蓝牙技术与家庭无线网络.doc

1 家庭无线网络随着大众生活水平的不断提高，拥有两台以上PC的家庭已经很平常了，有的家庭笔记本加台式机多达56台。以往，家用电脑的形态主要是台式机，现在，许多家庭在台式机之外，又添置了笔记本、PDA、DC或DV，通过家用无线网络，把这些产品联接起来，不仅可在家中享受无线网络的乐趣，而且解除了布线以及影响居室美观等许多烦恼。近两年，上网费不断下调，100元左右包月不限时上宽带，已在许多城市和地区得以普及。因此，家庭无线局域网的需求正在悄然增长，并且将形成一个最具增长潜力的大市场。同时由于当前社会IT行业相关技术的迅猛发展不断给我们的日常生活带来很大的方便，PC、DVD、手机、PDA、数码相机等对于普通家庭已经不是什么新鲜物，但是细心的你会发现，现在的住宅小区除了外观漂亮些之外，其他方面和10年前没有什么两样:冰冷的防盗门窗、每月上门的三表收费、家里密密麻麻的管线和开关。于是，很多的公司就看到了这方面蕴藏的巨大商机，提出了smart home的概念，开始了智能家居的开发，他们给我们描绘了一副非常完美的未来家庭生活场景:无论你在什么地方，可以通过手机或者Internet控制家里的一切电器设备;回到家中，只要拿一个手持液晶面板，就既可以上网去购物、浏览、娱乐，又可以操纵家电;当有什么安防问题时，家庭智能终端就会直接向社区中心当发送报警信号;业主在家中可用IC卡来支付物业、水电等费用;而且现在那些复杂的布线和开关都会被安全美观的无线设备所取代。在形形色色的家居智能化系统中，无线解决方案是被受关注的一个重要方面，蓝牙、红外、IEEE802.11b、HomeRF、HyperLan等无线网络技术都有厂家采用，其中蓝牙技术以其独特的优势;统一的全球标准，很好的互操作性，非常方便地实现快速、灵活、安全、低成本、低功耗的数据和语音通信，成为家庭无线网络方案中的一个巨大亮点。2 蓝牙技术2.1 蓝牙简述蓝牙(Bluetooth)技术是在1998年，由爱立信、IBM、Intel、诺基亚和东芝等公司联合推出的一项无线网络技术。随后这五家公司组建了一个特殊兴趣组织(SIG)来负责此项技术的开发。1999年7越份蓝牙SIG推出了蓝牙协议的1.0版，从而将其推向应用阶段，2001年1月又推出蓝牙协议1.1版，如今，SIG已经拥有9个成员，近100个辅助商和2000多家参与者，同时越来越多的相关公司和个人正在积极申请加入该组织。蓝牙的载波选用在全球公用的2.4GHz工科医学(ISM)频带，并采用跳频扩谱技术(FHSS)。跳频速率为1600次/s，以2.45GHz为中心频率最多可得到79个1MHz带宽的712Kb/s，传输距离为10m。语音传输采用连续可变斜率调制编码(CVSD)技术，通信协议则采用时分多址(TDMA)协议。遵循Bluetooth协议的各类数据和语音设备都能够以无线方式接入到公共网络系统中。蓝牙系统以点到点PPP(Point-to-Point Protocol)连接为基础，用无线方式将若干蓝牙设备连接成一个微型网络(Piconet)。每个Piconet的蓝牙装置组成为一个主设备(Master)和若干个从设备(Slave)，主设备负责通信协议的运作，提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元接收主设备单元的控制，主从设备采用统一调频序列。MAC地址用3位来表示，即在一个匹克网内可寻址8个设备(互联的设备数量实际是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个为从)，此外，蓝牙系统还支持点到多点的通信构成分布式网络(Scatternet)，即1个主设备可以是其他Piconet的从设备，每个从设备也可以是其他Piconet的主设备。具体来讲，蓝牙系统所用技术实际上是一种短距离无线电技术，使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络2.2 蓝牙技术的特点(1) 工作频段:2.4GHz的工科医(ISM)频段，无需申请许可证。大多数国家使用79个频点，载频为(2402+k)MHz(k=0，1, 278)，载频间隔1MHz。采用TDD时分双工方式。 (2) 传输速率:1Mb/s。 (3) 调试方式:BT=0.5的GFSK调制，调制指数为0.28-0.35。 (4) 采用跳频技术:跳频速率为1600跳/秒，在建链时(包括寻呼和查询)提高为3200跳/秒。蓝牙通过快跳频和短分组技术减少同频干扰，保证传输的可靠性。 (5) 语音调制方式:连续可变斜率增量调制(CVSD，Continuous Variable Slope Delta Modulation)，抗衰落性强，即使误码率达到4%，话音质量也可接受。 (6) 支持电路交换和分组交换业务:蓝牙支持实时的同步定向联接(SCO链路)和非实时的异步不定向联接(ACL链路)，前者主要传送语音等实时性强的信息，后者以数据包为主。语音和数据可以单独或同时传输。蓝牙支持一个异步数据通道，或三个并发的同步话音通道，或同时传送异步数据和同步话音的通道。每个话音通道支持64kbps的同步话音;异步通道支持723.2/57.6kbps的非对称双工通信或433.9kbps的对称全双工通信。 (7) 支持点对点及点对多点通信:蓝牙设备按特定方式可组成两种网络:微微网(Piconet)和分布式网络(Scatternet)，其中微微网的建立由两台设备的连接开始，最多可由八台设备组成。在一个微微网中，只有一台为主设备(Master)，其它均为从设备(Slave)，不同的主从设备对可以采用不同的链接方式，在一次通信中，链接方式也可以任意改变。几个相互独立的微微网以特定方式链接在一起便构成了分布式网络。所有的蓝牙设备都是对等的，所以在蓝牙中没有基站的概念。(8) 工作距离:蓝牙设备分为三个功率等级，分别是:100mW(20dBm)、2.5mW(4dBm)和1mW(0dBm)，相应的有效工作范围为:100m、10m和1m。 2.3 蓝牙协议(Protocol)体系结构蓝牙协议规范设计的目标是允许遵循规范的应用能够相互间的操作。为了实现互操作性，在相互通信的设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用识别间的互通性，并充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。整个蓝牙协议栈可分为四层:(1) 核心协议:基带、LMP、L2CAP、SDP(2) 电缆替代协议:RFCOMM(3) 电话传送控制协议:TCS二进制、AT指令集;(4) 可选协议:PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口(HCI)，它为基带控制器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。HCI可以位于L2CAP的下层，也可位于L2CAP上层。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议或常用的公共协议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。由于蓝牙技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，可以移植到许多应用领域，因而应用场合很普遍。蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良好的接口，从而保证一定的兼容性。蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短距离通信场合。目前所能看到的应用有:替换蜂窝电话和远端网络之间的通信时所用的有线电缆;提供新的多功能耳机，并可在PC、蜂窝电话、随身听中共同使用;笔记本、PDA、蜂窝电话之间的名片数据交换等。图1是完整的蓝牙协议栈模型:2.4 蓝牙应用规范任何蓝牙设备之间的通信的建立都需要查询、建立连接、鉴权、通信几个过程。下面以LAP(Lan Access Point)为例阐述它的通信过程:(1) 当移动数据终端的某个应用要求接入局域网时，它先启动业务发现协议(SDP)，向可以有回应的LAP发出查询请求。LAP此时作为SDP Server具有一个业务发现数据库(SDP Data-Base)，里面记录着接入点可以提供的服务及其属性，SDP机制可以提取建立RFCOMM连接需要的所有服务信息。数据终端查询到可用的服务信息后，就可以开始建立连接(如果发现没有需要的服务，就放弃本次的连接请求)。(2) 如果没有现存的基带物理链路，则要与所选的LAP建立一条物理链路。之后，设备进行低层的鉴权和加密密钥商议。(3) 设备终端由低层向上，逐层建立L2CAP/RFCOMM/PPP连接。这里，PPP层提供了一种可选的高层的鉴权机制。同时，用适当的PPP机制来协商数据终端使用的IP地址。(4) 连接建立之后，数据终端的上层应用就可以在PPP连接上传送IP数据流了。(5) 任何时候，DT(数据终端)和LMP都可以终止已建立的连接。连接拆除各层的操作顺序与建立时刚好相反。3 家庭无线网络系统设计方案3.1 概述家庭网络中的信息设备按功能和所具有的智能程度一般可以分为三种:高智能信息家电如PC、PDA、手机等;视频、音频或语音通信设备，如电视、无绳电话、音响等;一般电器设备，如洗衣机、冰箱、微波炉、空调等。