（环境科学专业论文）基于蓝牙与80211n的实验室仪器无线局域网的研究与实现.pdf

基于蓝牙和8 0 2 11 n 的实验室无线局域网的研究与实现 b l u e t o o t ha n d80 2 1 1n a r ea p p l i e di nt h ew l a n o ft h el a b o r a t o r y e q u i p m e n t s a bs t r a c t t h em a n a g e m e n ta n do p e r a t i o no ft h e1 a b o r a t o r yi n s t r u m e n t si so n eo fi m p o r t a n t p a r t so ft e a c h i n ga n dr e s e a r c hm a n a g e m e n ti nu n i v e r s i t i e s t oal a r g ee x t e n t t h e e q u i p m e n t so fl a b o r a t o r i e sa f f e c tt h ee 伍c i e n c yo ft e a c h e r s s t u d e n t s a n dt h e l a b o r a t o r ym a n a g e r s ；i tw i l lb eo fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi n t r o d u c ew i r e l e s sl o c a la r e a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt om a n a g ee q u i p m e n t sw i t hf l e x i b i l i t y , e 伍c i e n c y , r e a l t i m e a n d e x p a n s i b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t t l l i sa r t i c l es e t su p ab p a na n dw l a no fe q u i p m e n t s t oa c h i e v ed a t at r a n s m i s s i o no fl a b o r a t o r y i n s t r u m e n t sw i t hw i r e l e s s n e s sa n dd a t as h a r i n g a sw e l la sr e a l t i m eo fe q u i p m e n t s m o n i t o r i n g ，t h e c o n v e n i e n c eo fe x p a n s i b i l i t y , t h e f e a s i b i l i t y o fc o m b i n a t i o n so f i n s t r u m e n t s ，t h ed i v e r s i t yo fe x p e r i m e n t a ld a t ap r o c e s s i n g f i r s t l y , i n t r o d u c et h e p r o c e d u r e so fa n a l y s i sa n dq u a l i t ym a n a g e m e n t ，a n de l e c t r i c a le n v i r o n m e n t ，a n dt h e n a n a l y z et h eg e n e r a ls p e c i f i c a t i o nf o rt h eb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，s e r i a lp o r t s p e c i f i c a t i o n ；s e c o n d l y , a n a l y z et h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r do fr s 2 3 2 r s - 4 2 2 r s 4 8 5 ，a n ds o m ei s s u e ss h o u l db ep a i da t t e n t i o nt oi nt h ei n s t a l l a t i o n so fs e r i a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ：t r a n s m i s s i o n m a t c h i n g ，g r o u n d i n gp r o b l e m s ，t r a n s i e n t p r o t e c t i o n ，t h ep r o t e c t i o no fc o m m o ns e r i a li n t e r f a c ec i r c u i t ；t h i r d l y , a n a l y