蓝牙通信协议13.pdf

南京师范大学泰州学院 毕毕 业业 论论 文文 题目 蓝牙通信协议 学生姓名学生姓名 陆韵姣 学学号号 09080309 专专业业 电子信息工程 班班级级 信 0803 指导教师指导教师 史永 2012年4月 I 蓝牙通信协议 摘 要 蓝牙无线技术是一种短距离无线通信技术 目的在于取代电缆来连接便携式 和 或固定设备 并保证高度安全性 蓝牙技术具有功能强大 耗电量低 成本 低廉操作简单等主要特点 本文选择蓝牙通信协议为研究对象 首先对蓝牙技术进行介绍 同时和其 他短距离通信技术进行比较 接着对通信协议行了介绍 列举了常用的网络通 信协议 在此基础上进一步的具体介绍了蓝牙通讯协议 最后研究了 HC502B 蓝 牙连接通信协议 总之 本文在完成对蓝牙和通信协议研究的基础之上 研究讨论蓝牙连接通 信协议 并在此基础上进行了部分实现 关键词关键词 蓝牙 通信协议 蓝牙协议 II Management System For Book Storage Abstract Bluetoothwirelesstechnologyisashort rangewireless communication technology intended to replace the cables connecting portable and or fixed equipment and ensure the high safety Bluetooth technology has strong function low power consumption low cost and simple operation main features This paper select the Bluetooth communication protocol as the object of study The Bluetooth technology is introduced at the same time and other short distance communication technology is compared Then the communicationprotocollineintroduced introducesthenetwork communication protocol On this basis further introduced the Bluetooth communicationprotocol FinallywestudytheHC502BBluetooth communication protocol Inshort thisarticleinthecompletionoftheBluetooth communication protocol on the basis of the study study and discuss the Bluetoothcommunicationprotocol andonthisbasisthepartial implementation Keywords Communication protocol Bluetooth Bluetooth protocol 目录 摘要 I Abstract II 第一章 引言 错误 未定义书签 错误 未定义书签 1 1 课题研究意义 错误 未定义书签 错误 未定义书签 第二章 蓝牙技术简介 错误 未定义书签 错误 未定义书签 2 1 蓝牙技术由来及技术特点 错误 未定义书签 错误 未定义书签 2 2 蓝牙技术的应用 5 2 3 蓝牙技术发展 6 2 4 其他短距离技术综述 6 第三章通信协议概要 8 3 1 通信协议简介 8 3 1 1 通信协议的定义 9 3 1 2 通信协议的三要素 9 3 1 3 通信协议的特点 9 3 2 网络体系的分层结构 8 3 3 局域网常用通信协议 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 3 1 TCP IP 9 3 3 2 NetBEUI 协议 错误 