（通信与信息系统专业论文）蓝牙家庭网络家电模拟器及远程控制系统设计.pdf

摘要 随着网络的普及以及家电智能化程度的提高，简单、灵活且可靠的家庭网络 成为一个新的热点。家庭网络能实现各种家庭电器的集中控制、并为用户通过因 特网实施远程监控创造条件。采用蓝牙技术的无线家庭网络具有重要实用价值和 广泛应用前景。 论文首先介绍了本课题的背景、研究中完成的主要工作和本文的总体结构与 内容安排。继而，阐述了与本课题相关的技术背景，包括家庭网络在国内外发展 的现状、家庭网络的分类，并对蓝牙技术应用于家庭网络组网的可行性进行了分 析。 其次，在分析蓝牙的协议体系、组网结构和应用于本课题的蓝牙模块特性的 基础上，提出了蓝牙家庭网络总体设计方案。并着重介绍了家电模拟器的硬件设 计和嵌入式软件设计。家电模拟器以a v r 单片机a t m e g a l 6 作为控制芯片进行 设计，在i c c a v r 平台下编写了控制和显示、串口通信、网络通信等程序，实 现了预定的控制功能。 最后，阐述了用户通过i n t e r a c t 对家电进行远程控制的实现方法。采用客户 端服务器模式，使用v i s u a lb a s i c 语言开发了相关软件，实现了用户通过因特网 对家电的远程监控。 关键词：蓝牙家庭网络a v r 单片机远程控制w i n s o c k a bs t r a c t w i t ht h eu n i v e r s a l i z a t i o no ft h en e t w o r k , a n di m p r o v e m e n to ft h ei n t e l l i g e n t i z e d d e g r e eo fh o u s e h o l da p p l i a n c e s ，s i m p l e ，f l e x i b l ea n dr o b u s th o m en e t w o r kg o e st ob e an e wh o t s p o t i tc a l lr e a l i z et h ec e n t r a l i z e dc o n t r o lo fh o u s e h o l da p p l i a n c e ，a n d p r o v i d e sb a s i so fr e m o t es u r v e ya n dc o n t r o lt h r o u g hi n t e r n e t w i r e l e s sh o m en e t w o r k b a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi so fg r e a tp r a c t i c a l i t ya n d u b i q u i t o u sd e p l o y m e n t i nt h et h e s i s ，f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da n do ft h er e s e a r c ht a s k , t h em a i nw o r k ，a n d t h ea r c h i t e c t u r eo ft h i st h e s i sa r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h eb a c k g r o u n do fs o m et e c h n o l o g i e si n v o l v i n gt h ee v o l v e m e n t ， c l a s s i f 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 k ，w h i c ha r ec o r r e l a t i v ew i t ht h er e s e a r c h s u b j e c t ，i sd i s c u s s e d t h ea d v a n t a g e so fa p p l y i n gb l u e t o o t ht oh o m en e t w o r ka r e g i v e na sw e l l t h i r d l y , a f t e rb l u e t o o t hp r o t o c o ls y s t e m ，n e t w o r ko r g a n i z a t i o na n dc h a r a c t e r so f b l u e t o o t hm o d u l eu s e di n t h i sr e s e a r c h t a s ka r ea n a l y z e d ，ag e n e r a l d e s i g no f b l u e t o o t hh o m en e t w o r ki sp r e s e n t e d ，a n dh a r d w a r ea n de m b e d d i n gs o f t w a r ed e s