（微电子学与固体电子学专业论文）蓝牙散射网及文件传输的研究与实现.pdf

摘要 摘要 蓝牙是一种开放性短距离无线通信技术标准。由于其灵活的组网方式以及语 音和数据综合传输能力，蓝牙已经被广泛应用于具有随机性、暂时性的短距离无 线连接等领域。特别是蓝牙技术与嵌入式系统的有效结合，为蓝牙技术的发展提 供了更为广阔的空间。 本论文主要针对一个已有的蓝牙嵌入式通信系统，根据项目的要求，对其网 络的组建和文件传输功能进行了进一步的分析和改进，从而提高了系统的整体性 能。 本论文首先对蓝牙技术和蓝牙嵌入式系统进行了简要的概括，分析了蓝牙的 技术特点、基础知识、应用方法，以及已有蓝牙嵌入式系统的整体架构。论文的 工作重点包括蓝牙散射网的组建以及蓝牙文件传输两部分。通过对蓝牙协议的深 入理解和分析、蓝牙散射网的研究以及蓝牙模块的正确选取，最终实现了蓝牙散 射网的组建，使蓝牙组网的应用更便捷；通过对蓝牙串口协议的深入理解，结合 蓝牙o b e x 协议，最终实现了基于s p p 层的蓝牙文件传输功能，从而提高了文件 的传输速率。 关键字：蓝牙散射网串口协议文件传输 a b s t r a c t a b s t r a c t b l u e t o o t hi saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys t a n d a r do fo p e n i n ga n ds h o r t d i s t a n c e b e c a u s eo ft h ef l e x i b l en e tm o d ea n dt h et r a n s m i s s i o no fa u d i oa n dd a t a , b l u e t o o t hh a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di nw i r e l e s sc o n n e c t i o nw i t hr a n d o m i c i t ya n d p r o v i s i o n a l i t y e s p e c i a l l y , t h ei n t e g r a t i o no fb l u e t o o t ha n de m b e d d e ds y s t e mp r o v i d e s w i d e r s p a c e f o rt h ed e v e l o p m e n to fb l u e t o o t h i nt h i sp a p e r , b a s e do nab l u e t o o t he m b e d d e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a th a s c o m et r u ea n dt h er e q u i r e m e n to ft h et a s k ，b l u e t o o t hs c a t t e r n e ta n df i l et r a n s m i s s i o nh a s b e e na n a l y z e da n di m p r o v e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mh a sb e e ni m p r o v e d f i r s t l y , t h eb a s i ck n o w l e d g eo fb l u e t o o t ha n dt h ee m b e d d e ds y s t e mi si n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , t h eb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o ni n c l u d i n gc o r e a n dp r o f i l e sa n dt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h eb l u e t o o t he m b e d d e ds y s t e mi sd e p i c t e d t h e m a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sh o wt oe s t a b l i s hb l u e t o o t hs c a t t e m e ta n dh o wt ot r a n s m i t f i l e sb e t w e e nb l u e t o o t hd e v i c e s b yi n - d e p t hu n d e r s t a n d i n ga n da n a l y z i n go fb l u e t o o t h s t a c k ，r e s e a r c h i n go fb l u e t o o t hs c a t t e m e ta n dc o r r e c t l yc h o o