（计算机软件与理论专业论文）蓝牙技术及其在无线传感器网络系统中的应用研究.pdf

摘要 蓝牙作为一种低功耗短距离无线传输技术，它的特点和范围都非常适合无线 传感器网络的要求。将蓝牙技术应用于新兴的无线传感器网络系统，这无论在国 内或者国际上都是较为先进的。目前，这方面的研究还处于起步阶段。本文以某 国防基础研究项目为背景，对蓝牙技术在无线传感器网络系统的应用进行探索和 研究。 首先，通过对现有的几种典型无线通信技术进行分析和比较，阐述了蓝牙技 术的特点及其在无线传感器网络系统中应用的优势。然后，在项目需求分析的基 础上，提出了一种基于蓝牙的移动数据采集系统总体设计方案，详细论述了方案 的合理性。 其次，通过硬件芯片的设计选型，完成了系统蓝牙s i n k 网关的硬件系统设 计，并论述了具体解决的方案。整个硬件系统结构简单、体积小、功耗低、成本 低。 再者，根据系统总体设计方案，论述了基于蓝牙的移动数据采集系统软件总 体设计，以及系统前端数据采集软件和终端数据处理软件的实现。 最后，是对移动数据采集系统进行实验测试。结果表明：蓝牙s i n k 网关和 移动数据采集系统完全符合设计要求，达到了预期的效果。移动数据采集系统实 现了前端传感器节点到移动终端设备的完全无线连接，有效地摆脱了线缆的束 缚，具有极大的便携性、移动性、灵活性和可扩展性。 关键字：蓝牙技术，无线传感器网络，无线通信，s i n k 网关，数据采集 a b s t r a c t a 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 yw i t hl o wp o w e rc o n s u r n p t i o ni ns h o r t d i s t a n c e ，b l u e t o o t hi sq u i t es u i t a b l ef o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k su s a g e i ti sa d v a n c e d t o 嘶n gb l u e t o o t hi n t ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a tp r e s e n t ，t h i sa p p l i c a t i o ni ss t i l li n t h ei n i t i a ls t a g e t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h ee x p l o r a t i o na n dr e s e a r c ho f t h eb l u e t o o t h a p p l i c a t i o ni nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e m f i r s t l y , b ya n a l y z i n g a n dc o m p a r i n gs e v e r a lw i r e l e s s t e c h n o l o g i e s ，i ti s d e t e r m i n e dt h a tb l u e t o o t hi sm o r es u i t a b l ef o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h e n b a s e d o np r o j e c tr e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，as o l u t i o no f m o b i l ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e mb a s e do n b l u e t o o t hi sp r e s e n t e d i ti sa l s od i s c u s s e di nd e t a i lo f t h ea v a i l a b i l i t yo f t h es o l u t i o n s e c o n d l y , b yc h o o s i n gh a r e w a r ec h i p s e t ，t h eh a r d w a r em o d e lo fb l u e t o o t hs i n k g a t e w a yi sd e s i g n e da n dt h ed e t a i ls o l u t i o ni sa l s op r e s e n t e d t h eh a r d w a r es y s t e m h a st h ec h a r a c t e r so f s i m p l es t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，l o wp o w e ra n dl o wc o s t t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h es c h e m a ，t h ea r c h i t e c t u r ed e s i g no fs o f t w a r ei sd i s c u s s e d ， a n dt h ef r o n td a t ac o l l e c t i n gs o f t w a r ea n dt h et e r m i n a ld a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r