i g n o fh o u s e h o l da p p l i a n c es i m u l a t o r sa t ei n t r o d u c e dc h i e f l y h o u s e h o l d a p p l i a n c e s i m u l a t o r sa r ec o n t r o l l e db ya v rm c ua t m e g a16 l s o f t w a r ep r o g r a mi n c l u d i n g c o n t r o l ，d i s p l a y , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，a n di n t e r a c tc o m m u n i c a t i o ni sm a d eu n d e r i c c a v r t h ef u n c t i o n sp r e c o n c e r t e da r ea c t u a l i z e d l a s t l y , t h em e t h o dh o wt or e a l i z er e m o t ec o n t r o lt ot h eh o u s e h o l da p p l i a n c e s t h r o u g hi n t e r a c ti se x p o u n d e d a n dap r o g r a mb a s e do nc l i e n t s e r v e rm o d e ，w h i c h r e a l i z et h er e m o t es u r v e ya n dc o n t r o lt h r o u g hi n t e r n e t ，i sd e s i g n e dt h r o u g hv i s u a l b a s i c k e yw o r d s ：b l u e t o o t h ，h o m en e t w o r k a v rm c u ，r e m o t ec o n t r o l ，w i n s o c k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞太堂或其他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。 学位论文作者签名：周圆 签字日期：2 。男年月5e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：罔圆 导师签名： 签字日期：少a 孑年莎月5 日 签字日期：彦够年6 月3 - 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 蓝牙家庭网络研究的背景和意义 网络正以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。人们开始关注自身的居住环境，注重家居环 境的安全、健康、便捷和舒适。近年来，嵌入式计算技术飞速发展，已经扩展到 了通信及家电产品等行业，并由此引发了数字化家电的革命。数字化家电的出现 和网络技术的发展使得网络开始进入家庭，从而出现了“数字化家庭网络”的概 念。 将各种家电产品结合成一个有机整体，对家电设备进行集中或异地控制和管 理，并且能够与外界进行信息交流的家庭网络，受到人们越来越多的关注，逐渐 成为通信领域的新热点。 家庭网络是代表家庭信息化的一种新理念，具有不同于传统网络的特性，家 电的连接和控制是其重要的组成部分。由于家庭网络应用领域的特殊性( 面向家 庭) ，因此家庭网络具有自己的特点： 1 连接的设备主要是家电产品，种类繁多，而且没有统一的接口标准。 2 网络中的组成对象要求较高的动态特性，当设备加入或删除时，不需要 对网络重新进行配置。 3 对网络的操作要求简单，方便，也即网络的管理系统具有较高的自主性， 不需要用户过多的干预。 由于蓝牙技术本身面向移动环境的特性，因此设备的加入和删除将是非常方 便的；而其无线的特性，也使网络的管理更加简单，能够更好地为人们提供家居 环境的各类信息，开发网络化、智能化、数字化的新型住宅。本课题将对使用蓝 牙技术进行家电控制给予探讨，并尝试建立蓝牙家庭网络。 1 2 研究的主要工作 本论文主要对基于蓝牙技术的家庭网络关键技术进行了研究，并在此基础上 通过硬件设计和软件编程实现了基于蓝牙技术的家庭网络。具体完成了以下工 第一章绪论 作： 1 对家庭网络技术进行了系统的研究，并创建了自己的家庭网络协议。通过 查阅大量资料，阅读诸多国内外的论文，掌握了家庭网络系统结构，并在此基础 上创建了系统的家庭网络协议。同时，为了方便在所组建的家庭网络中的使用， 根据此协议创建了该协议的简易版本。 2 深入研究了蓝牙技术协议体系结构，仔细阅读了蓝牙技术核心协议( c o r e ) 和部分应用框架协议( p r o f i l e ) 的协议，认真研究了蓝牙射频特性、基带协议、链 路管理协议、逻辑链路控制和适配协议、主机控制器接口协议、服务发现协议等 基础理论，从而建立了适用于本系统的蓝牙应用参考模型，并且运用蓝牙协议中 的主机控制器接口协议( h c i ) 协议进行项目开发。