未定义书签 错误 未定义书签 3 3 3 IPX SPX 及其兼容协议 9 第四章蓝牙通信协议 8 4 1 蓝牙协议栈 8 4 2 蓝牙协议体系中的协议 8 4 3 蓝牙核心协议 错误 未定义书签 错误 未定义书签 4 3 1 基带协议 9 4 3 2 连接管理协议 LMP 错误 未定义书签 错误 未定义书签 4 3 3 逻辑链路控制和适配协议 L2CAP 9 4 3 4 服务发现协议 SDP 9 4 4 电缆替代协议 RFCOMM 错误 未定义书签 错误 未定义书签 4 5 电话控制协议 错误 未定义书签 错误 未定义书签 4 5 1 二元电话控制协议 TCS Binary 或 TCSBIN 9 4 5 2 AT 命令集电话控制协议 9 4 6无线应用协议 错误 未定义书签 错误 未定义书签 第五章 HC502BHC502B 蓝牙连接通信协议 错误 未定义书签 错误 未定义书签 5 1蓝牙连接参数 错误 未定义书签 错误 未定义书签 5 2通信交互流程 错误 未定义书签 错误 未定义书签 5 3通信交互协议 错误 未定义书签 错误 未定义书签 5 4结果数据样例 错误 未定义书签 错误 未定义书签 结束语 16 参考文献 21 致谢 20 第一章 引言 1 1 课题研究意义课题研究意义 现实生活中有许多蓝牙技术的实际应用 于此同时蓝牙通信协议也得到了相 应的发展 越来越多的通信协议 蓝牙协议被人们所熟知 甚至掌握运用 本文主要研究蓝牙连接通信协议 通过研究了解通信协议对我们生活的影 响 更直接的了解蓝牙通信协议的发展对于世界通信事业发展的影响及意义 第二章 蓝牙技术概要 2 12 1 蓝牙技术由来及技术特点蓝牙技术由来及技术特点 随着世界范围内电子技术的高速发展 个人便携式设备市场需求呈现几何增 长也推动了短距离无线通信技术的发展 1994年 瑞典爱立信公司成立专项 研究下组 对短距离设备连接无线技术进行研究 1999年初 在爱立信公司推动 下Intel Ericsson IBM Nokia和Toshiba组成特殊利益集团SIG 集团主要致力于 蓝牙技术标准的制订 产品测试以及推动蓝牙技术的发展及应用 紧接着在1999 年底 3COM Lucent Microsoft Motorola相继加入SIG集团 成为SIG的九个核心 倡导者 到目前为止 蓝牙特别兴趣小组SIG的成员已经在全球超过6000家 仅仅 在亚洲就有成员2000多家 蓝牙技术已经得到了全球各国认可并迅速推广 无线蓝牙技术的基本优势在于它成本低廉 功耗小 同时可以处理数据和语 音传输 在后续的版本中可以传输多媒体信息 下面是蓝牙主要技术特点 主要核心版本 版本号版本说明 版本 1 01999 年 7 月 SIG 公布第一个正式版本 版本 1 12001 年 4 月 版本 1 22003 年 11 月正式采用 目前市场主要应用版本 版本 2 0 ERD增强数据率 EDR 2004 年 11 月正式采用速率可达 3Mbps 表 2 一 1 监牙核心版本 技术特点 项 目 技术规格及特点 规 格 构 蓝牙无线规格为产品开发商提供了链路层和应用层定义 可以支持数据和 语音应用 规格分为两类蓝牙核心协议和应用技术范 成 频 谱 蓝牙技术运行于不需申请许可证的工业 科技和医学 ISM 的 2 4 至 2 485GHz 波段 使用扩频跳频全双工信号 额定速率为 1600 跳 秒 全双 工 TDD 时分双工 2 4GHzISM 波段在大多数国家部可用 且不需申请许可 证 干 扰 信号以 1MHz 为间隔在 79 个频率闻跳跃 从而保证了高度的抗干扰性 蓝 牙技术的适应跳频 AFH 功能设计用于降低共享 2 4GHz 频谱的无线技术之 间的干扰 AFH 可以利用可用频率在该频谱内运行 这可以通过检测此频 谱内的其它设备并避免使用它们使用的 频率来实现 此适应跳频可以实现在频谱内更加有效地传输 即使蓝牙技 术与 WiFi 等技术配合使用 仍会为用户提供更高的性能表现 数 据 率 版本 1 2 支持 1Mbps 版本 2 0 EDR 最多支持 3Mbps 同步信道速率 64kbps 功 率 最常用的 2 类无线电使用 