（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙的gps位置信息无线接入技术及其应用研究.pdf

摘要 在国家大力发展车载卫星导航应用产业的大背景和对目 前国内g p s车载终 端产品的跟踪调研的前提下， 本论文讨论了这些产品存在的一些问题， 提出了一 种新的g p s信息接入方式，即以蓝牙技术为接入方式、以 单片机为控制手段， 实现g p s信息到g s m / g p r s手机 ( 系统)的无线接入。 在提出了论文设计思想之后， 论文系统地比较了几种常用短程无线接入技术 和方法， 介绍了蓝牙技术的分层协议体系结构， 分析了蓝牙核心协议以及蓝牙主 机控制器， 并对蓝牙无线通信的安全问题作了简要的分析。 在此基础上， 论证了 蓝牙技术在本设计中比其它短程无线通信技术更具优势。 为了验证这一新方案的可行、 合理与先进性， 本论文致力于设计一个软、 硬 件系统来实现g p s无线接入车载终端实验样机，论文中论述了系统的组成、各 部分功能以 及涉及的关键技术， 设计了系统各部分软、 硬件。 在实验与分析部分， 论文重点介绍了在实现蓝牙无线连接上所做的研究工作与实验工作， 所遇到的问 题与困难和解决的方法， 此外， 在论文中还介绍了单片机控制系统部分的设计与 调试过程， 最后给出了本系统成功连接后的部分界面与研究结果。 系统实验经反 复调试获得了成功，达到了理论研究和工程设计的目 标。 本论文主要完成了以下几方面的研究工作: 跟踪调研目 前国内g p s车载终端产品的现状， 提出了一种新的g p s信息接 入方式; 研究了 蓝牙技术协议规范，实现了两个蓝牙模块之间的 数据传输; 系统地设计了g p s 与g s m / g p r s 信息无线接入的软、硬件; 卜卜 以蓝牙技术为接入方式、以单片机为控制手段， 通过反复实验、调试，成功 实现了g p s信息到g s m / g p r s手机 ( 系统)的无线接入。 通过理论分析和实验证明， 本论文提出的方案完全可行， 合理， 并且同传统 的车载终端的g p s信息接入方案相比，基于蓝牙的g p s 信息无线接入方案是一 个全新的尝试， 采用该方案具有减少电 缆， 增强灵活性， 降低成本以及功能可扩 展等众多优势，极具应用潜力。 关键词:蓝牙技术，g p s ，无线接入技术，车载终端 ab s t r ac t o n t h e b a c k g r o u n d o f g o v e r n m e n t s b ig e f f o r t t o d e v e lo p v e h ic le s a t e llit e n a v ig a t io n a p p lic a t io n i n d u s t ry , t h e t h e s is p r e s e n t s a n e w g p s i n f o r m a t io n a c c e s s t e c h n o lo g y a ft e r m a r k e t in v e s t ig a t io n o f o n - b o a r d g p s in v e h ic le m o n it o r in g t e r m in a l a t p r e s e n t .t h e m a in id e a o f t h is t h e s is is t o u t il iz e b lu e t o o t h t e c h n o lo g y t o a c h ie v e g p s in f o r m a t io n w ir e le s s a c c e s s t o g s m / g p r s s y s t e m. a ft e r g iv i n g t h e t h e s is id e a , it c o n t r a s t s b lu e t o o t h w it h s o me o t h e r u n iv e r s a l s h o rt r a n g e w i r e le s s t e c h n o lo g y , a n d d e s c r ib e s t h e p r o t o c o l a r c h it e c t u r e d e v e lo p e d b y t h e b lu e t o o th s p e c ia l in t e r e s t g r o u p ( s i g ) a n d a n a ly z e s t h e b lu e t o o t h c o r e p r o t o c o l a n d h o s t c o n t r o lle r i n t e rf a c e ( h c i) a n d b r ie f ly in t r o d u ces t h e b l u e t o o t h s e c u r ity a r c h it e c t u r e . b a s e d o n a b o v e , it p r o v e s t h a t b lu e t o o t h is m o r e s u it a b le th a n o t h e r s h o rt r a n g e w ir e le s s t e c h n o lo g y , in o r d e r t o v a l id a t e t h a t t h e n e w p r o j e c t is f e a s ib le a n d r e a s o n a b le a n d a d v a n ced , t h e t h e s is is d e v o t e d t o d e s ig n a s o f t w a r e a n d h a r d w a r e s y s t e m t o a c h ie v e a n o n - b o a r d g p s in v e h ic le m o n it o r in g t e r min a l t h a t is o n e p a rt o f a g p s v e h ic le m o n it o r in g s y s t e m . a ft e r d is c u s s in g t h e th e s is s t r u c t u r e a n d e a c h p a rt f u n c t io n a n d r e le v a n t k e y t e c h n o lo g y , it p r e s e n t s th e c o n c r e t e w a y t o d e s ig n a n d a c h ie v e t h e t e r m in a l. in e x p e r im e n t a n d a n a ly s is p a rt , it p u t s e m p h a s is u p o n t h e s t u d ie s a n d e x p e r im e n t s a b o u t t h e w i r e le s s c o n n e c t io n t e c h n o lo g y o f b lu e t o o t h a n d t h e d iff ic u lt it f a c e d a n d r e s o lv e d . it a ls o i n t r o d u ces t h e p r o ces s o f d e s ig n a n d d e b u g g in g in o t h e r p a rt s o f t h e t e r m in a l a n d s h o w s s o m e in t e rf a c e s a n d r e s u lt s a ft e r t h e t e r m in a l r u n s s u c c e s s f u l尔 t h e t h e s is m a in ly c o m p le t e s t h e t a s k s a s f o ll o w : m a r k e t in v e s t ig a t io n o f o n - b o a r d g p s in v e h ic le m o n it o r in g t e r m in a l a t p r e s e n t a n d p r e s e n t in g a n e w g p s in f o r m a t io n a c c e s s t e c h n o lo g y ; a n a ly z in g b lu e t o o th p r o t o c o l a n d a c h ie v i n g t h e d a t a t r a n s m is s io n b e t w e e n t w o b l u e t o o t h mo d u le s ; wh o lly d e s ig n in g a s o f t w a r e a n d h a r d w a r e s y s t e m o f g p s a n d g s m / g p r s i n f o r ma t io n w i r e le s s a c ces s ; b y v irt u e o f b lu e t o o t h t e c h n o lo g y , a c h ie v in g g p s i n f o r m a t io n a c c e s s t o g s m / g p r s s y s t e m . a ll t h e o r i e s a n a ly z e d a n d e x p e r im e n t s d o n e in t h is t h e s i s p r o v e t h a t t h is p r o j e c t is c o m p le