掌握蓝牙模块b l u e c o r e 2 一 e x t e r n a l 的功能和特性并将制运用到项目开发中。 3 开发了家电模拟器中的电视系统和空调系统。实现了这些客户端的各种基 本控制功能和与主机控制器、移动控制终端的双工通信。家电模拟器以a v r 单 片机a t m e g a l 6 作为控制芯片，使用p r o t e ld x p 软件开发硬件电路板，同时，通 过i c ca v r 编译器使用c 语言对单片机编程，实现控制和通信功能。 4 研究了远程控制的功能及原理，并结合本课题的实际情况，利用v i s u a l b a s i c 实现用户通过i n t e m e t 对家庭网络的远程监控，编写了远程控制客户端及服 务器程序。 1 3 本文的内容安排 本文的总体结构和内容安排如下： 第一章：绪论。主要介绍家庭网络的背景、研究中完成的主要工作和本文的 总体结构与内容安排。 第二章：家庭网络与蓝牙技术。首先简述了家庭网络的概念，并概括了家庭 网络在国内外发展的现状，以及家庭网络的分类；其次介绍了蓝牙技术的由来及 其技术特点；最后对蓝牙技术应用于家庭网络组网的可行性进行了分析。 第三章：蓝牙技术研究。介绍了蓝牙协议的体系结构和蓝牙组网模式等，其 中重点介绍了基带协议( b a s e b a n d ) 和主机控制器接口协议( h c i ) 。最后介绍了蓝牙 硬件设备蓝牙模块的结构和功能并对本课题中使用的蓝牙模块的特性进行 介绍。 第四章：蓝牙家庭网络总体设计方案。概括介绍了本项目的总体设计方案和 完成的主要工作。 第一章绪论 第五章：蓝牙家电模拟器设计。分析了家电模拟器要实现的功能，介绍了电 视系统和空调系统这两个家电模拟器以a v r 单片机为基础的硬件电路设计和嵌 入式软件设计，并概述了a v r 单片机a t m e g a l 6 的开发流程和开发环境。 第六章：蓝牙家庭网络远程控制设计。论述了远程控制的原理，用户通过 i n t e m e t 对家庭网络进行远程控制的实现方法和w i n s o c k 控件的应用。介绍了在 v i s u a lb a s i c 平台下基于w i n s o c k 控件的远程控制程序设计，包括远程客户端程 序设计和服务器程序设计。 第七章：结束语。对研究进行了总结，并提出了在该研究基础上可以进一步 改进和完善的内容。 第二章家庭网络与蓝牙技术 第二章家庭网络与蓝牙技术 网络技术的发展极大地便利了人们的各种活动，给社会带来了巨大进步。信 息技术和网络技术的触角已经深入到普通家庭之中，这些技术带给人们的不仅仅 是更舒适、智能和个性化的家居生活，而且使家庭更快速、更有效、更广泛地与 社会有机的联系起来。 随着计算机技术和网络技术的高速发展，家庭网络的概念正逐渐被人们所认 识。从网络连接的角度看，家庭网络是指在家庭和社会的信息网络相连之前，将 家庭内部所有的信息设备连接起来而形成的网络。 随着技术的不断进步，家庭中的家用电器从最初的机械式家电开始，经历了 电气化家电、电子化家电、程序化家电各个阶段。进入二十一世纪后，随着人们 生活水平的不断提高，目前的家电逐渐无法满足现代家庭的需要。一方面，这些 家电无法自动获取外界的信息，形成所谓的信息孤岛；另一方面，不同的家电之 间互相独立，无法协同工作。为了解决这些问题，家电逐渐发展成信息家电的形 式，此时的信息家电除了具有普通智能家电的功能之外，还具有网络通信的功能， 成为一个个所谓的“家用网络电器”，这是家用电器发展的必然趋势【l 】。 2 1 家庭网络的定义 家庭网络是连接了家庭内部多种设备和电器的较小地理区域网络。家庭网络 在小范围内( 家庭、办公室) 对信息设备和家电进行连接，利用数字通信技术、嵌 入式技术等，使这些设备之间可以共享资源，协同工作，可以随时随地为家庭成 员提供语音、家居自动化、音频视频服务以及数据传输等与家居生活紧密相关的 服务。 它主要由数据通信、家庭娱乐和家庭电气设备控制等三部分构成，能提供集 成的话音、数据、多媒体应用，实现控制管理、安防报警等功能，还可与外部公 网连接以实现远程操作。其具体功能主要有安全服务、能源管理、数据通信服务、 家庭环境控制和其他智能化控制等。 第二章家庭网络与蓝牙技术 2 2 家庭网络的发展现状 随着无线网络研究在全世界范围内的兴起，国际上针对家庭网络技术的研 究、开发正如火如茶地进行着。家庭网络技术早在七十年代便开始流行于美国， 当时最有代表性的产品是x 1 0 ，其后美国的e c h e l o n 和e 队又相继推出l o n w o r k s 和c e b u s ，并最后都成为美国电子工业协会饵n ) 的家庭自动化网络标准1 3 】。 从上世纪九十年代中期开始，家庭网络技术开始逐步发展起来。在国际上比 较有影响的系统有：美国的x 1 0 、c e b u s ( c o n s u m ee l e c t r o n i cb u s ) 和l o n w o r k 日本的h b s m o m eb u ss y s t e m ) ；欧洲的e m o p e a ni i l s t a l l a t i o nb u s ) 和e h s 但u r o p e 锄h o m es y s t e m ) 3 1 。 