2 5mW 的功率 蓝牙技术功耗极低 基本符合各 国无线电标准 表2一2监牙技术特点 工作范围 类别范围 3 类无线电最大范围可达 1 米或 3 英尺 2 类无线电 通常用于移动设备 拥有10米或30英尺 的作用范围 常用功率范围 1 类无线电 主要用于工业应用案例 拥有100米或 300英尺的作用范围 表2一3监牙产品工作范围 2 22 2 蓝牙技术的应用蓝牙技术的应用 蓝牙技术得到了空前广泛的应用 例如可以将其技术集到手机 MP3 计算 机 便携式终端 汽车 医疗设备等 使用该技术的用户从消费者 工业市场到 企业等等 覆盖广泛 低功耗 小体积以及低成本的芯片解决方案使得蓝牙技术 甚至可以应用于极微小的设备中 截止 2005 使用蓝牙技术的产品总量达到 14 亿只 最大的产品应用为移动 电话及其配件 如手机 蓝牙耳机等 排行第二的为计算机及其周边设施 例如 无线鼠标 键盘等 第三位数码附件 存储卡 转换适配器等 同时 蓝牙产品 在汽车中的应用将随着技术的发展带入一个新时代 2 32 3 蓝牙技术发展蓝牙技术发展 根据 2005 年 ERICSSON 发布的自皮书预测 移动通信技术 计算机及网络 多媒体技术将进一步整合 向着 ALL IP 方向发展 蓝牙技术作为短距离技术的先 锋 经在多媒体领域咱露头角 多媒体技术要求更高的传输速率 高的连接可靠 性及安全性能 更短的产品开发周期 蓝牙技术提出了新的挑战 2005 年初 SIG 提出了两年的蓝牙发展里程杯计划 主要从使用性 安全性 底功耗以及多 媒体应用传输等方面进行研究发展 2005 年底 SIG 和 WiMedia Alliance 进行技术协作 研究 Bluetooth 和 技术 UWB 超宽频 技术进行整合 确定 UWB 技术作为蓝牙技术高速传输的管道 接着在2006年初SIG委托IDC公司进行调查 调查表明 在个人局域网方面 结合 Bluetooth 与 UWB 技术能增加更多产品之闻的兼容性 并让设备制造商在设计无 线连接方案时 享有更多的灵活性 2006 年 3 月 SIG 和 WiMedia Alliance 正式 公布了合作方案 成立联合工作组 PHY MAC 分组 几乎在 2007 年推出新的蓝牙 版本 取名位 Seattle 符合高速蓝牙管道的新规格 主要有以下特征 改善设备之间配对及加强安全性 高速传输多媒体数据 最高速率可达峰值 1Gbps 通过蓝牙功能在双方共有的 MAC PHY 之间进行数据传输 维持蓝牙无线技术原来的低成本 低功耗并以蓝牙技术主导控制 UWB 的开 关部分 利用新的蓝牙技术将可以实现大量的影音下载 高速实时数据传播 影像 串流 2 42 4 其他短距离技术综述其他短距离技术综述 短距离通信技术除了蓝牙以外 其他主流的无线通信技术还有超宽带 UWB 无线Wi Fi 802 11 无线USB Wireless USB WiMAX 全球微波接入 互操作性 红外线技术 IrDA 射频识别 RFID ZigBee IEEE802 15 4 等 各个技术有其各自的特点和优势 应用的领域也不尽相同 下面对各技术概要 超宽带 UWB 在2米范围内达到约0 500Mbps的数据率 在10米范围内则能达到约110Mbps 超 宽带技术是以极低的功率通过频段的宽频谱传输数据 UWB无线技术功耗小 价格低廉 高速 可使用广范围内的无线电频谱 可穿 透障碍物传输数据和具有广泛的应用范围 Bluetooth SIG在2005年5月公布了其与这两个UWB团体合作的意愿 开始开发能 够使用UWB无线电的高速率蓝牙规格 获得认证的无线UWB Wireless USB 速度 无线USB在2米范围内传输速度可达480Mbps 而在10米范田 内则为110Mbps 其集线器最多可连接127个无线USB设备 允许在设备和无线USB集线器之间建立点到点连接 Wi Fi 802 11 Wi Fi联盟 Wi Fi Alliance 测试并认证基于802 11的无线设备 802 11b运行于2 4GHz波段 最高数据率为11Mbps并使用DSSS 802 11b是最初的Wi Fi标准 802 11g 运行于2 