（电路与系统专业论文）基于ARM和蓝牙的安防系统的设计和实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于a r m 和蓝牙的安防系统的设计与实现 摘要 随着人们物质文化生活水平的提高和科学技术的快速发展，智能家居已成为 一个发展趋势。智能家居系统采用传感技术、计算机技术和信息传输与处理技术， 能给用户提供全方位的服务，同时对住房内的情况进行远程监控和实时管理。安 防系统是智能家居中的一个重要的组成部分。传统的安防系统都是基于单片机设 计实现的，它难以满足现代家居中网络家电功能，针对这些问题，设计并实现了 一种基于a r m 和蓝牙的安防系统。 ( i ) 深入研究了安防系统中视频监控的研究现状与发展趋势，分析了嵌入式 l i n u x 操作系统的优、缺点以及选择内核版本为l i n u x 2 6 的原因，指出了选题研究 的目的和意义。 ( 2 ) 从网络拓扑结构和几种重要协议这两个方面入手，阐述了智能家居中的重 要技术蓝牙。 ( 3 ) 根据智能家居的功能要求，设计了一种智能家居中的安防系统，论述了 a r m 9 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 的原理以及性能，阐述了安防系统中的n a n d f l a s h 模块、s d r a m 模块、r s 2 3 2 串口模块、以太网模块、u s b 、u s b 蓝牙、u s b 摄像头的组成原理以及设计与实现方法。 ( 4 ) 根据系统软件环境的需求，构建了嵌入式l i n u x 系统软件平台，论述了交 叉编译环境和n f s 开发调试环境的建立，移植$ 3 c 2 4 1 0 下启动引导程序v i v i ，移植 嵌入式操作系统l i n u x ( 内核版本为2 6 1 4 ) ，阐述了系统相关设备驱动的移植 ( n a n d f l a s h 、u s b 、u s b 摄像头、u s b 蓝牙) 、文件系统的使用，分析了l i n u x 下蓝牙无线通信的实现过程。 ( 5 ) 在搭建的嵌入式l i n u x 系统软件平台上，论述了在w i n d o w sx p 下远程登录 至l j l i n u x 操作系统的方法，阐述了在l i n u x 下使用v 4 l 编程来截取摄像头图象，使用 s o c k e t 编程将截取到的图象传送到室内p c 机上，远程监控电脑登录到此p c 机上， 利用i e 浏览器来实现对现场环境的监控。 ( 6 ) 结合实验测试环境和测试数据，进行了视频监控系统的性能测试，分析了 测试结果并针对出现的问题给出了改进措施。 通过对安防系统的实验测试表明，系统能够很好地检测不法分子的入侵，并 通过远程视频监控方式来告知用户，系统运行稳定，达到了预期的设计目标。 关键词：智能家居；安防系统：蓝牙；a r m 9 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r da n dt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y ，t h e r eh a sb e e nad e v e l o p m e n t a lt e n d e n c yo ft h ei n t e l l i g e n th o m e t h e i n t e l l i g e n th o m eu s e s t h e s e n s i n g ，t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e i n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s st e c h n o l o g y ，w h i c hc a np r o v i d ea i i r o u n ds e r v i c e ， a n d s i m u l t a n e o u s l yc a r r i e so nt h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n ga n dt h er e a l t i m em a n a g e m e n t t ot h eh o u s e s a f e t ys y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o n s t i t u e n to ft h ei n t e l l i g e n th o m e a t r a d i t i o n a ls a f e t ys y s t e mi sb a s e do nt h ed e s i g no fm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，w h i c h i sd i f 甄c u l tt om e e tt h em o d e r nh o m e sn e t w o r kd o m e s t i ca p p l i a n c e i nv i e wo ft h e s e f a c t s ，as a f e t ys y s t e mb a s e do na r m a n dt h eb l u e t o o