我国对家庭网络的研究目前还未成熟，主要集中在一些分散的智能家庭控制 子系统的研究上，如三表抄送子系统、门禁子系统、可视对讲子系统等。这些子 系统互相独立，不能实现信息共享，安装和使用很不方便。随着集成技术、通讯 技术、互操作能力和布线标准的不断发展和改进，智能家庭网络可以将这些电气 子系统以及电气设备连接起来，实现它们之间信息共享，使得系统安装方便、使 用灵活。 2 3 家庭网络技术的分类 从技术标准的角度，家庭网络可分为三类。第一类为宽带互联网接入技术， 主要为家庭网络提供宽带的信息接口；第二类为家庭互联网络技术，主要为家庭 内部的通信网络提供信息连接；第三类为家庭控制互联网络技术，主要为家庭内 部的控制网络提供信息连接。 完整的、功能强大的家庭网络不仅仅体现在网络数据链路的建立上，更体现 在接入网络的设备( 家庭网络组件) 的性能上，因为这些设备是用户最终可操作 的，也是用户的个性化籍求、选择的最终体现。其中，计算机及相关产品、网络 家电设备、智能化的保安监控系统、灯光控制系统、能源管理系统等，都是最能 够满足用户直接需求的家庭网络组件。 实际中的家庭网络往往是上述各种方式的组合，仅使用一种方式建立家庭网 络来满足不同网络组件( 如信息家电、照明控制系统等) 和用户的需求是不现实 的。所以，家庭网络应是多种通信媒介相融合的混合网络，网络的组件应能协同 工作、共享信息。 从网络的数据链路建立的角度来看，家庭网络又可以分为有线家庭网络和无 第二章家庭网络与蓝牙技术 线家庭网络。 实现有线家庭网络系统可以利用家庭中的电话线、有线电视电缆、交流电源 线等己经存在的配线，也可以为系统新增网络配线。如基于双绞线或同轴线的传 输系统( 以太网) 、基于双绞线的系统( 电话线) 、基于双向同轴电缆的传输系统( 宽 带) 、基于交流电源线、两种基于串行总线的系统( u s b 、正e e l 3 9 4 ) 等。但是，有 线方式家庭网络技术限制了用户的移动性和灵活性。 从某种意义上讲，只有实现无线的网络连接，才真正实现家庭中无处不在的 网络l 引。 2 4 蓝牙技术概述 2 4 1 蓝牙技术的出现和发展 1 9 9 8 年5 月，5 家世界著名的i t 公司e r i c s s o n 、m m 、h l t e l 、n o k i a 和t o s h i b a 联合宣布了“蓝牙”计划，其目的是制定一个短距离无线通信技术标准，实现最 高数据传输率1 m b s ( 有效传输率为7 2 1 k b s ) 、最大传输距离为1 0 m 的无线通 信，使不同厂家的便携设备在没有电缆连接时，利用无线技术在近距离范围内具 有相互操作的性能。一个特殊兴趣组织( s i g ) 被组建起来负责此项计划的开发。 该技术标准命名为b l u e t o o t h 。b l u e t o o 廿l 是欧洲中世纪丹麦一个国王的绰号，他 统一了四分五裂的国家。取名为b l u e t o o t l l ，是标准创建者希望该技术标准成为 全球性的通信标准【7 j 。 1 9 9 9 年7 月，蓝牙s i g 正式公布了蓝牙1 0 版本规范，将蓝牙的发展推进到 实用化阶段。2 0 0 0 年1 0 月，s i g 非正式发布了1 1 版本蓝牙规范，直到2 0 0 1 年 3 月，其1 1 版本规范才正式发布。蓝牙规范1 0 版主要是针对点对点的无线连 接。蓝牙1 1 版本将点对点扩展为点对多点，并修正了1 0 版本的错误和陈述模 糊的概念。2 0 0 3 年1 1 月，蓝牙s i g 公布了蓝牙1 2 版本规范。新标准在实现设 备识别高速化，减少与无线局域网( l a n ) 电波干扰功能的同时，还能与现有的 1 1 版本标准完全兼容。2 0 0 4 年1 1 月，蓝牙2 0 标准( 2 o + e d r ) 正式推出，使蓝 牙的应用完美地扩展到多媒体设备中，有望赋予蓝牙永久的生命力。新版本的蓝 牙标准具有更高的数据传输速率，提供的带宽是目前蓝牙带宽的3 倍，不过新版 本的蓝牙标准并没有增大无线传输的距离。蓝牙2 0 在大量数据文件传输时耗电 量只有旧版本蓝牙标准的一半。另外，新版本的蓝牙标准还具有向后兼容旧标准 的能力1 7 1 8 。 第二章家庭网络与蓝牙技术 2 4 2 蓝牙技术的应用 蓝牙技术最初主要面向通信、计算机及消费电子领域中的各种小型设备及移 动设备，如移动电话、p d a 、耳机、笔记本电脑、掌上电脑、打印机、数码相机 等。蓝牙将它们通过无线的方式连接起来，进而形成一种围绕个人领域的网络， 即个人区域网删) ，使得在其范围之内的各种信息化的移动便携设备都能实现 无缝的资源共享。 随着技术的发展和深入，蓝牙的应用逐渐发展到家电、汽车、医疗、工业控 制、玩具、电子商务等各个领域。蓝牙技术的最终目的就是要建立一个全球统一 的无线连接标准，让不同厂家生产的便携式设备能够在无线连接的情况下，在近 距离内实现交互传递信息和交互操作。蓝牙开发者希望通过蓝牙技术形成一个统 一的标准，从而将计算机行业、通信行业、家电行业等各自为战的局面统一起来 【9 1 。 