s i n go fb l u e t o o t hm o d u l e ， t h ee s t a b l i s h m e n to fb l u e t o o t hs c a t t e r n e th a sb e e ni m p l e m e n t e d ，a n di tm a k e st h e a p p l i c a t i o no fb l u e t o o t hs c a t t e r n e tm o r ec o n v e n i e n t b yf u r t h e rr e s e a r c h i n go fs p p p r o f i l ea n do b e xp r o f i l e ，t h ef i l et r a n s m i s s i o nb a s e d o nb l u e t o o t h ss p ph a sc o m e t r u e ， a n dt h es p e e do ff i l et r a n s m i s s i o ni si m p r o v e d k e y w o r d ：b l u e t o o t h s e a t t e r n e ts p pf i l et r a n s m i s s i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期2 煎冬! 目丝9 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期超垒生l 型垒 日期殛叁点 璺堑垒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 人类正在步入数字化网络信息时代，而数字化设备的有线连接给人们随时随 地与信息网络相连和通信带来了很多不便。发展无线通信连接技术，将人们从有 线连接的束缚中解放出来，已经成为一种必然趋势。在这方面，移动电话的迅猛 发展就是一个很好的例子，广大用户已经深刻地体会到无线技术所带来的自由、 灵活和便捷。事实上，多年以前，一些公司和标准化组织就开始探寻在不同领域 的无线连接技术，并且开发出一系列技术标准，其中有些标准得到了很好的应用。 在这些无线技术之中，蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线通信技术的发展最快，得到的支持 最多，具有广阔的应用前景。 蓝牙技术是一种开放的短距离无线语音和数据通信技术。它由爱立信、诺基 亚、英特尔、i b m 和东芝等公司提出，他们一起成立了蓝牙特别兴趣小组( s p e c i a l i n t e r e s tg r o u p ，s i g ) ，负责蓝牙技术标准的制定、产品测试，并协调各国蓝牙的 具体使用。自蓝牙规范1 0 版推出以来，蓝牙技术得到了迅猛发展，2 0 0 4 年年底蓝 牙特别兴趣小组发布了采用相移键控( p s k ) 调制模式的蓝牙v 2 0 + e d r 标准，可 支持2 m b p s 的传输速率，使蓝牙的应用更为广泛。 蓝牙技术是一种革命性的无线解决方案，适用于短距离通信，它无需电缆， 可临时组网，能够建立“a d h o c ”连接，无需网络基础设施，可以任意方式动态链接， 所有节点都可以自由的移动，实现任何人、任何时间、任何地点、任何设备的无 线连接。其体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点成为实现蓝牙技术与 嵌入式技术相结合的基础【2 】。 基于蓝牙的诸多特性及优点，蓝牙的组网、文件传输等功能的研究就越来越 被关注。对于蓝牙组网的研究大都是基于组网算法的实现等问题，而文件传输功 能则已经被广泛的应用到了商业、军事等各个方面。尤其是将蓝牙与嵌入式系统 相结合【1 7 】，更是大大发挥了两大先进技术的优越性，使得蓝牙的应用更为广泛， 发展空间更为广阔。 2 一 蓝牙散射网及文件传输的研究与实现 1 2 论文主要内容 本论文丰要工作是在“基于蓝牙的无线局域网技术研究项目的基础上提出 来的。该通信系统以t i 公司o m a p 5 9 1 0 为硬件平台，通过蓝牙技术实现文件、语 音、视频等数据的无线传输。本文丰要针对散射网的组建和文件无线传输这两个 功能，从理论研究到功能实现做了详细的介绍，并通过软硬件的协调完成了系统 的功能实现及性能提高。 论文内容主要分为四个部分：蓝牙技术及蓝牙通信系统简介、蓝牙散射网的 研究与实现、基于s p p 层蓝牙文件传输功能的研究与实现、结论与展望。 第二章，主要介绍了蓝牙技术的概况、技术特点和发展前景，蓝牙协议栈的 层次结构、应用框架以及“基于蓝牙的无线局域网技术研究”软硬件系统结构。 第三章，具体从微微网的拓扑结构、工作原理和散射网的拓扑结构等方面介 绍了蓝牙的组网技术，给出了蓝牙散射网的软件实现方法，并通过模块的合理选 择实现了散射网的组建，从而提出了结点型网络的新观点。 第四章，具体讨论了蓝牙的串口协议，s p p 与各个协议层的互通性分析，以及 s p p 应用框架和应用模型，并具体介绍了文件传输功能的软件实现方法，并进行了 文件传输的测试与分析。 第五章，从功能和性能方面对本文讨论的改进方案进行总结，以待下一步的 完善和改进。 