（通信与信息系统专业论文）蓝牙热点框架的设计与实现.pdf

人连理t 人学硕十学位论文 摘要 蓝牙技术足一种短距离、低功耗的无线传输技术，主要用于解决便携式设备的近距 离无线互联，具有功耗小、成本低等优点，因此在日常生产和生活中得到了广泛的应用。 蓝牙s i g 发布了全球统一的蓝牙应用协议规范，并以其为基础发展出许多的蓝牙应用框 架以满足各方面应用的需要。蓝牙现有应用框架中应用比较广泛的主要包括对象交换框 架与头戴设备框架，这两个应用框架分别完成p c 机与手机的文件通信和手机与蓝牙耳 机的语音通信的功能。 本文所要完成的：i ：作是根据实际应用的需要设计和实现一种蓝牙热点框架，以满足 人们对信息交互的要求。针对蓝牙热点框架可能的应用场合和应用方法，将热点框架的 服务分为三种模式：即主动模式、被动模式和中转模式，并说明了热点框架的工作流程。 由于蓝牙热点框架的客户端主要为手机、p d a 等数据处理能力有限的移动终端，所以文 中还针对这一情况规定了热点服务器与客户端问的数据通信格式。该数据格式尽量不以 文件形式进行传输，以减少通过蓝牙传输的数据量，同时也减少手机处理的数据量。蓝 牙应用框架必须以蓝牙底层协议栈为基础，而在w i n d o w s 平台现在还没有可以直接用 来进行上层开发的蓝牙协议栈，所以文中为实现蓝牙热点框架还在w i n d o w s 平台之上 实现了蓝牙底层协议栈中h c i 协议、l 2 c a p 协议、s d p 协议和r f c o m m 协议的部分 功能，以满足蓝牙热点框架的实现要求。同时利用j 2 m e 实现了手机中的客户端软件， 以实现手机与p c 机上的蓝牙热点服务器的信息交互。 关键词：蓝牙；热点框架；协议；j 2 m e 人连理i - 人硕+ 学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fb l u e t o o t hh o t s p o tp r o f i l e a b s t r a c t b l u e t 6 0 t hi sas h o r t r a n g e 1 0 w p o w e rw i r e l e s st e c h n o l o g y 。w h i c hi sm a i n l yu s e df o r w i r e l e s sc o n n e c t i o ni ns h o r td i s t a n c ea m o n gp o r t a b l ed e v i c e s b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so f l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wc o s t ，b i u e t o o t hi sw i d e l yu s e di np r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e b l u e t o o t hs i gi s s u e dag l o b a lb l u e t o o t ha p p l i c a t i o np r o t o c o lp r o f i l eb a s e do nw h i c hm a n y b l u e t o o t ha p p l i c a t i o nf r a m e w o r k sw a sd e v e l o p e dt om e e tt h en e e d so fv a r i o u sa p p l i c a t i o n s t h eh e a d s e tp r o f i l ea n dt h eo b j e c te x c h a n g ep r o f i l ea r em o r ew i d e l yu s e d ，t h eh e a d s e tp r o f i l e i su s e dt ot r a n s f e rv o i c es t r e a mb e t w e e nt h em o b i l ep h o n ea n de a r p h o n e ，a n dt h eo b j e c t e x c h a n g ep r o f i l ei su s e dt ot r a n s f e rf i l eb e t w e e nt h em o b i l ep h o n ea n dp c t h i sp a p e ri st od e s i g na n di m p l e m e n tt h en e wb l u e t o o t hp r o f i l ew h i c hw i l ls a t i s f yt h e n e e d so ft h ei n f o r m a t i o ni n t e r a c t i v e a c c o r d i n gt ot h ep o s s i b l ea p p l i c a t i o n sa n da p p l i c a t i o n m e t h