eo f t h e s y s t e ma r ei m p l e m e n t e ds e p a r a t e l y f i n a l l y , b yt e s t i n ga n da n a l y s i s ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mm e e t st h e r e q u i r e m e n to fa c t u a la p p l i c a t i o np e r f e c t l y t h es y s t e mi m p l e m e n t st h ew i r e l e s s c o n n e c t i o nb e t w e e nf r o n ts e n s o rn o d e sa n dm o b i l et e r m i n a le q u i p m e n t ，w h i c hg e t sr i d o f t h eb o n d a g eo fw i r el i n es u c c e s s f u l l y t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r so f p o r t a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y k e yw o r d s ：b l u e t o o t h ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，s i n k g a t e w a y , d a t ac o l l e c t i n g i i 1 1 背景和意义 第一章绪论 蓝牙是一种短距离无线通信技术标准“1 。通过蓝牙技术，可以实现便携设备 之间的无线连接，允许用户在无电缆连接的情况下，方便快捷地与自身周边的电 子设备进行通讯，如电脑、打印机、扫描仪、传真机等，使设备网络的移动接入 与通讯变得十分简单“3 。蓝牙不仅是一种电缆替代技术，它还能使任何电子设 备之间实现自动通信。蓝牙技术的应用非常广泛，几乎所有通信及信息领域相关 设备都可以安装蓝牙模块。 作为一种极其先进的大容量近距离无线数字通信的技术标准，蓝牙的目标是 实现最高数据传输速度1 m b p s ( 有效传输速度为7 2 1 k b p s ) ，7 最大传输距离为1 0 厘米l o 米，通过增加发射功率可达到1 0 0 米。其使用的收发器是不必经过申 请便可使用2 4 g h z 的i s m ( 工业、科学、医学) 频带，在其上设立7 9 个频带为 1 m h z 的信道，以每秒切换1 6 0 0 次频率的频谱扩散技术来实现电波的收发。4 “。 当然，作为无线通信技术，蓝牙并不是唯一的解决方案，与其他几种无线连 接方式比较起来蓝牙的传输速度虽然不是最快的，但其具有的优势却更多：蓝牙 可传送影音资料，其他则不可能。另外，蓝牙不但可穿透物体传输，且不对准接 收方向就可传送资料，这是红外线传输无法做到的。对于移动设备而言，蓝牙具 明显优势。蓝牙最大的优势还在于，在更新网络骨干时，如果搭配蓝牙架构进行， 使用整体网络的成本肯定比铺设线缆低。随着蓝牙设备的微型化与成本的降低， 蓝牙将具有更为广阔的应用前景。 无线传感器网络”“1 综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理 技术和通信技术，能够协作的实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境 或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需 要这些信息的用户。无线传感器网络可以使人们在任何时间、_ 地点和任何环境条 件下获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防 军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。 无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命”“”1 。无线传感器网络作为一个 西北j ：业大学硕士学位论文第一章绪论 全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑 战性研究课题。 由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部 门、工业界和学术界的极大关注。美国对无线传感器网络给予了高度重视，把无 线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的无线传感器网络研究项 目。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣， 纷纷展开了该领域的研究工作。目前，我国也已经开始了无线传感器网络方面的 研究工作”“。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是现代无线通信领域的高新技术，用于替代数字设备间的 有线电缆连接，和解决现代网络的最后1 0 一l o o m 的无线通讯。蓝牙作为一种低功 耗短距离无线传输技术，它的特点和范围都非常适合无线传感器网络的要求。将 蓝牙技术应用予新兴的无线传感器网络系统，这无论在国内或者国际上都是较为 先进的。目前，这方面的研究还处于起步阶段，有很多课题可以去进行探索和研 究1 2 “川。 1 2 研究现状 自从1 9 9 4 年爱立信提出蓝牙技术以来，这项低功耗、低成本的无线连接技 术已经获得了巨大的发展。