z et h ev i r t u a l s e r i a l p o r ta p p l i c a t i o no ft h et h e o r e t i c a lb a s i s ：i 己f c o m ms e r v i c e t s 0 7 10 ；f i n a l l y , a c h i e v et h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e ni n s t r u m e n t sa n dw o r k s t a t i o n s w i t h d i v e r s i f i c a t i o n s a n dw r i t ec + + c o d eo fd a t at r a n s m i s s i o np r o c e d t i r eo fb l u c t o o t h v i r t u a ls e r i a lp o r t a n ds e tu pa n do p t i m i z ew l a no fl a b o r a t o r ye q u i p m e n t s ： ( 1 ) a n a l y z e t h ec h a n n e li n t e r f e r e n c ef a c t o r so fw l a n ：b l u e t o o t hp i c o n e t i n t e r f e r e n c e 。t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e n8 0 2 1 1a n db l u e t o o t h t h ei m p a c to fm i c r o w a v e o nt r a n s m i s s i o nr a t eo fw l a n a n dt h ec h a n n e ls t a c k i n go f8 0 2 1 1 i n t r o d u c et h e m e t h o dt oa v o i di n t e r f e r e n c eb e t w e e nw l a n ：r e d u c et h et r a n s m i tp o w e ro f a p s m a r ta n t e n n at e c h n o l o g y ( 2 ) a d v a l i c ei n v e s t i g a t i o n sa n dt e c h n i c a li n d i c a t o r s ，i p a d d r e s sp l a n n i n g ，c o r e n e t w o r ke q u i p m e n ts e t t i n g s ( 3 ) t e s ta n do p t i m i z et h ew l a n su p d o w n l o a ds p e e d ，d a t at h r o u g h p u t ，s i g n a l h 青岛科技大学硕士学位论文 s t r e n g t h ，f i e l ds t r e n g t h ，s n r ，p a c k e tl o s sr a t e a n do t h e rn e t w o r kp e r f o r m a n c e si nt h e l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n tw i t hm u l t i p a t he f f e c ta n d r e f l e c t i o ne f f e c t k e yw o r d s ：b l u e t o o t hw l a n 8 0 2 1 l n l a b o r a t o r y i i i 青岛科技大学硕士学位论文 第一章绪论 环境检测通过测定影响环境质量因素的代表值来确定环境质量( 或污染程 度) 及其变化趋势：环境检测报告可以准确、及时、全面地反映环境质量现状及 发展趋势并为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据；环境检测的对 象涉及范围广、复杂、具有变异性、需定量分析、普遍实用性强；环境检测的数 据主要来源于分析实验室；分析仪器是影响实验数据准确度、精密度的重要部分； 因此需要研究影响实验室分析仪器工作稳定性的因素，特别是实验室环境以及数 据传输方式对最终实验数据的影响。 1 1 环境分析实验室的业务特点 实验结果的质量保证和质量控制涉及到人的操作、样品采集、分析方法、 仪器、环境、流程等诸多因素；这些因素都将影响实验室检测和校准的正确性、 可靠性【1 】： 首先，实验室相关人员需要制度化的岗位培训；这种培训应包括各种标准、 操作规程的学习、实验室基本操作技能、仪器设备使用、安全防范与应急措施 等。 其次，分析方法是针对明确的分析测试目标，提出的如何应用各种物理、 化学手段定性或定量地测定出相关组分的性质、含量、结构等信息，并以均值、 标准差等数理统计数值表达出来的科学操作规程；分析方法的质量保证来源于 操作人员对方法的准确理解以及每个环节的规范操作。 