4GHz波段 使用OFDM 最高数据率为54Mbps 它与802 11b反向兼容 WiMAX 全球微波接入互操作性和IEEE802 16 WiMax是一项无线城域网 MAN 技术 WiMax覆盖范围达50千米 数据率为70Mbps 一般单元的范围较小 此项技术适用于乡村等存在布线困难的地区 解决 ADSL 电话布线问题 红外线 IrDA IrDA用于近距离的连接 连接特点是点到点 窄角度 30度锥形范围 的 专门数据传输 距离在0米至1米之间 速度为9600bps至16Mbps IrDA无法穿透实心物体 其数据交换较少 射频识别 RFID RFID 运行于低频 小于100MHz 高频 超过100MHz 和特高频UHF 868 至945MHz 波段 主要应用于货物识别 读取机设备可为一段距离外的被动或无 动力的标记提供动力 ZigBee IEEE 802 15 4 在10 100米范围内 2 4GHz波段时速率为250kbits 915MHz波段时速率为 40Kpbs 868MHz波段时速率为20Kpbs 主要应用在工业领域中的远程控制 第三章 通信协议概要 3 13 1 通信协议简介通信协议简介 通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统 要使其 能协同工作实现信息交换和资源共享 它们之间必须具有共同的语言 交流什么 怎样交流及何时交流 都必须遵循某种互相都能接受的规则 这个规则就是通信 协议 3 1 1 通信协议的定义 通信协议 communications protocol 是指双方实体完成通信或服务 所必须遵循的规则和约定 协议定义了数据单元使用的格式 信息单元应 该包含的信息与含义 连接方式 信息发送和接收 的时序 从而确保网络中数据顺利地传送到确定的 地方 在计算机通信中 通信协议用于实现计算机与 网络连接之间的标准 网络如果没有统一的通信协 议 电脑之间的信息传递就无法识别 通信协议是 指通信各方事前约定的通信规则 可以简单地理解 为各计算机之间进行相互会话所使用的共同语言 通信协议 两台计算机在进行通信时 必须使用的通信协议 3 1 2 通信协议的三要素 协议主要由以下三个要素组成 语义 讲什么 数据内容 含义以及控制信息 语法 如何讲 数据的格式 编码和信号等级 电平的高低 定时规则 明确通信的顺序 速率匹配和排序 3 1 3 通信协议的特点 通信协议具有层次性 可靠性和有效性 3 23 2 网络体系的分层结构网络体系的分层结构 将网络体系进行分层就是把复杂的通信网络协调 问题进行分解 再分别处理 使复杂的问题简化 以便于网络的理解及各部分的设计和实现 分层 结构示意图如图所示 每一层实现相对独立的功 能 下层向上层提供服务 上层是下层的用户 有利于交流 理解 标准化 协议仅针对某一层 网络体系的分层结 构 为同等实体之间通信制定 易于实现和 维护 灵活性较好 结构上可分割 3 33 3 局域网常用通信协议局域网常用通信协议 局域网中常用的通信协议主要包括 TCP IP NETBEUI 和 IPX SPX 三种协 议 每种协议都有其适用的应用环境 3 3 1 TCP IP TCP IP Transport Control Protocol Internet Protocol 传输控制 协议 Internet 协议 的历史应当追溯到 Internet 的前身 ARPAnet 时代 为了实现不同网络之间的互连 美国国防部于 1977 年到 1979 年间制定了 TCP IP 体系结构和协议 TCP IP 是由一组具有专业用途的多个子协议组合 而成的 这些子协议包括 TCP IP UDP ARP ICMP 等 TCP IP 凭借其实 现成本低 在多平台间通信安全可靠以及可路由性等优势迅速发展 并成 为 Internet 中的标准协议 目前 TCP IP 已经成为局域网中的首选协议 在最新的操作系统 如 Windows XP Windows Server2003等 中已经将 TCP IP 作为其默认安装的通信协议 3 3 2 NetBEUI 协议 NetBEUI NetBIOS 增强用户接口 