1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、i b m 和英特尔 5 家公司成立了蓝牙特殊兴趣小组( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，s i g ) 。此后，各 大公司都加大了对蓝牙的投资力度，于1 9 9 9 年发布了蓝牙技术协议v 1 0 b 版， 标志着蓝牙技术已经初具雏形。此后，声称支持蓝牙协议的企业也日益增多。 2 0 0 0 年一批蓝牙产品相继研发成功，但是第一代蓝牙芯片和模块( m o d u l e ) 性能和生产都差强人意( 功耗大、射频不稳定、语音质量不理想、价格高等) ， 软件也欠成熟( 易用性、功能性不足) ，不同厂_ 家的蔽牙产品常常不能互通。2 0 0 1 年3 月，蓝牙s i g 发布了蓝牙协议v 1 1 版，解决了蓝牙产品的互操作性问题。 自2 0 0 1 年下半年以来，蓝牙的研发和产业有了很大的进展，一点对七点技术的 实现和爱立信t 3 9 等蓝牙手机的上市，才标志着蓝牙已经能够成为市场的卖点和 厂家的利润增长点。2 0 0 2 年5 月又推出了蓝牙协议v 1 2 版，是蓝牙协议更加完 善。2 0 0 2 年9 月2 7 日，微软正式宣布在w i n d o w sx p 和w i n d o w sc e 4 。0 中内嵌 对蓝牙的支持，互通性大大改善。目前s i g 成员己经发展到3 0 0 0 家左右。 2 堕! ! 士些盔堂堡主兰垡堡苎蔓= 童堕笙 蓝牙技术在经历了风风雨雨的几年发展之后，已经进入到一个相对较成熟的 阶段“3 。到目前为止，市场的反应虽然没有预期的那么好，但是具各蓝牙功能的 电子设备越来越多，并且应用也越来越广泛，目前蓝牙技术已经应用到手机、笔 记本、耳机、无绳电话、车载电话和网关等产品中。 蓝牙协议还处在不断完善时期“1 。2 0 0 4 年底，蓝牙s i g 发布了蓝牙协议v 2 0 版。该规范提高了数据传输速率( 可达当前速率的3 倍) 并降低了功耗。随着最 新标准的出台，蓝牙产品又迎来第二个春天。蓝牙技术仍有巨大的市场潜力，对 蓝牙相关产品的研究应用还相当广泛。 随着蓝牙技术的成熟和完善，蓝牙技术也开始被应用到新兴的无线传感器网 络系统中。目前，国外的一些机构在这方面的研究也取得了定的进展“5 ”1 。 美国w i l c o x o nr e s e a r c h 公司开发出了使用蓝牙无线功能传送各种传感器输 出数据的连接装置“b l u e l y n x ”。该装置配备有4 个用来输入温度、湿度及加速 度等各种传感器数据的信道，能够向1 0 0 米以内的主机无线传送数据。 j a v a 开发商会议“j a v a o n e2 0 0 4 于2 0 0 4 年6 月2 8 日7 月1 日在美国旧 金山召开，特别推介了美国m e d i c t o u c hl l c 提出的将手机变身为脉搏仪。这种 便携式脉搏仪“m e d i c t o u c hp u l s em e t e r ”是由戴到手指上的传感器与j 2 m e 版 j a v a 应用软件组成。传感器与手机通过蓝牙连接。传感器检测的脉搏数据经手 机上运行的软件处理、分析后显示出来。通过该软件还可以将脉搏数据传送到服 务器等上面。 美国c r o s s b o w 公司的c r o s s n e t 提供了一个系统结构和软硬件集成解决方案 来改变传统的传感器的使用方式。用户利用蓝牙技术的低成本、短距离无线链接， 可以轻易地构建无线传感器网络。这些无线网络可以连接成百上千个不同类型的 传感器并接入主机系统来进行数据采集、分析和控制。主机系统包括p d a 和其他 手持设备，或者可以接入i n t e r n e t 的膝上型电脑或桌面系统。 1 3 本文的主要研究内容 本文从应用的角度，将蓝牙模块作为通信模块集成蓟无线传感器网络系统中 作为出发点，对蓝牙技术在无线传感器网络系统的应用进行探索和研究。由于蓝 牙技术应用于无线传感器网络系统是一个全新的领域，因而课题存在一定的预研 性质。围绕本课题，本文的主要研究内容如下： 西北工业大学硕士学位论文第一苹绪论 i 查阅大量文献资料，从技术特点、协议栈、网络等方面研究蓝牙技术及其 协议，提出蓝牙应用的开发思路和方法。 2 熟悉研究课题所需的软件工具，包括a v r 单片机编程及其应用环境和 p r o t e l9 9 的使用。 3 在项目需求分析的基础上，提出一种基于蓝牙的移动数据采集系统总体设 计方案。 4 经过硬件芯片的设计选型，在实验室完成移动数据采集系统蓝牙s i n k 网 关硬件电路的设计和制作。 5 提出基于蓝牙的移动数据采集系统软件的总体框架设计，并根据设计分别 实现前端数据采集软件和终端数据处理软件。 6 编写前端数据采集和终端数据处理测试程序对移动数据采集系统进行总 体测试，并通过分析实验数据得出结论。 1 4 论文内容安排 论文分为六章，在内容上作如下安排： 第一章主要介绍了课题的背景和意义、研究现状、本人在毕业设计期间所做 的主要工作以及论文的内容安排。 第二章主要介绍了无线传感器网络的概念、体系结构及特点，对比研究了典 型的几种无线通信技术，阐述了蓝牙技术的特点及其在无线传感器网络系统中应 用的优势。 第三章在项目需求分析的基础上，提出了一种基于蓝牙的移动数据采集系统 总体设计方案，并详细论述了方案的合理性。 第四章首先给出了蓝牙s i n k 网关的硬件设计方案及硬件芯片选型，对硬件接 口电路进行了描述，接着讨论了蓝牙s i n k 网关天线的设计与选择，最后论述了蓝 牙s i n k 网关的内部协议栈。 第五章讨论了移动数据采集系统软件总体框架的设计，并根据设计分别对前 端数据采集软件和终端数据处理软件进行了实现。 第六章对蓝牙s i n k 网关和移动数据采集系统进行了测试，并对测试数据进行 分析。 