（计算机软件与理论专业论文）蓝牙技术在工业现场控制中的应用.pdf

中文摘要 中文摘要 本文荫先全面阐述了蓝牙技术的分层协议体系结构，对蓝牙射颓、 链踌控制器和基懵、键路管理协议、逻辑链路控嚣i 和适配协议、服务 发现协议、r f c o m m 等协议进行了详细的介绍和分析，说明了蓝牙投 术瓣按术孛蕈点及英逶弱巧壤。第二部分对璇场总线技术瓣发震历史、 技术优点和分类进行了概要性的介绍，因为在本文第三部分中薅使用 到蘩金会蠛凌慧线技拳，j 瑟嗡在第二鄂分孛耀应琵较全蠢貔阐述了鏊 金会现场总线技术的技术特点、协议体系结构及其功能块。在前二部 分阐述静罄磕上，本文的第三部分分析了传统瑷场慧线傻爝有线弁璜 作为物理屡通信介质存在的问题，提出了一种使用蓝牙无线通信技术 来取代有线通信介质的解决方案。在这种脊线介质替代解决方案中， 将簸牙技术与现场总线技术相结合撵出了蘸牙网美魄概念，现场蓝牙 传藤器采集的现场数据通过蓝牙网关应用传输到f fh s e 现场总线上， 嚣砖f fh s e 瑷场总线上鹣投蒜l 逻瓣瞧可以通过簸牙砖荚寒实瑷，姨 而实现了冤线蓝牙网络与有线f fh s e 现场总线的互连，同时在该部 分中还对簸牙溺荚应臻豹设计窝实瑗进行了灞述。这穆蘸牙弼关盔焉 的概念在国内外部是第一次提出，具有一畿的创新性。 、k 。o 关键字：盥茅，现场总线，蓝牙网美，蓝牙传感器 英文摘要 a b s 罩r a c t f i r s tt h i sp a p e re x p a t i a t e st h eh i e r a r c h i c a lp r o t o c o la r c h i t e c t u r eo f b l u e t o o t h t mt e c h n o l o g y , i n t r o d u c e s a n d a n a l y s e s b l u e t o o 血“r a d i o f r e q u e n c y , l i n kc o n t r o l l e ra n db a s e b a n d ，l i n km a n a g e m e n tp r o t o c o l ， l o 馥i c a ll i n kc o n 9 0 1a n da d a p t i o np r o t o c o l ，s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ， r f c o m ma n ds oo n 。w h i c hi l l u m i n a t e st h ec h a r a c t e r i s t i e sa n da p p l i e d e o n d i t i o n s i nt h es e c o n ds e c t i o nis u m m a r i z et h ed e v e l o p i n gh i s t o r y , e h a r a c t e r i s t i e sa n dc l a s so ff i e l d b u st e c h n o l o g y a st h et h i r ds e c t i o ni s r e l a t e dw i t hf o u n d a t i o nf i e l d b u s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，a r c h i t e c t u r e a n d f u n c t i o nb l o c ko fi ti se x p a t i a t e di nt h i ss e c t i o n ，i nt h e 攮i f ds e c t i o n ，i d i s c u s st h ed i s a d v a n t a g e so fu s i n gw i r em e d i aa sp h y s i c a ll a y e rm e d i ai n t r a d i t i o n a lf i e l d b u so nt h eb a s i so ft h ef n - s tt w os e c t i o n ，a n dp r e s e n ta s o l u t i o no fs u b s t i m t i n gw i r e l e s sb l u e t o o t h ”f o rw i r em e d i & i nt h i s s o l u t i o nt h eb l u e t o o t h t ”g a t e w a yi sp r e s e n t e db yi n t e g r a t i n gb l u e t o o t l l ” a n df i e l d b u s t h ed a t ac o l l e c t e db yb l u e t o o t h t ms e n s o ri st r a n s p o r t e d t of f h s ef i e l d b u sb yb l u e t o o m l ”g a t