（计算机科学与技术专业论文）面向多天线蓝牙环境的中间件研究与设计.pdf

独创性声明 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的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢椎嘞 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 摘要 摘要 随着无线通信技术的发展和人们生活水平的提高，无线通讯产品已经逐渐 地走入了人们的工作和生活中。蓝牙技术作为s o h o ( 锄a l lo m c e m o m eo 街c e ) 环境中广泛使用的无线通信技术之一，为人们的居家、办公环境的便捷化提供 了可靠的技术支持。在蓝牙技术不断发展和进步的同时，支持蓝牙传输的电子 设备也越来越多，经常出现在蓝牙可互联空间内同时有多个蓝牙设备的情况。 但是由于目前蓝牙协议的限制，在某一时刻，一个蓝牙设备只能同另外一个设 备传输数据。因此，如何设计一个能够把蓝牙可互联空间内的多个设备进行充 分连接、使蓝牙资源进行充分利用和整合的方案，是目前蓝牙技术研究与应用 的一个热点，也是蓝牙技术发展的一个重要方向。 本文通过深入研究开发中间件软件的技术和方法，结合构件化开发的思想， 以蓝牙技术为实现手段，设计并实现了面向集中式多天线蓝牙环境中间件 ( c m a b m ) 。该中间件安装在有多个蓝牙天线的嵌入式设备上。通过该中间件 提供的a p i 进行编程，可以控制多个蓝牙天线同时与其他蓝牙设备进行蓝牙通 讯，使用其他蓝牙设备的资源，实现“一用多 的方式。此外还设计了面向分 散式多天线蓝牙环境中间件( d m a b m ) 。具体工作如下： 首先，深入研究了蓝牙技术的协议和规范，构件化软件开发方法、嵌入式 系统的开发方法以及中间件系统软件的特点和主要功能、多任务调度概念和实 现手段。 然后，根据可以同时使用多蓝牙天线、并能够进行合理调度多蓝牙服务并 屏蔽操作系统的要求，设计出了面向集中式多天线蓝牙环境的中间件。总结了 该设计方案中的诸多关键问题，并提出关键问题的解决方案。之后考虑到蓝牙 技术通信距离有限的问题，提出了使用通过有线网络连接蓝牙设备、扩展蓝牙 连接区域的应用场景，在集中式多天线中间件的技术基础上，设计出了分散式 多天线蓝牙环境中间件。 最后实现了一个基于集中式中间件进行多蓝牙服务调度的系统。工作包括 软、硬件平台的选型，中间件软件的实现、中间件测试程序的开发，以及测试 结果的反馈与分析。 本文提出的中间件系统可以实现在多蓝牙设备互连，达到蓝牙资源充分共 享的目的，是对蓝牙技术应用的一次有益探索。面向分散多蓝牙天线环境的嵌 入式中间件，有效地突破蓝牙系统通信的距离限制。在蓝牙技术应用方面体现 了一定创新性，将对蓝牙技术的研究与发展起到一定的推动作用。 关键词多天线蓝牙环境；嵌入式中间件；构件化开发 a b s t r a c t a b s t r a c t a s t h ei i e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u m c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm ei m p r o v e m e m o fp e o p l e s1 i v i n gs t 锄d a r d s ，w i r e l e s sp r o d u c t sh a v e 伊a d u a l l ys t 印i n t op e o p l e sl i f e 肌dw o r k b l u e t o o t ht e c h i l 0 1 0 9 y 弱aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yw 1 1 i c hi s o n eo fm o s tw i d e l yu s e di ns o h o ( s m a l lo m c e i l o m eo 伍c e )e n v i r o n m e l l tp l a y sa i l i n c r e a s i n g l yi m p o r r t a i l tr o l eo fp r 0 v i d i n gs e i c e si nb o mo f f i c e s 肌dh o m e a c t i v i t i e s b l u e t o o t h t c c l l l l o l o g y c o n t i n u e st oe v o l v ea 1 1 d p r o g r e s s ， m o r ea l l dm