第七章对全文进行总结，并展望未来的研究工作。 第二章无线传感器网络通信技术 无线通信技术是无线传感器网络系统研究的关键内容之一。本章通过对几种 典型的无线通信技术做以综述介绍和对比分析，阐述了蓝牙技术的特点及其在无 线传感器网络系统中应用的优势，为本文后续的系统设计研究奠定基础。 2 1 无线传感器网络 无线传感器网络”“”1 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 就是由部署在 监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳 的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对 象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络 的三个要素。 2 1 1 无线传感器网络体系结构 1 无线传感器网络结构o “” 无线传感器网络结构如图2 - 1 所示，无线传感器网络系统通常包括传感器节 点( s e n s o rn o d e ) 、s i n k 网关节点( s i n kn o d e ) 和管理节点。大量传感器节点 随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织方式构成网 络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监 测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由到s i n k 网关节点，最后通过互联网 或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发 布监测任务以及收集监测数据。 图21 无线传感器网络体系架构 西北工业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络通信技术 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处 理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他 节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是无线传感器网络研 究的重点。 s i n k 网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接无线 传感器网络与i n t e r n e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同 时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。s i n k 网关节 点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与 计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 2 传感器节点结构o “3 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部 分组成，如图2 - 2 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处 理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他 节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制 信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采 用微型电池。 传感器模块处理器模块无线通信模块 区譬a c o c 崩惟卜陋 传感器 1 h 卜_ 一j 刊弼络 叫姒c 一收发器l l l 一1 l 存储器l ：u _ l 一 一t j 。一r 。一t 一 能量供应模块 图2 - 2 传感器节点体系结构 2 1 2 无线传感器网络的特点与挑战 无线传感器网络除了具有a dh o c 网络的移动性、断接性、电源能力局限等 共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。这些特点向我们提出了一系列挑战 性问题“”： 1 通信能力有限。无线传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络通信技术 信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。 由于无线传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电 等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信 能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是我们面临的挑战之一。 2 电源能量有限。传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器由于电源能 量的原因经常失效或废弃。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。商 品化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要 比执行计算更消耗电能。传感器传输1 位信息所需要的电能足以执行30 0 0 条计 算指令。