t hi sd e s i g n e d ( 1 ) t h ea r t i c l es t u d i e sp r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fv i d e o m o n i t o ri ns a f e t ys y s t e m ，a n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe m b e d d e d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h er e a s o no fc h o o s i n gk e r n e lo fl i n u x 2 6 ，a n dp o i n t so u t t h eg o a la n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c h ( 2 ) b l u e t o o t h ，t h ek e yt e c h n i q u eo ft h ei n t e l l i g e n th o m e ，w o u l db ee x p o u n d e d f r o mt h es t r u c t u r eo fn e t w o r kt o p o l o g ya n ds o m ei m p o r t a n tn e t w o r k i n gp r o t o c 0 1 ( 3 ) as a f e t ys y s t e mi sd e s i g n e dt om e e tt h en e e d so fi n t e l l i g e n th o m e t h ea r t i c l e e l a b o r a t e dt h eh a r d w a r ed e s i g nc e n t e r e do na r m 9m i c r o 口r o c e s s o r $ 3 c 2 4 1 0 i ta l s o g i v e sd e t a i l e da n a l y s i so ft h ef o r m a t i o np r i n c i p l e ，m e t h o d sf o rd e s i g na n d r e a l i z a t i o no f n a n df l a s hm o d u l e ，s d r a mm o d u l e ，s e r i a lp o r tm o d u l e ，e t h e r n e tm o d u l e ，u s b ， u s bb l u e t o o t h ，u s bc a m e r a ( 4 ) e m b e d d e dl i n u xi s f o r m e db a s e do nt h ed e m a n d so fs y s t e ms o f t w a r e e n v i r o n m e n t t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ef o r m a t i o no ft h ec r o s sc o m p i l a t i o ne n v i r o n m e n t a n dn f se x p l o i ta n dd e b u g g i n ge n v i r o n m e n t t r a n s p l a n t i n gt h eb o o t l o a d e rv ii n $ 3 c 2 4 1 0 ，t r a n s p l a n t i n ge m b e d d e dl i n u x2 6 1 4 ，t r a n s p l a n t i n go ft h er e l a t e dd r i v e sa s n a n df l a s h 、u s b 、u s bc a m e r a 、u s bb l u e t o o t h ，t h eu s eo ff i l es y s t e m s ，a n dt h e r e a l i z a t i o np r o c e s so f w i r e l e s sc o r r e s p o n d e n c eo f b l u e t o o t h ( 5 ) i td i s c u s s e st h ew a yo ft e l n e to fl i n u x i nw i n d o w sx p ，u s ec a m e r at og a t h e r i m a g ew i t hv 4 lp r o g r a m ，t h ew a y t ot r a n s m i tt h eg a t h e r e dp i c t u r e sw i t hs o c k e t p r o g r a m ，t e l n e to fp ci nl o n g d i s t a n c em o n i t o r i n gc o m p u t e r ，a n dt h ew a y t om o n i t o r t h el o c a l ee n v