由于它们各自的功能不同，它们之间的通信也具有不同特点:(1) 距离短家庭的通信距离一般情况下只有10m左右，最多也不会超过100m。(2) 多媒体有对普通家电(如冰箱、空调)的监控信息，还有无绳电话和母机的语音通信，便携式PC和桌面PC的数据通信以及和影音 设备的图像设备等。(3) 通信速率要求差别大对于一般电气设备的监控，速率可以比较低:对于实时的语音通信，一般至少需要10KB左右的速率才能保证通信质量，图像和视频通信则要求更高。(4) 固定和移动结合有些家电设备是很少搬动的，而另外一些信息设备就有移动通信的要求，但移动速度是很低的。蓝牙技术能满足以上几乎所有的要求，而且成本低、方便、高效，抗干扰性力更强，所以很适合构建家庭信息网络。用蓝牙技术构建的家庭信息网络的拓扑图如图2所示。由上图可见，家庭网关控制器是核心控制器件，它通过蓝牙技术以短距离无线通信的方式对各个智能信息家电以及一般电器设备进行相应的控制，同时通过有线通信(一般为同轴电缆或者光纤)接入社区宽带网，再进一步通过网线接入Internet网，这样一个典型的家庭无线网络就通过家庭网关控制器同外部网络有效地结合起来。在现代化的智能家居中，业主同物业公司的关系正是通过蓝牙技术以这种有线无线相结合的方式高效率地运作着。可以预见，未来20年内，类似的系统将逐渐在世界各国的智能家居中广泛应用开来。3.2 几种蓝牙模块简介蓝牙技术之所以受到人们的广泛关注，其中很大一部分原因在于它的方便性，点月从事计算机工作的人员，不需要太多的无线通信知识，就可以在其电子产品中实现蓝牙功能。从1999年爱立信公司推出了世界上第一款蓝牙模块以来，各大芯片厂商纷纷不甘落伍，相继推出了自己的蓝牙模块产品。虽然目前市场商蓝牙模块的型号很多，但是功能都大体很近，就是在模块中集成了一个完整的RF收发器，一个以微处理器为核心的基带(BB)控制器，存储低层协议(LMP)的存储器，以及模块与主机部分的接口(HCI固件)。当前世界各大公司纷纷在蓝牙模块产品的研发中投入了大量的人力物力，希望能够尽快开发出性价比最高、适合消费者使用的蓝牙产品。下面介绍几款常见芯片:(1) 爱立信公司的蓝牙模块(R007)是双芯片方案，一个是RF模块，另一个是基带模块，实现了低层协议BB、LM、HCI。提供了用于连接主机的USB接口、UART接口、PCM语音接口等。(2) CSR公司的单芯片方案(BlowCore01)是一片CMOS芯片上集成RF单元和基带处理器，但是必须和内含蓝牙协议栈的Flash Rom配合使用。提供USB、UART/PCM接口。(3) 科胜讯(CONEXANT)公司也是双芯片的方案，CX72303是RF收发器，CX81400是基带控制器，不需要外加Flash。提供USB、UART/PCM接口。(4) 朗讯的W7020和W7400、菲利普的UAA3558和PCD87750都需要额外加上Flash、天线和电源芯片才可以构成蓝牙模块。(5) Philsar公司提供单片RF收发器(PH2401)，和Mitel公司的基带芯片DMT1020A配合可以构成蓝牙模块。蓝牙的下一代芯片即将推出，它把上层协议和软件全部集中到了单一的芯片内，蓝牙系统不用主机干预，就可以运行L2CAP、RFCOMM等高层协议，而且针对不同的应用，蓝牙芯片可以提供不同的profile，例如CSR的下一代蓝牙芯片BlueCore03。同时，对于主机来说，蓝牙本身就可以看作一个智能终端，通过UART、USB串口相接。这样，开发软件协议集时所遇到的很多困难就可以避免了。3.3 家庭蓝牙网络的软硬件实现(1) 家庭硬件组成系统的硬件组成包括一个主设备(家庭网关控制器)和若干个从设备(信息家电等)，从设备因功能不同在设计上有所差异，但大体方案一致。家庭网关控制器的微处理器系统采用嵌入式系统，它是整个家庭无线网络系统的核心，不仅要完成不同通信协议之间的转换和信息共享，还要保证实现同外部通信网络之间的数据交换功能，同时还必须负责对各个从设备的管理和控制。根据现在社区上网方式的不同，设计了电话线、以太网、ADSL/ISDN三种联入宽带网的接口。在这个系统中，主设备(家庭网关控制器)一般只有一个，并且它占据着举足轻重的作用，并直接决定着系统的整体运作流程，因此在选型和设计时要尤其注意。蓝牙主设备的硬件原理框图如图3所示。从设备的接口电路包括RS232、USB、UART、PCM等接口，通过它们与智能家电、PC、手机、PDA等相连，完成信息的实时交换。蓝牙从设备的硬件原理框图如图4所示。