如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是我们面临 的第2 个挑战。 3 计算能力有限。无线传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储 器。这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入 式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。如何使用大 量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理，是我们面临的第3 个挑 战。 4 传感器数量大、分布范围广。无线传感器网络中传感器节点密集，数量巨 大，可能达到几百、几千万，甚至更多。此外，无线传感器网络可以分布在很广 泛的地理区域。传感器的数量与用户数量比通常也非常大。传感器数量大、分布 广的特点使得网络的维护十分困难整荃不可维护，光线传感器网络的软、硬件必 须具有高强壮性和容错性。这是我们面临的第4 个挑战。 5 网络动态性强。无线传感器网络具有很强的动态性。网络中的传感器、感 知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点n a 或已有节点 失效。因此，网络的拓扑结构动态变化，传感器，感知对象和观察者三者之间的 路径也随之变化。无线传感器网络必须具有可重构和自调整性。这是我们面临的 第5 个挑战。 6 大规模分布式触发器。很多传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度 控制。这样，很多传感器具有回控装置和控制软件。我们称回控装置和控制软件 为触发器。成千上万的动态触发器的管理是我们面临的第6 个挑战。 7 感知数据流巨大。无线传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式 数据，并具有实时性。每个传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实 西北工业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络通信技术 时数据流。我们需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。 这是我们面临的第7 个挑战。 2 2 典型无线通信技术的分析比较 2 2 1 红外线 红外线是波长在7 5 0 n m 至1 砌之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见 光，是一种人的眼睛看不到的光线。 红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0 7 s u m 至2 5 u m 之间。 红外数据协会( i r d a ) 成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通 信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在8 5 0 h m 至 9 0 0h i l l 之内。 目前无线电波和微波己被广泛地应用在长距离的无线通信之中，但由于红外 线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在短距离无线通信的场 合，进行点对点的直线数据传输。 红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小 型的移动设备中获得了广泛的应用。这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、机顶 盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、m p 3 播放机、数码相机以 及打印机之类的计算机外围设备等等。 要使各种设备能够通过红外口随意连接，一个统一的软硬件规范是必不可少 的。但在红外通信发展早期，恰恰就存在着规范不统一问题：许多公司都有着自 己的一套红外通信标准，同一个公司生产的设备自然可以彼此进行红外通信，但 却不能与其它公司有红外功能的设备进行红外通信。当时比较流行的红外通信系 统有惠普的h p s i r ，夏普的a s k i r 和g e n e r a lm a g i c 的m a gi c b e a m 等，虽然它们 的通信原理比较相似，但却不能互相感知。混乱的标准给用户带来了很大的不便， 并给人们造成了一种红外通信不太实用的错觉。 为了建立一个统一的红外数据通信的标准，1 9 9 3 年，由h p 、c o m p a q 、i n t e l 等二十多家公司发起成立了红外数据协会( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t o i n ，i r d a ) 。 目前i r o a 在全球拥有1 6 0 个会员，参与的厂商包括计算机及通讯软、硬件及电 话公司等。i r d a 不需申请频道使用执照，成本低，组件来得便宜，传输速度越 来越快，己由1 1 5 2 k b p s 发展到4 m b p s ，最快达1 6 m b p s 。体积小、低功率是红外 西北工业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络通信技术 的一大优点，在一些对电力要求极为严格、苛刻的手提式设备的使用上，如移动 电话、p d a 等，i r d a 仍然是最佳的选择。近年来在无线数据传输上已扮演相当 重要的角色，目前全球己有超过一亿个终端设备使用i r d a 作为无线传输的媒介。 