t e ly f e a s ib le a n d r e a s o n a b le , a n d t h e n e w a c c e s s w a y b a s e d o n b l u e t o o t h is a b r a n - n e w a tt e m p t a n d is m o r e a d v a n c e d t h a n t r a d it i o n a l a c c e s s w a y . a d o p t in g t h e p r o j e c t , t h e s y s t e m is m o r e c o n v e n ie n t w it h o u t t r o u b lin g w it h m e s s y c a b l e s , a n d h a s t h e a d v a n t a g e o f lo w c o s t a n d e x t e n d a b l e f u n c t i o n . k e y wo r d : b lu e t o o t h t e c h n o lo g y , g p s , wir e le s s a c c e s s t e c h n o lo g y , v e h ic le t e r min a l 论文独创性声明 本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。 论文 中除了 特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或其他机构已 经发表或 撰写过的研究成果。 其他同 志对本研究的启发和所做的贡献均己 在论文中作 了明 确的声明并表示了谢意。 作者签名 ; 各呼一 日期:二乏 选u 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、 使用学位论 文的 规定， 即: 学校有权 保留 送交论 文复印 件， 允许 论文被 查阅 和 借阅; 学 校 可以 上网 公 布 论文的 全 部或部分内容， 可以 采用影印、 缩印 或其它复制手段保存论文。 保密的论文 在解密后遵守此规定。 作者签名华一 l ll - 导师签名 第一章 绪论 1 . 1选题背景 目 前，以g p s为代表的卫星导航应用产业己 成为当今国际公认的八大无线 产业( m o b ile c e ll u la r , w l l . g p s , d b s / d t h , p c s , a d v a n c e d s a t e llit e s y s t e m , v s a t / u s a t , w- l a n ) 之一， 也是全球发展最快的三大信息产业( 蜂窝网m o b ile c e l lu la r / p c s , g p s 和因 特网i n t e r n e t l i n t r a n e t / e x t r a n e t ) 之一 t ) 卫星导航定位技术在中国的应用，始于美国的 g p s 。目 前，中国同欧洲一 样正在努力营建自己的卫星导航系统， 但是到目 前为止， 卫星导航定位技术在中 国的应用仍然以 美国的g p s为核心， 应用相关市场至少9 5 %以 上建立在g p s 卫星系统之上r2 ,31 当前卫星导航应用市场最大的是车辆导航、 跟踪监控和消费产品， 尤其以 汽 车导航所占份额最多。以2 0 0 0 年为例，汽车导航产品的产值为$ 3 0 .6 7 亿美元， 约占卫星导航产品总值的3 1 %左右。 在欧美、日 本等国家， 基于卫星导航和g i s 的汽车自 导航产品市场己 经相当成熟， 国外相当数量的汽车都已将汽车导航产品 作为 汽车的标准配置， 并得到很好的 应用4 1 在卫星导航车辆监控方面， 由于技术的先进性，目 前只有少数发达国家应用 非常普遍， 如美国、日 本、 意大利、 新加坡、 加拿大等国家。国内 卫星导航产业 远远落后于国际上的， 目 前中国市场中从事卫星导航定位产品与服务的公司约为 2 0 0 - 3 0 0 家左右， 多数从业公司的规模较小， 技术、 资金和人才实力较弱， 在2 0 0 2 年的市场中， 至少有5 0 % 左右的市场份额不是传统的卫星导航定位产品， 而是软 件、 系 统集成等 增值 服务 ， 这 种状 况 和我国 经济 迅速发 展的 大国 地位很不 相称5 1 针对这种现状， 国家现己出台的相关政策均对卫星导航产业的发展给予了广 泛的发展空间， 卫星导航产业属于国家现在和未来均需要重点鼓励的高科技产业 发展范畴， 是国家信息体系的基础设施和支撑技术系统之一。 其中， 国家计委实 施的“ 卫星导航应用产业化” 专项， 将卫星导航的应用产业化纳入了中国“ 十五” 计划的高新技术产业化重大项目，成为国策和国家行为。 上海市为了 适应新一轮国际产业转移以及筹办世博会的需要， 制定了 相关的 地方性高新技术产业升级及发展战略目 标。 其中卫星导航应用产业作为上海高新 技术产业发展八大重点领域的第一领域， 足以 显示上海市政府发展该产业的决心 和魄力。 