o d so ft h eb l u e t o o t hp r o f i l e ，t h es e r v i c em o d eo ft h eb l u e t o o t hp r o f i l ew i l lb ed i v i d e d i n t ot h r e em o d e s ：t h ea c t i v em o d e ，p a s s i v em o d ea n dt r a n s i tm o d e ，a n dt h ew o r k f l o wo ft h e b l u e t o o t hp r o f i l ew a sp r e s e n t e da sw e l l a st h ec l i e n ti nt h eb l u e t o o t hp r o f i l ei sm a i n l yt h e m o b i l ep h o n eo rp d aa n do t h e rm o b i l et e r m i n a l st h a th a v el i m i t e dd a t ap r o c e s s i n gc a p a c i t y ， t h ep a p e ra l s op r o v i d e st h ed a t af o r m a tc o m m u n i c a t e db e t w e e ns e r v e r sa n dc l i e n t t h ed a t a f o r m a ti sn o tt ot r a n s m i t t e di nf i l ef o r m a ti no r d e rt or e d u c et h ed a t al o a dt r a n s m i t t e dt h r o u g h b l u e t o o t ha sw e l la st h ea m o u n to fd a t ap r o c e s s e di nt h em o b i l ep h o n e t h ea p p l i c a t i o n f r a m e w o r ko fb l u e t o o t hm u s tb eb a s e do nt h eu n d e r l y i n gp r o t o c o ls t a c k ，b u tt h e r eh a s n tb e e n b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c kd i r e c t l yu s e df o rt h eu p p e rd e v e l o p m e n ti nw i n d o w sp l a t f o r m ，s o t h i s p a p e ra l s o r e a l i z e ds o m ef u n c t i o n a l i t i e so ft h ep r o t o c o lo fh c i ，l 2 c a p ，s d pa n d r f c o mmw h i c ha r et h eb o t t o mp r o t o c o l so ft h eb l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c kt om e e tt h e d e m a n do ft h eb l u e t o o t hf r a m e w o r k a tt h es a m et i m et h i sp a p e ra l s oi m p l e m e n t e dt h ec l i e n t s o f t w a r ei nt h ep h o n ei nj 2 m ep l a t f o r mt oa c h i e v et h ei n f o r m a t i o ni n t e r a c t i v eb e t w e e nt h e p h o n ea n db l u e t o o t hs e r v e ri np c k e yw o r d s ：b l u e t o o t h ；h o t s p o tp r o f i l e ；p r o t o c o l ；j 2 m e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：煎塑垄日期：丝些塑：竺 人迩理l ：人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：角雅 赢繇痢本拿 人连理l ：人学硕十学何论文 1绪论 1 1蓝牙热点概述及特点 无线热点( h o t s p o t ) 简单的浼，就是可以提供无线局域网接入服务的一种技术，或者 可以称之为一种设备或服务。而这种服务，通常会设置在机场、银行甚至是咖啡屋、酒 吧等地方。在无线热点覆盖的范围内，可以使用具有w i f i 功能的笔记本移动设备与其 它w i f i 认证的产品进行相互连接或接入i n t e r n e t i 。 