗蓝牙协议发送到iPad的应用程序nRF Utility上。经过实验验证，本论文构建的快速原型能够有效地检测出人体的跌倒事件并及时报警，因而达到了预期的研究目标。关键词：人体跌倒检测，惯性测量单元，低能耗蓝牙，微机电系统BODY FALL DETECTION SYSTEM BASED ON BLUETOOTH LOW ENERGY A
3、ND INERTIAL MEASUREMENT UNITABSTRACTAccidental falls compose a major health threat and cause of death for the senior citizens. In most cases, the serious consequences of falls for the elderly are due to a delay in notification to the caregivers, thus timely aid and treatment cannot be given. Therefo
4、re, it is crucial to detect and alert a fall in time. Traditional fall detection systems tend to utilize wearable devices to collect and transmit data, while the processing is done in the computer. However, in this way great amounts of data need to be transmitted, which puts forward higher demands f
5、or the bandwidth of wireless network. In addition, most of the conventional methods only take advantage of a single kind of inertial sensor (such as an accelerometer) to detect humans orientation information, which is not capable of gathering sufficient motion parameters during fall detection, thus
6、cannot guarantee high accuracy and strong robustness.In this paper, a novel wearable human fall detection system is designed, and a rapid prototype is built, which employs multi-degree of freedom Inertial Measurement Unit (IMU) which is a combination of accelerometer and gyroscope to obtain humans m
7、otion parameters. An ARM Cortex M0-based microcontroller runs fall-detection algorithm locally to process data collected by sensors. If a fall is detected, an alert signal will be sent immediately to iPads application nRF Utility using Bluetooth Low Energy (BLE) protocol. Experiments show that the r
8、apid prototype is able to detect falls effectively and send an alert in time, thus reaches expected research objectives.Key words: Body Fall Detection, Inertial Measurement Unit, Bluetooth Low Energy，Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS)目录1 绪论- 1 -1.1 引言- 1 -1.2 研究背景与现状- 1 -1.2.1人体跌倒检测的研究背景- 1 -1.2
9、.2可穿戴式跌倒检测系统的研究现状- 3 -1.3 研究意义和研究目标- 5 -1.4 论文结构与章节安排- 6 -2 可穿戴人体跌倒检测系统方案设计- 7 -2.1可穿戴人体跌倒检测系统总体框图- 7 -2.2硬件开发平台- 8 -2.2.1 电路模块简介- 8 -2.2.2 可穿戴式跌倒检测装置- 12 -2.3 软件开发环境- 13 -2.4 图形用户界面- 16 -2.5 本章小结- 16 -3 短距无线通信链路- 17 -3.1常见的短距离无线通信技术介绍- 17 -3.1.1 ZigBee- 17 -3.1.2 ANT/ANT+- 19 -3.1.3 蓝牙4.0/BLE- 20 -
10、3.1.4 ZigBee、ANT/ANT+、蓝牙4.0/BLE的比较- 23 -3.2 BLE固件S110 SoftDevice- 23 -3.2.1 S110 SoftDevice简介- 23 -3.2.2 应用于nRF51822中的S110 SoftDevice- 23 -3.2.3 S110 SoftDevice支持的配置文件和服务- 25 -3.2.4 S110 SoftDevice开启前后nRF51822片上资源的变化- 26 -3.3 本章小结- 27 -4 跌倒信息获取系统- 28 -4.1 MEMS惯性传感器简介- 28 -4.1.1 MEMS惯性传感器概述- 28 -4.1.