2 5 基于蓝牙技术的家庭网络组网分析 随着网络技术的不断发展，并渗透到每一个家庭，家庭中的家用电器逐渐发 展成具有网络终端功能的信息家电，这些信息家电只有连成网络，才能实现信息 共享和协同工作，而这种网络应该是一种小范围内的低功耗的家庭网络【7 j 。 蓝牙技术是为了实现小范围内低成本、低功耗的无线移动通信而提出的，蓝 牙技术的最大优势在于能为各种电器设备提供附加的通信能力，使之具有接入各 种网络的能力。蓝牙是一种开放的低成本、短距离无线连接技术规范，用于传送 语音和数据。作为替代电缆连接的短距离无线通信的标准，它工作稳定、设备简 单、功率低、对人体危害小、价格便宜，能在半径1 0 米范围内建立点到点和点 到多点连接，承载语言和数据传输业务，具有如下主要特点： ( 1 ) 工作在全球通用免费的2 4 g h zi s m ( i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i c 、m e d i c i n e ) 频段 现有蓝牙标准定义的工作频率范围为2 4 0 2 g h z - 2 4 8 0 g h z 。蓝牙与其他工作在相 同频段的系统( 如微波炉、无绳电话) 相比，跳频更快，数据包更短，相对来说稳 定的多。 但) 低功耗，成本低，模块小。 蓝牙在通信连接状态下又有四种工作模式，按照耗电量的递减顺序分别是： 激活模式、保持模式、呼吸模式和休眠模式。激活模式是正常的工作模式，可以 7 第二章家庭网络与蓝牙技术 进行数据或语音传输，其它三种模式都是为了节能所制定的低功耗模式。保持模 式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活成员地址；呼吸模 式下的从设备周期性的被激活；休眠模式下的主从设备间仍保持同步，但从设备 不需要保留其激活成员地址。 ( 3 ) 采用时分双工通信( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 蓝牙规范1 0 支持的数据传输速率1 m b s 。采用t d d 方式实现全双工传输， 即将每个频率分割成时隙，分配相邻时隙用于发送和接收，主单元用偶数时隙发 送数据，从单元在奇数时隙响应。通过改变往返顺序，两个不同的传输可以共享 相同的频率，实现全双工通信。 ( 4 ) 采用跳频扩频技术( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 跳频是蓝牙使用的关键技术之一。蓝牙标准根据微网中主单元确定跳频序 列，对于单时隙包，蓝牙收发机采用每秒1 6 0 0 次快速跳频，即以2 4 5 g h z 为中 心频率，可得到7 9 个1 m h z 带宽的信道，数据速率为1 m b s 。 ( 5 ) 提供了安全机制及开放的接口标准 为了保证通信的安全，蓝牙在链路层和应用层提供了安全机制，并定义了4 种类型的连接密钥：组合密钥，设备密钥，临时密钥和初始密钥。由s i g 负责制 定了蓝牙协议规范，可进行大规模推广。 ( 6 ) 蓝牙能传送数据信号和语音信号 数据信号采用包交换技术，数据在传送前被分割成小组或包，收到该消息的 所有数据包之后再重新编排成员顺序，语音采用电路交换技术，消息不分成包， 而是通过一条预先建立的专用信道( 或电路) 进行传输。 ( 7 ) 蓝牙设备的组网 蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接，在任意一个有效通 讯范围内，所有的设备都是平等的，并且遵循同样的工作方式。基于t d m a 原 理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在主从网络( p i c o n e t ) 和分散网络( s c a t e m e t ) 中，既可作主设备( m a s t e r ) ，又可作从设备( s l a v e r ) ，还可同时既是主设备( m a s t e r ) 又是从设备( s l a v e r ) 。因此在蓝牙系统中没有从站的概念，另外所有的设备都是 可移动的，组网十分方便1 7 。 将蓝牙技术用于家庭网络，完成信息家电之间的组网，非常合适。采用蓝牙 无线通信技术避免了有线连接所带来的开槽、打洞、穿墙等麻烦；蓝牙技术的低 成本特性有利于它在家庭网络中的普及；蓝牙技术的短距离特性防止了对范围以 外的其他设备的干扰：家庭网络中的信息家电所要完成信息访问和信息获取等 功能的信息量不大，蓝牙技术完全可以满足要求。【1 0 】【1 1 】 第三章蓝牙技术研究 第三章蓝牙技术研究 3 1 蓝牙协议体系结构 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术规范由蓝牙特别利益集团( s i g ) 制订，在使用通用 无线传输模块和数据通信协议的基础上，开发交互式服务和应用，多用于便携式 通信设备1 5 j i 引。 蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够互通，本地设备与 远端设备需要使用相同的协议，不同的应用需要不同的协议，但是，所有的应用 都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。 