协议由 NetBIOS 网络基本输入输出 系统 发展完善而来 该协议只需进行简单的配置和较少的网络资源消耗 并且可以提供非常好的纠错功能 是一种快速有效的协议 不过由于其有 限的网络节点支持 最多支持 254 个节点 和非路由性 使其仅适用于基 于 Windows 操作系统的小型局域网中 3 3 3 IPX SPX 及其兼容协议 IPX SPX 网际包交换 序列包交换 协议主要应用于基于 NetWare 操 作系统的 Novell 局域网中 基于其他操作系统的局域网 如 Windows Server 2003 能 够 通 过 IPX SPX 协 议 与 Novell 网 进 行 通 信 在 Windows 2000 XP 2003 系统中 IPX SPX 协议和 NetBEUI 协议被统称为 NWLink 第四章 蓝牙通信协议 4 14 1 蓝牙协议栈蓝牙协议栈 蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作 互操 作的远端设备需要使用相同的协议栈 不同的应用需要不同的协议栈 但是 所 有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层 完整的协议栈包括蓝牙专用协议 如连接管理协议 LMP 和逻辑链路控制应用 协议 L2CAP 以及非专用协议 如对象交换协议 OBEX 和用户数据报协议 UDP 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之间的互操作 充分利用兼容蓝牙技术规范的软 硬件系统 蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可以自由地选用其专用协议 或习惯使用的公共协议 在蓝牙技术规范基础上开发新的应用 4 24 2 蓝牙协议体系中的协议蓝牙协议体系中的协议 蓝牙协议体系中的协议按 SIG 的关注程度分为四层 核心协议 BaseBand LMP L2CAP SDP 电缆替代协议 RFCOMM 电话传送控制协议 TCS Binary AT 命令集 选用协议 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 连 接管理器 硬件状态和控制寄存器提供命令接口 4 34 3 蓝牙核心协议蓝牙核心协议 蓝牙核心协议由 SIG 制定的蓝牙专用协议组成 绝大部分蓝牙设备都需要 核心协议 加上无线部分 而其他协议则根据应用的需要而定 总之 电缆替 代协议 电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协 议 4 3 1 基带协议 基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理连 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 它使用查询和分页进程同步不同设备间的发送频率和时钟 为基带数据分组提供 了两种物理连接方式 即面向连接 SCO 和无连接 ACL 而且 在同一射频 上可实现多路数据传送 ACL 适用于数据分组 SCO 适用于话音以及话音与数据 的组合 所有的话音和数据分组都附有不同级别的前向纠错 FEC 或循环冗余 校验 CRC 而且可进行加密 此外 对于不同数据类型 包括连接管理信息 和控制信息 都分配一个特殊通道 4 3 2 连接管理协议 LMP 该协议负责各蓝牙设备间连接的建立 它通过连接的发起 交换 核实 进 行身份认证和加密 通过协商确定基带数据分组大小 它还控制无线设备的电源 模式和工作周期 以及微微网内设备单元的连接状态 4 3 3 逻辑链路控制和适配协议 L2CAP 该协议是基带的上层协议 可以认为它与 LMP 并行工作 它们的区别在于 当业务数据不经过 LMP 时 L2CAP 为上层提供服务 L2CAP 向上层提供面向连接 的和无连接的数据服务 它采用了多路技术 分割和重组技术 群提取技术 L2CAP 允许高层协议以 64k 字节长度收发数据分组 虽然基带协议提供了 