以笔记本型计算机为倒，超过9 5 的手提电脑上已经内置了i r d a 的模块，此外， 移动电话与数据相机制造商也纷纷发表了内置i r d a 的产品。i r d a 是一种很有竞 争力的产品，传输角度1 2 0 。，距离为5 米以内，速度最高达1 6 m b p s ，只要稍微 对一下就能开始传送，任何占用空间的资料都不会塞车，而且传输前可以自行决 定是否要设密码，以防止资料错误传输或被盗窃“。 2 2 2i e e e 8 0 2 1l i e e e 8 0 2 1 l 是i e e e ( 电气和电子工程师协会) 制定的一个无线局域网标准， 主要用于解决办公室局域网和校园网中的用户与用户终端之间的无线接入。 i e e e 8 0 2 1 1 业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到2 m b p s 。由于 i e e e 8 0 2 11 在速率上的不足，己不能满足数据应用的需求；因此，i e e e 又相继 推出了i e e e 8 0 2 ，1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l a 这两个新的标准。三者之间技术差别主要在 于m a c ( m e d i u l na c c e s sc o n t r o l ，媒介访问控制) 子层和物理层。 i e e e 8 0 2 1i b 标准。i e e e 8 0 2 1i b ( w i f i ) 使用开放的2 4 g h z 直接序列扩 频，最大数据传输速率为1 1 m b p s ，无需直线传播。使用动态速率转换，当射频 情况变差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b p s 、2 m b p s 和i m b p s 。且当工作在 2 m b p s 和i m b p s 速率时可向下兼容i e e e 8 0 2 1 1 。i e e e 8 0 2 1 l b “的使用范围在室外 为3 0 0 米，在办公环境中则最长为1 0 0 米。使用与以太网类似的连接协议和数据 包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。i e e e 8 0 2 1i b 运作模式 基本分为两种：点对点模式和基本模式，点对点模式是指无线网卡和无线网卡之 间的通信方式。基本模式是指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通信 方式，这是i e e e 8 0 2 1 i b 最常用的方式“”“”。 i e e e 8 0 2 儿a 标准。i e e e 8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z u n i l 频带，从而避开了拥挤 的2 4 g h z 频段。物理层速率可达5 4 m b p s ，传输层可达2 5 m b p s 。采用正交频分复 用( o f d m ) 的独特扩频技术：可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口、l o m b p s 以太网无 线帧结构接口和t d d t d 姒的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个扇区 可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 i e e e 8 0 2 1l a 在使用频率的选择和数据传输速率上都优于i e e e 8 0 2 1i b ，不 9 西北工业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络通信技术 过其芯片还没有进入市场加之设备昂贵、不兼容i e e e 8 0 2 1 l b 、空中接力不好和 点对点连接很不经济，不适合小型设备。相比而言，业界非常看好i e e e 8 0 2 1 l b 。 2 2 3h o m e r a 口 h o m e r f 技术是无绳电话技术( 数字式增强型无绳电话或者简称为d e c t ： d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s st e l e p h o n e ) 和无线局域网( w l a n ) 技术相互融合 发展的产物。无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 采用c s m a c a ( 载波监听多点接入冲突避 免) 方式，特别适合于数据业务；而d e c t 使用t d m a ( 时分多路复用) 方式，特 别适合于话音通信，将二者进行融合构成家庭射频使用的共享无线应用协议 ( s w a p ：s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 。s w a p 使用t d m a + c s m a c a 方式， 适合话音和数据业务，并且特地为家庭小型网络进行了优化。家庭射频系统的设 计目的就是为了在家用电器设备之间传送话音和数据，并且能够与公众交换电话 网( p s t n ) 和互联网进行交互式操作。它工作于2 4 g h zt s m 频段，采用数字跳 频扩频技术。支持t o m b 业务和c s m a c a 业务，t d m a 用于传送交互式话音和其 它时问敏感性业务，而c s n c a 用于传送高速分组数据。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。但目前h o m e r f 的传输 速率只有卜2 m b p s “1 。 