e w a y , a n dt h ec o n t r o ll o g i co ff fh s e f i e l d b u si sr e a l i z e db vt h es a m eb l u e t o o t h t mg a t e w a y 1 融eb l u e t o o t h l “ g a t e w a yi n t e r c o n n e c t e sw i r ef fh s e f i e l d b u sa n dw i r e l e s sb l u e t o o t h l ” p i e o n e t ，a n dt h ea n a l y s i sa n dd e v e l o p m e n to fb l u e t o o t h t mg a t e w a yi s e x p a t i a t e di nt h i ss e c t i o n 。a st h ec o n c e p t i o no fb l u e t o o t h t ”g a t e w a y i s p r e s e n t e d f o r 也ef w s tt i m e i ti si n n o v a t i o n a l k e yw o r d s ：b l u e t o o t h t m ，f i e l d b u s ，b l u e t o o t h 7 “g a t e w a y , b l u e t o o t h t m s e n s o r 1 1 独创性声明 本人声明掰量交夔学位论文是本大在譬簿摆譬下送行豹磷究工髂 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 羚，论文审不惫念萁彳蠢久已经发表鬣撰写避静研究戒栗，氇不包含为 获得东北师范大学或其他教育机构的学位藏证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确酌 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：施日期：皇曼鉴! 亟：丛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了麓东j 0 舜范大学有关保留、经焉学位论文 的规定，即：东北师范大学有权保留并向图家有关部门妓机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范 大学可以姆学位论文的全部或部分内容编入有关数据库避短检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 学位论文作者签名：4 薹；酝 指导教师签名： 日 期：2 整i 。：教垦 矮： 学袋论文捧者毕犍嚣去舄： 工作单位：妇女驻查蕴三芒肇查舔电话：塑垡! ! 竺 逶镶逶址：蔓整奠辑皇羲舀盘辫 郝编：上泣蜇受二 謦 第一章引言 第一章引言 蓝牙技术( b l u e t o o t h t m ) 是近几年发展起来的一种中短距离无线 通信技术，该技术具有无线性、协议开放性、低能耗、高安全性等特 点。传统通信技术的传输介质多为有线介质，这些有线传输介质使通 信设备的位置相对固定，降低了设备的移动性，那么这种有线通信技 术就不适合使用在移动设备上。而蓝牙技术作为一种无线通信技术， 其在物理层使用无线射频信号作为传输介质，不同的设备只要安装有 蓝牙模块，他们之间无须连线就可以实现无线通信，这样就极大的提 高了设备的移动性。而且蓝牙技术的功耗很低，它不会增加设备太多 的功耗，所以它特别适合于对功耗要求比较严格的便携设备。所以蓝 牙技术是一种理想的替代电缆的无线通信技术。 蓝牙技术现在多使用在民用消费类电子产品上，如p d a 、笔记本 计算机、移动电话等移动电子设备。通过市场调研，蓝牙技术在这些 产品上的应用都是比较稳定的，但是在工业上的应用还处于实验研究 阶段，本课题的主要内容就是研究蓝牙技术在工业现场控制中的应用， 设计和实现蓝牙网关应用。本课题是中科院沈阳自动化所创新课题开 放网络化控制系统的研究与开发的子课题，另一个子课题是蓝牙 传感器的设计和实现主要研究内容是设计和实现蓝牙传感器。因为 传统工业现场总线都是大多是使用有线介质作为传输介质的，但一些 特殊的现场环境是不允许布线的，而且有线传输介质限制现场传感器 的移动。本课题具体实现的蓝牙网关应用就是使用蓝牙无线通信技术 替代有线传输介质，实现蓝牙传感器与f fh s e 现场总线的互连，以 及对现场蓝牙传感器的调度与监控。 国内现在对于蓝牙技术的研究多停留在民用消费电子产品上，只 有少数的大学在进行将蓝牙技术应用于工业现场控制中的研究，但是 都没有最终实现稳定的产品。国外己经有一些公司，如美国c r o s s b o w 公司、瑞典c o n n e t b l u e 公司等在进行这方面的研究，而且已经生产出 商品化的产品，但产品的价格都比较高，不适合在国内推广使用。本 第一章引占 课题最后实现了蓝牙网关应用的原形产品，如果近期市场有大的需求 量，该产品可以快速批量投入生产，而且可以进一步降低制造成本。 该产品填补了国内蓝牙工业产品的空缺，具有一定的创新性和实用性。 