i r o n m e n tw i t hi e ( 6 ) t h ep e r f o r m a n c et e s to fv i d e om o n i t o rs y s t e mi s c a r r i e do u tw i t ht h e 1 1 1 基于a r m 和蓝牙的安防系统的设计与实现 e x p e r i m e n t t e s te n v i r o n m e n ta n dt e s td a t a t h et e s tr e s u l ti sa n a l y z e da n dt h e i m p r o v e m e n tm e a s u r e i so f f e r e d t h et e s to fs a f e t ys y s t e mi n d i c a t e dt h a t ，t h es y s t e mc a nw e l le x a mi l l e g a li n v a s i o n ， a n di n f o r mt h eu s e rt h r o u g ht h el o n g d i s t a n c ev i d e om o n i t o r i n g t h es y s t e mo p e r a t e s s t a b l yw h i c hh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dg o a l k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n th o m e ；s a f e t ys y s t e m ；b l u e t o o t h ；a r m 9 i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：嘞铴日期：p 弦1 月7 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：i 皙锄 导师签名：抄砖 日期：p 沣 日期：c 却7 年 “月】- 日 i f 月o 日 硕十学位论文 第1 章绪论 智能家居，英文名称为“s m a r th o m e ”，它能给人提供高效、舒适、安全、 便利、节能、健康、环保的家居生活环境。但是在智能家居变成现实的同时，各 种不安全因素也随之不断出现，这其中最需要防范的就是人为的恶意侵犯( 如盗窃、 抢劫等) ，这些都对人们的正常生活造成了不良影响，所以需要设计实现一种智能 的安防系统来最大限度的减小损失。由于安防系统涉及的学科知识范围广且难度 大，因此本文主要讨论其在视频监控方面的内容。 1 1 安防系统中视频监控的国内外发展状况 视频监控系统是安防系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系 统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来， 随着计算机、网络以及图象处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有了长 足的发展。 目前，视频监控系统在实际工程中得到了广泛应用，它正处在数字系统迅速 崛起但尚不完全成熟的数字和模拟混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。 在国内外市场上，主要推出数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产 品。前者技术发展已经非常成熟，在实际的工程项目中得到广泛应用，特别是在 大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术以及 图象视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了之前模拟系统部分的弊 端，但仍需进一步完善和发展。这类的产品通常在视频服务器内置一个嵌入式w e b 服务器i l t ，采用嵌入式实时多任务操作系统，摄像机传送来的视频信号数字化后由 高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的w e b 服务器。 1 2 安防系统中视频监控的发展方向 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的 发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视 频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化1 2 1 。 1 数字化 数字化是2 l 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然结果， 数字化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数 字化。