再次，仪器管理的内容涉及仪器管理与实验室环境，其中设备管理程序主 要包括：设备管理员职责、设备的保管使用、维护检修、计量检定与校准、设 备事故处理、设备停用与借用、设备报废等；同时实验室环境的电磁干扰、辐 射、湿度、供电、温度、声级和振级等因素均可能直接或间接地影响测试结果， 忠实记录这些数据可为剔除异常测试数据提供依据。 最后，实验室数据的管理主要包括数据源和数据处理；实验室数据一般采 用人工记录和仪器记录；现代分析仪器的运行与数据处理大都由独立的工作站 或内嵌式处理机来控制，数据的处理很大程度上依赖于仪器的驱动程序及其算 法，无法实现实验数据的共享共享性。 基于蓝牙和8 0 2 1 l n 的实验室无线局域网的研究与实现 1 2 实验室的质量管理与控制 依据检测和校准实验室能力的通用要求，影响实验室质量体系的主要要 素为【2 - 3 】：组织，质量体系，文件控制，服务客户，不符合项的控制，记录的控 制，技术要求，人员，设施和环境条件，方法及其确认，设备，量值溯源，抽 样，样品，质量证，结果报告等等；这些要素包括了样品分析测试、多级审核 流程、数据追溯、事故处理、争议处理等功能；实验室检验质量控制与管理应 包括【2 3 】：样品受理模块、检验分析模块、结果录入模块、分析复核模块、报告 管理模块、质量控制管理、争议处理模块、设备管理模块、人员管理模块、资 源管理模块；决定实验室检测或校准的正确性和可靠性的因素主要涉及人员、 设施和环境条件、检测和校准方法及方法的确认、设备、测量的溯源性、抽样、 检测和校准物品的处置；本文重点分析实验室设施对于检测结果的重要性。 用于检测或校准的实验室设施( 能源、照明和环境) 应有助于检测或校准 的正确实施；实验室应保证其环境下实验结果的有效性，以及对所要求的测量 质量没有产生不良影响；当在实验室设施以外的环境进行抽样、检测或校准时， 需要特别注意；对影响检测和校准结果的设施和环境条件的技术要求应制定成 文件；对实验结果有影响时，实验室应监测、控制和记录环境条件：生物消毒、 灰尘、电磁干扰、辐射、湿度、供电、温度、声级和振级等；当环境条件危及 到检测或校准的结果时，应停止检测和校准，同时有效隔离检测环境以及采取 措施防止交叉污染；对影响检测或校准质量的区域的进入和使用，应加以控制； 实验室应根据其特定情况确定控制的范围。 1 3 环境分析技术与仪器 环境分析技术包括采样技术、测试技术和数据处理技术；化学分析和仪器分 析可以对环境样品中污染物进行成分分析以及其状态与结构的分析；仪器分析是 以物质的物理性质和物理化学性质为基础的分析方法【4 】；对于试样组分分析，绝 大多数仪器是将被测组分的浓度变化或物理性质的变化转变成为某种电信号，这 样适用于实现自动化和联接计算机，因此仪器分析具有简便、快速、灵敏、易于 实现自动化等特点；对于物质的结构分析，仪器分析法也是极为重要的分析工具； 仪器分析方法被广泛用于对环境中污染物进行定性和定量的测定；分光光度法常 用于大部分金属、无机非金属的测定；气相色谱法常用于有机物的测定；对于污 染物状态和结构的分析常采用紫外光谱、红外光谱、质谱及核磁共振等技术。 2 青岛科技大学硕士学位论文 环境实验室常用的化学分析仪器主要涉及色谱仪器、光谱仪器、质谱仪器、 电化学仪器等；本文调查并分析了这些仪器的数据输出方式、是否可以匹配工作 站以及电源，调查结果如表1 1 1 3 所示： 表i 1 色谱分析仪器 t a b l e 1 - 1t h ea n a l y t i c a li n s t r u m e n t so fc h r o m a t o g r a p h y 质谱分析仪器数据输出接口是否匹配工作站电源 气相色谱 r s 2 3 2 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 液相色谱 u s b 2 0 必须 2 2 0 v 士1 0 交流电 薄层色谱 r s 2 3 2 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 离子色谱 r $ 2 3 2 u s b 必须2 2 0 v + 1 0 交流电 毛细管电泳 u s b 2 0 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 氨基酸分析仪 r s 2 3 2 必须 2 2 0 v 士1 0 交流电 凝胶渗透色谱 r s 2 3 2 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 高速逆流色谱r s 2 3 2 厂r c p p 4 2 0 m a 必须 2 2 0 v 土1 0 交流电 表1 2 光谱分析仪器 t a b l e 1 2t h ea n a l y t i c a li n s t r u m e n t so fs p e c t r u m 光谱分析仪器数据输出接口是否匹配工作站电源 分光光度计 r s 2 3 2 u s b 必须 2 2 0 v + 1 0 交流电 红外光谱 r s 2 3 2 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 分子荧光光谱 u s b r s 2 3 2 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 