本课题要解决的关键问题主要有两个方面： 1 蓝牙网关应用与现场蓝牙传感器的无线通信问题。蓝牙网关应 用是运行在监控计算机上的，其操作系统平台只是一般的w i n 3 2 平台， 该计算机一般不在工业现场；蓝牙传感器则工作在工业现场，蓝牙模 块协议栈工作在嵌入式操作系统上。这样蓝牙传感器与蓝牙网关应用 运行在不同的操作系统平台上，在进行数据无线传输时就必须严格按 照蓝牙标准来实现，否则无法实现二者的互操作。 2 蓝牙网关应用与f fh s e 功能块的进程间通信。蓝牙网关应用 与f fh s e 现场总线功能块运行在相同的监控计算机上，但是两个应 用是独立的进程，由蓝牙传感器传输到蓝牙网关应用的数据必须通过 进程间通信，传输给f fh s e 现场总线功能块；同时f fh s e 现场总线 上的控制逻辑也需要通过进程间通信传输给蓝牙网关应用，再由蓝牙 网关应用来直接控制现场蓝牙传感器工作。 本课题为学科交叉课题，蓝牙网关应用中涉及到很多蓝牙技术的 基础理论知识，同时为了实现与f fh s e 现场总线的互连，涉及到了 工业控制理论和具体的f fh s e 通信标准，所以本论文将首先对蓝牙 技术的技术特点、分层协议体系结构和各协议层的具体内容进行阐述。 然后对现场总线技术进行概述性的介绍，重点说明f f 现场总线的分层 协议结构。在论文的最后一部分将针对已有现场总线中存在的问题， 提出一套使用蓝牙技术来解决问题的具体方案，并阐述了蓝牙网关应 用的具体设计和实现方法。 第二章蓝牙无线通信技术 第二章蓝牙无线通信技术 本文的关键内容主要针对现有有线工业现场总线中使用有线传输 介质所带来的不便，提出蓝牙技术在工业现场控制中的应用模型，以 无线介质代替有线介质作为通信手段来提高现场总线的实用性。所以 在本章将对蓝牙( b l u e t o o t h “) 技术做一全面的介绍和阐述，以便后 面讨论的方便。 2 1 蓝牙技术概述 2 1 1 蓝牙技术背景及标准化组织 随着计算机网络技术和无线通信技术的迅猛发展，人们对于通信 的要求已经不仅仅满足于能简单的实现异地的有线通信，而需要具有 高灵活性和移动性的无线通信技术。根据适用环境和特点的不同，相 继出现了适用于大用户量、全球范围的移动语音和数据通信技术g p r s ( 6 e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 、适用于办公室中长距离网络接入 的i e e e 8 0 2 1 l 无线乙太网技术、适用于个人超短距离通信的红外线技 术。但是一直都缺少适用于中短距离、低功耗、低成本、高互操作性 的无线技术。蓝牙技术就是在这样的背景下产生的。 蓝牙技术是一种中短距离无线射频通信技术。1 9 9 8 年5 月由 e r i c s s o n 、t o s h i b a 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 五家公司联合推出。此后， m i c r o s o f t 、3 c o m 、l u c e n t 和m o t o r o l a 公司也加入蓝牙技术的开发，从 而形成了一个蓝牙标准化组织，即蓝牙特殊兴趣小组( s i g ，s p e c i a l i n t e r e s tg r o u p ) 。蓝牙s i g 是国际性的非营利性技术组织，他们的主要 工作任务是定义一种实用的空中接口及其控制软件标准，用以实现不 同生产厂商的便携计算机、移动电话和其他便携设备之间的互通性。 任何公司只要签订一个免费的协议就可以加入蓝牙s i g ，并无偿使用 蓝生牙技术，产和销售基于蓝牙技术的产品。现在已经有超过2 5 0 0 家 公司和机构加入蓝牙s i g ，蓝牙技术得到了前所未有的支持。蓝牙s i g 第二章蓝牙无线通信技术 制定的是蓝牙规范，而并非是工业标准。在1 9 9 8 年3 月，i e e e 8 0 2 1 5 工作组成立，其主要任务是致力于研究无线个人区域网络和短距离无 线网络标准化问题，i e e e 8 0 2 1 5 工作组已经接受蓝牙规范，并为蓝牙 技术制定了8 0 2 1 5 1 标准和8 0 2 1 5 2 标准，使蓝牙技术真正成为一种 工业标准。 2 1 2 蓝牙技术特点 蓝牙应用省去了各种数字便携设备之问需要经过复杂的有线介质 连线和软件安装过程，使各种数字便携设备可以实现无缝连接，提高 了不同便携设备的移动性。蓝牙技术之所以可以提供这些优点，正是 因为蓝牙技术有如下的特点： 1 蓝牙技术的开放性 蓝牙s i g 制定的蓝牙无线通信标准是完全开放和无偿的。蓝牙技 术是由不同的厂商共同发起的技术协议，它是完全开放的，它可以被 任何加入蓝牙s i g 的厂商无偿使用。为了保证不同厂商生产的蓝牙产 品的互通性，蓝牙s i g 制定了一套完整严格的测试程序，只要厂商生 产的蓝牙产品通过了蓝牙s i g 的测试，都可以公开上市销售。 2 中短距离通信 蓝牙技术的通信距离比较短( 1 0 m l o o m ) ，虽然蓝牙技术较其他 一些通信技术其通信距离较短，但是其功耗非常低( 一般为 1 m w 1 0 0 m w ) ，比较适用于便携设备之间的通信，设备可以直接使用 体积较小的供电模块就可以满足其能量供应。 