（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙的家庭网络关键技术研究.pdf

摘要 本学位论文课题是国家高技术研究发展计划( 9 6 3 计划) “家庭网络核心s o c 平台和整 体解决方案”和江苏省高技术研究项目“家庭网络核心集成电路片上系统平台技术”的研 究内容之一。论文在深入分析我国家庭网络平台标准和基于j x c l i n u x 操作系统的嵌入 式无线接入设备软件开发方法的基础上，重点研究了家庭控制子网和家庭网关设计与实现 中的若干关键技术，提出了基于蓝牙技术家庭控制子网的通信协议体系，将三种主要的嵌 入式蓝牙协议实现方案应用于家庭控制子网的实现中，并结合具体家电厂家的家电控制协 议，完成对家庭控制子网的功能实现。以i n t e r n c t 的接入控制为例，实现了家庭控制子网 功能的延伸，同时也是对家庭网络组网方案的一种验证。 全文共分六章。第一章概述了课题内容、课题背景以及本论文的章节安排。第二章系 统地介绍了蓝牙技术的特点、应用以及协议体系，并对家庭网络的发展、分类、标准化以 及家庭网络和蓝牙技术的结合进行了简要的介绍。第三章分析了家庭网络平台标准对 家庭网络系统的描述，并基于此对家庭网络的组网方案进行了研究和讨论，提出了对家庭 网络在功能逻辑上的划分家庭主网、家庭监控网络和家庭控制子网。第四章主要介绍 使用到的各种开发环境和一些关键技术，并结合华恒h h c 0 5 2 7 2 r 1 嵌入式开发平台介绍 了家庭网关的硬件设计，简单介绍了i u c l i n u x 下的软件开发方法和嵌入式开发环境的建立。 结合c s r 蓝牙开发平台介绍了蓝牙协议栈三种主要的实现方案。 第五章介绍了基于蓝牙技术的家庭控制子网的设计和实现方法以及研制过程中遇到 的问题及解决办法。本章在对家庭控制予网组网方式进行讨论的基础上，介绍了星型组网 方式家庭控制子网的协议体系、子网网元软硬件的实现方法，然后分析了设计中出现的问 题并给出了解决方法。第六章介绍了嵌入式w e b 服务器技术和w e b 服务器b o a 到嵌入式 开发平台的移植方法，并在此基础上给出了i n t e r a c t 对家庭控制子网进行接入控制的实现 方法。 关键词：家庭网络蓝牙嵌入式i t c l i n u x 第1 页 a b s t r a c t t h er e s e a r c h s u b j e c to ft h i s t h e s i si sap a r to fn a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp l a n ( 8 6 3p r o g r a m ) ( n o 2 0 0 3 a a l z lllo ) a n dh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c h p r o g r a mo fj i a n g s up r o v i n c e ( n o b g 2 0 0 4 0 0 2 ) a f t e rd e e p l ys t u d y i n gt h es t a n d a r d so fh o m e n e t w o r kp l a t f o r ma n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o d so f e m b e d d e dw i r e l e s se q u i p m e n tb a s e do n i a c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，e m p h a s i si s l a i du p o ns o m ek e yt e c h n o l o g i e si nd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h eh o m ec o q t r o l s u b n e t w o r ka n dh o m eg a t e w a y t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la r c h i t e c t u r eo ft h i sh o m ec o n t r o ls u b - n e t w o r kb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi s p r o p o s e d , a n dt h r e em a i ne m b e d d e di m p l e m e n t a t i o ns c h e m e so fb l u e t o o t hp r o t o c o la r ea l l a p p l i e dt ot h ed e s i g no f h o m ec o n t r o ls u b - n e t w o r k t o g e t h e rw i t ht h ea p p l i a n c ec o n t r o