SCO 和 ACL 两种连接类型 但 L2CAP 只支持 ACL 4 3 4 服务发现协议 SDP 发现服务在蓝牙技术框架中起着至关紧要的作用 它是所有用户模式的基 础 使用 SDP 可以查询到设备信息和服务类型 从而在蓝牙设备间建立相应的连 接 4 44 4 电缆替代协议 电缆替代协议 RFCOMMRFCOMM RFCOMM 是基于 ETSI 07 10 规范的串行线仿真协议 它在蓝牙基带协议上仿 真 RS 232 控制和数据信号 为使用串行线传送机制的上层协议 如 OBEX 提供 服务 4 54 5 电话控制协议电话控制协议 4 5 1 二元电话控制协议 TCS Binary 或 TCSBIN 该协议是面向比特的协议 它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制 信令 定义了处理蓝牙 TCS 设备群的移动管理进程 基于 ITUTQ 931 建议的 TCSBinary 被指定为蓝牙的二元电话控制协议规范 4 5 2 AT 命令集电话控制协议 SIG 定义了控制多用户模式下移动电话和调制解调器的 AT 命令集 该 AT 命 令集基于 ITUTV 250 建议和 GSM07 07 它还可以用于传真业务 4 64 6 无线应用协议 无线应用协议 WAPWAP 该协议是由无线应用协议论坛制定的 它融合了各种广域无线网络技术 其 目的是将互联网内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话和其他无线终端上 TCSSDPAT命令命令串口仿真串口仿真 RFCOM M 基带层基带层 BB 链路管理层链路管理层 LM 主机控制器主机控制器 HCI 逻辑链路控逻辑链路控 制与适配制与适配 L2CAP 射频层射频层 RF WAPOBEX应用层应用层 第五章HC502B 蓝牙连接通信协议 5 15 1 蓝牙连接参数蓝牙连接参数 HC502B 的蓝牙通信功能在启动血压计之后自动打开 会在设备关闭30 秒之 后关闭蓝牙通信 其中信息如表 1 1 所示 名称参数 蓝牙 IDETComm 通信密码1234 表1 1 HC502B 蓝牙连接参数 HC502B 是通过蓝牙SPP 协议传输的 在成功连接之后 将通过串口实现通 信 该串口的通信参数如下表所示 名称参数 波特率9600 数据位8位 校验位无 停止位1 位 表1 2 HC502B 蓝牙串口参数 5 25 2 通信交互流程通信交互流程 HC502B 的通信交互流程中 是在一次血压测量结束之后发送数据 结束完 成之后将重复两次发送数据 具体流程图如下 启动设备测量血压发送第一 次结果 发送第二 次结果 通信数据发送 图 1 1 HC502B 通信流程图 在用户完成血压测量之后 HC502B 将直接发送血压数据 血压数据的详细 格式在下面详细描述 5 35 3 通信交互协议通信交互协议 HC502B 血压交互格式如图1 2 所示 所有的数据以16 进制的ASCII 码表 示 一次发送32Byte 的数据 包含两个重复的16Byte 字长的测试结果 数据头部收压缩舒张压脉搏校验和 高位低位高位低位 4Byte4Byte2Byte2Byte4Byte4Byte 图 1 2 HC502B 通信协议格式图 通信协议中的各个部分描述如下 数据头部 固定为 AA 00 收缩压 舒张压 脉搏的解析是将ASCII 字符2 个位一组组合成16 进制字符 之后 再进行解析 收到收缩压部分对应的字符串为00 68 则表示实际上的收 缩 压应该为0 x68 代表十进制的104mmHg 校验和 数据和 收缩压 舒张压 脉搏 此数据一般作为校验用 通常可以不 用考虑 5 45 4 结果数据样例结果数据样例 如收到一个数据为 A0 00 00 68 4B 45 00 F8 A0 00 00 68 4B 45 00 F8 为 了方便阅读 两个字符之间的空格在实际传输结果中是没有的 实际重复了两 次结果 实际结果如图1 3 所示 数据头部收缩压舒张压脉搏校验和 高 8 位低 8 位高 8 位低 8 位 AA0000 684B4500 F8 图 1