3 无线连接性 蓝牙技术使用射频信号作为其传输介质。蓝牙技术最初的设计目 标就是要取代不同设备之间的有线连接线，通过无线连接可以消除使 用有线连接所带来的移动性差的问题。通过蓝牙无线连接可以将不同 的设备连接成微网，实现了不同设备之间的数据共享。 4 蓝牙产品的互操作性和兼容性 蓝牙产品在遵从开放蓝牙标准的前提下，必须要通过s i g 的认证 4 第二章蓝牙无线通信技术 程序，只有通过了严格的认证测试程序的蓝牙产品才可以在市场上销 售，这样就保证了，即使是不同厂商生产的蓝牙产品也可以正常通信， 保证了互操作和兼容性。 5 传输语音和数字信息 蓝牙技术可以同时直接传输语音和数字信息。在由蓝牙技术连接 形成的微网中，不同的设备之间可以同时传输语音和数字信息，这样， 在单个蓝牙芯片上集成了对不同信号的处理，提高蓝牙技术的适用范 围，而不象i e e e 8 0 2 11 标准那样只能传输数字信号不能直接传输语音 信息，这样就限制了其适用范围。 6 安全无公害性 蓝牙技术使用射频信号的功率非常小，一般在l m w 到1 0 0 m w 之 间，这样的功率范围要比其他无线射频通信技术的功耗小的多，世界 卫生组织和i e e e 的专家已经对蓝牙技术的射频信号的功率进行了检 测，认为其辐射对人体是没有影响的。 7 工作频段的免费性 蓝牙射频信号工作在全球免费的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 a l ) 频段，任何工作在这个频段的蓝牙设备 都不需要向无线电管理部门申请，所以任何厂商生产的蓝牙设备在任 何一个国家都可以使用，而不需要交纳任何频段使用费用，降低了蓝 牙技术的使用成本。 8 信息的安全性 蓝牙技术在基带层使用跳频扩频技术( f r e q u e n c yh o p ) ，任何一 个蓝牙设备都可以根据其唯一的物理设备地址产生一个唯一的跳频序 列，在同一个蓝牙微网中的设备都使用主设备的跳频序列，所以不同 的微网中的设备不能互相侦听和干扰。同时蓝牙协议还规定蓝牙设备 必须在链路管理层进行设备之间的鉴权，在应用层可以由用户选择是 否进行鉴权。蓝牙还提供了在链路层和应用层的可选数据加密。而且 为了降低数据在传输过程中可能产生的错误，蓝牙技术使用了1 3 f e c 、 2 3 f e c 、a r q 等纠错技术。采用了以上这些措施可以保证使用蓝牙协 议传输信息的安全性。 第二章蓝牙无线通信技术 2 1 3 蓝牙协议体系结构 蓝牙协议的体系结构采用类似于i s 0 o s i 模型的分层结构，按照 功能将蓝牙协议划分成不同的垂直层次。蓝牙协议栈的设计原则是最 大限度地重用已有的通信协议，这样就保证了蓝牙协议与已有协议的 兼容性，同时也简化了遗留系统( l e g a c ys y s t e m ) 的移植。蓝牙协议 主要包括两个部分：蓝牙核心标准( s p e c i f i c a t i o n ) 和蓝牙应用规范 ( p r o f i l e ) 。蓝牙核心标准( s p e c i f i c a t i o n ) 对蓝牙协议从底层无线层 ( 传输层和链路层) 到高层应用层( 蓝牙专用应用层协议以及各种已 有应用协议) 的主要特性和功能进行了纵向的规定，主要包括射频、 基带、链路管理、逻辑链路控制与适配、串行电路仿真和服务发现等 协议层。蓝牙应用规范( p r o f i l e ) 则是根据不同的应用模式规定了协议 不同层的具体功能和操作过程，根据应用的不同，蓝牙应用规范可以 分为蓝牙通用访问规范、电话规范、串行和对象交换规范、网络规范。 蓝牙协议现在使用的版本是1 1 ，版本2 0 正在制定过程中。 蓝牙协议分层结构中的不同层分别完成数据流的过滤和传输、调 频和数据帧传输、物理和逻辑连接的建立与释放、链路控制、数据拆 装与重组、服务质量控制、协议分用和复用等。蓝牙的协议体系分为 四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和可选协议， 各层中的具体协议如下： _ 核心协议：基带( b a s e b a n d ) 、链路管理协议( l m p ，l i n km a n a g e r p r o t o c 0 1 ) 、逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ，l o g a nl i n k c o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 、服务发现协议( s d p ，s e r v i c e d i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) ： _ 替代电缆协议：串行电路仿真协议( r f c o m m ) ： _ 电话控制协议：二元电话控制规范( t c sb i n a r y ) 和a t - 命令 a t c o m m a n d ) ； - 选用协议：点到点协议( p p p ) 、用户数据报协议，传输控制协 议互联网协议( u d p ，r c p ，i p ) 、对象交换协议( o b e x ) 、无 线应用协议( w a p ) 、无线应用环境( w a e ) 、v c a r d 、v c a l 、 红外移动通信( h m c ) 。 