11、2 MEMS加速度计- 28 -4.1.3 MEMS陀螺仪- 29 -4.1.4 MEMS惯性测量单元- 29 -4.2 MPU6050简介- 30 -4.3 I2C接口协议- 31 -4.4 MPU6050基本功能测试- 32 -4.4.1 MPU6050主要寄存器描述- 32 -4.4.2 MPU6050初始化过程- 37 -4.4.3 读取MPU6050测量结果- 37 -4.5 惯性测量单元数据融合- 40 -4.5.1 数据融合背景- 40 -4.5.2 常用的数据融合算法- 40 -4.5.3 本论文所采用的数据融合算法- 41 -4.6 本章小结- 43 -5 人体跌倒检测算法设
12、计及系统实现- 44 -5.1 跌倒检测算法介绍- 44 -5.1.1 跌倒时的运动特征变化- 44 -5.1.2 基于双阈值检测的跌倒检测算法- 46 -5.2 跌倒检测快速原型的实现- 47 -5.2.1 心律计配置文件简介- 47 -5.2.2 借助于心律计配置文件实现的跌倒检测- 47 -5.2.3 程序流程图- 48 -5.2.4 系统实际工作效果测试- 50 -5.3 本章小结- 52 -6 总结与展望- 53 -6.1 研究工作总结- 53 -6.2 技术展望- 54 -参考文献- 55 -附录- 57 -附录1: nRF51822 EK评估板电路原理图- 57 -附录2：软件代
13、码- 60 -致谢- 64 -附件：译文及原文- 65 -附件一：原文一- 65 -附件二：译文一- 70 -附件三：原文二- 73 -附件四：译文二- 78 -V 基于低能耗蓝牙和惯性测量单元的人体跌倒检测系统1 绪论1.1 引言由于自理能力的下降，老年人经常会出现意外跌倒的情况，这种意外跌倒对老年人的生命健康构成了严重威胁。在我国，跌倒是65岁以上老年人的首位伤害死因。统计数据显示，很多由于跌倒而造成的死亡案例并非直接缘于跌倒本身，而是因为跌倒之后没有得到及时的救助。除了跌倒所造成的直接身体伤害之外，跌倒带来的另一个潜在的、容易被忽视的严重问题是老年人生活质量的降低老年人活动的减少(或称为
14、“活动能力的减弱”)主要与跌倒，以及对跌倒的恐惧有关。老年人在跌倒之后不愿外出活动，而更倾向于呆在室内，这种长时间的静止加速了衰老，削弱了老年人自主运动的能力，反而增加了日后发生跌倒的可能性，这已经成为一个恶性循环。跌倒不仅对老年人自身造成了严重的负面影响，还极大地增加了社会的医疗负担。根据统计，每年跌倒造成的直接医疗费用在50亿元人民币以上，社会代价约为160180亿人民币。西方国家多年前早已步入老龄化阶段，我国很多大城市也出现老龄化趋势3。随着老龄化社会的到来，对于跌倒的检测和报警正日益成为一个紧迫的问题。因而，采用传感器获取老年人运动时的体态参数，并对跌倒进行准确识别和及时报警具有重要的
15、研究意义。1.2 研究背景与现状1.2.1人体跌倒检测的研究背景跌倒检测装置和技术的研究是近年来医疗健康领域的一个热门研究方向，这方面的研究不仅具有巨大的市场需求，而且具有很强的社会价值。跌倒检测装置根据采用的传感器的类型和方式，主要分为以下三种：（1） 可穿戴式装置(Wearable Device) 可穿戴式装置，即传感器位于跌倒检测装置内，当人体佩戴装置运动时，可以通过传感器采集到的数据判断人的身体姿势和运动状态，从而判断出跌倒等事件。如Clifford等人设计了一个可穿戴于人身上的跌倒检测装置，并申请了专利。这套装置由检测单元(包含一组加速度计)、处理器和无线发射模块组成，加速度计向处理
16、器提供加速度测量结果，处理器将测量结果与一定阈值相比较，如果判断出发生跌倒事件，则将报警信号通过无线发送模块发送至远程接收端。（2） 环境探测装置 (Ambience Device)环境探测装置，是指在固定环境中安装若干个传感器，在人接近这些传感器的时候采集人体相关的数据并进行处理，从而判断出跌倒。这种装置一般采用振动传感器或者压力传感器实现。如Alwan等在地面上放置了若干振动传感器用来判断被检测者的位置，跌倒事件的检测也是在位置信息的基础上进行的。（3） 基于照相机的装置(Camera-Based Device) 基于照相机的装置在家庭护理中正得到越来越广泛的应用。如Treyin设计了一种