视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技 术为中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系 基于a r m 和蓝牙的安防系统的设计与实现 统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视 频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上 实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。 2 网络化 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集中式向集散式系统过渡， 集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、 分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应，组成集散式监控系统的硬 件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、 开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系 统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等功能。 系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。 系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这 也是系统集成的一个重要概念。 1 3 选择l - n u x 2 6 的原因 l i n u x 操作系统是一种开放源码，可以裁减内核，运行于个人计算机和工作站 上的类u n i x 操作系统【3 】。它最初是由一名芬兰学生l i n u xt o r v a l d s 开发的，后来成 立了一个由他领导的内核开发小组对l i n u x 内核进行了完善。这使得l i n u x 在短期内 就成为了个稳定成熟的操作系统。 l i n u x 近几年在我国得到了迅猛的发展，企业推广应用、科研院所重点研究、 政府大力支持，l i n u x 的发展已经成为我国软件产业发展新的机遇和切入点，国家 甚至将l i n u x 的研发、应用和推广的重要性提高到“战略”的高度【4 】l ”。 为什么l i n u x 会得到如此的重视呢? 除了国家安全、打破国外操作系统垄断等 原因，更重要的是l i n u x 自身具有开放源码、无版税限制等无可比拟的优良特性， 可以在此基础上开发出低价格的自主操作系统，可以在遵守其公用许可证( g p l ) 条款的前提下对其核进行修改，可以根据应用的需求对其进行定制。不过要注意， 基于l i n u x 核心开发出来的产品不属于自己的知识产权，它的知识产权属于整个 l i n u x 开发群体，但是这不妨碍其应用和发展。 l i n u x 目前主要朝三个方向发展，一是在高端服务器领域，目前产品和市场都 比较成熟；二是在桌面p c 领域，由于缺乏足够多的标准化的应用软件，对普通用 户来说其优势还无法超越w i n d o w s ；三是在嵌入式系统领域，一般叫做嵌入式 l i n u x ，由于嵌入式产品的主要功能是控制设备而不是与人直接“接触”，因此从 客观上讲不存在应用的障碍。近几年，随着家用电器智能化和行业信息化建设市 场需要以及微处理器技术的发展，l i n u x 已经得到长足的发展1 6 l 。据有关统计，目 前各个行业应用正在开发的嵌入式产品中，有超过一半的项目选择l i n u x 作为嵌入 2 硕士学位论文 式操作系统，基于l i n u x 的嵌入式操作系统已占据了嵌入式领域中主导地位。 一般说来，如w i n c e 、p a l m 、n u c l e u s 、u c o s i i 等嵌入式操作系统比较，嵌入 式l i n u x 有如下优点和缺点7 】【8 i ： 1 优点 ( 1 ) 自主性：开放源码，不存在黑箱技术，可以对其进行任意修改、定制； ( 2 ) 低成本：无版税限制，价格上具有很强的竞争力，符合中国国情； ( 3 ) 可移植：具有良好的跨平台可移植性，支持包括a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等几乎所有常见的3 2 位嵌入式微处理器； ( 4 ) 内核的可裁减：内核小、效率高，且其单内核结构在设计上就考虑到了可 裁减性； ( 5 ) 网络功能完善：支持十兆、百兆和千兆以太网，还有无线网络、令牌环和 光纤甚至卫星的支持； ( 6 1 - 具链：具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉 运行环境，并且可以跨越在嵌入式系统开发中仿真工具( i c e ) 的障碍： ( 7 ) 资料丰富；源代码网上随处可得，注释丰富，文档齐全，有着遍布全球的 l i n u x 开发者的技术支持； 2 缺点 ( 1 ) 高配置性和开源也使得l i n u x 的应用标准不统一，这样开发难度较大，需要 较多的技术积累； ( 2 ) 前期版本不支持m m u ( 存储管理单元) ，实时性不强； ( 3 ) 与某些操作系统相比，占用存储器空间仍然较大； ， 但是，随着熟悉l i n u x 环境的技术开发人员越来越多，其缺点已经逐渐不那么 突出了。