要三垩堕茎查垡望堕垫查 除了以上这些协议，在基带控制器、链路控制器以及访问硬件状 态和控制寄存器等提供主机控制器命令接口( h c i ，h o s tc o n t r 0 1 1 e r i n t e r f a c e ) 。整个协议结构如图2 1 所示。 l! ! 兰竺! ! ! 竺! ! 图2 1 蓝牙协议层次 因为蓝牙系统中传输的数据要顺序的穿过协议栈中的不同层次， 这样可能要影响数据的处理速度，所以蓝牙协议栈中，并不是所有应 用都必须使用所有的协议层，可以只采用蓝牙协议层次中的一部分。 以上协议可以分为蓝牙专有协议和非专有协议，这样区分主要是在蓝 牙专有协议的基础上，尽可能地采用已有的各种高层协议或非专有协 议，这样就可以降低遗留系统的移植难度，例如t c p i p 等就是非专有 协议，那么原来运行在t c p i p 协议上的软件不需要太多修改就可以移 植到蓝牙系统之上。核心协议以及蓝牙射频是大部分蓝牙设备都需要 使用的协议层次。 在后面讨论的蓝牙网关程序为了保证较高的处理速度，就只使用 了蓝牙协议中的核心协议和r f c o m m 协议，而没有使用其他高层的 应用协议，限于本文篇幅有限，同时为了说明问题方便，我们在本章 第二章蓝牙无线通信技术 后面各节将主要介绍蓝牙网关应用所使用的蓝牙核心协议( 基带、链 路管理协议、逻辑链路控制和适配协议、服务发现协议) 和串行电路 仿真协议r f c o m m 。 2 2 蓝牙无线射频 蓝牙无线射频是蓝牙协议中的最低层次，属于蓝牙技术的硬件接 口，实现蓝牙技术的空中物理接口，该层主要规定了蓝牙射频信号的 规格和参数，包括射频信道的划分、射频的频段分布、信号的调制方 式等，这部分协议主要是由蓝牙专用硬件电路来实现。 1 射频频段和物理信道 蓝牙射频工作在免费的2 4 g h zi s m 频段，大多数国家规定这个 频段分布在2 4 0 0 m h z 2 4 8 3 5 0 m h z 。蓝牙底层收发器使用跳频扩频 ( f h s s ) 无线系统，高斯频移键控( g f s k ) 调制方式，针对不同国 家对i s m 频段使用的规定，蓝牙制定了不同的的跳频信道。对于大多 数国家使用的是2 4 0 0 m h z - 2 4 8 3 5 m h z ，在这个频段划分出7 9 个跳频 信道，每个信道带宽为1 m i - z 。而其他一些国家对于2 4 g h z 频段划分 为2 3 个跳频信道，具体划分情况如表2 1 所示 表2 12 4 g h z 频段划分方案 地区 频率范围信道划分方案 美国、欧洲和大多 2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ，= ( 2 4 0 2 + k ) m h z , k = o ，7 8 数国家 日本 2 4 71 2 4 9 7 m h z ，= ( 2 4 7 3 + k ) m m ，k = o ，2 2 西班牙 2 4 4 5 - 2 4 7 5m h z 厂= ( 2 4 h 4 9 + k ) m h z ，k = 0 ，2 2 法国 2 4 4 6 5 ，2 4 8 3 5m h z ，= ( 2 4 5 4 + k ) m h z ，k = 0 ，2 2 蓝牙射频系统使用了时分双工( t d d ) 工作方式，这样信道从时 间上被划分为很多时隙，蓝牙微网中的设备分为主设备和从设备，其 中，发起通信的设备称为主设备，其他设备都是从设备。主设备在偶 时隙发送，从单元在奇时隙发送。蓝牙射频的跳频频率是1 6 0 0 跳秒， 每个时隙的宽度是6 2 5 脚( 1 1 6 0 0 秒) ，蓝牙射频在指定时隙中其工作 8 第二= 帮蓝矛蠢栈遴藩接术 频率怒不变熬，聪有擞网中的蓝牙设备都与主设各的跳频序列同步， 翔黉2 。2 嚣录。遴霉分组鹣传辕霆在个麓黢中完袋，热莱褒一个黪 臻中炙法宪残龛帮数撼秘艘羧，也霹墩在3 个融隙中突威特耱，最多 可以扩攫刘5 个时隙，此时频率保特不变，与第1 个时隙的频率相同。 黧2 2 主飘设鍪辩羰 2 射频发射功率 蘸牙援寒终为一耱蔹霜在霞蒺设餐上的无线遴鑫按拳，巍爱要求 实际的电能消糯骠尽可能低，还要可以根据实际通信环蟪动淼调熬均 率漕耧。蓝牙的笈射嘏提供? 三个不徭酶葫率簿缀： 一c l a s sl ：i m w ( 0 d b m ) 1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 一c l a s s2 # o 2 5 m w ( 一6 d b m ) 2 。5 m w ( 4 d b m ) lc l a s s3 ：i m w ( 0 d b m ) 2 ，3 蓝牙链路控锻器张基带 与蕊牙射频样，蓝牙链路掩南嚣藕基带落是在蘸牙硬件孛察凝 豹，其主要功越魑蓝牙微刚秘设螯麴控制，包撼定时、建立链路物理 遗接、虢频序掰选择、媒体接入控懿、功率控黼疆安全繁嬉，翔莲2 3 黪示。露班认为蓬牙瓣叛挺撰了黉蜍数摄帮滔巍的方法，瓣麓矛链路 按制嚣鞠基萤粼窦瑰澍薤牙射频工撂的接裁。 9 第二章蓝牙无线通信技术 图2 3 蓝牙链路管理器与基带逻辑构造和功能 2 3 1 蓝牙微网和物理链路 蓝牙支持点对点和点对多点传输两种连接方式。