o r c b l u e t o o t h e n a b l e dd e v i c e sc o m ei n t ou s e ，w h i l es o m ep r o b l 锄so c c u r t h o u 曲m e r e a r es e v e r a lb 1 u e t o o t hd e v i c e se x i s t i n gw i t h i nas m a l lp h y s i c a ls p a c e ，t h e yc 籼o t s h a r er e s o u l c e sw i t h o u ta d e q u a t ei n t e r c o n n e c t i o n s ol l o wt 0d e s i g nas y s t e i i lw h i c h c 锄向1 1 yc o 肌e c tt h eb l u e t o o md e v i c e si nas m a l lp h y s i c a ls p a c e ，a n ds u m c i e n t l y i n t e 伊a t ea n du t i l i z et h eb l u e t o o t hr e s o u r c e si s ah o t s p o ta sw e l l 弱a 仃肌di n b 1 u e t o o mt e c h n o l o g yr e s e a r c h t 1 1 i sp 印e rd e s i 髓e da l l di m p l e m e n t e dac e n t r a l i z e dm u l t i 。a n t e n n ab l u e t o o m o 订e n t e de m b e d d e dm i d d l e w a r ec 锄p r o v i d ea p if o rc o d i n g ，a i l dy o uc a n c o n t r o lm e b l u e t o o md e v i c ew h i c hi se q u i p p e dw i t hm u l t i p l ea n t e m l a ss i m u l t a i l e o u s l yt o c o m m u l l i c a t i n ga i l du s i n gm u l t i p l eb l u e t o o t hd c v i c e st 0 m l f l l l 如1 lr e a l i z a t i o no f i n t e 酉a t i o na i l du s i n gb l u e t o o t hr e s o u r c e s ，觚dad i s t r i b u t e dm u l t i a n t e 衄ab l u e t o o t h o r i e n t e de m b e d d e dm i d d l e w a r et h r o u g l ld e e pr e s e a r c ho nt e c l l n 0 1 0 百e s a n d a p p r o a c h e so fm i d d l e w a r ei n l p l e m e n t a t i o n ， c o m b i n e dw i t hc o h l p o n e n t - b 嬲e d s o 脚a r ed e v e l o p m e n tm e t h o d s 锄dt h ea c c u m u l a t e db 1 u e t o o mk i l o w l e 曲e 舶m d a i l yd e v e l o p m e n t s p e c i f i ct a s k sa r e 嬲f o l l o w s ： f i r s t l y t h i s p 印e rd e 印l y s t u d i e d c o m p o n e n t b a s e ds o 胁a r ed e v e l o p m e n t m e m o d s ， m ec o n c 印ta 1 1 dr e a l i z a t i o n m e a i l so fm u l t i t a s k s c h e d u l i n g ， m e d e v e l o p m e n tm e t h o do fe n l b e d d e ds y s t e ma n dm e m a i nf u n c t i o n sa n dc h a u r a