由于蓝牙的技术特点，虽然也可以作为i n t e r n e t 接入点，但与w i f i 技术相比这并不 是它的强项，因为大部分具备w i f i 功能的设备多为笔记本等，这类设备数据处理能力 较强，而大部分具有蓝牙功能的移动设备多为手机、p d a 等数据处理有限的移动设备， 这类设备并不适合处理大量的网络数据。根据这种情况，本文提出的蓝牙热点应用框架 并不提供i n t e r n e t 接入功能，而是在热点服务器范围内，使用户可以获得热点服务器提 供的一些信息服务，用户可以通过与热点服务器的交互选择自己感兴趣的信息。热点服 务器通过将大部分的处理工作交由作为热点服务器端的p c 机来完成，而只将用户需要 的信息传给手机、p d a 等移动设备，从而减少手机等移动设备的数据处理工作量1 2 】。 蓝牙热点应用可以与w i f i 的i n t e m e t 接入点互补不足，有效的扩展热点的功能【3 j 。 蓝牙热点主要具有如下特点： ( 1 ) 接入设备简单：蓝牙热点主要针对的服务对象是体积小，移动性强、对电池寿 命要求比较高的移动设备，例如：手机，p d a 等。它们可以都可通过监牙热点获得需要 的相关信息。 ( 2 ) 可以进行信息的交互：原有的w i f i 热点只是作为一个接入点，主要是被动的接 受移动设备的接入请求。而蓝牙热点具有同移动设备进行交互的功能。不仅可以通过热 点向移动设备发送信息，移动设备也可以向热点提出请求获取所需要的信息。 ( 3 ) 提供免费的信息服务：当蓝牙热点作为无线电子公告栏等公共场所的蓝牙热点 时，可以根据用户的需要向移动设备提供免费的信息服务，如火车站、机场等场所的票 务信息、酒店的住房信息、餐厅的菜单等信息服务。 ( 4 ) 具有消息存储与转发功能：现有的蓝牙设备问只可以发送图片、文件等移动设 备不便于编辑的文件类型，通过蓝牙热点应用的客户端软件，使蓝牙设备具备编辑并通 过蓝牙发送消息的功能，或者通过蓝牙热点的转发达到一定范围内两设备间的免费通 信。 蓝牙热点框架的没汁与实现 1 2 蓝牙热点应用 蓝牙技术可以应用在许多场合，应用前景也十分广泛。包括医疗保健、政府机关、 移动电子商务、服务业、交通、通信、公厂事业、制造业、矿业和零售业等都可能会应 用到蓝牙技术，同样蓝牙热点也必将成为监牙应用中新的“热点”。基于蓝牙热点的应 用主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 移动广告系统：现在的广告费用的支出已经成为商家很大的负担，通过蓝牙热 点向经过热点范围内的用户发送相关的广告则是完全免费的。而且广告的针对性也相对 较强。比如：在商场中如果顾客经过或停留在产品柜台附近，那可能表明该顾客对商品 已经产生兴趣，需要了解更多的商品详情。这时可以通过设置在橱窗内的蓝牙热点将商 品信息及店铺的打折促销活动信息等发送给顾客，大大提高了广告的有效性，同时也为 商家节省了大笔的广告丌支【4 5 】。 ( 2 ) 信息查询系统：在机场、车站、宾馆等需要向大量的客人提供服务信息的地点， 可以利用蓝牙热点为有需要的用户提供相应的免费信息查询服务。例如：旅客可以在机 场的候机厅，车站的候车室通过自己的蓝牙手机或p d a 连接蓝牙热点，并根据自己的 需要向热点提出查询服务请求，由热点查询数据库得到结果后，将结果发送给旅客，自 动完成与旅客间的信息交互，不需要人工参与。而且热点可以同时为多个旅客提供服务， 大大提高了信息服务的效率。 ( 3 ) 无线留言系统：在企业或学校等同常活动范围比较固定的地方，可以通过蓝牙 热点进行信息的存储与转发。比如：在企业中可以利用蓝牙热点向员工发送通知，管理 人员可以事先将通知发送到蓝牙热点上，再由热点向全部员工转发，当员工上班后进入 热点覆盖范围，只要打开手机的蓝牙功能就呵以自动收到通知。另外在企业内部还可以 通过蓝牙热点进行点到点的信息转发，实现免费的类s m s 功能。 1 3 国内外研究动态 蓝牙热点的概念在国内还很少见，目自仃国内的蓝牙应用主要还是基于现有的蓝牙应 用框架进行开发，主要目的还是将蓝牙技术作为电缆替代技术，进行移动设备与电脑之 间的文件传输。国外的现状比国内要超前一些，己经将蓝牙技术应用于移动广告( m o b i l e a d v e r t i s e ) ，通过热点向经过热点覆盖范闱的用户发送文本、图片等广告信息1 6 j 。如： b l u e b l i t z ( h t t p ：w w w b l u e b l i t z c o m ) 矛ha d 2 h a n d ( h t t p ：w w w a d 2 h a n d c o u k ) 。但仍然是以发 送整个文件为主，没有实现热点与用户的实时交互，用户只是被动的接收由热点服务器 发送的广告文件。 人连理t 人学硕十学位论文 通过上面的分析，蓝牙热点框架将现有的移动服务模式与蓝牙无线技术相结合，提 出了蓝牙应用的新模式，具行一定的创新性，同时在实际环境中也具有一定的实用意义， 所以蓝牙热点应用框架的提出和设计具有现实意义，可以大大方便了人们的h 常活动。 1 4 本文的主要研究工作及论文组织 本文的硬件平台分为两部分：服务器端是由利用了目前应用丌发中使用较多的c s r 公司的b l u e c o r e 芯片的蓝牙适配器与p c 机组成，客户端为具有蓝牙功能的手机。 