多个共享信道的 蓝牙设备构成蓝牙微网。在一个微网中发起通信的设备成为主设备， 同一个微网中的所有蓝牙设备使用该微网中主设备的跳频序列进行通 信。基带就定义了跳频序列的产生。当多个微网在一定的区域中出现 重合时，便产生了散射网。同一个设备可以在一个微网中充当主设备， 而在另一个微网中则充当从设备。 蓝牙的物理链路分为两种：s c o 链路与a c l 链路。 s c o ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o no r i e n t e d ) 链路是面向连接的同 步链路，它支持主设备和特定的从设备之间对称点到点链路，是传输 语音的线路交换链路。s c o 链路是在物理信道中的保留时隙上实现的。 微网中一个主设备最多支持到不同或同一个设备的3 条s c o 链路，因 为s c o 链路使用的面向连接链路可以保证通信的可靠性，所以它不再 提供对重发分组的支持。 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 ) 链路是在非s c o 链路 保留时隙上工作的无连接链路，它是主从设备之间的分组交换式连接， 第二章蓝牙无线通信技术 a c l 链路主要用来传输数据信息。在一对主从设备之间最多只能支持 一条a c l 链路，a c l 链路支持一个设备对多个设备的广播。因为a c l 链路使用的无连接链路无法保证通信的可靠性，所以它支持重发分组 的机制。 2 3 2 地址格式 1 蓝牙设备地址 每个蓝牙设备都有一个全球唯一的4 8 位地址，称为蓝牙设各地址 ( b da d d r ) 。该地址是固化在蓝牙物理硬件中的，蓝牙设各地址分 为3 个段：2 4 位低地址段( l a p ) 、1 6 位高地址段( u a p ) 和4 位未 定义段，如图2 4 所示。蓝牙设各地址除可以唯一标识一个蓝牙设备 外，它与微网标识、分组头错误检测、鉴权和加密字的产生有着密切 的关系。 2 4 b i t8 b i tl6 b i t 图2 4 蓝牙设备地址格式 2 微网活动成员地址 在一个微网中，主设备为每个活动从设备都分配一个3 位的活动 成员地址( a ma d d r ) ，所以一个微网中最多可以有7 个活动从设备， 其中全0 的活动成员地址用于进行广播通信。当微网主设备与从设备 进行通信时就在分组中使用该地址来标识从设备。 3 休眠成员地址 当微网中的从设备进入休眠状态时，主设备给该从设备分配一个8 位的休眠地址( p ma d d r ) ，主设备就是通过该地址来区别休眠的从 设备的，在一个微网中最多可以有2 5 6 个休眠的从设备。 4 访问请求地址 当从设备要从休眠状态转为活动状态时，从设备使用访问请求地 址( a ra d d r ) 来确定从主时隙来和主设备保持同步。不同的从设 第二章蓝牙无线通信技术 备可以使用相同的访问请求地址。 2 3 3 蓝牙分组格式 蓝牙的数据信息是以分组的形式通过基带传输的，每个分组由3 个部分组成：7 2 位识别码、5 4 位分组头、最多2 7 4 5 位有效净荷，如 图2 5 所示。根据操作不同，分组可以由识别码自己单独组成，或者 由识别码和分组头组成，或者由识别码、分组头和有效净荷共同组成。 7 2 b i t5 4 b i t0 2 7 4 5 b i t 图2 5 蓝牙分组格式 其中，识别码主要用于时钟同步、d c 补偿平衡和身份识别，在同 一个微网中所有设备使用相同的识别码，识别码本身可以分为：信道 识别码( c a c ) 、设备识别码( d a c ) 、通用查询识别码( g i a c ) 、专 用查询识别码( d i a c ) 。 分组头中包含重要的链路控制数据，帮助中间接入控制。为了保证 头字段的可靠性，它使用i 3 f e c 纠错编码，实际它的数据为1 8 位， 其组成如图2 6 所示。其中a ma d d r 是要通信的活动成员地址；t y p e 是分组类型，共有1 6 种；f l o w 用于流控；a r q n 用于捎带确认信息； s e q n 说明该分组是否为重发分组；h e c 是头错误校验。 3 b i t4 b i tl b i t1 b h1b i t8 b i t 图2 6 分组头格式 有效净荷有3 种形式： _ a c l 分组只包含数据信息； _ s c o 分组只包含语音信息； _ d v 分组同时包含语音和数据信息 按照s c o 和a c l 链路不同可以将分组分为1 2 种，还有4 种为两 第二章蓝牙无线通信技术 种链路都使用的通用分组，分组类型如表2 2 所示。 表2 2 分组类型 段 类型码 占用时隙s c o 链路a c l 链路 0 0 0 01n u l ln u l l 0 0 0 l1p o l lp o l l l 0 0 1 01f h sf h s 0 0 1 11d m ld m l 0 1 0 0l 来定义 d h l 0 1 0 11h v l 未定义 0 1 1 01h v 2 未定义 2 0 1 1 1lh v 3 未定义 1 0 0 0ld v 未定义 1 0 0 11 未定义 a u x l 1 0 1 03 未定义 d m 3 1 0 1 13 未定义 d h 3 3 1 1 0 0 3 未定义未定义 1 1 0 13 未定义未定义 1 1 1 05 未定义 d m 5 4 1 1 1 l 5 未定义 d h 5 2 3 4 蓝牙设备操作状态及转换 蓝牙操作状态包括2 种主状态：连接状态( c o n n e c t e ds t a t e ) 和待 机状态( s t a n d b ys t a t e ) 。