第二章蓝牙技术及蓝牙通信系统简介 第二章蓝牙技术及蓝牙通信系统简介 3 一 作为新兴的、发展迅速的无线通信技术，蓝牙具有怎样的技术特点和优势呢? 蓝牙又是如何与其它组件相整合，实现一个通信系统的呢? 本章丰要介绍了蓝牙 技术的发展现状、技术特点、应用前景，以及蓝牙规范的层结构、具体协议层、 应用框架的定义等蓝牙基础问题。另外，本章还介绍了蓝牙通信系统的软硬件开 发环境以及系统的整体架构，为后续章节提供了理论和实践的基础。 2 1 1 蓝牙技术的发展 2 1 蓝牙技术概述 “蓝牙”( b l u e t o o t h ) 原是十世纪统一了丹麦的国王的名字，现取其“统一”的含 义，用来命名意在统一无线局域网通讯标准的蓝牙技术。 1 9 9 8 年2 月，爱立信、诺基亚、i b m 、东芝和英特尔成立了蓝牙s i g 来研究新 一代的无线传输技术，其目的是建立一个全球范围内的短距离无线连接系统，发 展一种能够简易使用且在各种通信设备上都能畅行无阻的新技术，建立一个实际 上的无线接口和相关软件标准，并促进更多的设备制造商支持该项协议。到目前， s i g 企业成员己将近2 5 0 0 家。其中，根据级别和职能的不同，分为许多组。就级别 来说分为四级：发起组主要负责领导蓝牙s i g ，目前的成员包括3 c o m 、爱立信、 英特尔、微软、托罗拉等；合作组包括签署早期采纳合约1 1 的公司；早期采纳组 包括签署早期采纳合约1 0 的公司，绝大多数s i g 成员属于这个级别；独立组包括关 心蓝牙但是相对独立的蓝牙s i g 成员。 1 9 9 9 年7 月s i g 公布了蓝牙规范1 o 版，蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛发展， 随后又相继出现了版本1 1 、1 2 5 1 2 0 t 3 1 。由于没有考虑到设备互操作性的问题，蓝 牙规范1 0 版在标准方面有所欠缺，例如出于安全性方面的考虑，版本1 0 设备之间 的通信都是经过加密的当两台蓝牙设备之间尝试着建立起一条通信链路的时 候，它们会因为不同厂家设置的不同口令的不匹配而无法正常通信，或者如果从 设备处理信息的速度高于主设备的话，随之而来的竞争态势会使两台设备都以为 自己是通信主设备。版本1 1 针对这一问题进行了解决，但是它很容易受到主流的 8 0 2 1 1 b 设备的干扰【4 j 。于是s i g 在发布的1 2 设备标准中，规范增加a f h 可调式跳频 技术( a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g ) ，提供了更好的同频抗干扰能力，同时加强了 语言识别能力，改善了语音连接的品质，并能更快速的建立连接【5 】。而最新版的蓝 4 一 蓝牙散射网及文件传输的研究与实现 牙规范2 0 提高了多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的能力，带宽的提升使得2 0 版本的蓝牙设备可以传输更大的文件，更低的电力消耗使得蓝牙设备可以达到过 去设备2 倍的运行时间，同时兼容所有旧版规澍3 1 。今后，蓝牙s i g 还会不断推出更 新的版本。同时，蓝牙技术已被i e e e 8 0 2 1 5 采纳为一部分，这标志着蓝牙己经成为 一个具有重要地位的技术，成为国际上短距离无线通信的主流技术之一，将开启 通信发展的新时代。 2 1 2 蓝牙技术的特点 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一种低功耗短距离无线通信技术，是实现语音和数 据无线传输的全球开放性标准。它使用跳频扩谱( f h s s ) 、时分多址( t d m a ) 、 码分多址( c d m a ) 等先进技术，在小范围内建立多种通信与信息系统之间的信 息传输。蓝牙技术特点概括为如下几个方面【6 】【l 】： ( 1 ) 全球范围适用： 蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是 2 4 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。 ( 2 ) 调制方式与传输速率： 蓝牙v 1 1 年1 v 1 2 标准采用b t = 0 5 ，调制指数为0 2 8 0 3 5 的g a u s s i a n 频移键控 ( g f s k ) 调制方式支持1 m b s 的传输速率。2 0 0 4 年底蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 发 布了采用相移键控( p s k ) 调制模式的蓝牙v 2 o + e d r 标准，可支持最大2 m b s 的 传输速率。 ( 3 ) 同时可传输语音和数据： 蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及 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 号编码采用脉冲编码调制( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，p c m ) 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，速率最高为7 2 1 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、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、电路交换和点到点连接，适用于传输语言。 ( 4 ) 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，可分为主设备( m a s t e r ) 与从设备( s l a v e ) 。 主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，而连接响应方则为从设备。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 第二章蓝牙技术及蓝牙通信系统简介 5 一 从设备。微微网是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。 多个微微网在时间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( s c a t t e r n e t ) 。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 微微网的所有设备调频序列同步。通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时 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，即某一时刻参与某一微微网，而下一时刻参与另一个微微网。 ( 5 ) 采用跳频序列，具有很好的抗干扰能力： 工作在i s 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 i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ，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，蓝牙采用了跳频( 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 - - 一2 4 8 g h z 频段分成7 9 个频点，相邻频点间隔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，而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6 2 5 j - ts 。 ( 6 ) 蓝牙模块体积很小、可以方便地集成到各种设备中： 由于个人移动设备的体积较小，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小。例 女1 c a m b r i d g e s i l i c o nr a d i o ( c s r ) 公司设计的蓝牙b l u e c o r e 4e x t e r n a l 芯片面积 仅6 * 6 m m 。 ( 7 ) 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，有四种工作模式激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。a c t i v e 模式 是正常的工作状态，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 模式下的主从设备间仍保持同步，但从设备不需要 保留其激活成员地址。这三种节能模式中，s n i f r 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。 ( 8 ) 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开，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，就可以推向市场。这样一来，s i g 就可以通过提供技术服务和出售芯片 等业务获利，同时大量的蓝牙应用程序也可以得到大规模推广。 ( 9 ) 成本低，集成蓝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就为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芯片和模块，蓝 6 蓝牙散射网及文件传输的研究与实现 牙产品价格飞速下降。目前，蓝牙芯片的量产价格已经突破5 美元，而且还有进 步下滑的趋势。 2 1 3 与其他短距无线通信技术的比较 除蓝牙技术外，还存在其他较为成功的短距离无线通信技术：红外、z i g b e e 技术、i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术等。红外、 i e e e 8 0 2 1 1 和h o m e r f 技术的诞牛都早于蓝牙，并且经过多年的发展，已经日渐成 熟，各项技术指标也不断得到提升。