lp r o t o c o l p r o m o t e db ya p p l i a n c em a n u f a c t u r e r , a l l f u n c t i o n so ft h eh o m ec o n t r o ls u b - n e t w o r ka r e i m p l e m e n t e d a sa ne x a m p l e t h ei m p l e m e n t a t i o no f a c c e s sc e n t r e lf r o mi n t e m e tt oh o m ee o n t r o l s u b n e t w o r ki sa ne x t e n s i o no ft h ef u n c t i o n so ft h i ss u b - n e t w o r k ，a n da tt h es a m et i m e t h i si s a l s oav a l i d a t i o no f t h ea r c h i t e c t u r eo f h o m en e t w o r k 1 1 1 et l l e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r sa sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ht a s ka n dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h i st h e s i sa r e i n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，t h ec h a r a c t e r s ，a p p l i c a t i o n s ，p r o t o c o la r c h i t e c t u r eo fb l u e t o o t ha r eb r i e f l y p r e s e n t e d a f t e rt h a t , t h ee v o l v e m e n t ，c l a s s i l y i n g ，s t a n d a r d i z i n go fh o m en e t w o r ka n dt h e a d v a n t a g e so f a p p l y i n gb l u e t o o t h t oh o m en e t w o r ka r eg i v e na sw e l l i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h es t u d yo ft h en e t - f o r m i n gs c h e m ea n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o n si nt h e s t a n d a r d so fh o m en e t w o r kp l a t f o r m ，p a r t i t i o no fh o m en e t w o r ki sp r o p o s e da c c o r d i n gt o f u n c t i o n a ll o g i c ，a n dt h e ya r eh o m em a i nn e t w o r k ，h o m es u p e r v i s i n gn e t w o r ka n dh o m ec o n t r o l s u b - n e t w o r k i nc h a p t e r4 ，t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e su s e di nt h i sr e s e a r c h a r ei n t r o d u c e d n 圮h a r d w a r ed e s i g no fh o m eg a t e w a yi sb r i e f l yd e s c r i b e do nt h eb a s i so ft h e h h c 0 5 2 7 2 r 1h a r d w a r ep l a t f o r m t h em e t h o d so fe s t a b l i s h i n gt h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n dd e v e l o p i n gs o f t w a r ei nt t c l i n u xa r ed i s c u s s e d c s rb l u e t o o t hd e v e l o p m e n t p l a t f o r ma n dt h r e em a i ni m p l e m e n ts c h e m e so fb l u e t o o t hp r o t o c o l s t a