17、基于隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)的跌倒检测算法，HMM采用照相机采集到的视觉特征将跌倒和正常走动区分开来，这种视觉特征为人体体型的限位框高宽比的小波系数。可穿戴式装置可进一步分为姿态检测装置和动作检测装置，环境探测装置可进一步分为存在检测装置和姿态检测装置，基于照相机的装置可以按照以下三种探测方式分类：静止探测、二维身体姿态改变分析和三维头部运动分析。跌倒检测方法的总结如图1-1所示5：跌倒检测装置可穿戴式装置基于照相机的装置环境探测装置姿态检测装置动作检测装置存在检测装置姿态检测装置二维身体姿态改变分析静止探测三维头部运动分析图1-1 跌倒检测的方法总结
18、传感器照相机数据采集数据处理和特征提取跌倒检测有线/无线通信链路接收端报警信号典型的跌倒检测系统的框图如图1-2所示：图1-2 典型的跌倒检测系统的框图1.2.2可穿戴式跌倒检测系统的研究现状可穿戴式跌倒检测装置一般使用可佩戴于老年人身上的传感器进行数据采集，利用无线通信方式进行数据传输，在判断发生跌倒事件的情况下能够及时发出报警信号。这个领域的研究主要涉及到两个方面的问题，一是数据采集和处理的问题，二是数据传输的问题。可穿戴式跌倒检测装置进行数据采集时使用的传感器主要是惯性传感器，如加速度计或陀螺仪等。在应用惯性传感器进行跌倒检测方面已经有不少研究成果，如Qiang Li等设计了一种可穿戴式
19、跌倒检测装置，其方案是将一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪构成一个传感器节点(图1-3(a)，再将两个同样的节点分别放置于人的胸部和腿部，如图1-3(b)所示，从而根据传感器采集到的信息对人的姿态信息进行判断。另外，Yi He等设计的方案中直接利用了智能手机内置的加速度计对人体的运动状态进行判断，从而检测跌倒，如图1-4所示： (a) 传感器节点 (b)节点放置的位置图1-3 一种可穿戴的跌倒检测装置图1-4 一种基于智能手机内置加速度计的跌倒检测装置现有的可穿戴式跌倒检测模块一般都是只进行人体运动数据的采集和传输，而数据的处理则是在个人电脑(Personal Computer, PC)端或智能
20、手机端完成的，这种方式需要把惯性测量单元输出的大量数据持续发送到PC端或智能手机端，因此对于无线网络带宽的要求很高。而如果能够采用微控制器直接处理惯性测量单元输出的数据，在检测出跌倒后只向PC端或智能手机端发送跌倒报警信号，则能够大大简化数据的传输。但这种方式对于微处理器的性能要求比较高，如陶成林等设计的跌倒防护装置采用了基于ARM Cortex M3内核的单片机STM32F103RBT在本地完成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据处理，这种单片机的工作频率能达到72 MHz，内置高速存储器和丰富的增强I/O端口。另外，现有的跌倒检测系统的数据传输方式也有待提高。例如，在文献11中，加速度计和陀螺
21、仪的数据是通过National Instruments公司的NI DAQ设备采集并传输的，由于需要购买昂贵的专业设备，系统的广泛应用也受到了限制。在文献12和13中，惯性测量单元输出的数据都通过较复杂的无线通信协议(如ZigBee等)进行数据传输，这对于网络基础设施的要求很高，需要额外安装许多中继节点，因此增加了系统的成本，而且需要设计更为复杂的路径选择算法。在文献14和中，惯性测量单元的数据通过传统的蓝牙模块进行传输，但传统蓝牙模块的功耗比较高。1.3 研究意义和研究目标随着半导体技术，尤其是微机电系统(MEMS)技术的进步，惯性传感器正在向着集成化的方向发展。目前的一种主流趋势是把多个不同
22、种类型的惯性传感器集成到同一款芯片当中，如InvenSense公司的MPU6050在同一个芯片上集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，具备6个自由度(Degree of Freedom, DoF)的惯性测量能力；MPU9050在同一个芯片上集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，具备9DoF的惯性测量能力。这种集成化的芯片能够简化运动检测系统的设计，且具有更高的性价比，而现阶段关于跌倒检测技术的研究中很少使用到这种集成了两种或两种以上不同类型惯性传感器的芯片。对于可穿戴式的电池供电的装置来说，降低系统功耗，提高电池的使用寿命是一个核心问题。随着短距离无线通信技术的发展，目前已经出现了多种低功耗的