(2) 软件部分的实现系统软件的实现过程也就是贯彻某个特定的profile过程，下面分层说明协议的实现方法:a) 低层协议:支持蓝牙低层协议(基带、LMP)的程序已经将目标码格式存放在基带的存储器中，蓝牙的这部分低层协议软件是非常重要的，它实现了物理链路管理、加密和鉴权、数据包打包拆包等重要功能，而且它的这些功能是直接面向射频硬件的。b) 高层协议:蓝牙技术的高层协议需要系统的嵌入式微处理器来支持。开发高层协议的时候需要获得蓝牙模块供应商或者第三方提供的高层协议源程序，包括:HCI驱动器、LC2CAP、SDP、RFCOMM等，并将其集成到嵌入式微处理器的应用程序中去。在开发系统软件过程中最为重要的一点是了解蓝牙系统如何使用协议组件来构造应用模型profile,并能实现正常工作。成功地实现软件设计不仅需要对无线操作或者蓝牙协议堆栈操作有深厚的知识基础，更需要了解系统是如何与其他设备之间运作才是关键。我们在进行软件设计的时候，主要攻克的难点是在于如何连接蓝牙设备上。该过程又划分为:客户端的连接建立、物理极连接、服务器端连接、LM信道的建立、L2CAP信道的建立共五个方面。下面我们仅以前三个方面为例分析其流程:当你输入“空调”一词并按下浏览器窗口的搜索键后，蓝牙设备(家庭网关控制器)的L2CAP就会收到以L2CA_ConnectReq 事件表示的请求。这里我们认为L2CAP维护着一个最近连接的连接句柄缓冲。缓冲中每个条目都有一个标志位表示对应特定连接的连接句柄(CH)是否有效。当LMP向L2CAP报告某CH对应的连接断开或者终止(这是单独实现的)时该标志位即被设置。l 客户端的连接建立L2CAP对【当前业主家庭】进行简单的NSLOOKUP检索并得到主单元的地址(BD_ADDR)。L2CAP 随后检查缓冲查看该地址的CH是否存在。如果存在CH(而且没有设置标志位，那么L2CAP就进一步和【当前业主家庭】主单元的L2CAP建立逻辑连接，方式是向低层的HCI 发出L2CAP_Connect_Req 事件。如果没有链路连接，则L2CAP通过触发LP_Connect_Req事件而要求HCI创建一个。HCI即可发送HCI_Create_Connection 命令数据包给LMP。LMP接着触发命令状态事件Command Status 。命令状态事件表示命令已经收到，LMP正在执行HCI_Create_Connection 命令指派的任务。该事件对主机的异步操作是必需的，这样主机才可以同时做其他事情而无须等待命令完成。接收连接请求的LMP会查看该连接的对应CH是否存在(以防缓冲溢出或者因为某 些原因L2CAP没有在缓冲中找到)。如果CH存在，LMP即向HCI触发带CH的Connection Complete 事件。如果没有远程设备【当前业主家庭】的CH， LMP则首先创建两设备之间的LMP信道，方法是发送LMP_host_connection_req PDU(协议数据单元)给远程设备。但在该LMP信道建立之前，两台设备之间将在基带级建立物理连接信道，如图5所示。l 物理级连接基带级的连接有点复杂。原因在于蓝牙规范只允许主单元寻呼从单元反过来则不被允许。所以你的蓝牙主设备只好创建自己的本地微微网(临时的)并把【当前业主家庭】主单元当作从单元寻呼。【当前业主家庭】主单元在处于寻呼扫描模式的时候会发现这个寻呼消息(也就是一个简单的ID数据包，其中包含了从单元的设备访问码DAC它是你的蓝牙主设备以寻呼跳频发送的，而寻呼跳频则是从单元的BD_ADDR也就是【当前业主家庭】的地址所决定的)。于是主单元向从单元发送响应。该响应消息只能由从单元的设备访问码【当前业主家庭】组成。从单元即可在收到寻呼消息开始后625s发出响应，响应跳频则对应收到寻呼消息的跳频。主单元也就是你的蓝牙主设备在收到ID数据包后即发出FHS响应数据包，其中包含了主单元的实时蓝牙时钟，主单元的48位长BD_ADDR、BCH奇偶位和设备类型。该数据包发送的频率也是寻呼跳频序列。从单元【当前业主家庭】则发回响应(其中只有从单元的设备访问码)确认FHS数据包。这样两台设备都进入了连接(CONNECTION )状态，也就可以在其物理层之上建立更高级信道。主单元(蓝牙主设备)发送的第1个数据包是一个POLL数据包，这个包只是再确认连接。从单元可以用任何类型的数据包响应。这里要注意的是，一旦连接建立，连接所采用的跳频序列也就是主单元【当前业主家庭】确定的信道跳频。所以该POLL数据包将按照以上的信道跳频被发送。图6示出原理框图。l 服务器端连接建立了物理信道之后，基带就会创建一个ACL数据包(DM1、DM3或者DM5)，其中数据部分头部的L_CH 字段设置为11(LM 数据包)。数据包头内的AM_ADDR也由你的蓝牙主设备设置(注意你发送的FHS数据包具有一个AM_ADDR字