s 矿n c i m 帆o l 如a s y n e l w o r m o sa n d u n f r a m e dt f 嚣确ei s o o y o f l o t i sf r a m e dt r a f 蠹c 孽_ - d a t ac o t l 打o id a 协o o n l r ，o i 图3 - 1 蓝牙协议栈 s i g n a l u n g 完整的蓝牙协议栈如图3 1 所示，不是任何应用都必须使用全部协议。该图 9 第三章蓝牙技术研究 显示了数据经过无线传输时，所有协议之间的相互关系，但在某些应用中这种关 系是有变化的，如需控制连接管理器时，可使用逻辑链路控制应用协议( l 2 c a p ) 、 二元电话控制规范( t c sb i n a r y ) 或连接管理协议( l m p ) 完整的协议包括蓝牙专利协议( 如l 2 c a p 和l m p ) 和非专利协议( 如对象 交换协议o b e x 和用户数据包协议u d p 。设计协议和协议栈的主要原则是尽可 能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间 的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的开放性保 证了设备制造商可以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。 蓝牙协议体系中的协议按s i g 的需要分为四层： 核心协议：b a s e b a n d 、l m p 、l 2 c a p 、s d p ； 电缆替代协议：r f c o m m ； 电话传送控制协议：t c s b i n a r y 、a t 命令集； 选用协议：p p p 、切) p 厂r c p p 、o b e x 、w a p 、v c a r d 、v c a l 、i r m c 、w a e 。 除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口( h c i ) ，它为基带控制器、 连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。1 8 j 在蓝牙核心协议中，b a s e b a n d ( 基带协议) 负责跳频和数据帧传输，l m p ( l i n k m a n a g e rp r o t o c o l ，链路管理协议) 负责蓝牙各设备间链路的建立、控制、鉴别、 配置和其他低层协议的执行，两者共同确保微微网内各蓝牙设备单元之间的射频 物理链路。l 2 c a p ( l o g i c l al i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c o l ，逻辑链路控制和 适配协议) 是基带的上层协议，与l m p 并行工作，完成数据的拆装、服务质量和 协议复用等功能。s d p ( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ，服务发现协议) 是所有用户模 式的基础，可用来查询蓝牙射频覆盖范围内的蓝牙设备信息和服务类型，从而在 蓝牙设备间建立相应的连接。 r fc o m m ( r a d i of r e q e n c yc o m m u n i c a t i o n s e r i a lc a b l ee m u l a t i o np r o t o c o l ， 电缆替代协议串口电缆仿真协议) 在蓝牙基带协议上仿真r s 2 3 2 控制和数据信 号，支持使用串行线传送机制的上层协议。a u d i o 模块与下层合作可实现语音的 无线传输。 3 2 蓝牙的组网模式 蓝牙技术具备一定的组网能力，符合蓝牙技术设计初衷。它有三种主要的网 络模式，分别为点对点模式、点对多点的匹克网( p i c o n e t ) 模式和多个匹克网组成 1 0 第三章蓝牙技术研究 的散射i n ( s c a t e m e t ) 模式【5 】【6 】。 黪 ； i i 囊b m a s t e r ， 叠h v 日 - _ _ 。歇 f。t。，专。ll 图3 - 2 蓝牙网络的拓扑结构 点对点模式是指两个蓝牙设备之间建立点对点数据、语音连接，如图3 2 ( a ) 所示，其中一个蓝牙设备作为主设备( m a s t e r ) ，另一个作为从设备( s l a v e ) ，由主 设备实施网络的管理。 匹克网( p i c o n e t ) 模式如图3 - 2 ( b ) 所示，是指一个蓝牙设备同时与多个蓝牙设 备之间建立数据、语音的点对多点连接，形成一个是指匹克网( p i c o n e t ) ，一个主 设备最多可以和七个从设备建立连接，由该主设备实施网络的管理。 由多个匹克网组成的散射i n ( s c a t e m e t ) 实现不同匹克网( p i c o n e t ) 内设备之间 的互通。在散射网中，某个蓝牙设备可以成为一个匹克网的主设备同时又是另一 个匹克网的从设备，从而实现多个蓝牙设备的有效互连【l 引。如图3 - 2 ( c ) 所示。 3 3 基带协议 基带层位于蓝牙协议栈的蓝牙射频之上，并与射频层一起构成蓝牙的物理 层。