特别是2 0 0 4 年发布的l i n u x 2 6 内核针对的嵌入式应用做了很大的完善，它 相对于以前的版本( l i n u x 2 4 ) ，有如下的进步 9 1 ： ( 1 ) l i n u x2 6 的代码结构更加清晰，资源的定义进行了分类。可读性很好，条 理清楚，修改起来容易。 ( 2 ) l i n m x2 6 的代码相当精炼，大量使用c 的s t r u e t 实现了c + + 的面向对象风格。 ( 3 ) l i n u x2 6 支持标准的高级电源管理a p m 。 ( 4 ) 在同样的目标板上，l i n u x 2 6 的内核跑起来比l i n u x2 4 省电，电流表上的显 示结果相差近5 0 m a 左右，可以相信，l i n u x2 6 在硬件资源的管理上做得很好。 至此可以说，几乎已经没有不可以用l i n u x 来解决的嵌入式系统设计。因此， 本文选择l i n u x 2 6 作为整个视频监控平台的基本软件平台。 1 4 选题的意义 社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，引发入室抢劫、盗窃等暴力事 3 基于a r m 和蓝牙的安防系统的设计与实现 件频频发生，在人们的防范措施和防范意识逐渐增强的同时，不法分子的作案手 段也是越来越向高科技化、高智能化发展。据公安部门的资料表明，盗贼3 分钟即 可破“网”而入，破坏率极高，且无人知晓。同时，智能家居内部的安防系统通 常价格不低，因此必须有一种价格适中且工作稳定的视频监控设备。 本视频监控系统的开发是以智能家居的特点为基础，针对人们的需求而提出 的。未来的智能家居的设计，必定将会以嵌入式技术为基础，几种无线通信技术 的结合体，在这其中必定会有蓝牙技术的一席之地。蓝牙作为一种电缆替代技术， 可以方便地实现设备之间的无线连接，具有低成本、低功耗、抗干扰能力强、组 网灵活等特点，是实现无线数据采集传输系统的理想选择 1 “。 当前的许多安防监控产品都是以视频w e b 服务器的形式来进行监控，而本系 统则是以另外一种思想来进行视频监控。本系统使用的摄像头是市面上便宜、普 通的u s b 摄像头，它即插即用、操作简单，同时使用了智能家居中所必须的蓝牙技 术来进行图象传输【1 1 】，图象传输到室内p c 机中保存起来，用户远程登录此p c 机， 通过i e 浏览器观看监控现场的图象。这样做的优点就是价格便宜、操作简便，并 充分利用了未来智能家居中的硬件资源。 1 5 本课题的主要研究工作 本视频监控系统是以a r m 9 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式操作系统l i n u x 为基础 的。课题需要研究的内容主要有以下几个方面： 第1 章，绪论。讨论了安防系统中视频监控的研究现状与发展趋势，分析了嵌 入式l i n u x 操作系统的优、缺点以及选择内核版本为l i n u x 2 6 的原因，指出了选题 研究的目的和意义。 第2 章，蓝牙技术。从网络拓扑结构和几种重要协议这两个方面入手，阐述了 智能家居安防中的重要技术蓝牙。 第3 章，智能家居安防系统的总体设计。论述了a r m 9 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 的原理以及性能，阐述了安防系统中的n a n d f l a s h 模块、内存模块、r s 2 3 2 串口 模块、以太网模块、u s b 、u s b 蓝牙、u s b 摄像头的组成原理以及设计与实现方法。 第4 章，嵌入式系统软件平台的构建。论述了交叉编译环境和n f s 开发调试环 境的建立，移植$ 3 c 2 4 1 0 下启动引导程序v i v i ，移植嵌入式操作系统l i n u x ( 内核 版本为2 6 1 4 ) ，阐述了系统相关设备驱动的移植( n a n df l a s h 、u s b 、u s b 摄 像头、u s b 蓝牙) 、文件系统的使用，分析了l i n u x 下蓝牙无线通信的实现过程。 第5 章，安防系统的视频监控软件设计。论述了在w i n d o w sx p 下远程登录到 l i n u x 操作系统的方法，阐述了在l i n u x 下使用v 4 l 编程来截取摄像头图象，使用 s o c k e t 编程将截取到的图象传送到室内p c 机上，远程监控电脑登录到此p c 机上， 利用i e 浏览器来实现对现场环境的监控。 4 硕十学位论文 第6 章，系统测试以及分析。结合实验测试环境和测试数据，进行了视频监控 系统的性能测试，分析了测试结果并针对出现的问题给出了改进措施。 最后对本文研究工作进行了总结和展望。 5 基于a r m 和蓝牙的安防系统的设计与实现 第2 章蓝牙技术 智能家居安防系统中的家庭网关负责对整个智能家居内设备的管理，可以说 它是整个系统的“大脑”，而各种传感器则负责采集现场数据，然后将采集到的 不同类型数据向家庭网关传送，而他们之间的通信将通过蓝牙技术来完成，蓝牙 技术作为一种有效的短距离通信技术，它势必将成为安防系统的重要技术。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一项开放的全球统一的短距离无线通信协议标准，其目 的是取代现有的各种电子设备( 如：p c 、打印机、传真机、移动电话和个人数字助 理p d a 等) 的有线接口，通过无线方式将它们连成一个微微网( p i c o n c t ) ，多个微微网 之间也可以互连形成分布式网络( s e a t t e m c t ) ，从而方便、快速地实现各类设备之间 的通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离的 无线连接技术。