软件平台主要分为两个部分：在作为热点服务器的p c 机上利用w i n d o w sx p4 - v c 实现蓝牙的底层协议及热点应用框架；在作为客户端的手机上利用j 2 m e 及j s r 一8 2 的 手机蓝牙a p i 实现客户端程序。 本文的研究内容可以主要分为三个部分： ( 1 ) 蓝牙底层协议的实现：蓝牙核心协议主要由基带协议、链路管理协议( l m p ) 、 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 、服务发现协议( s d p ) 。这几层协议是开发其他应用的 基础，其中基带协议与链路管理协议( l m p ) 两层协议已经被集成在蓝牙芯片中。协议单 独定义了主机控制器接口( h c i ) ，为基带控制器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器 提供命令接口。本文主要实现了主机控制接 s i ( h c i ) 、逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 及服务发现协议( s d p ) ，以保证建立在其上的热点应用可以j i l 页n 执行。大部分应用都基 于口串口仿真协议( r f c o m m ) 层，为了与标准统一，设计中使热点应用框架应用也建立 在串口仿真协议( r f c o m m ) 层之上，因此，文中也实现了串口仿真协 s ( ( r f c o m m ) 层。 ( 2 ) 蓝牙热点框架服务设计：热点服务根据热点在应用中的角色分为三种工作模式： 主动模式、被动模式及中转模式。主动模式下，热点服务器主动搜索周围的设备，发送 预先设置的信息；被动模式下，热点服务器响应用户发送的信息请求，与用户进行交互， 只向用户发送其所感兴趣的信息；中转模式主要是将s m s 的工作模式与蓝牙技术结合， 允许用户将发给第三方的信息存在热点服务器，而后由热点将信息转发出去。 ( 3 ) 由于蓝牙热点服务的对象主要是具有蓝牙功能，数据处理能力有限的移动终端 设备，如手机、p d a 等。必须在热点服务器与用户交互时尽量减少数据的传输，同时要 减少在用户的移动终端上的数据处理量。因此，文中提出了针对热点与用户交互的数据 分组格式。 本文共分为四章，各章主要内容如下： 第一章是绪论部分，着重介绍了蓝牙和热点技术以及其发展的现状，并对本文的研 究内容和论文组织做了概述。 蓝牙热点框架的设计与实现 第二章着重介绍了蓝牙技术、蓝牙协议栈及现有部分蓝牙应用框架，蓝牙协议栈中 主要介绍主机控制器接e 3 ( h c i ) 、逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、服务发现协议( s d p ) 及串口仿真协议( r f c o m m ) 。 第三章提出了蓝牙热点应用框架的设计，介绍了蓝牙热点应用框架的协议栈结构和 三种工作模式，以及针对蓝牙热点应用框架的传输和与用户的交互特点，提出的相应的 数据分组结构。 第四章主要介绍的蓝牙热点应用框架的具体实现方法和过程。主要分为服务器与客 户端两个方面，服务器端包括热点服务器协议栈的实现、服务器数据库的实现与对发送 消息的处理；客户端包括蓝牙连接的建立与热点服务信息的解析。 人迕理i ：人学硕l ：学f 爷论文 2 蓝牙协议栈及应用框架 2 1蓝牙技术 蓝牙技术是一种短距离无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电 脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一 全球的目标，向全球公丌发布，工作频段为全球统一丌放的2 4 g h z 工业、科学和医疗 ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，i s m ) 频段。从目自玎的应用来看，由于蓝牙设备体积 小、功耗低、成本低，其应用也不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备 之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携式设备1 7 j 。蓝牙技术的特 点可以归纳为如下几点i 驯： ( 1 ) 全球范围适用：蓝牙工作在2 4 g h z 的s i m 频段，全球大多数国家s i m 频段的 范围是2 4 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无须向各国的无线电资源管理部门申请许可证。 ( 2 ) 同时可以传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据 通信、3 路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道、每个语音信道数据速率 为6 4 k b p s ，语音信号编码方式采用脉冲编码调伟1 ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 或连续可变斜率 增量调制( c o n t i n u o u sv a r i a b l es l o p ed e l t a ，c v s d ) 方法。