2 2 4 蓝牙技术 l - 概念及特点 随着现代通信技术和家用电子电器盼发展，无论办公室还是居室到处都充满 了各种各样的电缆a 为解决有线电缆固有缺点如使用不便、连线频出故障、各种 电缆之间不通用等诸多伤脑筋的问题，蓝牙技术应运而生。所谓蓝牙技术，是一 种低功率短距离的无线链接技术标准的代称，其实质是要建立通用的无线空中接 口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便 携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、互 操作的性能。一般来说，它的链接范围为1 0 厘米到l o 米；如果增加传输功率的 话，其链接范围可以扩展到1 0 0 米。作为一种新兴的技术。它具有以下主要特点 h 5 2 0 + 2 i 删： 适用设备多。蓝牙技术最大的优点是使众多电信和电脑设备无需电缆就能联 网。例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉连接电 缆而通过无线使其建立通信。打印机、p d a 、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏 0 西北工业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络通信技术 操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。 工作频段全球通用。蓝牙技术以无线局域网的i e e e 8 0 2 1 1 标准技术为基础， 工作在2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段，该频段用户不必经过允许， 在世界范围内都可以自由使用，这就消除了“国界”的障碍。而在蜂窝式移动电 话领域，这个障碍己经困扰用户多年。 使用方便。蓝牙技术规范中采用了一种“p l o n k & p l a y ”的概念，它有点类似 “即插即用”。这样，用户不必再需要学习如何安装和设置，凡是嵌入蓝牙技术 的设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，利用相关的控制软件， 无须用户于预即可传输数据。 安全加密、抗干扰能力强。i s m 频带是对所有无线电系统都开放的频带，因 此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、 汽车房开门器、微波炉等等。为了避免干扰，蓝牙技术特别设计了快速确认和跳 频方案，每隔一段时间就从一个频率跳到另一个频率，不断搜寻干扰比较小的信 道。在无线电环境非常嘈杂的情况下，蓝牙技术的优势尤为明显。 兼容性好。由于蓝牙技术独立于操作系统，所以，在各种操作系统中均有良 好的兼容特性。蓝牙技术对各个商业操作系统中的内嵌式支持正在发展之中，而 对笔记本电脑，蓝牙技术在w i n 9 8 、n 1 5 0 上实现已不成问题，与w d n 、n d i s 驱 动器的结合目前正在考虑之中。 尺寸小、功耗低。所有的技术和软件集成于9 m i n x 9 m m l 的微芯片，从而可以 集成到各种设备中，如蜂窝电话、传呼机、笔记本电脑、p d a 、p c ，甚至各种家 用电器中；与集成的设备相比可忽略功耗和成本。 多路多方向链接。目前，相距很近的便携式器件之间的链接是用红外线进行 的，但使用起来仍有许多不便和限制。蓝牙无线收发器的链接距离可达1 0 米， 不限制在直线范围内，甚至设备不在同一闯房内也能相互链接，并且可以链接多 个设备，同时可进行通讯的设备最多可达7 个，这就可以把用户身边的设备都连 接起来，形成一个“个人领域的网络”。 2 拓扑结构 蓝牙支持点对点和点对多点的通信，最基本的网络组成是匹克网( p i c o n e t ) ， 也称为微微网，如图2 - 3 所示。匹克网实际上是一种个人区域网，这是一种以个 人区域为应用环境的网络架构。需要指出的是，匹克网并不能代替局域网，它只 西北工业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络通信技术 和从设备单元( s l a v eu n i t ) 构成。其中，主设备单元负责提供时钟同步信号和 跳频序列，而从设备单元一般是受控同步的设备单元，并接受主设备单元的控制。 但应当注意的是，在一个匹克网中，所有设备都是级别相同的单元，具有相同的 权限；所有设备单元均采用同一跳频序列，一个匹克网中一般只有个主设各单 元，而从设备单元目前最多可以有7 个”“2 “。 匹克网1匹克网2 nu 匹克网3 主 o ? ：? 。 。 一 一 。 。 一 u ，一 0从0 o u o 主节点。从节点 图2 - 3 匹克网结构 一个匹克网中的从设备同时还可作为另一个匹克网的主设备，以此方式进行 网络拓展：几个匹克网连接在一起，称为s c a t t e r n e t ( 散射网) ，靠跳频顺序识 别每个匹克网“”。散射网结构如图2 - 4 所示。 主节点 。从节点 图2 4 散射网结构 3 蓝牙系统组成 蓝牙系统主要由无线射频部分和主控制器组成。其中，蓝牙模块的模拟电路 部分即指射频，对应数字电路部分的主控制器则由链路控胄i 器、蓝牙微处理器、 链路管理软件及主机环境接口组成“1 。蓝牙系统组成如图2 - 5 所示。 图2 - 5 蓝牙系统的组成 西北工业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络通信技术 ( i ) 无线射频部分 蓝牙天线属于微型天线。由于蓝牙多用于移动便携设备，因此要求其天线部 分体积小、重量轻。