其无线收发器是很小的一块芯片，可方便得嵌人到便携式设备中， 从而增加设备的通信选择性。 蓝牙技术的特点包括【1 2 1 ：采用1 6 0 0 次s 的跳频技术，抗信号衰落；采用快跳频 和短分组技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性；采用前向纠错( f e c ) 编码技术， 减少远距离传输时的随机噪声影响；使用2 , 4 g h z 的i s m 频段，无需申请许可证；采 用f m 调制方式，降低设备的复杂性。该技术传输速率设计为1 m b i f f s ，以时分方式 进行全双工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送 一个同步分组，每个分组占用一个时隙，也可扩展到5 个时隙。蓝牙技术支持一个 异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持6 4 k b p s 的同步语音；异步通道支 持最大速率为7 2 1 k b p s 、反向应答速率为5 7 6 k b p s 的非对称连接，或者是4 3 2 6 k b p s 的对称连接。另外，蓝牙的功耗小、成本低、体积小，可用于多种设备和场合。 蓝牙技术虽然优点突出，但是其缺点也是存在的。其最大的缺点就是传输速 率偏低，单就智能家居内部的应用而言，不能使用它来传输高清视频信号，而这 恰恰又是未来智能家居中的一个重要发展方向。针对此情况，2 0 0 6 年3 月2 8 日，蓝 牙技术特殊利益集团宣布与w i m e d i a 联盟合作，并将采用其技术来开发超宽带 御w 8 ) 蓝牙产品。世界上一些最大的电子公司也已经决定采用蓝牙无线技术在家 电产品之间传输高清视频信号。双方认为，在蓝牙架构上整合u w b 将使未来的蓝 牙装置能够以更快的数据传输速率和更低的功耗来共享信息i l ”。 2 1 蓝牙的网络拓扑结构 蓝牙系统能支持两种连接，即点对点连接和点对多点连接，这样形成了两种 网络拓扑结构：微微网( p i c o n e t ) 和散射络( s c a t t e r n e t ) 。在一个p i c o n e t 中，只有一 个主单元( m a s t e r ) ，最多支持7 个从单元( s l a v e ) 与m a s t e r 建立通信。 6 硕十学位论文 m a s t e r 靠不同的跳频序列来识别每一个s l a v e ，并与之通信。若干个p i c o n e t 形 成了一个散射网络，如果一个蓝牙设备单元在一个p i c o n e t q b 是一个m a s t e r ，在另一 个p i c o n e t 中可能就是一个s l a v e 。如图2 1 所示。 ? 。 。昂 占b 围2 1 蓝牙拓扑结构图 微微网间的跳频各自独立，互不相关。可以建立若干个微微网并且互相连在 一起。其中每个微微网可以由不同的跳频序列来标识，参与同一个微徼网的所有 用户都与这一跳频序列保持同步。尽管在开放的i s m 频段不允许有多个微微网的同 步，但是通过时分复用技术，采用蓝牙技术的设备可以同时与几个不同的微微网 保持同步。从而可使该设备按照一定顺序参与不同的微微网：即一时刻参与某一 个微微网，而下一时刻则参与另一个微微网。 通过蓝牙技术标准的业务发现协议，大大扩展的联网的功能，包括组成个人 局域网p a n ，其中个人生活使用的所有设备都可以相互通信并协同工作。技术上 的安全措施能够保证在公共场合，如候机大厅、火车站、智能家居等，毫无关联 的蓝牙设备相遇时不会突然发起相互闯的通信【1 4 】。 2 2 组建基于蓝牙的无线局域网 无线局域网分为独立式和非独立式两种。独立式无线局域网指整个网络都使 用无线通信的无线局域网，非独立式无线局域网指局域网中无线网络设备与有线 网络设备相结合使用的局域网。蓝牙既可以用于构造独立式无线局域网，也可以 用于构造非独立式无线局域网，后者常常用于将蓝牙网络与广域网( 为典型的就是 因特网) 相连接的场合。由于后者目前采用8 0 2 1 l b 技术较为普遍，所以蓝牙的应用 可能会更侧重于个人区域网( p a n ) 。 p a n 的概念的首次提出是在1 9 9 8 年，这是与广域网、局域网相并列但范围更 小的网络。根据目前的技术标准和将来的发展，个人局域网中主流的无线联网技 术主要有i e e e 8 0 2 1 l 、h o m e r f 和蓝牙这三种无线技术，它们都工作在2 4 g h z 频 段上，都可以为移动对象提供联网功能【”l 【l 。专家们认为，在这样一个通信距离 为1 0 m 左右的个人区域网中，无线连接无疑最为简单，蓝牙无疑目前是p a n 的首选 技术。于是在1 9 9 8 年3 月，i e e e 正式成立了研究无线个人区域网的8 0 2 1 5 委员会。 7 基于a r m 和蓝牙的安防系统的设计与实现 个入区域网不同于传统的无线局域网1 1 孔。首先，它是围绕用户而建立的，可 连接用户随身携带的每一种装置。移动电话、p d a 、或笔记本电脑将能够与用户 家里的电冰箱或空调、办公室的安全系统以及其他入的装置通信。其次，蓝牙微 微网由不超过8 个节点的活动设备构成。