c t e r i s t i c s o fm i d d l e w a r es y s t 锄s o f h a r eb ye x t e n s i v er e a d i n go fr c l a t e dr e f e 啪c e sh o m e 锄d a b r o a d s e c o n d l mw ep r o p o s e das y s t 锄r e q u i r 锄肌tt h a tt h es y s t e ms h o u l dr e a l i z e a b o v em n c t i o n sw i t hac e n a i np e r f o m a n c ei no r d e rt h a tm es y s t e mc o u l di n t e g r a t e m u l t i a n t e 肌ab l u e t o o t ha n d 叩e r a t et h e mp r o p e r l yi np r a c t i c e ，a n dt h e np r e s e n t e da s 舒e so fm e c h a n i s m st os o l v et h ek e yp r o b l e m so fm ec e n t r a l i z e dm u l t i - a n t e 姐a b 1 u e t o o t hs v s t e m c e l l t r a l i z e dm u l t i 肌t e i m ab 1 u e t o o t hc m b e d d e dm i d d l e w a r ew a s d e s i 印e db ym e a n so ft e c h n i q u e sa c c u m u l a t i o n a r e 刑a r d s ，w ep r o p o s e das y s t e m i i i r e q u i r e m e n to ft h em i d d l e w a r ew i t hd i s 砸b u t e dm u l t i a 1 1 t e l m ab l u e t o o t ho nm e b a s i s o fc m a b ma n dp r e s e n t e dam e c h a n i s mt os o l v et h ek e yp r o b l e m f i n a l l y ，a n a r c h i t e c t u r ef o rd i s t r i b u t e dm u l t i b l u e t o o t hm o d u l e so r i e n t e de m b e d d e dm i d d l e w a r e w a sc o n s t m c t e d t h e n ， w ei m p l e m e n t e dap r a c t i c a ls y s t e mw i t hm u l t i a n t e 肌ab l u e t o o m s c h e d u l i n gb a s e do nc m a b m t h em a i nw o r ki n c l u d e dt h es e l e c t i o no fh a r d w a r e p l a t f o m sa j l ds o f h a r ep l a t f o r m s ，a sw e u 嬲t h ed e v e l o p m e n to ft h e 印p l i c a t i o n 1 a y e r t h es v s t e mc o u l di n t e r c o i l i l e c t t h em u i t i b 1 u e t o o t hd e v i c e si nas m a np h y s i c a l s p a c ei n o r d e rt oa c h i e v et h ep u 印o s eo fm 1 1b 1 u e t o o mr e s o u r c e ss h 撕n g ，w 嬲a b e n e f i c i a le x p l o r a t i o no fb 1 u e t o o t ht e c l l l l 0 1 0 9 y 印p l i c a t i o n u s i n gm ed i s t r i b u t e d m u l t i a m e n n ab l u e t o o t ho r i e n t e dm i