c ka r e a n a l y z e d r e s p e c t i v e l y i nc h a p t e r5 ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fh o m ec o n t r o ls u b - n e t w o r kb a s e do n b l u e t o o t ha r ed e s c r i b e df i r s t l y , t h e nt h ep r o b l e m sr o s ei nt h ee n a r s eo fd e v e l o p m e n ta n dt h e i r s o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d ，a f t e rc o m p a r i n gt w od i f f e r e n tn e t - f o r m i n gs c h e m e so fh o m ec o n t r o l s u b n e t w o r k ，t h er e a l i z a t i o no fs t a r - s h a p eh o m ec o n t r o ls u b - n e t w o r k ，i n c l u d i n gi t sp r o t o c o l a r c h i t e e t a r e s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，a r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l i nc h a p t e r6 ，t h ee m b e d d e dw e bs e r v e rt e c h n o l o g ya n dt h em e t h o d so fp o r t i n gb o aw 曲 s e r v e ri n t oe m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma r ei n t r o d u c e d n ki m p l e m e n t a t i o no fa e , c e s s c o n t r o lf r o mi n t e m e tt oh o m ec o n t r o ls u b - n e t w o r ki sp r e s e n t e ds u b s e q u e n t l y k e y w o r d s ：h o m en e t w o r k b l u e t o o t he m b e d d e d i j t c l i n u x 第1 1 页 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名t 艇导师签名： 日期： 第1 章绪论 网络时代正将其无穷的魅力展现在我们面前，它不仅影响我们的工作方式，交流方式，它还将影响 我们的生活方式。家庭网络是代表家庭信息化的一种新理念，它是全方位提供智能化服务的网络系统。 它是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电气设备和电气子系统连接起来，对内实现资源共享，对 外能通过网关与外部网互连而进行信息交换。家庭网络的主要功能有安全服务、通信服务、能源管理、 设备管理等。 信息家电也称网络家电，是将网络技术和数字技术与传统家电相结合的新一代电器设备。从广义的 角度来说，它包括了机顶盒、网络游戏机、网络电视以及掌上电脑、手持p c 等所有能通过网络系统交 换信息的消费类电子产品。相对传统家电和电脑而言，信息家电是家用电器，但更是一个信息设备。它 能够与i n t e m e t 相连接，实现信息的交互。信息家电的组成比传统电脑简单没有硬盘等存储设备。价格 低廉促使它在普通家庭中可以得到更多的应用，而且操作也更加简单 信息家电是3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 和c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 融合的产物，它既是我们的 期望也是技术发展的必然。不论以何种方式和形态出现，信息家电比其他电子产品都更加需要标准化， 因为它要满足人们信息交互的需要。目前，信息家电连接的标准有u s b 、h o m e r f 、蓝牙和i e e e8 0 2 1 1 等。 蓝牙技术是由爱立信、诺基亚、m m 、东芝、英特尔等五大公司发起，目标是提供一种全球范围内 通用的短距离无线接入标准。它工作在2 4 g h z 的i s m 频段，采用短包和快跳频的技术，具有很强的抗 干扰能力。蓝牙技术可同时支持数据、音频、视频信号，使用分组交换和电路交换的混合方式在蓝牙 设备组成的一个微微网中最多可有七个处于连接状态的从设备。蓝牙设备体积小、功耗低、成本低的特 点使其被广泛地应用在嵌入式平台上，各种各样的基于蓝牙技术的嵌入式产品层出不穷。