1 个微微网的通信距离有限，但几个微微 网连接在一起可以组成一个辐射网，而辐射网的连接范围是无限的，在没有其他 干扰的情况下，每增加1 个微微网，数据率只减少1 3 ，而且这一数据率为整个微 微网中各种装置所共享。 2 3 蓝牙协议分析 2 3 1 蓝牙协议栈的组成 蓝牙规范的核心部分是协议栈。蓝牙协议规范的目的就是尽可能利用现有的 各种高层协议，保证它们与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通性，充分利 用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙协议栈允许多个设备进行相互定位、连 接和交换数据，并能实现互操作和交互式的应用。为了实现互操作，在蓝牙设备 上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。不同应用可运行于不同的协议栈，但 是每一协议栈都使用同一公共蓝牙数据链路和物理层。蓝牙协议栈的完整结构图 如图2 2 所示1 引。 | v c a r d w a e a t 指令 t c s b n e ps d pi o b e x ll w a p l 二进制 u d pt c p i pi 语 1 i w a p l 。一 。 i r f c o m m l 2 c a p i 主控制接 j l m p 基带 蓝牙无线通道 图2 2 蓝牙协议栈结构图 蓝牙体系结构中的协议可分为四层： 8 硕十学位论文 ( 1 ) 核心协议：基带、l m p 、l c a p 、s d p ； ( 2 ) 电缆替代协议：r f c o m m ； ( 3 ) 电话传送控制协议：t c s 二进制、a t 指令集； ( 4 ) 可选协议：w a p 、t c p i p 、u d p 、o b e x 、v c a r d 、w a e 、b n e p 。 除了上述协议层外，蓝牙协议还规定主机控制接口( h c i ) ，它为基带控制器、 连接控制器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口，在蓝牙设备的主机和基带模 块之间提供了一个通用接口。绝大部分蓝牙设备都需要核心协议，而其它协议根 据应用的需要而定。 2 3 2 基带协议 基带和链路控制层确保匹克网内各蓝牙设备之阃射频构成物理连接。蓝牙的 射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率上发送，它使用查 询和寻呼进程来使不同设备的发送频率和时钟保持同步。基带数据分组提供两种 物理连接方式：面向连接( s c o ) 和无连接( a c l ) 。 s c o 数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重发 被损坏的那部分数据。s c o 帧内的收发包结构必须是对称的，即必须同时包含1 个、 2 个或3 个时隙。s c o 数据包在保留的时隙内发送，一旦s c o 链路建立，主从设备就 直接发送s c o 分组，无需轮询( p o l l ) 。为了建立s c o 连接，必须先建立a c l 链路以 传送控制信息。 a c l 支持对称和非对称两种帧格式。a c l 的包( 不论是收还是发) 必须包含奇数 个时隙，以使整个帧的时隙数为偶数( 如1 1 、1 3 或者1 5 等) 。主控设备负责控制 a c l 链路的带宽，并决定p i c o n c t d p 的每个从属设备可以占用多少带宽及连接的对 称性。从属设备只有被选中时才能传送数据，即从属设备发射数据前必须接受轮 询。a c l 链路也支持接收主控设备发给p i c o n e t 中所有从属设备的广播消息 1 卿1 2 0 。 2 3 3 链路管理协议( l m p ) 链路管理协议负责蓝牙各设备之间连接的建立和设置。它通过连接的发起、 交换、核实来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 无线设备的节能模式和工作周期，以及匹克网内设备的连接状态。l 2 c a p 在高层 和基带层之间做适配协议，它月l i m p 是并列的，区别在于l 2 c a p 向高层提供负 载的传送，而l m p 不能，即l m p 不负责业务数据的传送。 2 3 4 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议，可以认为它与l m p 并行工作。 它们的区别在于当业务数据不经过l m p 时，l 2 c a p 为上层提供服务。l 2 c a p 向上 层提供面向连接的和无连接的数据服务时，采用了多路复用技术、分段和重组技 9 基于a r m 和蓝牙的安防系统的设计与实现 术及组概念。l 2 c a p 允许高层协议以6 4 k b 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 。 2 3 5 服务发现协议( s d p ) 服务发现协议在蓝牙技术框架中起大至关重要的作用，它是所有用户模式的 基础。在变化频繁的蓝牙无线通信网络中，任何两个或是多个设备可能会突然开 始在蓝牙的链路上通信，如果要利用这些设备彼此提供的服务，需要一个灵活的 方法来查找这些服务的位置。一旦建立起一个通信通道，某个设备通信的下一步 应该是找出该设备可以使用的服务。这正是提出蓝牙服务发现协议的原因。 s d p 定义了一种标准的方法，以使某些蓝牙设备可以发现和学习其它设备提供 的服务。