d d l e w a r et h i sp a p e rp r e s e n t e dc a ne f r e c t i v e l y b r e a l 【衄o u g hb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o nd i s t a l l c el i m i t a t i o n s w h a th a v eb e e nd o n e 矗wt h i sp 印e r 锄b o d i e dm ei m l o v a t i o ni nm eb 1 u e t o o t h 印p l i c a t i o n ，a n dw o u l d p r o m o t er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e mo ft h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y k e y w o r d sm u l t i - a n t e n n ab 1 u e t o o t he n v i r o n m e n t ；e n l b e d d e dm i d d l e w a r e ； c o m p o n e n td e v e l o p m n t 只录 目录 摘要i a b s 咖t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题相关背景1 1 2 课题研究现状3 1 3 主要研究内容4 1 4 论文组织结构5 第2 章多天线蓝牙中间件的相关理论和技术7 2 1 蓝牙技术概述7 2 1 1 蓝牙技术的特点7 2 1 2 蓝牙协议体系结构8 2 1 3 常见的蓝牙应用模型及协议栈9 2 2 构件化开发方法简介1 1 2 2 1 构件化方法的发展历程1 1 2 2 2 构件化方法的开发优势1 2 2 3 嵌入式系统概述。1 3 2 3 1 嵌入式系统概念和组成1 3 2 3 2 嵌入式系统的特点和开发1 4 2 4 中间件的基本概念15 2 4 1 中间件的基本概念和发展过程1 5 2 4 2 中间件的主要类型和实现方法1 7 2 4 3 嵌入式中间件1 9 2 5 多任务调度19 2 6 本章小结2 2 第3 章面向集中式多天线蓝牙环境中间件的设计2 3 3 1 系统的提出2 3 3 2 c m a b m 功能需求。2 4 3 2 1 跨操作系统平台2 4 3 2 2 提供多蓝牙服务2 5 3 2 3 构件化开发特征2 5 3 2 4 友好人机交互界面2 6 3 。3 c 脚m 关键问题分析2 7 3 3 1 构件化开发的实现机制2 7 3 3 2 操作系统的屏蔽机制2 7 3 3 3 调度算法的选择机制2 9 3 3 4 实时性能的保证机制2 9 3 3 5 关键信息的存储机制3 0 3 4 c m a b m 总体设计3 0 3 4 1 c m a b m 设计思想3 0 3 4 2 c m a b m 体系结构3 1 3 5 c m a b m 关键问题的解决方案3 6 v 北京t 业人学t 学硕l j 学何论文 3 5 1 构件化开发方法的解决3 6 3 5 2 屏蔽操作系统方法的实现3 9 3 5 3 线程调度算法的选择4 0 3 5 4 保证实时性能的方法4 2 3 5 5 数据加密算法的选用4 3 3 6 本章小结4 4 第4 章面向分散式多天线蓝牙环境中间件的设计4 5 4 1d m a b m 功能需求4 6 4 2d m a b m 总体设计4 7 4 2 1 蓝牙服务器端4 8 4 2 2 蓝牙客户端。5 0 4 3 d m a b m 关键问题的解决方案5 l 4 3 1 语言映射机制( l a n g u a g em 印p i n gm e c h a n i s m ) 5 2 4 3 2 分散式天线调度机制5 3 4 3 3 链路管理机制5 3 4 4 本章小结5 4 第5 章基于c m a b m 蓝牙服务器系统的实现5 5 5 1 系统开发方案及开发平台选择5 5 5 1 1 硬件选型方案5 5 5 1 2 软件选型方案5 7 5 1 3 系统开发原型5 8 5 2 蓝牙服务器系统的设计与实现5 9 5 2 1 硬件功能设计5 9 5 2 2 c m a b m 的实现6 0 5 3 蓝牙服务器系统的测试7 1 5 3 1 测试例程7 1 5 3 2 系统功能测试7 3 5 4 本章小结7 4 结j 沦7 5 参考文献7 7 攻读硕士学位期间取得的研究成果8 1 致谢8 3 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 随着信息化的发展，计算机技术和无线通信技术的融合也进入高速发展的时 期。