今后，这样的 应用可能会无所不在，人们的日常生活中将会有许多这样的产品，它们与所有电子信息、电气设备构成 无线网络，可以真正实现网络的随身携带。 随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术和人们的生活结合的越来越紧密。家 庭网络中的信息家电设备作为一个新兴的消费领域，由于对微处理器的运算能力和存储容量要求不高， 又需要成本低廉，因此不适合使用复杂价高的p c 系统。而嵌入式产品具有操作简单、质量可靠、价格 低廉以及易开发的特点，使得信息家电成为嵌入式软件最具发展空闻的领域。同时，信息家电也将随着 嵌入式操作系统与软件开发的推广而具有更加广阔的市场空间。 国内的各家电厂商也在致力于形成自己的家庭网络技术整体解决方案，开发家庭网络中的信息家电 设备，加快自己在本行业的标准化进程并积极向业界推广。从战略上来看，这种抢占行业制高点的做法 对我国在未来国际家庭网络市场上不至于处于被动地位，有着非常重要的意义。本论文的主要任务就是 与春兰、海尔两家家电厂商合作，提出基于蓝牙技术的家庭网络组网和通信方案，研制家庭控制子网系 统，实现在家庭内部对各个家电终端的管理和控制，以及i n t e m e t 对家电设备的接入控制。 本文共分六章，各章的主要内容如下： 第一章绪论。介绍课题内容，课题背景以及本论文章节安排。 第二章蓝牙技术及家庭网络概述。首先介绍蓝牙技术的特点、网络结构、协议体系和主要的蓝牙 应用场景。其次，介绍了家庭网络的发展、分类以及目前国内外在这个领域的标准化情况。最后比较了 几种家庭网络的组网技术，并分析了蓝牙技术在家庭网络中应用的优势。 第三章结合我国家庭网络平台标准，介绍了本文提出的家庭网络的组网方案，并分别详细地 叙述了家庭主网、家庭控制子网以及家庭传感网络的功能设计和一些关键技术。 第1 页 东南大学硕士学位论文 第四章首先结合华恒h h c 0 5 2 7 2 - r i 嵌入式开发平台阐述了家庭网关的硬件设计。然后介绍了 “c l i n u x 系统及其软件开发的特点和网关配置的方法。最后，简要介绍了c s r 蓝牙芯片的开发环境以及 蓝牙协议栈的三种主要实现方案。 第五章基于蓝牙技术的家庭控制子网的设计与实现。首先对家庭控制子网的组网方式进行了讨 论。提出了星型结构家庭控制子网的通信协议体系，叙述了子网实体硬件软件的设计和实现方法。最后 对硬件设计和调试过程中遇到的问题进行了分析，并给出了解决办法。 第六章i n t e r n e t 接入控制的实现。首先介绍了嵌入式w e b 服务器技术以及w e b 服务器b o a 到 i i c l i n u x 的移植方法，接着叙述了i n t e m e t 对家庭控制子网进行接入控制的实现方法，包括c g i 程序和 i a c 驻留进程的设计，以及它们之间的进程通信方法。 第2 页 第2 章蓝牙技术与家庭网络 本章介绍论文的主要技术和应用背景。首先，介绍蓝牙技术的特点、网络结构、协议体系以及主要 的应用。然后引出了家庭网络的概念、分类以及相关的标准和规范。最后，讨论了家庭网络与无线通信 技术尤其是蓝牙技术相结合的特点和发展趋势。 2 1 蓝牙技术概述 蓝牙技术是一种适用于短距离无线数据与语音通信的开放性全球规范，工作在2 4 g h zi s m ( 工业、 科学、医疗) 开放频段。它以低成本的近距离无线连接为基础。为固定或移动通信设备之间提供通信链 路，使得近距离内各种信息设备能够实现资源共享。蓝牙技术的设计初襄是将智能移动电话与笔记本电 脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来，进而形成一种个人网络，使得在其可 达到的范围之内各种信息化的移动便携设备都能无缝地共享资源。随着蓝牙技术的发展和越来越多的厂 商关注蓝牙，确立蓝牙技术发展的最终目的是要建立一个全球统一的无线连接标准，使得不同厂家生产 的数字信息设备在近距离内不用电缆就可以很方便地连接起来，实现相互操作与数据共享 蓝牙起源于1 9 9 4 年瑞典爱立信公司的移动通信部，1 9 9 8 年爱立信、1 b m 、英特尔、诺基亚，东芝 五大公司组成了蓝牙特殊利益集团s i g ( s p e c i a li n t e r e s f i n gg r o u p ) ，1 9 9 9 年3 c o m 、朗讯、微软和摩托 罗拉加入了蓝牙s i g ，这就是蓝牙s i g 的九大创始公司。之后全球有很多企业、机构作为蓝牙技术的响 应者加入s i g ，致力于蓝牙标准的制定、蓝牙产品的实现和蓝牙技术的推广 蓝牙s i g 所颁布的蓝牙规范( s p e c i f i c a t i o no f t h eb l u e t o o t hs y s t e m ) 就是蓝牙无线通信协议标准， 它规定了蓝牙产品应遵循的标准和需要达到的目的，包括核心协议( c o r e ) 和应用模型( p r o f i l e ) 两个 文件。1 9 9 9 年7 月2 6 蓝牙s i g 发布了第一个技术规范1 0 标准并将其推入实用化阶段。2 0 0 1 年3 月正 式发布了版标准，2 0 0 3 年1 1 月蓝牙s l g 正式瓶准了1 1 2 标准。