蓝牙空中接口是建立在天线电平为o d b m 的基础上的，空中 接口遵循f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，美国联邦通信委员会) 有关电平为o d b m 的i s m 频段的标准。由于采用扩频技术，发射功率可达到l o o m w 。 系统最大的跳频速率为1 6 0 0 跳秒，在2 4 0 2 g h z 和2 。4 8 0 g h z 之间，采用7 9 个 间隔为1 m t t z 的频点来实现。出于某些本地规定的考虑，日本、法国和西班牙都 缩减了带宽。理想的连接范围为l o c m l o m ，但是通过增大发送功率可以将距离 延长至l o o m 。 ( 2 ) 链路控制器 链路控制器( l i n kc o n t r o l l e r ，l c ) 是执行一些低层常规协议的实体，可 实现基带所有的功能并支持链路管理器。l c 由硬、软件和物理层协议构成，相 应硬、软件负责处理蓝牙基带协议，也称基带链路控制器。 l c 提供纠错及连接过程中的验证与加密功能，其物理层协议采用三种纠错 方案：1 3 比例前向纠错码f e c 简单的三倍重复格式，每位信息与整个分组 头都采用三位重复码。2 3 比例f e c 精简的汉明码表示方式，即每1 0 位被 编码成1 5 位代码字，该代码字能在各代码字中纠正所有奇数位错和检测所有偶 数位错。第三种为数据的自动请求重发( 简称a r o ) 方案，a r q 方案只用于分组 的有效载荷上，分组头和话音有效载荷不受a r q 保护。在前一个时隙中传送的 数据必须在下一个时隙得到成功接收的确认，只有数据在接收端通过检测后认为 无错才向发送端发回确认消息，否则返回一个传输失败消息。 蓝牙l c 有二种主要状态，待机状态s t a n d b y 是蓝牙设备的默认状态，此时 为低功耗模式，另一状态为连接状态c o n n e c t 。此外，l c 还具有寻呼、寻呼扫描、 查询、查询扫描等若干子状态。 ( 3 ) 链路管理器 每个蓝牙设备都有自己的链路管理器( l i n km a n a g e r ，l m ) ，它的作用由运 行于蓝牙m c u ( f i i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t ，微控制器) 上的软件实现，主 要管理蓝牙设备之间的通信。l m 携带了链路的数据设霹、鉴权、链路硬件配置 和其它一些协议，能够发现其他远端l m ，并通过链路管理协议l m p 与其进行通 信，从而实现链路建立、鉴权、设置和其他功能。 4 。蓝牙协议体系结构 堕! ! 三些查堂堡主鲎篁堡苎星三垩墨垡堡鲎墨旦竺望堕垫查 蓝牙协议体系结构如图2 - 6 所示，可分为四层。“2 5 ： 匝亘巫司回 堑塑二二 图2 - 6 蓝牙协议体系结构 蓝矛核心协议：基带、l m p ( l i n km a n a g e rp r o t o c o l ，链路管理协议) 、 l 2 c a p ( l o g i c a ll 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 ，逻辑信道 控制和适配协议) 、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) ； 电缆替代协议：r f c o m m ( s e r i a lc a b l ee m u l a t i o np r o t o c o lb a s e do n e t s l0 7 i 0 ，基于e t s l0 7 1 0 的串行电缆模拟协议) ； 电话传送控制协议：t c s ( b i n a r yt e l e p h o n yc o n t r o ls p e c i f i c a t i o n ， 二进制电话控制标准) 、觚命令集； 可选协议：p p p ( p o i n tt op o i n t ，点对点协议) 、u d p t c p i p 、o b e x ( o b j e c t e x c h a g ep r o t o c o l ，对象交换协议) 、w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o n p r o t o c o l ，无线应用协议) 、v c a r d 、v c a l 、i r m c 、w a e ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，无线应用环境) 。 蓝牙核心协议由s i g 制定的蓝牙指定协议组成，绝大部分蓝牙设备都需要核 心协议( 加上无线部分) ，而其他协议根据应用的需要而定。 ( 1 ) 蓝牙核心协议 1 ) 基带协议 基带协议在匹克网的两个或多个蓝牙单元之间建立称为链路的物理r f ( r a d i of r e q u e n c y ，射频) 连接。该协议还同步匹克网内蓝牙设备的跳频频点 和时钟。基带协议提供两种不同的物理链路。- - 4 十是同步面向连接( s c o ) 链路， 数据包的内容可以是数据和语音的结合，或只是语音。另一种是异步无连接( a c l ) 链路，数据包保留只用于传输数据。 西北工业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络通信技术 用不同的链路类型，并且链路类型在会话过程中可以任意改变。主单元控制使用 的链路带宽，同时也决定了分配给从单元的带宽。基带协议对所有类型的包( 语 音、数据或二者的结合) 提供了不同层次的f e c 或c r c 差错校验。为进一步的安全 考虑，协议还提供可选的数据加密功能。 虽然二进制数据通常由基带层传送至l m p 或l 2 c a p 层，但是音频信号跳过其他 层，直接从应用层路由至基带层。实质上是在两个蓝牙设备之间建立直接的音频 链路。 2 ) 链路