在人们的物质生活极大提高的同时，人们对生活质量也有了更高的要求。原 有的有线网络结构，已经不能满足于人们对便捷化生活的需要了。因此在现在办 公、家庭环境中，越来越来的人开始选择使用无线通信设备。无线连接方式代替 有线连接方式，成为了一种趋势。 目前比较常用的无线通信技术有以下几种：蓝牙技术、h o m e r f 、无线局域 网技术( e e 8 0 2 1 1 ) 、红外线技术以及z i g b e e 【。h o m e r f 是h o m e r f 工作组在 2 0 0 3 年提出的无线技术，应用的范围是家庭环境，连接不同的电子设备。但是由 于该技术在应用与推广上的的不力，估计以后将难有作为；无线局域网技术的传 输距离比较远，传输速率也比较高，但是功耗大、而且芯片价格昂贵；红外线技 术的研发起步比较早，技术比较成熟，但是它使用的效果受距离和角度影响比较 大，所以推广和普及受到了限制；z i g b e e 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低 数据速率的无线技术，比较适合以传输控制信息为主的工业控制领域；蓝牙则由 于其功耗低、芯片价格低、传输距离适中、传输速率快的技术特点，比较适合家 庭、办公室等短距离、大传输信息量的网络范围内的使用f 2 】。基于上述原因，蓝 牙技术在s o h o ( s m a l lo m c e 1 1 0 m eo 伍c e ) 环境中的应用非常广泛。目前蓝牙产 品在日常生活中也越来越多，但是由于协议的限制，一个蓝牙产品只能使用另外 一个产品的服务，也就是“一对一 ，无法一个产品可以同时和多个蓝牙产品服 务通讯。因此如何控制多个蓝牙设备的交互、整合多个蓝牙设备之间的资源，是 当前蓝牙研究领域的一个重要研究方向。 1 1 课题相关背景 1 9 9 4 年通信行业巨头爱立信( e r i c s s o l l ) 公司开展了一项有深远影响的无线通 信技术研究。最初，爱立信试图研究一种以让手机及其附件低功耗、低成本的 无线通信技术。但是随着研究的深入发展，其研究重点慢慢调整成如何实现一 种新的无线连接方式，可以去除连接移动电话与耳机、笔记本电脑以及其他设 备之间繁杂的线缆。爱立信将这项新的无线通信技术命名为蓝牙p j 。随着项目 的发展，蓝牙技术的应用前景也变得广阔起来。1 9 9 8 年5 月，爱立信联合诺基 亚( n o k i 曲、英特尔( i n t e l ) 、m m 和东芝( t o s h i b a ) 这四家公司一起成立了特殊兴趣 小组( s i g ) 。现在全球支持蓝牙技术的2 0 0 0 多家设备制造商( 包括微软、摩托 罗拉等国际著名公司在内) 已经成为s i g 的会员【4 j 。 北京t q p 大学t 学硕f 学位论文 随着蓝牙技术的推广和普及，蓝牙产品的使用，已经从开始作为附属设备 应用于移动性较大的移动电话耳机、p c 卡或笔记本电脑插卡等的高端产品，再 到嵌入移动电话、个人台式机、笔记本电脑、p d a 等中高档产品的阶段，进入 到在家用电器、数码相机及普通电子产品普遍使用的阶段 5 1 。2 0 0 8 年具备蓝牙 功能的手机已经占到全球手机出货量的5 0 以上。目前几乎所有中高端手机、 p d a 等设备都配备了蓝牙功能。根据蓝牙技术联盟的统计，今年全球蓝牙芯片 的出货量达到2 0 亿个。 现在蓝牙网络非常的普及，很多人使用几个蓝牙产品。但是由于蓝牙协议 的限制，某些情况下多个蓝牙设备不可以同时互相连接。这样，在不影响功能 的前提下，如何充分地让蓝牙设备互联，合理、有效地利用蓝牙设备中的资源， 让多个蓝牙设备同时工作，尽可能多的利用蓝牙的带宽，是摆在人们面前的一 个亟待解决的问题。2 0 0 9 年s i g 推出的蓝牙规范3 0 + h s ，其传输速度已经有 了很大的提高，数据传输率提高到了大约2 4 m b p s ，是蓝牙2 o 的八倍，可以轻 松用于录像机至高清电视、p c 至p m p 、切p c 至打印机之间的资料传输。蓝 牙技术的高带宽，让人们看到了同时利用多个蓝牙应用的可能。人们也期待能 有像图1 1 中的蓝牙服务器的产品出现。 图1 1 蓝牙设备多服务应用场景 f i g u r e1 1b l u e t o o t h m u l t i - s e i c es c e n 撕o s 本文的研究工作，是基于目前对蓝牙领域的技术特点、最新规范的掌握，蓝 牙协议的深刻理解，并有相关实际开发经验作为基础，针对一个蓝牙设备不可同 时使用多个蓝牙设备服务的问题，提出了相应的解决方案。该解决方案对蓝牙技 术的应用和蓝牙产品的推广，起到了积极的推动作用。 