当采用非对称信道传输数据时， 单向最大传输速率为7 2 3 2 k b p s ，反向为5 7 6 k b p s ；当采用对称信道传输数据时，速率最 高为3 4 2 6 k b p s 。蓝牙有两种链路类型：异步无连接( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s ，a c l ) 链路和同步面向连接( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n o r i e n t e d ，s c o ) 链路。a c l 链路支持对称 或非对称信道传输、分组交换和多点连接，适用于传输数据；s c o 链路支持对称信道传 输、电路交换和点到点连接，适用于传输语音。 ( 3 ) 可以建立临时性的对等连接( a d h o cc o n n e c t i o n ) ：根据蓝牙设备在网络中的角 色，可以分为主设备( m a s t e r ) 禾 1 从设备( s l a v e ) 。主设备是组网连接中主动发起连接请求 的蓝牙设备，而连接n 向应方则为从设备。几个蓝牙设备连接成一个微微网( p i c o n e t ) 时， 其中只有一个主设备，其余的均为从设备。微微网足蓝牙最基本的一种网络形式，最简 单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。微微网结构如图2 1 中结构a 、b 所示p j 。 多个微微网在时问上和空间上相互重叠而构成的更加复杂的网络拓扑结构被称为 散射网j ( s c a t t e m e t ) ，但由于蓝牙传输带宽的限制，这种基于a dh o c 组网方式的散射网 中的微微网数目是有一定上限的。散射网中的蓝牙设备既可以是某个微微网的从设备也 可以是另一个微微网的主设备。每个微微网的跳频序列各自独立，互不相关，同一微微 蓝牙热点卡i i 架的设计! 实现 网的所有设备跳频序列同步。通过时分复j j 技术，一个蓝牙设备便呵以同时与几个不同 的微微网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的微微网，即 某一时刻与某一微微网，而下一时刻j 另一个微微网，散射网结构如图2 1 中结构c 所 示吲。 ； i i a 从节点 警誓-l，。_-。i ； |，i。等。j；i “饥- ， i 。_ b c 图2 1 微微网与散射网结构图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo fp i c o n e ta n ds c a t t e m e t ( 4 ) 具有很好的抗干扰能力：工作在s i m 频段的无线电设备有很多种，如家用微波 炉、无线局域网( w l a n ) 和h o m e r f 等产品。为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝 牙采取了跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 方式来扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) ，将2 4 0 2 2 4 8 g h z 频段分成7 9 个频点，相邻频点i 、日j 隔1 m h z 。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳 到另一个频点发送，从而减少了与在相同频率下工作的其他无线发射装置的干扰。蓝牙 跳频频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1 6 0 0 次，每个频率持续时间6 2 5 t s 。 ( 5 ) 蓝牙芯片体积很小，可以方便地集成到各种设备中去：由于个人移动设备的体 积比较小，嵌入其内部的蓝牙芯片体积就应该更小，如c s r 公司最新的蓝牙芯片 b l u e c o r e 3 的大小仅为6 0 m m 6 0 m m 。 ( 6 ) 低功耗：蓝牙设备在通信连接( c o n n e c t i o n ) 状态下，有4 种工作模式激活 ( a c t i v e ) 模式、呼l 殁( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休i 眠( p a r k ) 模式。a c t i v e 模式是j 下常的 工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。s n i f f 模式下的从设备周期性 地被激活；h o l d 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；p a r k 模式下的主从设备问仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。这三 人连理i ：人学硕+ 学何论文 种节能模式中，s n i f f 模式的功耗最高，对于主设备的响应最快，p a r k 模式的功耗最低， 对于主设备的响应最慢。 ( 7 ) 开放的接口标准：s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公丌， 全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过s i g 的蓝牙 产品兼容性测试，就可以推向巾场。这样一来，s i g 就可以通过提供技术服务和m 售芯 片等业务来获利，同时大量的监牙应用程序也可以得到大规模的推广。 ( 8 ) 成本低，集成监牙技术的产品成本增加很少：蓝牙产品刚刚面世的时候，价格 昂贵，一副蓝牙耳机的售价为4 0 0 0 元人民币左右。随着市场需求的扩大，各个供应商 纷纷推出自己的蓝牙：芭= 片和模块，蓝牙产品的价格也飞速下降。目前，蓝牙芯片的量产 价格已经跌破5 美元，而且还有进一步下滑的趋势。对于购买蓝牙产品的用广一米说，仅 仅一次性的增加较少的投入，却可以换来永久的便捷与高效。 2 1 1 蓝牙协议规范 由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，它规定了蓝牙应用产品应遵循的标准和需要达到的要求。到目前为止，已颁布 的蓝牙规范由1 0 、1 o b 、1 1 、1 2 以及最新的2 0 版本，由于改进了调制方法，使得数 据传输速率在e d r 方式下最大能够达到3 m b p s 。 蓝牙规范包括了核心协议( c o r e ) 与应用框架( p o f f i l e s ) 两个部分。协议规范部分定义 了蓝牙的各层通信协议，应用框架指出了如何采用这些协议实现具体的应用产品。由于 新的产品应用模型和市场需求总是不断出现，因而蓝牙的应用框架也不断得到补充。s i g 在颁布了蓝牙规范1 1 基础之后又陆续推出了多个应用框架。 蓝牙协议规范遵循丌放系统互联参考模型，从低到高地定义了蓝牙协议栈的各个层 次，如图2 2 所示【1 0 j ： s i g 在蓝牙协议栈的高层尽量利用己有的成熟协议。还有一些协议是s i g 基于其他 协议修改而成的，如串口仿真( r f c o m m ) 矛i 电话控制协议( t e l e p h o n ec o n t r o lp r o t o e o l s p e c i f i c a t i o n ) 。 按照蓝牙协议的逻辑功能，协议栈由下至上分为三部分：传输协议、中介协议和应 用协议【1 1 j 。其功能简介如下： 传输协议负责蓝牙设备间相互确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备间的物理 和逻辑链路。这一部分又进一步分为低层传输协议和高层传输协议两部分。低层传输协 议包括蓝牙的射频部分( r a d i o ) 、基带与链路控榭$ ( b a s e b a n d l i n kc o n t r o l l e r ) 矛n 链路管 理器协议( l i n km a n a g e rp r o t o c 0 1 ) 。低层传输协议侧重于语音和数据无线传输的物理实 篮牙热点框架的没计与实现 现以及监牙设备i b j 的连接与组网。高层传输协议包括逻辑链路控制与适配协议( l o g i c a l l 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 ) 和主机控制器接口( h o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e ) 。这部分为高层应用程序屏蔽了诸如跳频序列的选择等低层传输操作，并为高 层应用程序提供了更加有效和更有利于实现的数据分组格式。需要说明的是：h c i 并不 是严格意义上的通信协议，它可以位于l 2 c a p 之上，也可以位于其之f 。h c i 仅为应 用协议栈的高层部分提供了一个访问低层传输协议( 通常集成在蓝牙模块当中) 的指令接 口。 图2 2 监牙协议栈 f i g 2 2 b i u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k 中间协议层为高层应用协议或程序在蓝牙逻辑链路上工作提供了必要的支持，为应 用层提供了各种不同的标准接口。这部分协议包括以下几部分： 串口仿真协议( r f c o m m ) ：基于欧洲电信标准化协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d i z a t i o ni n s t i t u t e ，e t s i ) 的t s0 7 1 0 标准制定。该协议用于模拟串口接口环境， 使得基于串口的传统应用仅作少量的修改或者不做任何修改可以直接在该层上运行。 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 0 1 ) ：为实现蓝牙设备之间相互查询和访问对 方提供的服务。 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 ，红外数据协会) 互操作协议：蓝牙规范采用了i r d a 的对象交换协议( o b e x ) ，使得传统的基于红外技术的对象( o h 电子名片和电子日历等) 人连理f ：人学硕十学位论文 变换应用同样可以运行在蓝牙无线接口之上。 