原予吸收光谱 r s 2 3 2 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 原子荧光光谱 r s 2 3 2 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 火焰光度计 r s 2 3 2 必须 2 2 0 v + 1 0 交流电 i c p a e su s b r s 2 3 2 必须2 2 0 v + 1 0 交流电 光电直读光谱 r s 2 3 2 必须2 2 0 v 士1 0 交流电 p m l 0 采样器 r s 2 3 2 必须 2 2 0 v + 10 交流电 气相分子吸收 r s 2 3 2 必须 2 2 0 v + 1 0 交流电 表1 3 质谱与电化学分析仪器 t a b l e 1 3t h ea n a l y t i c a li n s t r u m e n t so fm sa n de l e c t r i c a lc h e m i s t r y 其他检测仪器数据输出接口是否匹配工作站电源 气质联用 r s 2 3 2 必须2 2 0 v 土1 0 交流电 液质联用 r s 一2 3 2 必须2 2 0 v + 1 0 交流电 生物质谱 r s 2 3 2 必须 2 2 0 v 士1 0 交流电 气体质谱 r s 2 3 2 s b 必须2 2 0 v + 1 0 交流电 电化学工作站 r s 一2 3 2 必须2 2 0 v + 1 0 交流电 电导率仪 r s 2 3 2 可以2 2 0 v + 1 0 交流电 极谱仪 r s 2 3 2 可以2 2 0 v + 1 0 交流电 p h 计 r s 一2 3 2 可以2 2 0 v 士1 0 交流电 3 基于蓝牙和8 0 2 1i n 的实验室无线局域网的研究与实现 多数分析仪器的数据输出接口为常用的串行通信标准r s 2 3 2 ：现在p c 机已 经成为仪器的重要的组成部分，特别是大中型分析仪器；实验室管理者或者教师 可以通过工作站进行分析测试，最终获得实验数据；但是实验过程中却很少考虑 实验室电气环境、数据处理软件的算法、后期数据二次开发、操作差异对于实验 结果的影响。 1 4 环境实验室电气环境 实验室仪器的环境要求则主要涉及到【5 卅：温度，湿度，通风条件，电磁效应， 静电效应；这些因素可能单独或者综合影响仪器的工作；环境分析实验室的环境 复杂多变；影响实验室安全的因素存在：有毒、易燃、易爆和腐蚀的化学试剂， 火灾，仪器使用不当或故障；实验室中可能的危险源在表1 4 中所示。 表l - 4 实验室可能的危险源 m 出l e 1 - 4p o s s i b l el a b o r a t o r i e s h a z a r d s 设备类型事故种类 电气设备由电引起的触电、火灾以及爆炸等事故。 机械设备由机械力引起的事故。 高压设备气体、液体的压力所造成的伤害以及火灾、爆炸等事故。 高温、低温设备由温度引起的烧伤、冻伤，以及火灾、爆炸等事故。 高能设备发生触电、烧伤、眼睛失明及放射线伤寒等事故。 玻璃器具由玻璃造成的割伤、划伤。 仪器因使用不当引起触电以及其他电气灾害是实验室常见的危险源；实验室 仪器或电线的漏电或超负荷可能发热，仪器的开关的闭合、电线短路、静电作用 可能导致火花；如果在周围存在可燃性、易燃性物质，或者有可燃性气体及粉尘 等东西存在时，实验室可能会发生火灾或爆炸；因此实验室使用仪器时需要注意 电源、电线的电流、布线、仪器设备的功率以及其他状况；实验室电源布线可能 引入的危险源如表1 5 所示： 表1 5 实验室布线引入的危险源 t a b l e 1 - 5p o s s i b l ew i r i n gi n t r o d u c e dl a b o r a t o r i e s h a z a r d s 由于漏电而产生的焦耳热； 发热 设备或电线因超过负荷而发热； 电线的连接部分冈接触不良而发热。 闭合或拉开带负荷的电开关时，产生火花或电弧等： 火花 电线之间短路时产生火花； 由于带电物的静电作用而产生火花。 4 青岛科技大学硕士学位论文 实验室中为了实现仪器更长的使用寿命以及更好地保证仪器的正常工作，应 该保证仪器正常工作的环境要求：避开高温高湿环境、避免仪器受外界磁场干扰、 远离腐蚀气体、仪器应放置在稳定的工作台、不与其他设备共用电源插座、避 免灰尘多环境。 1 5 实验室有线局域网与无线局域网 实验室的仪器通常使用铜缆、光缆、网线组建有线局域网，其基本拓扑结构 如图1 - 1 所示；但会受到某些限制：布线复杂、串行接口容易损坏、电气干扰、 不可移动性、网络扩展性差。 计张馏 h h 路由嚣 图1 1 实验室仪器局域网基本拓扑结构 f i g u r e 1 一lt h eb a s i ct o p o l o g i c a ls t r u c t u 他o fl a b o r a t o r yi n s t r u m e n t s l a n 无线局域网( w l a n ) 是指在一个局部范围内计算机之间通过无线链路进行 通信的网络，它具有安装便捷、可移动性、易扩展、组网灵活等诸多优点；它是 有线网络的补充和扩展；无线局域网有两种拓扑结构：i b s s ( 独立基本服务集) 和 e s s ( 扩展服务集) ；i b s s 搭建的a dh o c 网络直接通过无线网卡互联进行点对点 传输，i b s s 没有信号交换设备和网管设备，因此网络通信效率较低，以及网络的 伸展性非常差；e s s 搭建的是基础网络( 包括s t a 和a p ) ，具有较好的网络扩展 性、较高的网络性能；从有线网络和w l a n 性能比较中，可以看出w l a n 具有 的优势【_ 7 】：布线简易、灵活性高、移动性强。 