2 第t 章绪论 1 2 课题研究现状 s i g 致力于蓝牙技术在全球的发展与应用。为了更好的推广蓝牙技术，该组 织将蓝牙技术标准完全公开。1 9 9 9 年7 月s i g 公布了蓝牙规范1 o 版；5 个月 之后公布了蓝牙规范的1 0 b 版；1 1 版已于2 0 0 1 年4 月公布；2 0 0 3 年1 1 月公 布了1 2 版本；2 0 0 4 年8 月公布了2 o 版本；2 0 0 9 年4 月在日本东京召开的年 度全体会议上，蓝牙特别兴趣小组( b l u e t 0 0 t hs i g ) 正式颁布了最新一代标准规范 “b l u e t o o mc o r cs p e c i f i c a t i o n 、r e r s i o n3 o + h i g hs p e e d ”( 蓝牙核心规范3 o 高速 版) ，可简称为“蓝牙3 o + h s ”，或者“蓝牙3 o 1 6 j 。 近年来，蓝牙技术的广泛应用和其产生了良好的经济和社会效益的现象， 已经引起了业内人士的广泛关注。世界上最大的专业技术组织之一e e ( 美国 电子和电气工程师协会) 已经成立了8 0 2 1 5 工作组，制订了基于蓝牙技术的个 域网标准。同时还根据面向不同的场景，制定出了8 0 2 1 5 1 ( 初始版本标准) 、 8 0 2 1 5 2 ( 改进版本标准) 、8 0 2 1 5 3 ( 针对消费类产品的标准) 、8 0 2 1 5 4 ( 针对 无限个人局域网标准) 四个标型。 伴随着国外蓝牙技术的迅猛发展，蓝牙技术在国内的发展也是方兴未艾。 在党中央国务院的“科教兴国 战略的指导和支持下，众多科研院校和大公司， 对蓝牙技术的研究和应用也做了大量的工作，并且取得了可喜的成果。相关的 专家成立了蓝牙技术发展与应用论坛，不定期组织国内的蓝牙专家与s i g 组织 的成员进行技术层面的交流【8 】。但是，实事求是地说，总体上讲国内的蓝牙相 关研究起步还比较晚，技术水平还比较低，在国际中的地位还处于追赶阶段。 但是相信在国内蓝牙研究者的一致努力下，发挥后发优势，我国的蓝牙技术的 水平还会有更大的提高。 目前，随着蓝牙设备的日益普及，如何突破蓝牙协议的限制，让一个蓝牙 设备可以同时使用多个蓝牙服务，达到充分利用、整合可互联空间内蓝牙设备 的资源，提高蓝牙设备的资源利用率这个问题，便摆在了人们面前。在国内外， 人们更多关注的是产品的研发和推广，而不是蓝牙资源的整合。 北京工业大学的嵌入式软件与系统研究所( e s s i ) ，是国内开展蓝牙研究与 应用比较早的科研单位。从2 0 0 2 年研究所成立以来，就一直致力于蓝牙技术的 研究与发展。在取得了丰硕的科研成果的同时，进行了产业化的推广，取得了 良好的经济效益与社会效益。而本论文的研究课题面向多天线蓝牙环境中间 件的研究与设计正是基于整合蓝牙资源提出的解决方案。它的主要功能是在 配备有多个蓝牙天线的嵌入式平台上，提出一个中间件体系结构。通过该中间 件编写的上层程序，可以让该嵌入式设备同时与多个蓝牙设备相连，对在给其 他蓝牙设备提供服务的同时，也可以使用其他蓝牙设备的资源。基于该中间件 3 过渡到一人多机的时代，嵌入式设备走入人们的生活已经是大势所趋。因此嵌 入式领域，将是未来计算机硬件发展的一个主要方向。所以如何把构件化的软 件开发方法融入到嵌入式领域中，是本文将要研究的一个重点： ( 2 ) 深入研究蓝牙无线通信技术 蓝牙技术的核心是协议栈，蓝牙应用的核心是规范。协议栈规定了蓝牙技 术中，每层协议的功能和作用，并且每层协议间的交互方法，允许设备定位、 连接并且遵照某种格式的情况下交换数据，从而在蓝牙设备之间实现互操作性 的交互式应用。每个蓝牙应用规范规定某个蓝牙应用使用的场景，以及该应用 使用过程中和的功能，以及使用时需要注意的事项。尤其是规定它在工作过程 中需要使用的协议栈。因而，仔细研究蓝牙协议栈和应用规范是合理应用蓝牙 技术的f j 提； ( 3 ) 多任务调度算法的研究 多任务调度，是多任务操作系统中的一个必需功能。经过多年的发展，计 算机界提出许多了优秀的多任务调度算法。但是不同的操作系统，针对不同需 求的用户，为了能够使用某些特定的功能，所采取的调度方法，也是大相径庭 的。经典的调度算法之间的性能差别主要是针对不同的应用场景。而本论文要 实现的是多任务调度中间件，同时具有实时性和非实时性的请求，所以如何设 计满足本文应用场景的调度算法，便是本文的研究内容之一。 ( 4 ) 操作系统抽象的方法 提出中间件的目的，是屏蔽异构平台、不同操作系统的之间的差别。程序 员通过中间件进行开发，可以只关心软件的实现流程，而不必考虑不同的操作 系统给开发带来的差别。所以，操作系统抽象方法的探求，是如何实现中间件 的一个关键问题。目前嵌入式系统中有各种各样的操作系统，整理出屏蔽不同 操作系统方法，是要实现该中间件的另一个重点。 