2 0 0 3 年1 2 月1 8日， 长三角信息建设工作会议上决定长三角共同 进行区域 定位导航建设，本论文导师作为专家组组长，正在开展相关的理论与应用研究， 本课题是其中的研究内容之一。 1 2 论文思想的引出 根据市场发展的需要及趋势预测1 5 】，近期内卫星导航产业的发展仍主要以车 辆跟踪监控、调度管理等为主。车辆监控与跟踪系统是g p s 卫星定位技术、移 动通信技术、互联网服务( 可选) 和地理信息系统( 可选) 的集成系统，用于车 辆管理、调度与监控。 目前将g p s 应用于车辆的监控与跟踪，通常做法是把g p s 定位技术与 g s m g p r s 系统相结合起来。以g s m 系统为例，其结合方式是利用g s m 网 络，g p s 车载台的定位数据经过格式转换，以g s m 手机短消息信道传到监控 中心，监控中心实时收集各个车辆的数据信息，计算出车辆的经度、纬度、速度、 方向等数据，通过g i s 软件系统，在大屏幕上显示各个车辆所在的具体位置， 统计各个路段的车流状况，然后将这些信息通过计算机网络传送到各分控中心， 另外将指挥调度与监控信息通过g s h 短信信道发送到车载台中，实现车辆的调 度监控管理。另外该系统也可与国际互联网相联，实现车辆的远程监控与查询管 理【6 7 1 。 典型情况下，g p s 车辆监控调度系统主要由下面三部分组成： 口车载终端( 入网车辆) 、 口无线数据链路 口监控中心 图1 1 是系统组成示意框图： 2 图1 1g p s 车辆监控调度系统组成示意框图： 以g s m 系统为例，g p s g s m 系统总体结构组成方案目前有5 6 种，车 载部分就是g s m + g p s ，有分体式及二合一体式两种。g p s 接收机接收到的 g p s 信息经过r s 2 3 2 接口送至移动终端( 配有系统处理信息所必备的软件) ， 计算出移动目标的经度、纬度等参数，经加密处理后，利用现有的g s m 网络和 p s t n 作为通信传输的媒介来实现定位信息的传递【5 j 。 本论文通过对目前市场上g p s 车载监控终端产品的调查发现这些产品有如 下几个共同的缺陷： g p s 车载监控终端通常由主机、g p s 和g s m ，g p r s 天线以及其它选件组 成，主机内嵌g p s 接收机和g s m g p r s 通信模块，通常体积比较大，缺 乏灵活性： 主机留有很多接口供选件以有线方式接入，比如为了显示位置信息需要外接 显示屏，在汽车有限的空间内这些线缆将带来很多不便；有些产品也在通话 手柄( 类似于手机) 上显示位置信息，但是价格不菲，增加用户开支； 实现车载电话功能( 包括免提和手柄通话两种方式) ，需要添置通话手柄， 若要实现免提功能，还需要添置免提专用音箱，这些选件的添置不仅增加了 线缆，而且增加了用户的开支。 鉴于此本论文提出一种新的g p s 信息接入方式，即以蓝牙技术为接入方式、 以单片机为控制手段，实现g p s 信息到g s m g p r s 手机( 系统) 的无线接入。 3 1 . 3蓝牙短距无线连接的方案论证 1 . 3 . 1蓝牙技术的发展与特色 蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 是一种新的短距离无线通信技术标准。 它利用射频 ( r f ) 频段在1 0 米 ( 根据发射功率不同，传输距离可达1 0 0 米)范围内建立点到点和 点到多点的连接，承载语音和数据传输业务。b lu e t o o t h取自1 0世纪丹麦国王 h a r a ld b l u e t o o t h 的名字ta l ， 他统一了当时四 分五列的 北欧国 家: 瑞典、 丹麦、 芬兰。爱立信公司用b lu e t o o t h 命名这一技术，希望b lu e t o o t h短距离无线通信 技术在世界范围统一和发展口 1 . 3 . 1 . 1蓝牙技术的发展 蓝牙技术源自1 9 9 8 年提出的单条线缆替换技术，目 前已 走过了近7 年， 在 很多行业中都取得了瞩目的 成就。1 9 9 8 年5 月，爱立信联合诺基亚 ( n o k ia ) , 英 特尔 ( i n t e l ) 、旧m和东芝 ( t o s h ib a ) 这 4家公司一起成立了蓝牙特殊利益 集团 ( s p e c ia l i n t e r e s t g ro 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。 3 c o m 、朗讯 ( l u c e n t ) 、微软 ( m ic r o s o ft )和摩托 罗拉 ( m o t o r o la )很快加盟s i g ，与s ig的五个创始公司一同成为s i g的九个 倡导发起者。s i g着眼于全球的发展与应用，将蓝牙技术标准完全公开。 自 从蓝牙规范 1 . o b 版推出之后，蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛发展。 