表1 - 6 有线局域网与8 0 2 11 无线局域网的性能比较 t a b l e 1 - 6t h ec o m p a r i s o i lo f l a na n d8 0 2 1 1w l a np e r f o r m a n c e 口叫i 基于蓝牙和8 0 2 1i n 的实验室无线局域网的研究与实现 有线局域网 8 0 2 11 系列无线局域网 布线布线繁琐，复杂的办公室电缆线 完全无需布线；特别适用于短时布线或 增加了系统维护的成本。 暂时布线的环境。 成本安装成本高，设备成本低，维护安装成本低，设备成本高；总体来说维 成本高； 护成本低： 吞吐率 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 2 11 2 2 5 4 3 0 0 m b p s 等 移动性非常低效 移动性强： 二层漫游支持 支持 = 屡渴游 支持( 通过m o b i l ei p 技术)支持( 通过m o b i l ei p 技术或者d h c p ) 扩充性较弱 较强 线路费用费用高，传输速度低只需架设天线等一次性投资 安全性有较完善的加密机制和认证机弱于有线局域网，无线电波给w l a n 带 制。来移动性的同时也带来了安全隐患。 无线局域网能迅速地应用于在移动中连网和在网间漫游，并在很难布线的区 域和远距离的数据处理节点提供强大的网络支持；w l a n 在实验室管理、校园局 域网等环境中提供强大、管理灵活的局域区域漫游的网络系统。 对于仪器个域环境，短距离通信替代串行线缆可以丰富仪器数据输出方式的 多样化，同时可以实现仪器原始电压和电流信号的共享性，为后期二次数据开发 和处理奠定了基础。 1 6 蓝牙与8 0 2 1 1 n 短距离无线通信技术是指可在1 0 0 米范围内传输数据，无线发射器的功率较 低以及特征为低成本、低功耗和对等通信的为特征的通信技术；常用的短距离无 线数据通信的标准是蓝牙、8 0 2 1 1 系列、红外线数据传输及u w b 等；表1 7 与1 8 从通信技术、安全措施、功耗、传输方式等角度进行分析短距离无线通信技术【8 1 。 表1 78 0 2 1l a b g n t a b l e 1 - 78 0 2 11a f o g n 8 0 2 1 1 主要规范 8 0 2 1 1 b8 0 2 1 1 a 8 0 2 1 l g 8 0 2 1 i n 工作频率 2 4 g h z 5 8 g h z2 4 g h z2 4 5 8 g h z 传输速率 1 1 m b s5 4 r b s5 4 m s3 0 0 6 0 0 【b s 数据语音 数据数据数据数据语音 通信技术 d s s so f d m p b c co f d mo f d m m m o 最大功耗 1 0 0 r o w 1 0 0 r o w1 0 0 m w5 0 0 m w 传输方式点到多点点到多点点到多点点到多点 连接设备数 2 5 52 5 52 5 52 5 5 安全措施w e p 加密w e p 加密w e p 加密 t k i p 、c c m 咿、w r a p 支持组织 i e e e 8 0 2 1 1 bi e e e 8 0 2 11 ai e e e 8 0 2 1l g8 0 2 1 i n 主要用途无线局域网无线局域网无线局域网无线局域网 6 青岛科技大学硕士学位论文 表1 8z i g b e e 蓝牙肘n l e s su s b u w b 技术红外技术 t a b l e 1 - 8z i g b e e b l u e t o o t h w i r e l e s su s b u w b i r d a 技术标准z i g b e e 蓝牙 ，i r e l e s su s b u w b 技术 红外技术 i e e e 标准 8 0 2 1 5 48 0 2 1 5 18 0 2 1 5 3 ai r d a 传输速率 2 5 0 l ( b s2 4 m b s4 8 0 r b s1 0 0 【b s1 6 m b s 传输范同 1 0 7 5 m1 0 0 m1 0 m1 0 m1 0 m 扩频方式 d s s sf h s sd s s sp p m b p s k4 p p m 功耗很低低很低低低 适用范围低速率静动态互操p c 外设、多应用在小范围、适用于传输空 态网络、高作性网 点对一点、高 能够穿透墙壁、间有限、短距 密度节点、 络、多路 速数据传输。 地面和身体的离的环境。 稀少的数接入点。系统中。 据传输。 