4 天线蓝牙环境的中间件为本课题的主要研究内容，最后确立了文章的组织结构。 第二章多天线蓝牙中间件的相关理论和技术：本章首先介绍蓝牙技术的相 关知识，包括蓝牙协议栈以及蓝牙应用规范；然后介绍构件化软件开发方法的 基本概念、发展过程、开发优势和x m l 的基础知识；之后介绍了嵌入式的概 念和嵌入式设备的组成；再介绍了中间件的概念，中间件的发展过程，以及d c 公司定义的六个中间件类型，然后分析了中间件常用的三种屏蔽不同操作系统 的方法；最后介绍了中间件在嵌入式领域的应用及多任务调度的概念和常用方 法。 第三章面向集中式多天线蓝牙环境中间件的设计：本章首先介绍了面向集 中式多天线蓝牙环境中间件的提出背景，然后提出了该中间件的目标功能，同 时根据应用场景、需求，提出了构件化中间件需要解决几个关键性难点。之后 阐述了中间件的总体设计方案以及各个构件的功能，包括功能设计和结构设计。 本章最后给出了目标功能设计过程中关键性问题的解决方案。 第四章面向分散式多天线蓝牙环境中间件的设计：本章首先介绍了面向分 散式多天线蓝牙环境中间件的应用场景，分析了集中式应用软件的局限性，然 后介绍了分散式中间件的预期功能。同时根据应用场景、需求提出了需要解决 几个关键性问题。然后是分散式中间件的总体设计方案。包括功能介绍和系统 结构的介绍。体系结构介绍的时候，分为服务器端和客户端的两部分。最后在 给出了提出设计过程中关键问题的解决方案。 第五章基于c m a b m 蓝牙服务器系统的实现：本章主要描述了一个基于 c m a b m 的蓝牙服务器系统实现过程。首先，对软、硬件开发环境进行选型， 然后根据蓝牙服务器的系统需求对n c x i ip r ox c 2 v p 3 0 开发板进行硬件裁 剪，然后开发出面向该开发板的中间件，并开发了中间件测试程序，对服务器 系统性能进行测试，并对测试结果进行分析。 6 第2 市多天线蓝牙中间件的相关理论和技术 第2 章多天线蓝牙中间件的相关理论和技术 多天线蓝牙中间件，是面向蓝牙环境的中间件。在设计和开发过程中首先 要深入了解和分析到蓝牙技术的特点，所以本章先介绍蓝牙技术的相关概念； 接下来介绍开发过程中涉及的构件化基本概念和开发方法；由于中间件是基于 嵌入式开发平台的开发，嵌入式平台开发方法与其他平台相比有其特殊性，于 是本章接下来介绍了嵌入式平台的体系结构和开发特点等；然后考虑到中间件 是本文设计与实现的核心目标，下一节着重介绍中间件的概念和分类。最后， 又介绍了多任务调度的基本概念和方法。 2 1 蓝牙技术概述 蓝牙是从英文b l u e t 0 0 t h 单词翻译而来的，是1 9 9 4 年爱立信移动公司开始 研究的低功耗、短距离无线通信技术。开始阶段研究它的目的，是为了取代现 有的p c 、打印机、移动电话和智能电子设备上的有线电缆。经过1 6 年的发展， 蓝牙技术已经成长为短距离无线通信领域中应用非常广泛的技术，走进了千家 万户，给人们的生活带来了极大地便利性。 2 1 1 蓝牙技术的特点 蓝牙技术属于短距离无线通信手段，是融合了无线通信技术、数据通信技 术、计算机技术和网络技术的一门技术。有易于使用、可应用于多种通信场合、 低功耗、成本低廉等特点。 蓝牙技术工作在全球通用的2 4 g l 讫i s m ( 工业、科学、医学) 开放频段， 在任何国家都可以通用。按照不同传输距离，蓝牙的级别可以1 0 0 m ( c l a s s0 n e ) 、 1 0 m ( c l 髂st 、； ，o ) 、2 3 m ( c l 船s 衄e e ) 。任意蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙技 术设备，马上就可以建立联系，而无需用户进行任何设置( 可以理解为“即插即 用”) 。在当前无线电环境非常嘈杂的环境下，优势非常明显。 蓝牙技术目前主要以满足美国f c c 要求为目标。对于其他其他国家的应用， 需要做一些适应性调整。蓝牙1 o 规范中公布了主要技术指标和系统参数如表 2 1 所列【5 】o 7 北京丁业人学t 学硕f j 学位论文 表2 1 蓝牙技术指标和系统参数 t a b l e2 1b 1 u e t o o t ht e c h n o l o g ) ，i n d i c a t o r sa n ds y s t e mp a r a m e t e r s 工作频段 工业、科研、医疗频段：2 4 2 g h z 2 4 8 0 g h z 双t 方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率 2 4 m b p s 对称连接4 3 2 6 k b s ； 非同步信道速率 非对称连接7 2 1 k b s 、5 7 6 k b s 同步信道速率6 4 k b s 数据迮接方式面向连接业务s c o ，无连接业务a c l 调频速率数7 9 个频点m h z 调频速率1 6 0 0 跳s 语音编码方式 c v s d 功率 f f c 的标准要求小于1 m w 纠错方式 1 3 f e c 、2 3 f e c 、a r q 信道加密 采用0 b i t 、4 0 b i t 、6 0 b i t 加密字符 发射距离 c l a s s2 范围可达到1 0 m j ：作模式s n i f f h o l d p a r k 蓝牙技术有两种通信模式：支持点对点和点对多点。