截至目 前，s ig 的成员已经超过了 2 5 0 0家，几乎覆盖了全球各行各业， s i g 的成员 都有权使用蓝牙的最新技术19 1 ， 参与蓝牙规范标准的制定， 无偿使用s 旧 的研究成果开发自己的产品。蓝牙应用产品通过s ig的测试，就可以投放市场。 从2 0 0 。 年 初蓝牙芯片发 售以 来， 包括爱立信、 剑桥硅无线电( c a m b r id g e s il ic o n r a d io , c s r ) . 摩托罗拉、 德州仪器 ( t e x a s i n s t r u m e n t s , t i ) 、 飞利浦 ( p h il ip s ) 等在内的多家公司都己经开始制造和发售蓝牙芯片或模块。 多 家 市 场 研 究 机 构( in - s ta t , m e r r y , l y n c h , n a v ia n , f ro s t , s u lliv a n 和i d c 等) 研究表明， 到2 0 0 4 年， 世界上采用蓝牙技术的设备超过了4 亿台，并在未 来几年内 稳定增长， 商机无限。 毫无疑问， 蓝牙技术已 成为近年来应用最快的无 线通信技术，其席卷全球之势不可阻挡。 1 . 3 . 1 . 2蓝牙技术的特色 蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目 标是取代现有的掌上电 脑、 移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。 蓝牙技术的特点可归纳为如下 r 尸ol: 可同时发送语音和数据 蓝牙技术定义了电路交换与包交换的数据传输类型， 能够同时支持语音与数 据信息的传输。 目 前电 话网络的 语音通话属于电 路交换( c ir c u it - s w it c h ) 的类型， 发话者与受话者之间建立起一条专门的连线。网络上的数据传输则属于包交换 ( p a c k e t - s w it c h )的类型，包交换是将数据切割成包后发送出去。这两种网络 都不能同时传输语音与数据信息。 虽然网络已经有许多利用包交换来发送语音的应用服务，例如 v o i d 。但是 当网络发生阻塞时， 将增加各个包在传输时的延迟时间差， 先送出的语音包反而 较晚到达， 这会造成语音断断续续的现象。 只有蓝牙技术同时支持电路交换与包 交换的传输类型， 才能同时传输语音与数据信息。 使用全世界通用的频段 通信产品要能够方便快速地普及， 必须使通信频段位于全球各个国 家开放的 频段上。 使用该频段的产品无须事先申 请也无须缴纳频率使用费。 蓝牙技术就符 合这样的条件，蓝牙产品运行的频段是在全世界通用频段i s m 2 .4 g h z 上。但 是为了避免此频段上的其他通信系统互相干扰， 蓝牙技术还采用跳频技术来消除 干扰和降低电波衰减. 卜 低功率与低成本的模块 蓝牙技术在定义时即以轻、 薄、 小为目 标， 希望能将蓝牙技术组合在单芯片 内， 达到单芯片低成本、低功率、 体积小的目 标。单芯片与许多的电子元件组成 蓝牙模块后，以u s e或 r s 2 3 2接口与现有的设备互相连接， 或是内 嵌在各种 信息设备内，爱立信推出的芯片体积大小只有1 0 .2 m m x 1 4 m m x 1 .6 m m，组成 蓝牙模块后相当容易安装在各种设备内。 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， 蓝牙产 品的价格也飞速下降。目 前， 蓝牙芯片的量产价格已经突破5 美元， 而且还有进 一步下滑的趋势。 蓝牙芯片的发射功率能 够根据使用模式自 动调节， 正常工作时 的发射功率为1 m w时其发射范围一般可达1 0 m。当 传输信息量减少或停止时， 蓝牙设备将延长信号响应的时间， 进入低功率工作模式。 根据计算， 省电模式比 正常工作模式约节省 7 0 %的发射功率。也因为蓝牙模块消耗功率低，所以在设 计蓝牙产品时，不太需要考虑散热的问题。 应用于各种电 子设备 根据蓝牙技术核心规范的定义， 蓝牙技术几乎 可以 应用在各种移动设备上， 开发蓝牙产品需要更多的想象力与创意。 支持多个蓝牙设备互相连接 蓝牙技术是一种点对多点的通信协议， 蓝牙设备间的数据传输不仅能够点对 点. 也支持点对多点的方式。 在定义上， 一个蓝牙设备最多可以同时连接另外7 个蓝 牙设 备( 处于a c t iv e 状 态) ， 周围 最多 可有2 5 5 个等 待的 蓝牙设备( s t a n d b y ) , 利用蓝牙技术可将个人身边的设备都连接起来，形成一个个人局域网。 1 . 3 . 2蓝牙技术与其他短距无线通信技术的比较 红外、 i e e e 8 0 2 . 1 1 和h o m e r f 技术的诞生都早于蓝牙， 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 工作在同一频段，它们之间存在一定的竞争和相互影响。 1 . 3 . 2 . 1红外通信技术 红外 ( i n f r a r e d r e d )通信技术是通过波长为8 5 0 n m的红外光传输数据。 由于红外线的直线传输、 易受遮挡， 只支持点对点视矩连接， 收发装置的光路夹 角一般在3 0 “内，常用通信距离为1 -3 m. 