23、短距离无线通信协议，如ANT+和低能耗蓝牙(Bluetooth Low Energy, BLE)等。半导体工业的进步使得在同一个芯片中可以同时集成无线通信模块和微处理器模块，如NordicSemi公司的nRF51422是一种集成了ANT+协议栈和ARM Cortex M0内核的片上系统(System on Chip, SoC)，nRF51822是一种集成了BLE协议栈和ARM Cortex M0内核的SoC。这种将无线通信模块和高性能微处理器集成在SoC上的方式简化了数据处理和传输系统的设计，而现阶段在跌倒检测的研究领域很少使用这种集成的方式进行数据处理和传输。本论文的主要研究目标是设计出一个
24、基于IMU和BLE SoC的跌倒检测系统，并构建一个快速原型用以验证系统性能。这种快速原型使用IMU进行人体运动参数的采集，并使用BLE SoC上的微处理器运行跌倒检测算法处理数据。当检测出跌倒之后，使用SoC上的BLE通信模块向客户端发送报警信号。1.4 论文结构与章节安排论文的结构和章节安排如下：第一章介绍跌倒检测的研究背景和国内外研究现状，第二章介绍跌倒检测系统的总体设计和软硬件开发平台，第三章介绍短距无线通信链路的设计，第四章介绍跌倒信息获取系统的设计，第五章介绍人体跌倒检测算法与系统快速原型的实现和验证过程，第六章为总结和展望。2 可穿戴人体跌倒检测系统方案设计本论文所设计的可穿戴人
25、体跌倒检测系统采用nRF51822评估包(Evaluation Kit, EK)和MPU6050模块作为主要硬件开发平台，Keil MDK-ARM集成开发环境和nRFgo Studio作为主要软件开发环境。该系统以低能耗蓝牙(BLE)和惯性测量单元(IMU)为主要特色，可以实时监测人体的运动情况，并在判断发生跌倒事件时立即向用户端发出报警信息。2.1可穿戴人体跌倒检测系统总体框图本论文设计的人体跌倒检测系统主要包括可穿戴跌倒检测装置(佩戴于老年人身上)和用户端图形界面(供后台支持人员使用)两部分，其中跌倒检测装置包括跌倒信息获取系统和短距无线通信链路，图形用户界面采用iPad上的应用程序nRF
26、 Utility。系统的总体框图如图2-1所示：nRF51822 EK可穿戴跌倒检测装置短距无线通信链路(采用低能耗蓝牙协议)跌倒信息获取系统the New iPad(iPad 3)用户端图形界面(应用程序nRF Utility)可穿戴式跌倒检测装置图2-1 人体跌倒检测系统总体框图2.2硬件开发平台2.2.1 电路模块简介本论文所进行的研究的硬件平台主要包括NordicSemi公司的nRF51822 EK、MPU6050模块和其他外围电路。(1) nRF51822 EK：nRF51822 EK提供了测试评估nRF51822芯片的完整解决方案，EK内的评估板(代号PCA10001)上包含了nR
27、F51822芯片、Segger仿真器、32.768kHz和16MHz晶振、GPIO端口、按键、LED灯、电源系统、PCB天线等模块，评估板的结构框图如图2-2所示：图2-2 nRF51822 EK评估板结构框图 nRF51822 EK评估板的照片如图2-3所示：图2-3 nRF51822 EK评估板照片评估板上最核心的部分是nRF51822片上系统(SoC)。nRF51822和nRF51422都是nRF51系列的SoC，由NordicSemi公司在2012年9月推出，其内部集成了高性能且超低功耗的32位ARM Cortex M0内核和业界领先的2.4GHz射频收发模块。ARM Cortex-M
28、0 处理器是目前最小的ARM处理器。该处理器的芯片面积非常小，能耗极低，且编程所需的代码占用量很少，这就使得开发人员可以直接跳过16位系统，以接近8位系统的成本开销获取32位系统的性能。nRF51系列SoC具有以下主要特点：12.4GHz多协议无线射频 232位ARM Cortex M0处理器内核 3256kB flash/16kB RAM 4可下载的软件协议堆栈 5应用开发和协议堆栈完全独立 6与NRF24LXX系列芯片完全空中兼容 7带接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)功能，范围-9040dBm 8RAM采用EasyDMA