蓝牙1 , 0 版主要针对的是点对点的 无线连接，1 1 版本将这种连接扩展到了点对多点，同时对1 0 版本中存在的错误进行了修正，对其中 含糊的陈述进行了澄清。1 2 版本与1 1 版本向下兼容，此外还增加了许多新的特性， 提高了2 4 g h z 频段的可靠性和性能这些新特性展示了安全性，与8 0 2 1 1 的共存性，增强了语音处理 性能，提高服务质量。去年3 月份，蓝牙s i g 又发布了蓝牙核心规范2 0 版本及更高数据传输速率e d r ( e n h a n c e dd a t ar a t e ) 。新规范提高了数据传输速率( 可达1 2 版本的3 倍) 井降低了功耗，这将大大 改善蓝牙用户使用多个蓝牙设备协同工作以及传输大型数据文件时的体验，同时还格延长移动设备的电 池使用时间。 2 1 1 蓝牙技术的特点 1 射频特性 蓝牙设备工作在2 4 g h z 的i s m 频段。在大多数国家为2 4 0 0 , - - 2 4 8 3 5 m h z ，使用7 9 或2 3 个频道， 频道间隔均为i m h z ，采用时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 方式，调制方式为b t = 0 5 的g f s k ， 调制指数为0 2 8 - - 0 3 5 ，最大发射功率分为三个等级，分别是1 0 0 r o w ( 2 0 d b m ) 、2 ，s t o w ( 4 d b m ) 和l m w ( 0 d b m ) ，在4 , - - 2 0 d b m 范围内要求采用功率控制，由此可见，蓝牙考虑的最大通信距离大约为1 0 1 0 0 米。 第3 页 东南大学硕士学位论文 2 t d m a 结构 蓝牙系统支挣实时的同步定向连接和非实时的异步非定向连接，分别称为s c o ( s 归c h r 叩a u s c o n n e c t i o n - o r i e n t e dl i n k ) 链路和a c l ( a s y n c h r o n o u sc o m e c t i o n - l e s sl i n k ) 链路。前者主要传送话音 等实时性强的信息，在规定的时隙传输。后者则以数据为主，可在任意时隙传输。数据包被分成3 大类： 链路控制包，s c o 包和a c l 包。大多数数据包只占用1 个时隙，但有些包占用3 个或5 个时隙。 3 使用跳频技术 跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳每秒，每个频点持 续6 2 5 p s 。对应于多时隙包，跳频速率有所降低。但在建链时( 包括寻呼和查询状态) 则提高为3 2 0 0 跳每秒。使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰潜力和多址能力。 跳频序列受控于蓝牙4 8 位设备地址码( b da d d r ) 中的2 8 位以及2 7 位的时钟l l j ，采用以多级蝶 形运算为核心的映射方案，其示意图如图2 1 。该跳频选择方案具有硬件实现简单、性能优越、便于7 9 2 3 跳两种模式的兼容以及各种状态的跳频序列使用统一的电路来实现等特点。 l2 3 7 9 跳 0 国家模式控制 l a p + u a p 的低4 位 c l o c k 跳频频率选择模块跳频频率 图2 1 跳频频率选择 蓝牙系统的设备有两个主要工作状态：守候状态和连接状态七个中间临时状态：寻呼、寻呼扫描、 查询、查询扫描、主设备响应、从设备响应和查询响应。不同状态产生不同的跳频序列。 4 提供的服务 蓝牙支持6 4 k b p s 的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数p c m 或连续可变斜率 增量调制( c v s d ，c o n t i n u o u sv a r i a b l es l o p ed c l 协m o d u l a t i o n ) 。语音和数据可单独或同时传输。当仅 传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3 路全双工的话音通信。当语音和数据同时传输或仅传输数据时， 支持4 3 3 9 k b p s 的对称全双工通信，或7 2 3 2 k b p s 、5 7 6 k b p s 的非对称双工通信。另外，还采用c r c ( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ) 、f e c ( f o r w a r d e r r o rc o r r e c t i o n ) 及a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 以提高通信 的可靠性。 5 全球范围内的工作 蓝牙的基本出发点是使其设备能够在全球范围内应用于任意的小范围通信。任一蓝牙设备，都可根 据i e e e8 0 2 标准得到一个全球唯一的4 8 位b d _ a d d r ，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动 进行查询。在b d _ a d d r 基础上，使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设 备识别码( i d 。