红外技术的实现和操作都相对简单， 成本低廉， 可应用于各种场合。 比如两 台笔记本电脑相互交换文件或p d a之间交换电 子名片。 另外，红外通信由于短 距离和小角度等原因，具有很好的安全性，并且几乎无干扰; 而且， 红外通信的 传 输 速 率 较 高 ， 最 高 可 达1 6 m b p s 1 1 ,1 2) 0 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， 红外技术由于传输媒质本身的限制， 其应用前景 不如蓝牙技术。 1 . 3 . 2 . 2 1 e e e 8 0 2 . 1 1 无线局域网技术 i e e e 8 0 2 . 1 1是电气电子工程协会 ( i n s t it u t e o f e le c t r ic a l a n d e le c t r o n ic s e n g in e e r s , i e e e ) 8 0 2 工作组制定的无线局域网( wi r e le s s l o c a l a r e a n e t w o r k , wl a n )标准，主要用于实现小范围内的移动组网和无线接入。i e e e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 . 1 1 b两个标准。8 0 2 . 1 1 a工作在 5 g h z的 u - n i i 频带，8 0 2 . 1 1 b 工作在与蓝牙一样的2 . 4 g h z i s m频带。8 0 2 . 1 1 b只支持 数据传输，传输速率最高可达1 1 m b p s ，并且可根据环境中的射频状况， 在1 1 m b p s , 5 .5 m b p s , 2 m b p s 和1 m b p s 之间 切 换， 传 输 距 离 高 达3 0 0 m 1 3 1 0 8 0 2 . 1 1 b 的传输速率和安全性比 蓝牙高许多， 因而 在局 域网的无线接入应用 方面具有一定的优势。 基于8 0 2 .1 1 b 技术的无线网络接入点， 可以很好地同时支 持多个无线终端 ( 主要为笔记本电 脑)接入本地局域网以 及访问互连网。但是， 8 0 2 . 1 1 b 技术在体积、 功耗和成本上无法与蓝牙相比， 因而目 前除了作为网 络接 入之外， 在其他对于低功耗、 低成本等要求高的领域和设备上的应用还很少， 比 如移动电 话和 p d a 。可以 说，蓝牙可以应用于那些8 0 2 . 1 1 b 无法胜任的广阔的 领 域 ， 与 之 相 互 补 充 14 ,15 1 1 . 3 . 2 . 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 d wi r e le s s a c c e s s p r o t o c o l , s wa p )之上。该协议主要针对家庭无线局域网，同时也支持数据和 语音通信。其数据通信采用简化的i e e e 8 0 2 . 1 1 协议标准; 语音通信部分采用数 字 增强型 无绳电 话 ( d ig it a l e n h a n c e d c o r d le s s t e le p h o n y , d e c t ) 标准， 使 用时分多址 ( t im e d iv is io n m u lt ip le a c c e s s , t d m a ) 技术。 h o m e r f 同 样i 作在 2 . 4 g h z频段，采用跳频技术，每秒跳频5 0次，最大功率为 ， o o m w，有 效 范 围 约5 0 m h o m e r f 的 传 输 速 率为1 m b p s 或2 m b p s ， 最 多 可 支持6 个 全 双 工 的 语 音 信 道 1 6 ,17 1 h o m e r f 技术非常适用于家庭网 络环境， h o m e r f 技术侧重于p c及其外 设所组成的无线局域网， 主要针对低成本的家庭语音与数据的无线连接， 不仅可 以组成家庭范围内的局域网， 还可以将家庭中的各种电器设备通过相应的网络接 入点与 公用交换电 话网 ( p u b lic s w it c h t e le p h o n e n e t w o r k , p s t n ) 以 及互 连 网相连。 当h o m e r f 技术采用p c m c ia卡的形式实现时， 其成本虽然比8 0 2 . 1 1 b 相对要低， 但还是无法与蓝牙相比。 h o m e r f 与i e e e 8 0 2 . 1 1 一样面向 特定的应 用 领 域， 与 蓝 牙 技 术 并 不 冲 突 1 6 1 1 . 3 . 3方案论证结论 本论文采用蓝牙作为g p s 信息的接入技术是其技术特性与应用背景的综合 考虑。 首先作为车载终端体积必 须小， 最好能做成精巧的手持装置， 而且 价格必 须为大众所接受， 蓝牙技术在这方面有其得天独厚的 优势， 如上文所述蓝牙技术 在定义时即以轻、 薄、 小为目 标， 而且蓝牙模块消耗功率低， 价格也能为大众接 受， 非常 适合在小型信息设备中 使用。 