蓝牙服务发现协议专门设计用于蓝牙无线通信的环境中，能以高效和最 优的方式实现其功能。 2 3 6 主机控制器接口( h c i ) 无线、基带和链路管理器可以封装在一起，形成一个蓝牙模块。而把这个模 块附着在个主机设备上，该设备就能具有蓝牙无线通信的功能。为了使不同开 发商的蓝牙模块可以互通，在主机和模块之间需要个通用的接口，以便可以访 问模块中协议栈的下层协议。这个接1 3 就是主机控制器接1 ：3 ( h c i ) 。h c i 提供了一 个访问蓝牙硬件的标准接口。通过h c i 层，包括应用在内的高层协议可以访问基带 层、链路管理层和其它的硬件寄存器，h c i 解释来自主机的信息并将信息发向相应 的硬件模块单元，同时还将模块中的信息( 包括数据和硬件固件信息) 根据需要向 上转发给主机【2 ”。本安防系统所使用的蓝牙模块是h c i u s b 接口模式。 2 3 7 电缆替代协议( r f c o m m ) 串行端口是如今计算机和通信设备最常见的通信接口之一。为了方便在蓝牙 无线链路上实现串行通信，协议栈定义了一个称为r f c o m m 的串行端口仿真协议。 它是欧洲电信标准协会t s 0 7 1 0 标准定义的模型，这个标准定义了在一个单独的串 行链路上进行多路复用串行通信的方式。r f c o m m 为各种应用提供了一个虚拟的 串行端口，可以方便得将有线串行通信中的应用搬到无线串行通信领域中来。因 此一个应用可以像使用一个标准的有线串口一样，利用r f c o m m 实现诸如同步、 拨号上网和其他的各种功能，对于应用而言没有明显变化。可以说，r f c o m m 协 议的目的就是要使传统的基于串口的应用可以利用蓝牙传输。 2 3 8 网络封装协议( b n e p ) 网络封装协议b n e p 是蓝牙s i g 专门为某种应用服务而制定的协议，它可对上 层婵协议提供类似于以太网的接口，对i e e e 8 0 2 3 e t h e m e t 封装支持的网络协议， 蓝牙网络封装均予以支持 2 2 1 。b n e p 协议把这些网络协议包封装起来，b n e p 用 i o 硕+ 学位论文 b n e p 包的包头取代以太网包，然后直接通过蓝牙l 2 c a p 协议层进行无线传输。蓝 牙网络封装主要应用在蓝牙个人无线局域网( p a n ) 中1 2 3 1 。 2 4 本章小结 本章论述了安防系统中使用的技术蓝牙，在这一部分主要是从蓝牙技术 的原理、应用和网络拓扑结构入手，着重分析了几种重要的蓝牙核心协议以及应 用服务协议。 基于a r m 和蓝牙的安防系统的设计与实现 第3 章智能家居安防系统的总体设计 3 1 智能家居安防系统的设计 智能家居是多种高新技术相结合的产物，而智能家庭网关则是智能家居系统 的核心设备，它既能实现家庭各种异构网络的互联，又能成为家庭多媒体控制中 心，社区信息服务的节点，同时具备宽带接入、无线接入与p s t n 电话网接入功能。 家庭网关采用模块化设计，它分成几个模块：家庭通信网络单元、家庭电器设备 自动化单元和家庭安防单元。由于智能家居的实现是一个庞大的工程，因此将只 讨论其在安防方面中的设计。图3 1 是智能家居安防系统的设计图。 电话机 p s t n 电话网 p c 机| + 叫互联网 圈j 仃t 屏 用于来人 可视对讲 家庭嘲关 a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) u s b h o s t 搬h4 叫h u b 8 8h 蓝牙摄像头+ 叫l - 1 噩才 r 恒丑灞 = 二二二二二 卜一量鲨j l 忙习幢 图3 1 智能家居安防系统的设计 家庭安防系统分防盗、防灾报警和可视对讲两大部分【2 4 1 。防盗、防灾部分主 要包括防火灾发生、防煤气( 可燃气体) 泄露、防盗报警、紧急呼救系统等，一旦这 一部分有任何异常情况发生，则通过蓝牙模块将预先设计好的指令发送至家庭网 关上，家庭网关通过蓝牙模块对接收到的指令进行解析，然后可以通过g s m 模块 远程报警给用户，也可以通过以太网向物管中心报警。可视对讲模块包括门口机、 电控门、监视、监听设备等，主要完成来访客人的身份确认和电控门的控制，以 及与小区对讲主机、小区大门对讲主机进行对讲。 1 、防盗、防灾报警模块 防盗、防灾模块都设置了自己的防区，每个防区都是相互独立的具有不同报 警信息以及报警等级。当有一个确定的报警发生时，报警模块可实行联动反应： 触发报警灯、开启照明设备以吓退盗贼、关闭煤气阀以防止煤气泄露等等。 1 ) 防火灾发生 1 2 硕士学位论文 通过设置在厨房的感温探测器和设置在客厅、卧室等的感烟探测器，监视各 个房间内有无火灾的发生。如有火灾发生，则通过蓝牙模块将探测器检测到的火 灾指令信号发送到智能家庭网关，家庭网关发出声光报警信号，通知家人以及小 区物业管理部门，为保证主人不在家的时候也能收到报警信息，则需要利用g s m 模块通过短信息的形式立即通知主人。火灾的发生关系到生命财产安全，因此防 火灾区属于2 4 4 , 时防区。 2 ) 防煤气( 可燃气体) 泄露 通过设置在厨房的煤气( 可燃气体) 的探测器，监视煤气管道、灶具有无煤气 泄露。如有煤气泄露，则首先立即自动切断煤气阀，然后通过蓝牙模块将探测器 检测到的煤气指令信号发送到智能家庭网关，家庭网关发出光报警信号，通知家 人以及小区物业管理部门，为保证主人不在家的时候也能收到报警信息，则需要 利用g s m 模块通过短信息的