8 0 2 1 1 标准的无线局域网络性能较高，8 0 2 1 1 n 的传输速率甚至达至t j 6 0 0 m b s ； 8 0 2 1 1 采用了w e p 、t k i p 、c c m p 、w r a p 等加密措施保证了数据传输的安全性； 8 0 2 11 都可以进行点到多点的通信，其调制方式则是从直接扩频技术、正交频分 复用扩频技术演化到o f d m m i m o 技术，并且8 0 2 11 的传输速率、吞吐量、覆盖 范围则得到了不断的提升；从成本、兼容性、扩展性的角度考虑，选用8 0 2 1 1 作 为组建w l a n 的技术也具有重要的价值；对于组建无线个域网环境，则需要考虑 无线通信技术的传输速率、功耗、适用范围；z i g b e e 的速率无法满足仪器数据输 出的要求，u w b 技术主要应用于小范围、高速率的模式；红外技术的透视性很差， 无法越过墙壁等障碍；因此可以选择成本低、安全性好、传输速率适宜、多路接 入的蓝牙技术应用在仪器个域环境中的数据传输。 1 7 本文主要研究内容 实验室环境是影响紫外可见分光光度计稳定性的主要因素之一，其主要包 括电磁场、温度、尘埃、振动等；仪器的信噪比和灵敏度、误差与实验室的环 境紧密相关；仪器现用的串行数据输出存在接地、网络传输线匹配、网络失效 保护、瞬态保护等问题；本文以7 5 6 c r t 紫外可见分光光度计为试验仪器，采 用蓝牙无线技术实现了仪器蓝牙虚拟串口数据传输，并且对比分析了串行线缆 与无线通信两种数据输出方式在仪器应用中的优缺点；针对传统仪器局域网的 存在布线复杂、扩展性差、成本高的特点，使用8 0 2 1 1 n 技术组建了实验室仪器 无线局域网，测试并优化了无线局域网的网络性能。 论文结构： 7 基于蓝牙和8 0 2 1 i n 的实验室无线局域网的研究与实现 第一章绪论 第二章蓝牙协议栈与规范 第三章8 0 2 1 1 标准 第四章串行数据传输 第五章蓝牙r f c o m m 规范与协议 第六章蓝牙r f c o m m 实现与8 0 2 1 1 n 无线局域网 第七章结论与展望 青岛科技大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议栈与规范 蓝牙协议栈采用分层结构购，各层协议规定了相应的功能以及数据分组格 式，并提供上下各层之间的接口，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧 的传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量、协议的复用 与分用等功能；蓝牙协议体系结构可分为9 1 ：核心协议、替代电缆协议、电话控制 协议、选用协议四部分；另外，规范还定义了主机控制器接口，它为基带控制器、 链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器提供命令接口；蓝牙协议的体系结构 如图2 1 所示。 蓝牙主机应用程序( h o s t ) 高层协议( p r o f i l e s ) t c sb i n 、a tc o m m a n d 、p p p 、 u d p 厂r c p 口、o b e x 、a p 、v c a r d 、v c a l 、i r m c 、 w a e s d pr f c o m m 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 接口( d a r t ) uh 主机控制器( h c i )蓝牙音频 ( p c m ) 链路管理协议( l m p ) 基带与链路控制器( b ba n dl c ) 射频( r a d i o ) 硬件部分( c h i p ) 图2 1 蓝牙协议的体系结构 f i g u r e 2 - 1t h es t r u c t u r eo fb l u e t o o t hp r o t o c o l 核心协议则包括基带( b b ) 、链路管理协议( l m p ) 、适配协议( l 2 c a p ) 、 逻辑链路控制协议、s d p 协议；替代电缆协议、电话控制协议、选用协议则组 成了蓝牙的高级应用协议，例如：串口仿真协议、电话控制协议t c s 二进制和a t 9 基于蓝牙和8 0 2 1 i n 的实验室无线局域网的研究与实现 指令集等协议，另外高级应用层还有一些可选协议，例如：p p p 、o b e x 等；蓝 牙协议规范采用将协议固化在芯片中的应用模式可以使蓝牙设备具有容易控 制、良好的兼容性和互操作性的特点。 2 1 蓝牙核心协议 核心协议是蓝牙协议的关键部分，包括基带部分协议和其它低层链路功能 的基带链路控制期协议，建立、安全和控制链路的链路管理器协议l m p ，主机 控制器接口的h c i 协议，支持高层协议复用、帧的组装和拆分的逻辑链路控制 和分配协议l 2 c a p ，发现蓝牙设备提供服务的s d p 协议等。 2 i 1 蓝牙射频 射频主要定义了蓝牙收发器应满足的条件以实现数据位流的传输；蓝牙系统 与其他无线通信标准共用2 4 g h z 的i s m 频段；蓝牙无线规划1 0 1 见表2 一l 。 表2 1 蓝牙无线规范的关键操作参数 t a b l e 2 - 1 t h ek e yo p e r a t i n gp a r a m e t e r so f b l u e t o o t hr f 调制方式 高斯频移键控( g f s k ) 符号速率1 m 符号秒 频率跳变速率典型：1 6 0 0 跳s ；查询和呼叫：3 2 0 0 跳s 发送功率c l a s s l ：2 0 d b m ；c l a s s 2 ：4 d b m ；c l a s s 3 ：0 d b m 接收灵敏度对于7 0 d b m 或更低的输入信号，蓝牙接收机必须达到错误比特率为0 1 频率容许频移 茧时隙：+ 2 5 k l - i z ：= 时隙：士4 0 k h z ：再时隙! 