29、映射先入先出法(First In First Out, FIFO) 9动态载荷长度最多256字节 10可编程外设连接(Programmable Peripheral Interconnect, PPI) 11简单方便的ON/OFF全局功耗模式 12全功能的数字接口，包括SPI/I2C/UART 1310位模数转换器(Analog to Digital Converter, ADC) 14128位AES硬件加解密处理器 15低成本外部晶振16MHZ60ppm 16工作电压范围：1.8V3.6V17片内可选DC/DC转换器 18所有外设均可单独进行功耗管理nRF51系列SoC的内部结构框图如图2-
30、4所示：图2-4 nRF51系列SoC(含nRF51822)的内部结构框图(2) MPU6050模块： MPU6050模块包含了MPU6050芯片、I2C总线上拉电阻、线性稳压电路(5V转3.3V)、LED灯等部分，把该模块的引脚连接到微控制器上相应的引脚并供电之后便可以通过微控制器配置MPU6050及从中读取传感器测量数据。 MPU6050模块的电路原理图如图2-5所示：图2-5 MPU6050模块电路原理图 MPU6050模块的照片如图2-6所示：图2-6 MPU6050模块照片(3) 升压模块： 由于MPU6050模块所需的供电电压为5V，nRF51822 EK的评估板上的供电电压是3V
31、，而最终设计出来的系统为了使用方便起见，希望只在nRF51822 EK的评估板上使用单颗纽扣电池供电，因此需要升压模块将评估板上的3V电压升到5V以给MPU6050模块供电。 升压模块的照片如图2-7所示：图2-7 升压模块照片2.2.2 可穿戴式跌倒检测装置将2.2.1节所介绍的电路模块连接起来之后，便构成了本论文所设计的可穿戴于人身上的跌倒检测装置，其框图如图2-8所示：nRF51822 EK评估板MPU6050模块INTAD0SCLSDAP0.20GNDP0.24P0.25升压模块INOUT(5V)VCC_5VVCC_3V图2-8可穿戴人体跌倒检测装置框图图2-9显示了可穿戴人体跌倒检测
32、装置的照片，在实际使用时，可将该装置固定在皮带上并系于腰间。nRF51822评估板升压模块MPU6050模块图2-9：可穿戴式跌倒检测装置照片2.3 软件开发环境 本论文所使用的软件开发环境主要是Keil MDK-ARM集成开发环境和nRFgo Studio，其中，Keil MDK-ARM主要用于应用程序代码的编写和调试，其运行时的界面如图2-10所示；nRFgo Studio主要用于擦除和写入低能耗蓝牙协议的固件信息(Firmware)，即S110 SoftDevice(见3.2节介绍)，其运行时的界面如图2-11所示。图2-10 Keil MDK-ARM运行时的界面图2-11：nRFgo
33、Studio运行时的界面2.4 图形用户界面本论文设计的系统采用iPad上的应用程序nRF Utility作为图形用户界面(Graphical User Interface, GUI)以接收可穿戴人体跌倒检测装置通过低能耗蓝牙协议发送的报警信号。nRF Utility可以从苹果公司(Apple Inc.)的应用程序商店(App Store)直接下载安装。在nRF Utility程序中包含了低能耗蓝牙的多种服务的用户界面，如心率计、温度计、近距传感等等。在本论文所设计的跌倒检测系统的快速原型中，把跌倒检测状态信号用心率计服务的当前心率值来表示，具体工作原理详见第五章介绍。 nRF Utility
34、中的心率计(HRM)用户界面打开后如图2-12所示：图2-12 应用程序nRF Utility的HRM界面2.5 本章小结本章主要介绍了基于低能耗蓝牙和惯性测量单元的可穿戴人体跌倒检测系统的结构框图以及系统的软硬件开发环境，其中详细介绍了系统的硬件电路模块。本论文所进行的各项研究都是以本章所介绍的平台为基础的。3 短距无线通信链路为了实现可穿戴跌倒检测装置和iPad之间的无线通信，需要选用合适的短距离无线通信技术。考虑到可穿戴跌倒检测装置采用电池供电，因此为了延长系统的使用寿命，需要选择一种低功耗的无线通信协议。本章对当下主流的几种短距无线通信技术做了简要介绍，并详细介绍了低能耗蓝牙协议固件的
35、应用。3.1常见的短距离无线通信技术介绍3.1.1 ZigBeeZigBee是基于IEEE802.15.4标准的无线个人局域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)协议，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。该协议是由成立于2001年8月的ZigBee联盟制定的无线通信标准， ZigBee的第一个正式标准在2004年12月发布。完整的ZigBee协议由物理层、媒质接入控制(Medium Access Control, MAC)层、网络层和应用层组成。其中，物理层和MAC层基于IEEE802.15.4协议，网络层和应用层的协议是由Z