在汽车环境中， 蓝牙不需要对准接收方向 就可以 传送数据，这是红外技术不可比拟的; 8 0 2 . 1 化 技术在体积、功耗和成 本上无法与 蓝牙相比;h o m e r f技术没有公开且不适用于便携设备;因而， 本 论文采用了蓝牙技术作为本论文课题的无线连接方式。 以 蓝牙技术为接入方式、以单片机为控制手段， 本论文提出基于蓝牙的 g p s 信息接入方案来设计新型的车载终端实验样机，同传统方案 ( 见1 .2 节) 相比该 方案的优点在于: 蓝 牙模块体积很小， 可以 很方便的与g p s接收机集成在一起， 做成小巧的 车载蓝牙g p s ; d 利 用带蓝牙功能的 g s m / g p r s手机 ( 软件上要 增加相应功能) ，可以大大 减少选件，减少线缆，节约成本; 配合蓝牙耳机， 真正实现免提电话功能，当用户离车时还可将手机取下正常 使用; 功能可扩展性，既利用蓝牙和传感器技术可在手机上显示车辆运行状况， 如 轮胎压力，汽缸温度等参数。 在本论文研究期间， 笔者了 解到一家法国高科技公司w e b r a s k a 联合b m w ( 德国宝马汽车公司) ， r e n a u lt( 雷诺汽车公司)和s i e m e n s( 西门子公司)正 在 进 行有 关 利 用 蓝 牙技 术 实 现g p s 信 息 技 术接 入方 面 的 应 用 研究 1 9 1 1 . a本论文研究的内容 针对g p s车载监控系统中的 车载终端部分的 传统g p s接入技术， 本论文 提出了 一种新的g p s 信息接入方式。即以 蓝牙技术为 接入方式、以单片机为控 制手段， 实现g p s 信息到g s m / g p r s 手机 ( 系统) 的 无线接入， 为了验证这一 方案的可行、 合理与先进， 本论文将设 计一个软硬件系统来实现车载终端实验样 机，具体的说有如下三部分: ( 1 ) 研制一块带有蓝牙天线及蓝牙模块的无线收发电路板; ( z )研制一块带有g p s 模块及蓝牙模块接口的调 试电 路板; ( 3 )研制一块带有g p r s模块及蓝牙模块接口的调试电路板。 1 . 5本论文研究的难点 一般来讲， 蓝牙产品的研究只集中在少数几所大学的研究室里， 绝大多数企 业仍处于观望状态， 并未真正行动起来。 本论文在研制蓝牙产品的过程中， 几乎 是从一片空白的基础上起步的， 没有专门的指导技术人员， 更没有现成的可参考 资料， 由 于价格问题， 也没有蓝牙开发平台以及实验系统装置，由 于资金和其他 方面的原因， 也未能购买到蓝牙天线仿真软件， 所有的仅仅是两块价格相对便宜 的蓝牙芯片而已， 这使得论文工作变的异常的艰难， 一切必须从零开始起步， 包 括蓝牙模块周边电路的设计， 蓝牙模块的激活， 蓝牙天线的设计， 蓝牙模块之间 数据传输的实现等过程都必须通过大量的实验来发现正确的方法， 因为没有一个 良 好的开发平台， 大大延长了研制和调试的周期， 在研制过程中， 每每会因为一 个数据包发送受阻所困惑而无法得到帮助， 陷入痛苦的原因寻找当中。 由于国内 的技术堡垒，目 前没有任何关于蓝牙开发实现细节的公开资料出 现，包括书籍。 因此研制的过程是十分艰难的。 以上只是在解决蓝牙模块之间相互通信时遇到的问题，对于整个系统来说， 该部分只是提供了一个蓝牙无线通道， 在有限的时间内， 还必须熟悉并掌握g p s 模块与g p r s模块的性能与开发方法，这些都是本论文遇到的困难与挑战， 本论文面对的是一个大的系统， 从功能性、 阶段性的调试到整体的联调， 期 间出现的问题，遇到的困难更是数不胜数，也只有亲身经历过才能体会。 第二章 蓝牙无线通信技术 2 . 1蓝牙系统的构成 蓝牙系统由2 .4 g h z 的 射频无线单元、 蓝牙链路控制器单元、 蓝牙链路管理 器与接口单元及蓝牙主机组成。原理框图如图 2 . ，所示: 蓝牙射频( r a d io ) 工作在全世界通用的2 . 4 g h z is m频段上， 采用快速跳频 扩频 技术( f r e q u e n c y h o p p i n g s p r e a d s p e c t r u m) 和 时分多 路复用t o m a ( t i m e d iv is io n m u lt i p le a c ces s )技术和高斯滤波的二进制频移键控 ( g a u s s ia n f r e q u e n c y s h if t k e y i n g , g f s k )的调制方式。 蓝牙射频单元将收到的2 a g h z 的高频信号解调为低中频信号送给蓝牙基带控制器， 并将来自 蓝牙基带控制器的 低中频信号调制为2 a g h z 高频信号发射出去。 蓝牙射频单元通常包括压控振荡 器 ( v c o ) . 频率合成器 ( s y n t h e s iz e r ) 、低噪声放大器 ( l n a ) 、射频滤波器、 接收信号强度指示器r s s i 等。 图 2 . ， 蓝牙系统的原理框图 蓝牙基带控制器由高性能的单片机微处理器 ( 例如3 2 位a r m单片机) 、 存 储器、 接口电路、 语音处理电 路、电 源管理与时 钟电路等。 