网络访问协议：该部分协议包括点对点协1 , s ( ( p p p ) 、网际协议( 1 p ) 、传输控制协议( t c p ) 和用户数据包协议( u d p ) 等，用于实现蓝牙设备的拨号上网，或通过网络接入点访问 i n t e r n e t 和本地局域网。 电话控制协议：该协议包括t c s 、a t 指令集和音频。电话控制协议( t e l e p h o n ec o n t r o l p r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n ，t c s ) 是基于国际电信联盟一电信组( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o n ，i t u n 的q 9 31 标准制定的，用 于支持电话功能；a t 指令集基于i t u 州2 5 0 和欧洲电信标准3 0 0 9 1 6 标准，用于实 现多用户模式下对移动电话和调制解调器的控制。蓝爿：直接在基带上处理音频信号，采 用s c o 链路传输语音，可以实现头戴式耳机和无绳电话等的应用。 应用协议：是指那些位于蓝牙协议栈之上的应用软件和其中所涉及的协议，包括开 发驱动各种诸如拨号上网和语音通信等功能的蓝牙应用程序、蓝牙规范提供了传输层及 中介层定义和应用框架，在传输层及中介层之上，不同的蓝牙设备必须采用统一的符合 蓝牙规范的形式；而在应用层上，完全由丌发人员自主实现。事实上，许多传统的应用 都可以几乎不用修改就在蓝牙协议栈之上运行，如基于串口和o b e x 协议的应用。通常 监牙技术应用开发人员是利用基于某一平台的丌发工具所提供的应用编程接口 ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 来进行开发工作，但s i g 并没有给出a p i 的规范， a p i 函数的开发由开发工具的设计人员来完成，这样有利于蓝牙技术与各种应用紧密结 合【1 2 】。 2 1 2 蓝牙应用框架 s i g 为各种应用蓝牙技术的产品制定了相应的应用框架。应用框架主要定义了实现 具体的蓝牙产品或某些通用功能( 如建立连接和服务发现等) 所用到的协议栈、各个蓝牙 协议的互操作性要求和各功能的实现过程等。如图2 3 所示： 下面仅简单介绍几个应用框架：头戴式设备框架、传真框架、局域网访f u j 框架、通 用对象交换框架、通用音频视频分发框架关于具体的框架信息可以参考蓝牙规范。 头戴式设备框架：该框架定义了执行耳机功能的蓝牙设备所使用的协议和过程，这 类设备常见的有耳机、个人电脑和蜂窝电话。 局域网访问框架：该框架定义了蓝牙设备如何通过p p p 协议访问局域网，以及两个 蓝牙设备如何通过同样p p p 机制组网1 1 3 j 。 通用音频视频分发框架：该框架的高级音频分发框架和视频分发框架的基础，定义 了蓝牙设备为音频视频分发应用建立流( s t r e a m i n g ) 信道的要求。 蓝牙热点框架的没计与实现 通用访问框架( g a p ) 服务发现框架( s d a p )电话控制协议规范框架( t c s p ) 无绳电话框架( c t p ) 扩展服务发现框架( e s d p ) 对讲机框架( i n t p ) l 硬拷贝电缆替代框架( h c r p ) l 通用音频视频分发框架( g a v d p ) 个人局域框架( p a n p ) 高级音频分发框架( 从d p ) 音频视频遥控框架( a v r c p ) 视频分发框架( v d p ) 串口框架( s p p ) 拨号上网框架( d u n p ) 通用对象交换框架( g o e p ) 传真框架( f a x p ) 文件传输框架( f t p ) 针，阜i 士隆3 毕蠡由h ，n d d 、 头戴式设备框架( h s p ) 刈豕作达惟朱l u r r j 同步框架( s p ) 局域网访问框架( l a p ) 基本打印框架( b p p ) 免提框架( h f p ) 基本成像框架( b i p ) 图2 3 监牙应j j 框架 f i g 2 3 b l u e t o o t hp r o f i l e s 2 2 蓝牙主机控制接口协议 蓝牙作为一种短距离的无线传输技术，为设备之间的互联提供了方便。使用蓝牙设 备的大都是“智能主机”，他们都具有处理器、总线和操作系统，蓝牙必须与它们有机 地融合在一起y j 能发挥作用。因此，蓝牙设备和“智能主机”之间必须要有一个接口规 范y j 能使它们可以相互通信，这个接1 3 规范就是主机控制接1 3 ( h c i ) 协测1 5 j 。本：常主要 讨论h c i 协议的作用、h c i 命令和事件以及h c i 协议层分组格式等内容。 2 2 1 h c i 协议的作用 h c i 协议提供了统一访问蓝牙控制器的能力。主机控制器以h c i 命令的形式提供了 访问蓝牙硬件的基带控制器、链路管理器、硬件状态寄存器、控制寄存器以及事件寄存 器的能力，所有这些功能都要通过内置于蓝牙硬件内部的h c i 固件来实现。由图2 4 可 见，主机通过h c i 接口向主机控制器内的h c i 固件发送h c i 命令，h c i 固件再通过基 带指令、链路管理器指令、硬件状寄存器、控制寄存器以及事件寄存器完成该h c i 指令， 人连理一 ：犬学硕士学侮论文 从淹实现对蓝牙硬彳牛的控制。