蓝牙、i e e e 8 0 2 1 1 和h o m e r f i 作在同一频段， 它们之间存在着一定的竞争和互相影响。 ( 1 ) 红外通信技术 红外( i n f r a r e dr e d ) 通信技术通过波长8 5 0 n m 的红外光传输数据【_ 7 1 。由于红外 光线直线传输、易受遮挡，只支持点对点视距连接，收发装置的光路夹角一般在 3 0 度内，通常通信距离为1 3 m 。其实现和操作都相对简单，成本低廉，可应用于 各种场合，而且由于短距离和小角度等原因，具有很好的安全性，并且几乎无干 扰，并且红外通信的传输速率较高，最高可达1 6 m b p s 。 而蓝牙在其规范中专门定义了i r d a 互操作性协议，支持i r d a 的o b e x 协议以 及其他基于o b e x 的对象交换方面的应用，这是因为红外技术的发展和这方面的应 用已经相当成熟，但是红外技术受到传媒介质本身的限制，其应用前景不如蓝牙 技术。 ( 2 ) z i g b e e 技术 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无 线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它有自己的无线 电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。传输速率1 0 2 5 0 k b p s ，通 信距离5 0 m 。z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，扩展后可支持6 5 5 3 5 个设备。目标市场丰要有p c p b 设、消费类电子设备、 家庭内智能控制、医护、工控等非常广阔的领域。 ( 2 ) i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术 i e e e 8 0 2 1 1 是由电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r , i e e e ) 8 0 2 工作组制定的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， w l a n ) 标准，在8 0 2 1 1 的基础上相继推出了8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1l b ，8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 的u - n i i 频带，8 0 2 1 l b 与蓝牙工作在同一频段，i e e e 8 0 2 1 1 b 支持1 11 m b s 较高的 数据速率，但是它只支持数据通信，为进行无线数据通信，数据设备先要安装无 线网卡。 8 0 2 1 1 b 的传输速率比蓝牙高许多，因而主要用于局域网的无线接入应用方面 第二章蓝牙技术及蓝牙通信系统简介 7 一 【7 1 。但是，8 0 2 1 l b 技术在体积、功耗和成本上无法与蓝牙相比，因而目前除了网 络接入之外，在其他对低功耗、低成本等要求高的领域和设备，蓝牙技术具有一 定优势。 ( 3 ) h o m e r f 家用无线局域网技术 h o m e r f 技术建立在共享无线访问协议( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l ， s w a p ) 之上，是专门为家庭用户设计的。h o m e r f 同样是工作在2 4 g h z 频段上， 采用跳频扩谱技术，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信， 既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多重访问冲突避免协议提 供数据通信服务。同时h o m e r f 提供了与t c p i p 良好的集成，支持广播、多播和4 8 位i p 地址。 从现在看来，红外技术相对落后，而蓝牙规范也提供了相应接口；z i g b e e 和 h o m e r f 技术比较适合家居环境的通信，8 0 2 1 1 的抗干扰和复用能力弱。但四者都 有各自的优势和应用领域，并且很大程度上与蓝牙技术相互补助。相比之下蓝牙 的低成本、低功耗、安全性好，应用范围广泛的特点，决定了它适合于语音通信 或者对速度要求不太高、安全性好的设备间的数据通信。蓝牙技术的优势是显而 易见的，在今后的发展中，不敢说它可以取代其他的无线技术，但无疑拥有更加 广泛的应用前景。 2 1 4 蓝牙技术的应用 蓝牙技术使各种移动设备、计算机外设等数字设备之间的无线廉价连接成为 可能，它不仪取代了这些设备之间的电缆连接，而且还使得许多数字设备的功能 得到了扩充，让原来独立的数字设备可以与其他设备连网交换信息。 蓝牙规范接口可以直接集成到笔记本电脑或者通过p c 卡或u s b 接口进行连 接。可以通过蓝牙蜂窝电话连接远端网络；利用蓝牙蜂窝电话做扬声器；在蓝牙 笔记本电脑、手持机和移动电话间进行商用卡交易；在蓝牙笔记本电脑、手持机 和移动电话间进行时间同步等等。蓝牙是一个独立的技术规范，不依赖于任何其 他的技术规范。 ( 1 ) 个人局域网 蓝牙规范接口可以直接集成到蜂窝电话中或通过附加设备进行连接。电话的 使用模型包括：通过蓝牙无线耳机实现电话的免提功能；与笔记本电脑和手持机 的无电缆连接；与其它蓝牙电话、笔记本电脑和手持机的商用卡交易；与信任的 蓝牙笔记本电脑或手持机自动同步地址簿等。因此，将蓝牙技术产品应用于笔记 本电脑、手持机和移动电话、家庭及办公室电话等电话系统中，可实现真正意义 上的个人通信。这种“个人局域网”以移动电话为信息网关，从而使各种便携式设备 蓝牙散射网及文件传输的研究与实现 间可方便地交换信息。 ( 2 ) 家庭无线联网 现代家庭各种电器设备种类繁多，蓝牙技术使这类信息传输设备除电源外不 再用其它连线，其中包括冰箱、洗衣机、彩电、微波炉等家用电器均可采用无线 传输。蓝牙技术将创造一个全新的无线智能家庭生活环境。 ( 3 ) 移动办公室 通过使用统一标准的蓝牙技术，笔记本电脑、移动电话可以随时、随地接入 打印机、数码相机、记录仪、摄影机等办公设备，使人们拥有一个可移动的办公 室。 ( 4 ) i n t c r n c t 接入服务 蓝牙标准定义了计算机互联网、l a n 和w a n 等网络的接口协议，它允许使用 单一的蓝牙标准来建立与众多国际标准的连接。内置蓝牙芯片的设备可以进行互 联网的高速连接。 ( 5 ) 电子商务应用 蓝牙标准的安全保密特性将大大扩展现有电子商务系统的功能，利用蓝牙技 术可以在很多消费环境中构成电子付费系统。 ( 6 ) 其他 蓝牙设备的其它使用模型包括人机接口设备、数据及语音接入点等。 各大公司纷纷推出具有蓝牙功能的产品，而这些产品无需通过电缆即可方便 地接入公司或校园的局域网中进行资源访问，并能够将每一位网络使用者使用的 电子邮件、网络间的文件传输等功能紧密连接在一起。今后，还将推出广域网及 个人信息网的无线通讯方案，这将使用户可以通过使用笔记本电脑达到随时随地 无限移动的效果。 2 2 蓝牙规范 蓝牙技术同其他通信技术一样，有自己的通信协议标准，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 ) 即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。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实现互操作。蓝牙技术规范( s p e c i f i c a t i o n ) 包括核心协议 ( c o r e ) 和应用框架( p r o f i l e ) 两个部分。协议定义了各功能元素( 如串口仿真协 议( r f c o m m ) 、逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 等) 各自的工作方式，而 应用框架则阐述了为实现一个特定的应用模型( u s a g e m o d e l ) ，各层协议间的运转 协同机制。由于新的产品应用模型和市场需求总是不断出现的，因而蓝牙的应用 框架也是在不断扩充的。 第二二章蓝牙技术及蓝牙通信系统简介 2 2 1 蓝牙协议的层次结构 9 一 s i g 所颁布的蓝牙规范规定了蓝牙应用产品应遵循的标准和需要达到的要求。 与开放系统互联( o s i ) 模型一样，蓝牙技术的协议体系也采用了分层结构，从低 层到高层构成了蓝牙的协议栈。完整的蓝牙协议栈如下图所示，不是任何应用都 必须使用全部协议，而是可以只使用其中的一列或多列。图2 1 中显示了所有协议 之间的相瓦关系，但这种关系在某些应用中是有变化的。 l 基带与链路控$ 1 j b a s e b a n d & l i n kc o n t r o l l e r 射频( r a d i o ) | 图2 1 蓝牙协议堆栈 目前市场上流行的蓝牙协议有三个版本分别是版本1 1 、1 2 a f h 和 2 o + e d r 。新版本的协议具有向下兼容性，基础的工作原理没有任何改变，只是在 性能上有所改进。 蓝牙协议栈按重要性可分为三层核心协议，电缆替代协议和选用协议。 核心协议：射频协议( r a d i o ) 、基带与链路控制器协议( b a s e b a n d & l i n k c o n t r o l l e r ) 、链路管理器协议( l i n km a n a g e rp r o t o c 0 1 ) 、主机控制器接口 协议( h c i ) 、逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 和服务发现协议( s d p ) 。 电缆替代协议：串口仿真协议( r f c o m m ) 。 选用协议：对象交换协议( o b e x ) 、网络封装协议( b n e p ) 、音频视频控 制传输协议( a v c t p ) 等。 蓝牙协议栈按逻辑功能由下至上分为三个部分【8 】：传输协议、中介协议和应用 协议，其功能简介如下： 1 0 蓝牙散射网及文件传输的研究与实现 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( r a d i o ) 部分、基带与链路控制器( b a s e b a n d “i l l ( c o n t r o l l e r ) 、链路管理器协议( “n km a n a g e rp r o t o c o l ，l m p ) ，侧重语音与数据 无线传输的物理实现以及蓝牙设备间的连接与组网。