蓝牙设备发送数据时，基带部分将来自高层协议的数据进行信道编码，向下 传给射频进行发送；接收数据时，射频将经过解调恢复空中数据并上传给基带， 基带再对其进行解码，向高层传输【5 1 1 6 1 。 从本质上说，它作为一个链接控制器，描述了基带链路控制器的数字信号处 理规范，并与链路管理器协同工作，负责执行连接建立和功率控制等链路层的任 务。基带收发器在跳频( 频分) 的同时将时间划分( 时分) ，采用时分双i ( t d d ) i 作 方式( 交替发送和接收) ，基带负责把数字信号写入并从收发器中读入数据。主要 管理物理信道和链接，负责跳频选择和蓝牙数据及信息帧的传输、误码纠错、数 据白化、蓝牙安全等。基带也管理同步和异步链接，处理分组包，执行寻呼、查 黪 簸；。 ， 小 第三章蓝牙技术研究 询来访及获取蓝牙设备等。 在蓝牙设备中，都始终运行着一个内部的系统时钟，用来决定收发器定时和 跳频。时钟的分辨率至少是t x 和r x 时隙的一半，即31 2 5i i s 。蓝牙技术规定， 蓝牙时钟是使用一个2 8 b i t 的计数器实现的，时钟频率为3 2 k h z ，循环周期为 2 2 2 8 1 ，符号周期为3 1 2 5 h s 。蓝牙时钟计数器有几个关键位变化对蓝牙系统产生 影响：c l k 0 ，c l k lc l k 2 ，c l k l 2 ，分别对应31 2 5 “s 、6 2 5 i - t s 、1 2 5 m s 和1 2 8 s 。 每一个蓝牙设备都需要分配一个不同4 8 b i t s 的蓝牙设备地址( b da d d r ) 。蓝 牙地址格式，包括l a p ，u a p 和n a p 三部分，如图3 3 所示。l a p 称为低位地 址，长度2 4 b i t s ；u a p 称为高位地址，长度8 b i t s ；n a p 称为无意义地址，长度 1 6 b i t s 。2 4 b i t sl a p 称为公司分配号( c o m p a n y， 和nap合起来总assigned)uap 共2 4 b i t s 称为公司i d ( c o m p a n y 。蓝牙设备地址的地址空间为( 约_id) 2 3 24 29 亿) ，全世界所有蓝牙设备的蓝牙设备地址( b da d d r ) 都是唯一的。蓝牙设备 又保留了“个l a p 地址用于查询操作，不能用于蓝牙设备地址分配，该l a p 地址段为o x 9 e 8 8 0 0 o x 9 e 8 8 3 f 。 l s bm s b c o m p a n y 一t i 四0 d c o m p a n y k s u k pu 矗pn 矗p o o o oo 1o oo o 。oo 0 0 0o o 0 11 00 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 图3 3 蓝牙设备地址 3 4 主机控制器接口协议( h c i ) 3 4 1h c i 概述 蓝牙主机控制器接口( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，h c i ) 是蓝牙主机主机控制器 应用模式中蓝牙模块和主机间的软硬件接口，其中蓝牙主机主机控制器连接模 型如图3 - 4 所示。当主机和主机控制器通信时，h c i 层以上的协议在主机上运行， 而h c i 以下的协议由蓝牙主机控制器硬件来完成，它们通过h c i 传输层进行通 信。主机控制器中的h c i 解释来自主机的信息，并将信息发向相应的硬件模块 单元，同时还将模块中的信息根据需要向上转发给主机1 8 j 。因而，h c i 对于在具 体硬件基础上自主灵活地构建面向应用的蓝牙协议栈和开发蓝牙应用起着决定 性作用【5 】f 6 1 。 1 2 第三章蓝牙技术研究 蓝牙主机 其它高层驱动程序 h c i 驱动程序 物理总线( u s b 、p c 卡、或其 它) 驱动程序 i 物理总线硬件 上土 物理总线( u s b 、p c 卡、或其 它) 固件 监才馒件 上 、， h c i 固件 j l l m 固件 1r 基带控制器 图3 4 蓝牙主机一主机控制器连接模型 h c i 由两部分组成：用来连接蓝牙模块和主机的物理硬件和实现命令接口的 软件。 h c i 传输层即是指蓝牙主机和主机控制器之间相连的物理接口。目前，蓝牙 h c i 传输层的物理接口有通用串行总线( u s b ) 、串行端口( r s 2 3 2 ) 、通用异步收发 器( u a g t ) 和p c 卡，其中，蓝牙规范1 1 对u s b 、r s 2 3 2 、u a r t 进行了标准化， 但没有对p c 卡进行定义。蓝牙设备可以采用一种或几种不同的物理接口来实现 通信。 3 4 2h c i 的分组参数 h c i 是通过分组的方式来传输数据、命令和事件的，所有在主机和主机控制 器之间的通信都以分组的形式进行。h c l 分组有三种类型：数据分组、命令分组 和事件分组。其中数据分组是双向的，命令分组只能从主机发往主机控制器，而 事件分组始终是主机控制器发向主机的。主机发出的大多数命令分组都会触发主 机控制器产生相应的事件分组作为响应。 第三章蓝牙技术研究 主机向主机控制器发送指令分组。