在主税的h c i 驱动器和簋牙硬件设备之间还河麓存在若干 中| 、日j 层，这些中间层称为控制器传输层，提供了主机和控制器之问传输数据的通路1 1 6 l 。 当数据从一台主机到弱一台主枫的时候，主枫通过h c i 驱动器向蓝牙硬件设备的 h c i 固件发送数据和指令，主机控制器则通过同步的h c i 事件把设备上发生的事件通知 篮牙变机 用户虑用程序 叁 其他高层驱动程序 ( l 2 c a p ，r f c o m m 。b n e p ，) 参 。h c i 驱动 害 物理总线接口( u s b ，r s 2 3 2 ，p c c a r d ，1 2 c ) 驱动程序 么、 物理总线硬箨 弋7 物理总线接口( u s b ，r s 2 3 2 ，p c c a r d ，1 2 c ) 固件 物理总线硬件 弋7 h c i 溺件 jl ， 链路管理器圈件 | 1 ， 基带与链路控制器 喜 射频 喇2 。4 篮牙主机一主规控制器模爱 f i g 2 4 b l u e t o o t hh o s t h o s tc o n t r o l l e rm o d e l 主枕，这个过程对于主机控制器传输层来说是独立的，馨不管采用的是何季孛类型的主枫 控制器传输层，主机接收事件的类型和内容都是一样的。 监牙热点框架的设计与实现 2 2 2 h c 旨令和事件 主机控制器和主机之间的通信是通过h c i 指令和h c i 事件来完成的。由于主机控 制器完成不同的h c i 指令花费的时间是不同的，因此控制器把指令执行的结果通过h c i 事件的形式通知主机。例如对于大部分的h c i 指令，当指令完成时控制器都会生成一个 指令完成事件，这个事件中包含该指令返回的参数。本节主要讨论h c i 指令和事件【1 7 1 。 ( 1 ) h c i 指令 在主机和控制器之| 自j 传输的指令按照逻辑功能可以分为6 个种，并用指令分组中的 o g f ( o p c o d eg r o u pf i e l d ) 字段来标示指令所属的种类。h c i 指令的分组情况以及各组 指令的逻辑功能见表2 1 。 表2 1h c i 命令分组种类 t a b 2 1h c i c o m m a n dp a c k e tt y p e s ( 2 ) h c i 事件 主机控制器到手机方向信息的传递主要是通过h c i 事件来完成的。当主机控制器中 有事件发生时，主机控制器通过相应的h c i 事件通知主机，主机必须具有接受2 5 5 字节 的h c i 事件分组的能力( 其中包括h c i 事件头) 。h c i 事件可以分为两种类型： h c i 通用事件：包括指令完成事件、指令状态事件和硬件错误事件。许多h c i 指令都会引发h c i 通用事件。 h c i 专用事件：有些h c i 指令执行时会产生一些特殊事件，如查询指令执行过 程中会产生查询结果事件。 ( 3 ) 对事件和指令分组格式的相关规定 人造理f ：人学硕十学位论文 对于h c i 指令和事件分组格式，在监牙协议栈中还有一些特殊的规定，总结起来有 以下几个方面【1 8 l ： 所有值都用二进制小端格式表示，除非特别声明； 所有参数都可以有负数，但必须用二进制补码表示； 对于数据参数中，数据中各元素并列放置； 所有参数的发送和接收顺序都足小端顺序，除非特别声明。 2 2 3h c i 协议层分组格式 ( 1 ) h c i 命令分组的格式 h c i 命令分组的格式如图2 5 所示： 图2 5h c i 指令分组 f i g 2 5 h c ic o m m a n dp a c k e t 分组中各区域的含义为：操作码( o p c o d e ) m 来标识一个h c i 指令，其中低9 位为 o c f 用于标示一个h c i 指令，高6 位为o g f 用于标示该指令所属的指令分组。参数总 长表示分组携带参数按照字节计算的长度，不包括指令分组头。参数0 一n 表示h c i 协 议中指定了每一个指令所带的参数以及每个参数的大小。 ( 2 ) h c i 事件分组格式 h c i 事件分组的格式如图2 6 所示： 图2 6h c i 事件分组 f i g 2 6 h c ie v e n tp a c k e t 监牙热点框架的设计与实现 分组中各区域的含义为：事件类型码( e v e n tc o d e ) 主要用来标识主机控制器返回的 事件类型，主机使用事件类型码区分不l j 事件。参数长度表示分组携带参数按照字节计 算的长度，不包括事件分组头。参数o n 表示h c i 协议中指定了每一个事件所带的参 数以及每个参数的大小。 ( 3 ) 数据分组格式 在主机和控制器之间数据交换是通过数据分组进行的，数据分组可以为异步面向无连 接的数据分组a c l ( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s o r i e n t e d ) 分组和同步面向连接的数据分 组s c 0 ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 分组，两种分组的格式如下所述。【1 9 】 a c