士4 0 k h 穸 2 4 g h z 的频段中还有8 0 2 1 1 系列、微波炉等其他设备，蓝牙采用自适应跳频 a f h ( a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g ) 、功率控制等措施来抗干扰和抑制信号衰减。 蓝牙主设备地址决定了每个微微网的唯一跳变序列；跳变序列的相位由主 设备的时钟决定；所有单元都在时间上和跳频上与信道同步在微微网中；信道 分为时隙，每个时隙长6 2 5 u s ；每个时隙相应地有一个跳频频率，通常跳频速率 为1 6 0 0 跳秒；时隙数根据微微网中主设备的b l u e t o o t h 时钟决定，时隙数从0 到 2 2 7 _ 1 ，周期为2 2 1 ；系统使用t d d 方案来使主设备和从设备交替传送，主设备只 在偶数时隙开始传送信息，从设备只在奇数时隙开始传送，信息包的开始对应 于时隙的开始。 自适应跳频技术( a f h ) 能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点， 并以最小的发射功率、最低的被截获概率，实现在无干扰的信道上长时间保持 优质通信；频率自适应控制是在跳频通信过程中，实时去除跳频频率集中被干 1 0 青岛科技人学硕士学位论文 扰的频点，使跳频通信在无干扰的可使用的频点上进行，从而显著提高了接收 信号的质量；蓝牙a f h 的步骤由设备识别、信道分类、分类信息交换、自适应 跳频4 部分组成；如图2 2 所示。 图2 - 2 蓝牙a f h f i g u r e 2 2b l u e t o o t ha f h 蓝牙工作在时分双工的模式，信息以分组的方式在信道里进行信息交换，在 传输过程中，各信息分组用不同的跳频算法实现信息传输；通常分组传输是一个 时隙的长度，最多可以扩展n 5 个时隙的长度，在分组的持续时间内跳频频率保 持不变；对于单时隙分组，跳频频率由当前蓝牙时钟产生；对于多时隙分组，跳 频频率由第一个时隙的时钟决定；根据当前数据流量以及工作状态下的无线环境 选择工作时隙；图2 3 阐明了单时隙和多时隙分组的概念； ： f ( k ： f ( k + 5 ：f ( k + 6 ： 虻i 二二二二二二二二 l口i 图2 - 3 蓝牙单时隙、多时隙结构 f i g u r e 2 3t h es i n g l es l o ta n dm u l t i - s l o ts t r u c t u r eo f b l u e t o o t h 在图2 4 概括了蓝牙的关键操作，同时显示了在射频与蓝牙系统的其余部分之 间的传送数据和控制信息的一对逻辑接口【9 】。 一 一 p 一归 幢 p皇吲 目一p 基于蓝牙和8 0 2 1 l n 的实验室无线局域网的研究与实现 2 1 2 基带协议 控制 空中数据 ( 比特流) 无线射频 图2 - 4 蓝牙射频的关键操作 f i g u r e 2 _ 4t h ek e yo p e r a t i o no f b l u e t o o t hr a d i o 基带在蓝牙协议栈中的主要作用是管理物理信道、链路控制和链路管理，以 及负责管理异步和同步链路、处理数据包、查询接入和查询蓝牙设备、寻呼、等 业务；基带可以实现微微网和设备控制功能，以及基带与蓝牙系统其余部分之间 的数据和控制信息的逻辑接口，如图2 5 所示。 图2 5 蓝牙基带的主要功能 f i g u r e 2 - 5t h em a i nf u n c t i o no ft h eb l u e t o o t hb a s e b a n d 基带协议确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接，以形成微微网；蓝牙系 统提供点对点的连接和点对多点的连接；微微网的主单元确定跳频序列以及跳 频发生的定时设置，同时确定某个当前跳频，主单元通过轮询从单元来控制信 道，检索蓝牙空中的传输确定将要发送的数据从单元以及下一个允许发送的从 单元。 1 2 青岛科技大学硕士学位论文 蓝牙主单元的设备编址来确立对微微网是唯一的跳频序列，跳频序列的相 位由蓝牙主单元的时钟确定；蓝牙编址则涉及蓝牙设备地址、活动成员地址、 休眠成员地址、访问请求地址；蓝牙在不同的模式和状态，蓝牙时钟也是不同 的：本地时钟、估计时钟、主单元时钟。蓝牙基带可以支持两种类型的微微网 链路：异步无连接( a c l ) 链路和同步面向连接( s c o ) 链路；s c 0 链路是微 微网中的主单元和唯一的从单元之间的点到点链路；a c l 链路是微微网中主单 元和所有从单元之间的点到多点的链路，a c l 链路用于传送异步数据，大多数 a c l 数据包都可以应用数据包重传。在一个蓝牙微微网的信道中，数据以分组 的形式传输；每个分组由三部分组成：识别码、分组头和有效载荷；微微网中 分组的类型与它们的链接方式有关；对于s c o 和a c l 两种链接方式，共有5 种普 通类型数据包、4 种s c o 数据包和7 种a c l 数据包，如表2 2 【l l 】。 