i d e n t i f i c a t i o n ) 在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。 6 软件的层次结构 和许多通信系统一样，蓝牙的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应 用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式。前者通过主机控制接口( h a ，h o s t c o n t r o li n t e r f a c e ) 实现高、低层的联接，后者则以嵌入式应用为典型，可不用h c i 。这种层次结构使其 设备具有最大可能的通用性和灵活性。 第4 页 第2 章蓝牙技术与家庭网络 2 1 2 蓝牙的网络结构 1 微微网和散射网 蓝牙系统支持点对点以及点对多点通信，因此其网络结构非常灵活，总的看来，它的拓扑结构是星 形结构。在一个微微网( p i c o n e t ) 中，所有设备的地位都是平等的，但只能有一个主设备( m a s t e r ) 发 起建链、提供同步时钟。一个主设备可以最多同时和7 个从设备( s l a v e ) 进行通信。具有重叠覆盖区 域的多个微微网构成分散网络( s e a t l e r n e t ) 。也称作蓝牙散射网，就是说多个微微网可以覆盖同一区域。 一个微微网的从设备可以按照时分复用加入多个微徽网，主设备可以同时是另一个微微网的从设备。不 同的微微网的设备使用由各自主设备决定的跳频序列和信道接入码( c h a n n e l a c c e s s c o d e ) 。图2 2 和图 2 3 分别是p i c o n e t 和s c a t t e m e t 的拓扑图。 图2 2p i c o n e t 拓扑图 p i c o n c t1 ( a ) 包含2 个微微网的蓝牙散射网( b ) 包含3 个微微网的蓝牙散射网 图2 3s c a u e m e t 拓扑图 2 蓝牙a d h o e 网络组网 不同的微微网使用不同的物理信道，可以在同一区域内共存。微微网之间通过桥节点互联，组成一 个更大的散射网。属于典型的a dh o e 网络，我们亦称之为蓝牙a dh o e 网络。桥节点分时共享于不同 的微微网之间，把一个微微网的数据包转发到另一个微微网。桥节点在每个徼微网内的角色并没有严格 的限制，它可以是一个微微网的主设备、另一个微微网的从设备 m s 型桥节点) ，或者同时是两个微 微网的从设备( s s 型桥节点) 1 2 1 。这两种情形可以参见图2 3 中的标注 网络形成协议的作用是使一组事先并不了解自身周围情况的蓝牙设各自动地组成一个连通的网络， 我们根据是否在有业务出现时才进行网络的构建把a dh o e 网络形成协议分为两种类型印预先构建型 和按需构建型。预先构建就是当一组蓝牙设备聚集到一起之后就自动按照一定的机制构成一个a dh o c 网络，而不管当前是否有业务需求；按需构建则是指仅仅在某个蓝牙设备需要另一个蓝牙设备服务的时 候才按照协议寻找到目的设备的路由。按需构建协议的延时可能会比较大，但是按需构建的蓝牙a d h o c 第5 页 东南大学硕士学位论文 网络中，蓝牙设备不需要寻找并维护一些无用的路由信息，提高了效率，减小了设备的能耗。入们已经 对蓝牙a dh o e 网络的网络形成协议做了一些研究，提出了多种算法，比较有代表性的主要有：b t c p 、 b l u e t r e e s 、b l u e s t a r s 、s e a _ t t e r n e t - r o u t e 等等，当前这仍然是一个非常活跃的研究领域。 2 1 3 蓝牙技术的广泛应用 根据通信协议，各种蓝牙设备在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，从而 构成网络，实现系统提供的各种功能。目前，蓝牙的标准提供了多种应用，如一般接入，服务发现协议， 无绳电话，对讲系统，串口，耳机，拨号网络，传真，局域网访问，通用对象交换，对象推入，文件传 输，同步应用。由此可见，蓝牙可使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和因特网等现有网络增 添新功能，使各类计算机、传真机、打印机乃至各种室内电子、信息和电器设备增添了无线传输和组网 的功能，应用空间极为广阔。跳频，t d d 和t d m a 等技术的使用使得蓝牙的射频电路较为简单，通信 协议的大部分内容可以用专用集成电路和软件来实现，因此从技术上保证了蓝牙设备的高性能和低成 本。蓝牙产品也正逐渐地与如下设备或系统融为一体：各种电话系统，车载通信设备，无线电缆，w l a n ， 无线公文包，各类数字电子设备，电子商务，家电设备，工业控制以及智能化建筑物等。 蓝牙产品的发展经历一个比较大的波折，从刚出现时市场的强烈关注，到后来的市场低迷。直到 2 0 0 3 年，随着新标准的出台，蓝牙产品又迎来第二个春天。 据高科技市场调研公司i n s t a t 估计，蓝牙产品已在短距离声音和数据无线传输中占据了稳固地位。 2 0 0 5 年已是连续第四年蓝牙产品的出货量增长超过一倍。