蓝牙最基本的网络结 构是匹克网( p i c n e t ) 。在匹克网通信的模式中，有两种通信模式：p t p 、p t m p 。 匹克网实际上是一种个人网络，它以个人区域( 即办公室区域) 为应用环境。 在匹克网的组网过程中，一个匹克网由两种设备构成，一个主设备，若干个从 设备，一个匹克网最后有7 个从设备。但是匹克网可多网重合，比如一个从设 备，可以使a 网中的从设备，也可以同时是b 网中的主设备或从设备。主设备 负责提供时钟同步信号和调频序列，从设备一般是受控同步的设备。在同一匹 克网中，所有设备都采用主设备提供的跳频序列。 2 1 2 蓝牙协议体系结构 蓝牙协议模型包括如表2 2 所示层次【5 】： 表2 2 蓝牙技术协议分类 玑出l e2 2b l u e t o o mp r o t o c o lc l 勰s i f i c a t i o n 物理层 蓝牙无线接口 核心协议 基带协议、l m p 、l 2 c a p 、s d p 电缆代替协议r f c o m m 电话传送控制协议 t c s 二进制、a t 命令集 第2 章多天线蓝牙中间件的相关理论和技术 蓝牙协议的体系结构如图2 1 所示： k ，哆桶，誓罔 魄幽k 岬，l己，垒警黧2 一 丁e s = 进制ll s d p | 语 音 7 u d p | t c 剐pj ； ：， 琵旌 黼 e 。| jr f 删m ，! 。，7 _ 舅 b “。# “0 9 d 二g 女“g “二。目口 “# 一一日g “口# “# “g e 女獭 * m * w m m “o x m “g & 。“k # 目k “女“； # d “5 女。m 【 l i | ；i p | 主控制器接口 陵如。“g 溺 基带 蓝牙无线信道 图2 1 蓝牙协议体系结构 f i g u r e2 1b l u e t o o t l lp r o t o c o la r c m t e c t u r e 2 1 - 3 常见的蓝牙应用模型及协议栈 蓝牙协议栈提供了不同的协议的位置、功能、接口等信息。因为蓝牙技术 有许多不同的使用场景，每种场景不一定需要使用相同的蓝牙协议，因此介绍 一下几种常见的应用场景及其使用的协议【9 l 0 1 。 ( 1 ) 文件传输应用模型文件传输应用模型提供了两个设备之间的文件传输 功能。可以传输很多种模式的文件，及文件夹。包括x l s 、p p t 、w a v 、i p 昏d o c 以及多媒体格式的文件。文件传输应用模型的协议栈如图2 2 【5 】： 图2 2 蓝牙文件传输系统协议栈 f i g u r e2 2b l u e t o o mf i l et r a n s f c rs y s t e mp r o t o c o ls t a c k ( 2 ) 三合一电话模式手提电话可以当做三种电话使用：第一种，普通电话； 第二种，内部无绳电话( 相当于过去的子母机) ；第三种，蜂窝移动电话。通过 使用蓝牙芯片，普通的手提电话提供了无绳电话功能。但是前提是母机必须也 可以提供蓝牙设备提供蓝牙链路。需要指出的是，根据蓝牙协议，语音数据不 9 北京t q k 大学t 学硕l j 学位论文 通过l 2 c a p 层处理，直接和基带层通信。如图2 3 所示【5 】： l 无线电话或基站应用 。i 匦因因 鬣蕾函函星 图2 3 监牙三合一电话模式协议图 f i g u r e2 3 p l ep h o n em o d e l sb l u e t o o mp r o t o c 0 1s t a c k ( 3 ) 同步模式同步用户模式给用户之间提供p i m ( 个人管理资料) 的同步 更新模式，比如电话簿、日历、通知和记录等。由于以上几种数据的文件格式 的差异性很大，所以同步模式要求传输的的设备必须使用规定的协议和格式。 使用的协议如图2 4 5 】： 图2 4 蓝牙同步应用协议 f i g u r e2 4a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1b l u e t o o t l ls ”1 c h r o n