表2 - 2 蓝牙数据包类型表 t a b l e 2 - 2t h et y p eo f b l u e t o o t hp a c k e t 类型名称说明 c o m m o ni d 携带设备接入码或奄询接入码，占据一个时隙。 c o m m o nn u l l 没有数据，用丁获得链路信息和流控，占据一个时隙，无确认。 c o m n l o np o l l无数据和确认，主单元用它柃杏从单元是否启动，占据一个时隙。 c o n ：1 i n o nf h s 表明蓝牙设备地址和发送方时钟的特殊控制数据包，用于寻呼主单元 响应、查询响应和跳频同步，占据一个时隙，2 3 f e c 编码。 c o m m o nd m l 支持链路中的控制消息，还可以携带规划用户数据，占据一个时隙。 s c oh v l 携带1 0 个信息字节，用作语音传输；1 3 f e c 编码，占据一个时隙。 s c oh v 2 携带2 0 个信息字节，用作语音传输：2 3 f e c 编码，占据一个时隙。 s c o h v 3 携带3 0 个信息字节，用作语音传输；无f e c 编码，占据一个时隙。 s c od v 数据语音组合数据包，语音字段没有f e c 保护。数据字段采用2 3 f e c 编码；语音字段从不重传，数据字段可以重传。 a c ld m l 携带1 8 个信息字节；2 3 f e c 编码。占据一个时隙。 a c ld h l 携带2 8 个信息字节；无f e c 编码。占据一个时隙。 a c ld m 3 携带1 2 3 个信息字节；2 3 f e c 编码。占据3 个时隙。 a c ld h 3 携带1 8 5 个信息字节；无f e c 编码。占据3 个时隙。 a c ld m 5 携带2 2 6 个信息字节：2 3 f e c 编码。占据5 个时隙。 a c ld h 5 携带3 4 1 个信息字节；无f e c 编码。占据5 个时隙。 a c la u x l 携带3 0 个信息字节；类似d h l ，但没有c r c 代码。占据一个时隙。 2 1 3 链路管理协议 链路管理协议所对应的运行于蓝牙设备中的软件是链路管理器；链路管理 器的全局视图如下： 基于蓝牙和8 0 2 1 i n 的实验室无线局域网的研究与实现 图2 6 链路管理器 f i g u r e 2 6l m p 链路管理器之间交换的消息称为链路管理器协议数据单元( l m p _ p d u ) 。链路管 理协议( l m p ) 负责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制；通过连接的发 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大小；它 还控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网内设备单元的连接状态。 图2 7 描述了链路管理器的功能。 图2 7 链路管理器的功能 f i g u r e 2 - 7t h ef u n c t i o no fl m p 2 1 4 逻辑链路控制和适配协议 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 是基于基带的并为高层提供服务的上 层协议，如图2 8 所示， 1 4 青岛科技大学硕士学位论文 图2 8 协议层中的l 2 c a p f i g u r e 2 8p r o t o c o ll a y e r sl 2 c a p l 2 c a p 与l m p 的区别在于当数据不经过l m p 时，l 2 c a p 为上层提供服务。 l 2 c a p 采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术，其主要负责高层协议 复用、分段重组( s a r ) 、组管理，以及终端设备之间服务质量的传输。l 2 c a p 允许高层协议和应用传输以6 4 k 字节收发数据分组。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 ；l 2 c a p 依靠在基带层上的完整性 检查来保护传输的信息。l 2 c a p 具有与其他通信协议的接口，如图2 9 所示。 图2 9 蓝牙体系结构q , l e c a p 与其他协议的关系 f i g u r e 2 - 9t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l u e t o o t hl 2 c a pa n d o t h e ra g r e e m e n t s l 2 c a p 的基本功能为协议复用、分段与重组、服务质量、地址组；首先，蓝 牙的基带协议并不支持通过类型字段区分复用的高层协议，需要l 2 c a p 区分某些 高层协议；其次，蓝牙基带协议中数据的分组长度是有限的，而高层协议则需要 大的分组来发送，l 2 c a p 分组能在传输之前分成许多小的基带分组，这些小的分 组在接受端合并成较大的l 2 c a p 分组；再次，l 2 c a p 连接建立的过程中允许蓝牙 设备之间交换各自所期望的服务；最后，l 2 c a p 中组的概念可以把协议中组有效 基于蓝牙和8 0 2 1 l n 的实验室无线局域网的研究与实现 的映射到微微网中；l 2