还有7 种子状态：呼叫( p a g e ) 、呼叫扫描( p a g e s c a n ) 、查询( i n q u i r y ) 、查询扫描( i n q u i r ys c a n ) 、主设备应答( m a s t e r r e s p o n s e ) 、从设备应答( s l a v er e s p o n s e ) 、查询响应( i n q u i r yr e s p o n s e ) 。 主从设备的状态转换需要链路管理命令和链路管理器内部信令的控 制。图2 7 显示了各状态之间的转换关系。 从待机状态到连接状态，中间需要经过查询和呼叫状态。在查询 状态下，主设备在其通信范围之内搜索其他设备的标识，而从设备必 须处于查询扫描状态监听和响应查询；在呼叫状态下，主设备对其通 信范围内的指定设备进行呼叫操作，从设备必须处于呼叫扫描状态。 如果主设备已经获得了从设备的蓝牙设备地址，主设备可以直接越过 t 第二章蓝牙无线通信技术 查询状态而直接进行呼叫操作。 图2 7 蓝牙操作状态图 2 3 5 蓝牙基带加密与鉴权 1 蓝牙基带加密 因为蓝牙的数据信息是通过无线空中接口传输的，所以信息的保 密性就非常重要，不能直接把明文数据在空中传输，必须通过硬件加 密将要发送的数据加密，这样即使数据被非法截获( 蓝牙的跳频序列 很难被其他非微网设备获得) ，没有正确的密钥，这些数据也无法正确 的被破解，这样就提高了蓝牙的安全性。但因为加密要占用一定的处 理时间，所以根据不同的蓝牙应用规范用户可以选择是否使用基带加 密。 蓝牙通过加密分组的净荷可以保护重要的用户数据，而接入码和 分组头不需要加密。蓝牙的加密过程使用流密系统e o ，其原理如图2 8 所示。流密系统e 0 主要包括3 个部分：第一部分执行初始化生成净荷 塑三里堕茎查垡望堕垫查 密钥；第二部分生成密钥比特流：第三部分完成最后的加密或解密。 设 各地址 净荷密钥 醐泄船k 时钟 生成器 r a n d 密文 图2 8 蓝牙流密系统e o 文 文 2 鉴权 在蓝牙设备中除了基带数据的加密，蓝牙还实现了不同设备之间 的鉴权，蓝牙设备之间使用竞争响应( c h a l l e n g e r e s p o n s e ) 模式。这 种模式需要2 步协议，使用对称密钥对申请鉴权设备的密钥进行检测。 如果经过正确的链路密钥生成方法，生成k 。验证设各生成一个随机 数a u r a n d a ，并发送给申请鉴权的设备，申请设备会使用该随机数 和申请设备的蓝牙地址和k 产生一个s r e s 值，并将其发送回鉴权设 备，鉴权设备也使用同样的方法生成一个s r e s ，如果s r e s = s i 冱s 则鉴权通过，否则鉴权失败，鉴权设备将不给申请设备提供服务。鉴 权可以是双向的，所以两个设备可以互相鉴权。 罨a 日c o a u - r a n d a 雎e 1 d 睦_ a d 钥d r 。b 7 一 一、一 s r e s 图2 9 蓝牙鉴权原理 第二章蓝牙无线通信技术 2 4 蓝牙链路管理器协议l m p 链路管理器是运行在蓝牙设备处理器中的软件，其作用是通过交 换链路控制信息，对蓝牙设各之问的链路进行设置和控制，以实现对 链路的管理。它是位于链路控制器之上的，但和其他的协议层没有直 接的层次关系，如图2 1 0 所示。链路管理器之间使用链路管理器协议 ( l m p ，l i n km a n a g e rp r o t o c 0 1 ) ，在不同设备之间的链路管理器之间 交换的消息称为链路管理器协议数据单元( l m pp d u ) 。l m p 协议功 能是负责链路的建立、加密和控制。链路管理器消息的优先级要比用 户数据的优先级高。 控 图2 1 0 链路管理器层次 息 2 4 1 链路管理器协议单元格式 l m pp d u 是放在a c l 数据分组中传送的。a c l 数据分组的有效 载荷头字段中包含了一个l _ c h 字段，如果其取值为1 1 ，表示该a c l 分组的有效载荷中包含的是l m p _ p d u ，l m p _ p d u 只能使用单时隙 d m l 分组或者d v 分组的格式发送。 l m pp d u 的格式如图2 1 1 所示。它由三部分组成：7 位的操作码， 表示不同类型的l m p；1 位事务i d 字段表示该是由_pdul m p _ p d u 主设备还是从设备发出的。事务i d 为0 表示它是由主设备发出的，事 务1 d 为1 表示它是由从设备发出的；不定长的内容字段包含了 l m p _ p d u 的具体参数。 】6 第二章蓝牙无线通信技术 7 b i t 1 b i t 不定长 图2 1 1l m pp d u 分组格式 根据操作码的不同，蓝牙l m pp d u 的分组类型有很多，如表2 3 所示。