2 0 0 5 年，蓝牙产品的出货量预计为3 亿1 6 0 0 万片，到2 0 0 9 年将达到8 亿6 6 0 0 万片。l n - s t a t 公司的分析师b r i a n 说，蓝牙在手机中的应用最为普遍， 进一步带动了蓝牙产品在其他领域的应用，如笔记本电脑、图像处理设备、安全产品、消费娱乐、汽车 产品、家用电器、医疗健身、建筑、玩具等。另一方面，蓝牙未来将渗透到1 7 个不同的市场领域，2 0 0 5 年应用于手机的篮牙设备占所有蓝牙设备的比例将小于4 7 ，比起2 0 0 2 年的6 5 明显降低。 目前，国内蓝牙产品厂家主要产品还是蓝牙耳机、蓝牙适配器以及蓝牙车载等产品，蓝牙芯片主要 以c s r 和b r o a d c o m 为主。手机蓝牙r f 模块上，京瓷( k y o c e r a ) 、村田( m m m a ) 、太阳诱电等日系 厂商是一支重要力量。蓝牙未来将向着低价位、小型化、兼容性、漫游性等特点发展。此外，蓝牙产品 的发展也促使相关测试设备的发展，1 、o i 、安捷伦、安立等公司都推出了针对蓝牙产品的相关测试 设备 2 2 蓝牙协议体系 蓝牙规范在其协议栈中采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的 建立和释放、链路控制、数据的拆装、服务质量、协议的复用和分用功能。在设计协议栈时的原则就是 最大限度地重复使用现存的协议，尽管不同的协议栈对应不同的应用，其高层应用协议都使用公共的物 理层和数据链路层。所以，蓝牙协议栈也是根据不同的目的最大限度地利用已经存在的协议正是蓝牙 技术对己存在协议的再寿4 用，保证了这些应用在蓝牙环境下的平稳运行和互操作性能，同时蓝牙系统也 可以充分利用已经发展的比较成熟的软硬件技术。完整的蓝牙协议体系结构如图2 4 所示： 并不是所有应用都会使用到图2 4 中的全部协议。相反，很多应用往往只利用协议栈中的某些部分。 并且，协议栈中的某些附加垂直协议子集却恰恰是用于支持主要应用的服务，比如t c s ( 语音控制规 范) 或s d p ( 服务发现协议) 等。实际上，上述示意图描述的是当需要无线传输数据有效载荷时，利 用其他协议服务过程中的协议问关系。这些协议应具有与其他协议之间的关联，例如，一些协议( 如 第6 页 第2 章蓝牙技术与家庭同络 表示第三方协议 图2 4 蓝牙协议体系结构 l 2 c a p ) 当需要控制链路管理器时，可以使用l m p ( 链路管理器协议) 。当然，所有的蓝牙应用都必须 使用蓝牙规范中对应于i s o o s l 模型中物理层和数据链路层的部分，如，蓝牙射频、基带及链路控制、 链路管理等，有的资料中亦将l 2 c a p 列入数据链路层，但笔者认为由于其在许多蓝牙应用中并非必需， 如音频应用，暂不将其视为蓝牙应用必须使用的规范。另一方面，也可以看出蓝牙技术规范的开发性保 证了设备制造商可自由地选用其专利协议或常用的公共协议。在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。 2 2 1 蓝牙核心协议 蓝牙协议体系按照功能需求可以划分为4 个层次： 蓝牙核心协议：b a s e b a n d & l i n kc o n t r o l l e r 、l m p 、l 2 c a p 、s d p 电缆替代协议：r f c o m m 电话控制协议：t c s 、a t 指令集 其它适配协议：p p p 、t c p u d p i p 、o b e x 、w a p 、w a e 、v c a r d v c a l e n d a r 除了上述协议层外，蓝牙协议还规定了主机控制接口( h c i ) ，它为基带控制器、连接控制器、硬 件状态和控制寄存器提供命令接口，在蓝牙设备的主机和蓝牙模块之间提供了一个通用接口。也有的资 料中将h c i 的位置置于l 2 c a p 之上，关于h a 的位置并没有严格的界定，这取决于具体的应用场景， 我们只是通常按照图2 4 中的做法来划分h c i 。 ， 蓝牙核心协议由s i g 指定的蓝牙专用协议组成。绝大部分蓝牙应用需要核心协议，面其他协议根 据应用的需要而定r f c o m m 和t c s 协议是s i g 分别在e t s t s 0 7 1 0 和l t u - r e c o m m e n d a t i o nq 9 3 1 协议的基础上制定的1 3 】。总之，电缆替代协议、电话控制协议和选用的适配协议在核心协议的基础上构 成了面向应用的协议。下面分别简单介绍一下蓝牙核心协议的四个部分1 4 】： 1 基带和链路控制器 基带协议负责建立微微网内各蓝牙设备单元之间的物理射频链路。由于蓝牙射频系统使用跳频扩频 第7 页 东南大学硕士学位论文 技术，分组在指定的时隙和指定的频率上发送。在这层上通过查询和寻呼过程使得不同蓝牙设备的发 送跳频频率和时钟达到同步。对于不同的基带分组，有两神不同的物理链路：同步面向连接( s c 0 3 襁 异步无连接( a c l ) ，这两种方式在同一射频链路上可以实现传送复用。s c o 分组适用于语音以及语音 和数据的组合，占用保留的固定时隙，实现点对点连接。a c l 分组只适用于数据，使用非s c o 时隙， 实现点对多点连接。 