主机控制器执行指令后，通常会返回给主 机一个指令完成事件分组，该分组携带有指令完成信息；对于有些分组，不返回 指令完成事件分组，但返回指令状态事件分组，用以说明主机发出的指令已经被 主机控制器接收并开始处理；如果指令执行出错，返回的指令状态事件分组就会 指示相应的错误代码。 h c l 分组的构成遵循原则有：( 1 ) 所有的数据值采用二进制和十六进制大端 格式( b i ge d i a n ) ( 除非特别指出) ；( 2 ) 负值参数采用二进制补码表示；( 3 ) 如果参 数数组的一个集合定义为p a r a m e t e r a i ，p a r a m e t e r b i 的格式，那么参数数组顺 序应该是：p a r a m e t e r a 0 】，p a r a m e t e r b 0 】，p a r a m e t e r a 1 】，p a r a m e t e r b 1 】， p a r a m e t e r a 【n 】，p a r a m e t e r b n ：( 4 ) 复字节参数按小端格式( l i r l ee d i a n ) 进行收发 ( 除非特别指出) ，如：多字节的参数最右边的字节先传，即最小的字节是最重要 的：( 5 ) 非数组指令、指令参数和参数数组元素都具有固定长度。参数和非数组 参数的长度都包含在一条指令里，并为每一个指令或事件定义事件。参数数组内 元素数量可以不定：( 6 ) 被标为保留的数值和参数如果没有明确定义其状态，在 发送是应置0 ，在接收时则被忽略。在执行指令的过程中，如果参数值和操作码 都无法解释，则可以忽略，从而完成该操作。主机和控制器不会接受到保留的参 数而停止运行。 h c l 分组有三种类型： ( 1 ) h c i 指令分组( c o m m a n dp a c k e t ) ，只从主机发向主机控制器，分为链路控 制指令、链路策略指令、主机控制指令与基带指令、信息参数指令、状态参数指 令和测试指令。h c i 指令分组的格式如图3 - 5 所示。 图3 5h c i 指令分组格式 第三章蓝牙技术研究 h c i 指令分组由操作码( o p c o d e ) 、参数总长( p a r a m e t e r t o t a ll e n g t h ) 和参数列 表( p a r a m e t e r s ) e 部分组成。o p c o d e 由指令操作码段( o p c o d ec o m m a n df i e l d ， o c f ) 和操作码组段( o p c o d eg r o u pf i e l d ，o g f ) 组成。o p c o d e 占1 6 位，高6 位 为o g f ，低1 0 位为o c f 蓝牙协议规定o c f 和o g f 的范围分别为o x 0 0 0 0 0 x 0 3 f f 和0 x 0 0 o x 3 f 。o g f 的0 x 3 f 保留用于厂商测试，0 x 3 e 保留用于蓝牙标志测试。 参数总长度表示该指令所带参数的长度( 以字节为单位) ，占一个字节。所带参数 的列表取决于各个指令的内容。 操作码为2 个字节，用于唯一标示指令类型。操作码参数分为两个字段：操 作组字段( o g f ) 和操作码指令字段( o c f ) 。其中o g f 占用操作码的上6 b i t ， o c f 占用其余1 0 b i t 。 2 h c i 事件分组 主机控制器利用h c i 事件分组在事件发生时通知主机。主机必须具有能够接 受除h c i 指令报头以外的分组长度小于2 5 5 字节的h c i 事件分组的能力。事件 分组包括通用事件( 指令完成事件和指令状态事件) 、测试事件、出错事件三种。 h c i 事件分组格式如图3 - 6 所示。 图3 6 h c i 事件分组格式 事件类型码占用一个字节，每一个事件类型码用来唯一标识不同事件类型。 事件的参数与相应的指令对应，每个参数长度都是一个字节。 3 h c i 数据分组 h c i 数据分组用于在主机和主机控制器之间交换数据，可以实现主机和主机 控制器之间间双向数据传输。数据分组分为异步无连接( a s y n c h r o n i z a t i o n c o n n e c t i o n l e s s ，a c l ) 数据分组和同步面向连接( s y n c h r o n i z a t i o nc o n n e c t i o n 第三章蓝牙技术研究 o r i e n t e d ，s c o ) 数据分组两种。a c l 链路支持对称和非对称传输，分组交换和多 点连接，只能用来传送数据。a c l 数据分组的格式如表3 4 所示。s c o 链路既 能传送数据也能用来传送语音，并且s c o 和a c l 可以同时工作。s c o 数据分 组的格式如图3 7 所示。 3 4 3h c i 的传输层 图3 7 h c i 的a c l 数据分组格式 h c i 传输层即是指蓝牙主机和主机控制器之间相连的物理接口。目前，蓝牙 h c i 传输层的物理接口有通用串行总线( u s b ) 、串行端口( r s 2 3 2 ) 、通用异步收发 器( u a r t ) 和p c 卡，其中，蓝牙规范1 1 对u s b 、r s 2 3 2