36、igBee联盟制定的。ZigBee协议架构如图3-1所示。 应用层网络层媒质接入控制层物理层ZigBee联盟IEEE802.15.4图3-1 ZigBee协议架构ZigBee支持多种网络拓扑结构，如星形、点对点、网状等，每种拓扑结构都有其各自的特点。星形网的控制和同步都比较简单，适用于设备数量比较少的场合。它以一个功能强大的主设备作为网络中心，负责协调全网的工作，其它的主设备或从设备分布在其覆盖范围内。点对点形是由主设备连接而成，它能够提供更高的可靠性。星形网和点对点形网相结合形成了混合网状结构，各子网内部以星形连接，主设备又以对等方式连接。这种混合网状结构的实用性更强。ZigBee联盟预测，
37、ZigBee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。通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术。(1)设备成本很低，传输的数据量很小；(2)设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源块；(3)没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；(4)频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；(5)需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测。ZigBee可以工作于2.4GHz(全球流行)、915 MHz(美国流行)和868MHz(欧洲流行) 3个频段上，最高数据传输速率分别为250kbit/s、40kbit/s和20kbit
38、/s。它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：(1)可靠：采用碰撞避免机制，并且为需要固定带宽进行通信的业务保留了专用的时隙，从而避免了发送数据时的竞争或冲突现象；MAC层的数据传输模式是完全确认式，即发送方发出的每一个数据包都必须等待接收方的确认；(2)安全：数据包的完整性检查是通过循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)实现的，支持鉴权和认证，另外还采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性；(3)时延短：通信时延以及从休眠状态激活的时延都很短，典型的搜索设备的时延为30ms，休
39、眠激活的时延为15ms，活动设备信道接入的时延为15ms；(4)成本低：ZigBee协议是免专利费的；另外，ZigBee模块的成本也较低(初始成本在6美元左右)；(5)网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可同时存在最多100个ZigBee网络；(6)低功耗：由于ZigBee的数据传输速率较低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备十分省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就能维持长达6个月到2年左右的使用时间。3.1.2 ANT/ANT+ANT协议是加拿大Dynastream Innovations公司
40、发起并推动的低功耗无线网络标准，工作于2.4GHz ISM(工业、科学和医疗)频段，可以完成ZigBee的绝大多数应用场景，并具有更低的功耗、更快捷的开发应用周期、无需为协议付费等优点，已得到广发的部署和应用。ANT+在ANT的基础上增加了互操作性功能。ANT支持多种网络拓扑结构，如点对点、星形、树形及复杂的网状网络，如图3-2所示。图3-2 ANT支持的网络拓扑结构ANT协议栈采用OSI分层结构，由物理层、数据链路层、网络/传输层和应用层组成，如图3-3所示。网络/传输层以下由ANT实现，以上由用户根据具体应用需求自己定义。另外，低层次的安全协议已涵盖在网络/传输层，用户可以自己定义更高层次