整体上蓝牙分组可以分为两种类型： 第一种类型要求发送方链路管理器发送请求消息初始化通信，而接 收方链路管理器接受消息后可以接受请求执行要求的操作，或者拒绝 消息请求并发送l m pn o ta c c e p t e d 分组，或者发送自己的请求消息进 行协调； 第二种类型要求发送方链路管理器发送请求消息，接受方链路管理 器必须接受请求，并按请求操作。 表2 3 蓝牙l m p _ p d u 分组类型 p d u 字节数操作码方向内容 l m p _ a c e e d l e d 23 m s 操作代码 u 心a l lr m a d1 71 1m s 随机数 l a u t oml3 5m s l m p _ c l k o f f s e l r e q l5m s l m p _ c l k o f f s e t _ n e s 36m s 时钟偏移 l m pc o m bk e y1 79m + 呻s 随机数 l m p _ d o e l o o w e r _ r e q u e s t 23 2m + s 保留备用 l m pd e t a c h27m h s 断开连接原因 l m p _ c n r y p t i o n _ k e y _ s i z e _ r e q 21 6m s 加密字长度 l m p _ e n c r y p t i o n _ m o d e _ r e q 21 5m s 加密模式 l m p _ f e a t u r e s _ r e q 93 9m + s 特性 l m p _ f e a t u r e s _ r e s 94 0m h s 特性 l m p - h o s t _ c o n n e c t i o n _ r e q 15 1m s l m ph o l d32 0m s 保持时间 l m ph o l dr e a32 1m s 保持时间 l m p _ i n e r o w e r _ r e q 23 lm s 保留各用 l m pi nr a n d178m h s 随机数 l m pn l a xd 0 w 盯13 3m s l mm a xs l o t24 5m s 晟大时隙 l m p _ _ m a xs l o t _ r e q 24 6m s 最大时隙 l m p _ _ m i n _ j a o w e r 13 4m s 1 7 第二章蓝牙无线通信技术 l m p _ m o d i f y _ b e a c o n 1 1 n 32 8 m s定时控制 l m p _ n a m e _ r e q 21m s 名字偏移 l m pn a m er e s1 72m h s 名字偏移；名字长度；名 字段 l m pn o ta c c e d t e d34m h s 操作码；未接受原因 l m p _ p a g e _ m o d e _ n e g 35 3m h s 呼叫方案；呼叫方案设置 l m p _ p a g e s c 一m o d c _ r e q 35 4m h s 呼叫方案；呼叫方案设置 l m p9 a r k1 7 2 6 m s定时控制标志 l m p _ p a r k _ r e q 12 5m h s l m p j r e f e r r e dr a t e 23 6m s 数据速率 l m p _ q u a l i t yo f _ s e r v i c e 44 lm s 轮询间隔 l m p _ q u a l i t y _ o f _ s e r v i c e _ r e q 44 2m s 轮询间隔 l m p _ r e m o v e _ s c o _ 1 i n k _ r e q 34 4m s s c o 处理；原因 l m ps c oi i n kr e q74 3m s s c o 处理 定时控制标 志；s c o 分组 l m ps e t b r o a d c a s t _ s c a n _ w i n d o w 4 62 7 m s定时控制标志；广播扫描 宙 l m p _ s e t u p _ c o m p l e t e l4 9m s l m ps l o to f f s e t95 2m h s 时隙便宜；蓝牙设各地址 l m ps n i f f1 0 2 2m h s 定时控制标志；呼吸尝 试；呼吸超时 l m p s n i f fl e g 1 02 3m h s 定时控制标志；呼吸尝 试；呼吸超时 l m ps l e s5 1 2m s 鉴权响应 l m p - s t a r t _ e n c r y p t i o n _ r e q 1 71 7m s 随机数 l m p _ s t o p _ e n e r y p t i o n _ n e q l1 8m s l m p _ s u p e r v i s i o n _ t i m e o u t 35 5m s 监视超时 l m p _ s w i t c h _ r e q 11 9m + s l m pt e i l l pr a n d1 71 3m s随机数 l m u e m p _ k e y 1 71 4m s 关键字 l m e _ t i m i n g _ a c c u r a c y _ r e q 14 7m h s l m e