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 ll i i l l ( c o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c o l ，l 2 c a p ) 、主机控 制器接口协议( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，h c i ) ，为高层应用程序屏蔽了诸如跳频 序列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利于实现的数 据分组格式。 中介协议： 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，包括串口仿真协议( i 心c o m m ) 、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 ) 、对象交换协议( o b j e c te x c h a n g e ，o b e x ) 等。 应用协议： 是指那些位于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 中介层的定义和应用框架，在传输层及中介层之上，不同的蓝牙设备必须采用统 一符合蓝牙规范的形式；而在应用层上，完全由开发人员自主实现。 蓝牙核心协议由s i g 制定的蓝牙专用协议组成。绝大部分蓝牙设备都需要核 心协议( 加上无线部分) ，而其他协议则根据应用的需要而定。总之，电缆替代协 议、电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议。 2 2 2 各层蓝牙协议介绍 ( 1 ) 基带协议 基带协议确保p i c o n e t 内各蓝牙单元之间由射频构成物理连接。蓝牙射频是一 个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率上发送；它使用查询和寻呼来同 步不同设备间的频率和时间。基带提供两种物理连接方式：面向连接( s c o ) 和 无面向连接( a c l ) ，而且在同一射频上可实现多路数据传送。a c l 适用于数据 业务，s c o 适用于语音业务。所有语音与数据分组都附有不同级别的前向纠错 ( f e c ) 或循环冗余校验( c r c ) ，而且可以加密。此外，不同数据类型( 包括控 制信息) 都分配一个独立通道。 面向连接的语音业务只需经过基带传输，而不到达l 2 c a p 协议，因而语音模 式在蓝牙系统内相对简单。 第二章蓝牙技术及蓝牙通信系统简介 ( 2 ) 链路管理协议( l m p ) 链路管理协议负责蓝牙各设备之间连接的建立和设置，它控制连接的发起、 交换、核实、进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组的大小，此外它 还控制无线设备的节能模式和工作周期以及p i c o n e t 内设备单元的连接状态。 ( 3 ) 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 逻辑链路控制与适配协议是基带的上层协议，可以认为它与l m p 并行工作。 它们的区别在于，当业务数据不经过l m p 时，l 2 c a p 采用了多路复用、分段和重 组技术，向上层提供面向连接的和无连接的数据服务。l 2 c a p 允许高层协议收发 最大6 4 k 字节的数据分组。 虽然基带协议提供了s c o 和a c l 两种连接类型，但l 2 c a p 只支持a c l 链路。 ( 4 ) 服务发现协议( s d p ) 服务发现协议在蓝牙技术框架中起到至关重要的作用，它是所有用户模式的 基础。使用服务发现协议，可以查询到设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备之 间建立相应的连接。 ( 5 )电缆替代协议( r f c o m m ) 电缆替代协议是基于e t s l 0 7 1 0 规范的串行仿真协议。r f c o m m 在l 2 c a p 协议 上仿真r s 2 3 2 控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议( 比如：p p p ) 提供服务。 ( 6 )主机控制器接口( h c i ) 为了让不同厂商的非集成蓝牙模块能够互通，s i g 定义了一个标准接口与模块 中的主机控制器进行通信。这个接口与丰机和主机控制器之间使用的物理接和传 输机制无关。s i g 还定义了一个事务型通信协议，用于在主机和主机控制器之间传 送信息。这种主机和主机控制器间的标准接口和它们之间相应的通信协议一起被 称为_ 丰机控制器接( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，h c i ) 。从某种意义上来说，h c i 的 能力就代表了蓝牙技术可实现的功能。 2 2 3 蓝牙应用框架结构 利用蓝牙技术可以开发各类产品，如拨号网络、耳机、局域网访问、文件传 输等。