41、的安全应用。图3-3 ANT协议栈ANT具有以下技术特点：(1) 超低功耗。在ANT无线网络下工作的设备平均功耗可达10uA，休眠时的功耗甚至可低至0.5uA，采用纽扣电池供电可以实现数年的工作寿命。ANT协议的高效率也是其功耗极低的一个主要因素。通常，ZigBee的协议效率是20%，而ANT的效率是47%。(2) 产品应用易于开发。ANT的无线网络协议、抗干扰协议、超低功耗电源管理等都已经完全封装在芯片内部，作为应用的开发者，不必关注无线协议的细节及过程，也无需关注如何实现低功耗及唤醒，只需要根据应用需要对各节点进行网络配置即可完成网络的构建及应用，这样就加快了应用开发周期，缩短了产品上市时
42、间。(3) 较高的灵活性。ANT支持单发射通道、单接收通道、双向通道以及共享双向通道，用户可以根据实际需要进行选择。支持广播(Broadcast)、应答(Acknowledged)以及突发(Burst)三种基本工作方式。这三种工作方式各有优劣和侧重，分别满足不同的应用需求，用户可以灵活选择。(4) 低系统成本。开发无线网络应用时对微处理器的性能要求与无线网络协议所需协议栈的大小有很大关系。在实际应用中，ANT仅需要2KB的外部微处理器资源(一般的低成本微处理器即可满足此要求)，而ZigBee则需要100KB的微处理器资源(需要性能更强成本更高的微处理器)。3.1.3 蓝牙4.0/BLE 蓝牙技
43、术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，通过蓝牙技术能够实现多种电子设备间的相互连接。蓝牙技术联盟(Special Interest Group，SIG)于2010年7月发布了蓝牙4.0版本核心规范，全新的蓝牙4.0版本包含三种蓝牙技术，即传统蓝牙、高速蓝牙和低能耗蓝牙(BLE)技术，将三种规范合而为一。4.0规范继承蓝牙技术在无线连接上的固有优势，同时增加了高速蓝牙和低能耗蓝牙的特点。蓝牙4.0规范的核心是低能耗技术，该技术的最大特点是拥有超低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池的蓝牙4.0设备甚至可以连续工作数年之久；同时还拥有低成本、跨厂商互操作性、3毫秒低延迟、100米以上超长距离、
44、AES-128加密等诸多特色，可用于心率计、计步器、智能仪表、物联网等诸多领域，大大拓展了蓝牙技术的应用范围。低能耗蓝牙架构包含两种类型的芯片：单模芯片和双模芯片。单模芯片是一种只支持蓝牙低能耗技术的芯片，是专门针对超低功耗(Ultra Low Power, ULP)操作优化的技术的一部分。蓝牙单模芯片可以和其它单模芯片及双模芯片通信，此时后者需要使用自身架构中的低能耗蓝牙技术部分进行收发数据。双模芯片也能与使用标准蓝牙架构的其它双模芯片通信，但由于这些设备要同时执行标准蓝牙和低能耗蓝牙任务，因此双模芯片针对ULP操作的优化程度没有像单模芯片那么高。单模芯片的BLE协议栈结构如图3-4所示，主
45、要由控制器(Controller)、主机(Host)和配置文件(Profile)三个部分组成。控制器部分由物理层(PHY)和链路层(LL)组成。物理层占用24002483.5MHz的2.4G ISM频段，划分为40个信道，每个信道间隔2MHz。40个信道中有3个是广播信道，用于广播数据及连接的建立；其余37个信道为数据信道。BLE采用GFSK调制方式，其规范中规定的最大输出功率为10 mW(+10dBm)，最小输出功率为0.01 mW(-20dBm)。链路层主要定义了数据包的结构和控制流程。控制器与主机之间的接口称为HCI(Host Controller Interface)。主机部分由逻辑链
46、路控制和适配协议(L2CAP)、安全管理协议(SMP)、属性协议(ATT)、通用属性配置文件(GATT)以及通用接入配置文件(GAP)组成。L2CAP是基于信道的概念，可以对数据包进行分割和重组，并在一个共享逻辑信道上实现多个信道的复用；SMP通过一个固定的L2CAP信道实现设备间的加密功能；ATT提供了在固定L2CAP信道上进行小数据量通信的方法，设备还可以通过ATT协议确定其它设备支持的业务和能力；GATT规范了配置文件(Profile)数据交换的格式；GAP定义了蓝牙设备如何发现和建立与其它设备的连接，规定的是一般性的运行任务，是所有其它蓝牙应用的基础。BLE包含很多不同的配置文件，每一个配置文件代表一个完整的服务或应用案例，如体温计、心率计、血压计等，符合这些配置文件的服务才能相互交换数据。在最低限度下，配置文件规格应包含下列主题的相关信息：(1)与其他配置