蓝牙设备地址( b da d d r ) 是一个蓝牙设备最稳定的实体。b da d d r 是一个4 8 位的地址，它 以电子的方式“记录”在每个设备上，为了保证唯一性，由一个地址管理机构分配b da d d r 。如图 2 5 ，b d _ a d d r 分为3 个部分：低端地址部分l a p ( l o w 日a d d r c 鹞p a r t ) 、高端地址部分u a p ( u p p e r a d d r e s sp a r t ) 以及非有效地址部分n a p ( n o n - s i g n i f i c a n t a d d r e s sp a r t ) 。u a p 和n a p 共“位，构成了 地址的机构唯一标识符o u l ( o r g a n i z a t i o nu n i q u ei d e n t i f i e r ) 部分，这部分地址由地址管理机构分配， l a p 则由机构自己分配。蓝牙设备地址的地址空间为2 ”( 约4 2 9 亿) ，这样大的数字保证了全世界所 有蓝牙设备的b da d d r 都是唯一的。 l s bm s b l l a p ( 2 4 b i t ) i u a p ( s b i o l n a p 0 6 h i 0 l 图2 5 蓝牙设备地址格式 蓝牙微微网以一种非常特别的方式构成。当一些设备希望彼此之间能够进行通信时，微微网可以根 据这些设备的请求而形成，它不依靠专门的支持实体提供的服务，基带协议建立了一些规则，根据这些 规则，能够创建某些特殊的连接，从而使设备之间能以一种同等且有效的方式进行通信。如图2 6 ，链 路控制器有两个主要的状态：待机( s t a n d b y ) 和连接( c o n n e c t i o n ) 。另外还有七个子状态：寻呼( p a g e ) 、 寻呼扫描( p a g e s c a n ) 、查询( i n q u i r y ) 、查询扫描( i n q u i r y s c a n ) ，主应答( m a s t e r r e s p o n s c ) 、从应答 ( s l a v e r e s p o n s e ) 、查询应答( 1 n q u i r y r e s p o n s e ) 。 图2 6 蓝牙链路控制器状态图 子状态是中间临时的过渡状态，用于向微微网增加新的从节点。为了从一个状态转移到另一个状态， 可以使用蓝牙控制器命令，也可以使用链路控制器的内部命令( 类似于来自自相关器或超时信号的激发 信号) 。待机状态是蓝牙单元中的默认状态。在这个状态下，蓝牙单元处于低功耗模式，只有本地时钟 以l o p 精度运行。 第8 页 第2 章蓝牙技术与家庭网络 2 链路管理协议 链路管理器协议( l m p ) 主要用来对链路进行设置与控制，包括控银 年协商基带分组的大小：通 过鉴权和加密来产生、交换、检查链路和加密密钥以保证安全性、控制蓝牙无线设备电源模式和工作周 期以及微微网内蓝牙单元的连接状态。接收方管理器通过该协议对接收到的关于链路建立、链路加密和 控制等信号进行识别和过滤，而不再将接收到的信息转发到更高的协议层。链路管理器消息比用户数据 具有更高的优先级。这意味着尽管链路管理器的消息发送会被个别基带包的多次重传所延迟，但是它不 应该被l 2 c a p 的通信延迟。由于链路控制器对消息发送提供了可靠的连接，因此我们不对l m p 消息 的结构作进一步讨论。 3 逻辑链路控制与适配协议 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 支持高层协议的复用、分组的分段和重组、业务质量( q o s ) 以及组管理。l 2 c a p 允许高层协议和应用协议程序收发长至6 4 k 字节的数据。尽管基带协议定义了s c o 和a c l 两种链路，l 2 c a p 只支持a c l 链路。对应音频和电话应用的话音质量的信道通常都是在s c o 基带链路上运行的。但是，也可以将话音数据进行分组，采用l 2 c a p 之上的一些通信协议来发送。 4 服务发现协议 服务发现协议( s d p ) 用于发现一个蓝牙设备上的服务。一个蓝牙设备为了能访问另一个蓝牙设备 上的服务，必须要知道一些对方提供服务的必要信息。在蓝牙工作环境中，需要使用服务发现协议。通 过该协议可以知道对方有没有自己想要的服务如果有的话，还可以获取该服务的一些信息( 如该服务 所使用的各种协议栈、服务名称、服务提供者和服务的u r l 等) 。 服务发现协议工作于l 2 c a p 上，使用l 2 c a p 提供的基于连接的工作方式，它分为客户端部分和 服务器端部分，在不同蓝牙设备上工作。需要请求服务的蓝牙设备，运行服务发现协议客户端部分，提 供服务的蓝牙设备，运行服务发现协议服务器端部分 下面将本论文使用到的电缆替代协议r f c o m m 作简要介绍 蓝牙是一种电缆替代技术，对串行电缆连接方式的替代是蓝牙应用的一个重要方面，因而s i g 发 布了专门的串1 3 仿真协议( 瑚c o m m ) ，为建立在串口之上的传统应用提供接口环境，使它们可以不做 什么改动就能在蓝牙无线链路上工作 r f c o m m 协议层实现如下两个主要功能： ( 1 ) 作为传输协议，实