蓝牙应用框架便是这些具体蓝牙产品开发的依据，它规定各类蓝牙产品的 功能和应用范围，给出了在特定产品的开发中，如何恰当的配置和使用各层协议。 蓝牙的各应用框架之间往往有很强的依附性，如图2 2 所示，蓝牙串口应用框 架( s e r i a lp o r tp r o f i l e ，s p p ) 是建立在通用访问应用框架( g e n e r a la c c e s sp r o f i l e ， g a p ) 基础之上，而蓝牙头戴式应用框架( h e a ds e tp r o f i l e ，h s p ) 又建立在蓝 牙串口应用框架( s p p ) 基础之上，图2 2 蓝牙应用框架层次关系图 蓝牙散射网及文件传输的研究与实现 囤22 蓝牙应用框架图 下面主要介绍几个常用的蓝牙应用框架唧： ( 1 ) 通用访问应用框架( g a p ) 蓝牙通用访问应用框架( g a p ) 是其他应用框架的基础。它描述蓝牙低层协 议的应用描述了两个蓝牙设备通信对设备发现、链路的建立和配置、以及安全 性设置等问题。通用访问应用框架定义了两个蓝牙单元如何相互发现和建立连接 它用来处理未连接设备之间的相互发现和建立连接。它保证两个蓝牙设备不管是 哪一家厂商的产品，都能够发现设备支持何种应用，并能够交换信息。蓝牙单元 必须能够实现通用访问应用模式，以保证基本的互操作性。 ( 2 ) 服务发现应用框架( s d a p ) 服务发现应用模式定义了蓝牙单元可利用的服务发现，处理了已知和持殊的 服务搜索。服务发现应用模式包括了服务发现用户应用，这也是蓝牙单元的本地 服务所必需的。服务发现协议的接口向其他蓝牙单元发出或接收服务请求，因此 服务发现应用模式描述了与特定的蓝牙协议之间的接口应用，充分利用了终端用 户的直接利益。 ( 3 ) 串口应用框架( s p p ) 蓝牙串口应用框架定义了在两个蓝牙设备间建立仿真串行链路的过程，以及 串口仿真协议( r f c 0 m m ) 、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 ) 、链路管理协议( l m i d 的互操作性要求。 串口应用模式定义了怎样在两个蓝牙单元建立虚拟串行口，利用r s 2 3 2 ( 是 数据通信设备的通用接口标准) 控制信令可以提供对蓝牙单元的串行线缆仿真。 这种应用可以保证1 2 $ k b p s 的速率，它依赖于通用访问应用模式。 一吾 一。圈圈圈豳一 第二章蓝牙技术及蓝牙通信系统简介 1 3 ( 4 ) 通用对象交换应用框架( g o e p ) 与o b e x 协议相对应的通用对象交换应用框架g o e p 定义了处理对象交换的 协议和步骤，文件传输应用和同步应用都是基于这一应用的，笔记本电脑、p d a 、 移动电话是这一应用模式的典型应用。通用对象交换应用是以链路和信道都已建 好为前提的，它描述了蓝牙单元的数据传输。通用对象交换应用模式依赖于串门 应用模式。 2 3 系统结构 本论文的主要工作是由“基于蓝牙的无线局域网技术研究 项目提出来的。 该项目所实现的蓝牙嵌入式无线通信系统是一个基于o m a p 5 9 1 0 处理器和蓝牙技 术的多功能无线通信系统，能够进行本地文件浏览与编辑、g p s 全球定位和多种 模式的实时视频、语音、文件传输等功能，以及一个用户操作界面。在本论文研 究之前，该蓝牙无线系统的软硬件设计已经完成，系统功能基本实现，但由于软 硬件协调、程序代码优化等问题，使得系统功能和性能上还有着很大的提升空间。 本文就是针对系统的软件设计部分，详细介绍了作者对本系统所作的软件工作。 接下来，就对“基于蓝牙的无线局域网技术研究的软硬件结构进行详细的介绍， 为后续章节的功能设计提供理论基础和系统概况。 2 3 1 硬件系统 “基于蓝牙的无线局域网技术研究是一个庞大的多功能无线通信系统。系 统的硬件描述如下图所示。从图2 3 中可以看出，整个系统由四个独立部分组成： 主控系统、操控器、摄像头和g p s 模块，每部分都带有蓝牙模块，各个部分通过 蓝牙技术实现无线通信。 蓝牙散射阿及文件传输的研究与实现 图2 3 系统硬件结构 ( 1 ) 系统的各部分组成以及所实现的具体功能： “外网设备”：采用b c 0 4 c l a s s l 蓝牙模块，并通过u a r t 口与o m a p 5 9 1 0 进 行连接。主要负责外网通信，即与其他通信系统问建立网络连接，从而进行文件 传输、语音通话以及g p s 信息的传递。这部分功能通常传递的信息量不大，但是 要求网络覆盖范围足够大，所以使用u a r t 连接蓝牙模块，并通过功率放大电路 增大他的传输距离。市面上见到的蓝牙设各最远距离仅为1 0 0 米，而本通信系统 最远传输距离可达1 5 0 0 米。 “内网设备气采用b c 0 4 c l a s s l 蓝牙模块，并通过u s b 口与o m a p 5 9 1 0 进行 连接。主要负责内同通信，即主控系统与本地蓝牙设备之间的通信，如实现全球 定位的g p s 、实现视频敷据采集的摄像头以及用来操控系统工作的操控器，都是 通过“内同设备”与系统进行通信的。视频数据传输量较大。因此“内网设各”则 选用u s b 接口与主控系统连接。 g p s ：负责实现全球定位，并通过g p s 设备上的蓝牙设备将全球定位信息发 送给