基带控制器完成射频 信号处理、 链路控制和协调各功能部件等功能;存储器包含了r o m( 或者闪存 等)和 r a m, r o m包含了射频和基带各层协议及接口 应用程序，称为固件 ( f ir m w a r e ) , r a m用于存储临时数据; 微处理器和固件一起构成了 整个蓝牙 芯片的核心， 称为蓝牙引擎; 接口电 路向 外围设备及蓝牙主机提供各种通信接口， 最常见的是r s 2 3 2 . u a r t . u s b接1a( 这些都是h c l 命令所支持的接口形式) ， 有些还提供12 c , s p i 等其它接口 ; 语音处理电 路主要由 语音编码器组成， 许多 蓝牙模块并没有集成语音编码器， 因而在处理语音信号时需要外接语音编解码芯 片。 通常蓝牙基带控制器和蓝牙模块都集成了h c 1 层，在无主机应用模式中， h c ! 层的命令是控制蓝牙芯片各种功能 ( 查询、 连接等) 的唯一手段， 高层应用 也需要使用h c i 层的数据分组格式与蓝牙芯片进行相互通信。 2 . 2 蓝牙协议栈体系结构 蓝牙协议的体系结构采用类似于o s i/ r m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己有的通信协 议，这样就保证了蓝牙协议与己有协议的兼容性，同时也简化了遗留系统 ( l e g a c y s 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 ( 印e c if ic a t io n ) 和蓝牙 应用 规范 ( p r o f ile ) 。 蓝牙核 心 标准 ( s p e c if ic a t io 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c 蓝牙专用层协议以及 各种己有应用协议) 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r o l . 核心协议:基带 ( b a s e b a n d ) .链路管理协议 ( l m p , l in k m a n 明e r p r o t o c o l ) 、 逻辑 链路 控 制 和适 配协议( l 2 c a p , l o g ic a l l i n k c o n t r o l a n d a d a p t a t io n p r o t o c o l ) .服务发现协议( s d p , s e r v ic e d is c o v e ry p r o t o c o l ) ; 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 s b in a ry )和 a t 一 命令 ( a 下c o mma 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/ 互连 网协议( u d p l t c p j i p ) 、 对象交换协议( o b e x ) 、 无线应用协议( wa p ) , 无线应用环境 ( wa e ) , v c a r d , v c a l 、红外移动通信 ( i r m c ) e 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 t c o n t r o lle r i n t e r f a c e ) . 整个协议结 构如图2 .2 所示。 b l u e t o o t h r a d i o 图 2 2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。 例如语音通信时， 就只需经过基带 协议 ( b a s e b a n d ) 就行，而不必通过 l 2 c a p层。以 上协议可以 分为蓝牙专有 协议和非专有协议， 这样就可以 降 低遗留 系统的 移植难度， 例如丁 c r a 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。 2 . 3蓝牙核心协议 蓝牙核心协议应用于蓝牙规范的每个应用， 并为应用程序提供传送和链路管 理功能。所有这些协议都是蓝牙s ig开发的蓝牙特有的协议。 2 . 3 . 1基带 ( b a s e b a n d )协议 基带协议在微网的两个或多个蓝牙单元之间建立称为链路的物理r f 连接。 该协议还同 步 微网内 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。 一 种是同 步 面向 连 接s c o ( s y n c h r o n o u s c o n n e c t io n o r ie n t e d ) 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 ( a s y n c h r o n o u s c o n n e c t io n le s s ) 链 路， 数 据 包 保留 只 用 于 传 输 数 据 基带协议链路类型具有相当的灵活性。例如，同一微网的主一 从对可以使