（农业电气化与自动化专业论文）蓝牙无线传输技术在农业专家系统中的应用.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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，也不包含为获得塑j 邕壅些太堂或其它教育机构的 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。 学位论文作者签名：磊夕踌 签字日期：z 矿，年舌月石e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑j 量壅些太堂有关保留及使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权塑j 匕壅些太堂可以将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、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：名夕乍争 导师签名： 鹰娠让 签字日期：2 眇1 1年6 月6 日 签字日期：2 _ 0 1 1 年占月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 摘要 蓝牙技术，作为一种短距离无线通讯技术，在手机和p c 等设备领域中有着 广阔的应用前景。作为一种全球规范的、开放性的无线通讯技术，可将之用于的 替代数字设备和p c 之间的电缆连线以实现数字设备之间的数据、语音通信。从 1 9 9 8 年s i g 小组正式成立至今，加盟成员已超过2 0 0 多家，应用成员6 0 0 0 余家， 几乎覆盖了全球各行各业。 专家系统，是一种具有大量专业知识和专业经验的智能系统。可依据某一位 或多位专家提供的某一领域的专门知识，模拟人脑就某一特殊复杂的问题进行处 理并作出最终决策过程的一套人工智能应用技术。农业专家系统乃是专家系统的 一个分支领域。无论是哪个领域，数据收集都是必须需要面对并解决的问题，农 业专家系统也不例外。 论文设计了一套基于蓝牙技术发送接收数据的无线数据传输系统。文章首 先介绍了蓝牙技术的背景与现状，分析了蓝牙系统的组成并将之与其它无线技术 进行比较。然后，着重分析了蓝牙协议的体系结构。在单片机数据收集端，以单 总线温度传感器d s l 8 s 2 0 为例，用c 语言实现了现场数据的实时收集功能。在蓝 牙无线传输端，通过j a v am e 语言实现蓝牙设备的典型应用功能，从而顺利实现 了无线数据传输功能；应用上述设计的蓝牙软硬件接口，实现了一个在单片机 与手机之间实现无线数据传输的蓝牙数据传输系统，并实现了农业专家系统读取 数据的目标。 在实际开发中，本文在单片机端用k e i l 软件以c 语言进行编程控制以蓝牙 模块g c 一0 2 ，并将以之作为中转站把现场实施收集到的数据通过蓝牙模块g c - 0 2 无线传输给蓝牙手机蓝牙p c ，最终实现了对数据读取的目标。在数据读取完成 之后，将由由蓝牙手机蓝牙p c 端模拟专家解决问题的思路，对传送过来的数据 进行分析与处理，以最终确定解决方案。 本文提供的蓝牙软硬件接口方案以及数据传输模块，不仅可应用于农业专家 系统当中，而且还可以作为通用模块应用到多种无线通讯场合中去。 关键词：蓝牙；单片机：蓝牙a p i ；数据传输 i nt h e a p p l i c a t i o no fa g r i c u l t u r a le x p e r t s y s t e mb a s e do nt h eb l u e t o o t hw i r e l e s st e c h n o l o g y a u t h o r ：y u es h a o b o m a j o r ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n a d v i s o r ：c a iz h e n j i a n g a b s t r a c t i o n b l u e t o o t ht e c h n o l o g y , a sas h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , s t i l l h a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t ss u c ha si nm o b i l ep h o n ea n dp ca n do t h e rd e v i c e s b e i n gag l o b a ls t a n d a r d ，o p e nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i tc o u l db eu s e di n d i g i t a ld e v i c e sa n dt h ep ca l t e r n a t i v et ot h ec a b l ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ed i g i t a ld a t a a n dd e v i c e s ，v o i c ec o m m u n i c a t i o n s i gg r o u pw a sf o r m a l l ye s t a b l i s h e ds i n c e 19 9 8 ，n o w j o i n i n gm o r et h a n2 0 0m e m b e r s ，t h ea p p l i c a t i o no fm o r et h a n6 0 0 0 m e m b e r s ，c o v e r i n ga l m o s ta l lw a l k so fl i f ea r o u n dt h ew o r l d e x p e r ts y s t e m ，i sak i n do fp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g ea n dp r o f e s s i o n a le x p e r i e n c e i n t e l l i g e n ts y s t e m s i tb a s e do no n eo rm o r ee x p e r t si nap a r t i c u l a rf i e l do fe x p e r t i s e ， s i m u l a t et h eh u m a nb r a i nt oap a r t i c u l a rd e a lw i t hc o m p l e xi s s u e sa n dm a k et h ef i n a l d e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s so fas e to fa it e c h n o l o g i e s a g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e mi sa s u b - f i e l do fe x p e r ts y s t e m s n om a t t e ri nw h i c hf i e l d ，d a t ac o l l e c t i o ni st h ef i r s t p r o b l e m sw h i c hh a v et ob ef a c e da n ds o l v e d ，a g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e mi s s t i l ln o e x c e p t i o n i nt h i sa r t i c a l ，w ed e s i g nas e to fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do n b l u e t o o t ht e c h n o l o g yw h i c hc a i ls e n da n dr e c e i v ed a t a f i s r t l y , w ei n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n da n ds t a t u so fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，a n dt h e nc o m p a r e di t 、 ，i t l lo t h e r w i r e l e s st e c h n o l o g i e s s e c o n d l y , a n a l y s i so ft h eb l u e t o o t hp r o t o c o la r c h i t e c t u r e i n t h ep a r to fs c md a t ac o l l e c t i o n ，w et a k eas i n g l eb u st e m p e r a t u r es e n s o rd s18 s 2 0a s e x a m p l e ，u s i n gcl a n g u a g e t or e a l i z e t h e c a p a b i l i t i e s o fr e a l - t i m ef i e l dd a t a c o l l e c t i o n i nt h ep a r to fb l u e t o o t hw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，w er e a l i z et h et y p i c a l a p p l i c a t i o n so fb l u e t o o t hd e v i c e su s i n gt h ej a v am e ，a n dt h e nr e l a i z et h ef u n c t i o no f t h ew i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o n ；a p p l i c a t e dt h ed e s i g no ft h eb l u e t o o t h h a r d w a r e s o t t w a r ei n t e r f a c ei nm i c r o c o n t r o l l e ra n di m p l e m e n t e daw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nm o b i l ep h o n e sb l u e t o o t hd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n df i n a l l y r e a l i z e dt h ea g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e mr e a d st h ed a t at a r g e t i n t h e a c t u a ld e v e l o p m e n t ，w eu s ecp r o g r a m m i n gl a n g u a g et oc o n t r o lt h e b l u e t o o t hm o d u l eg c 0 2 ，a n dt a k eg c 0 2a sat r a n s i tp o i n tt ow i r e l e s st r a n s i tt h ed a t a t ot h eb l u e t o o t hm o b i l ep h o n e b l u e t o o t hp c ，a n df i n a l l yr e a l i z et h eg o a lo ft h ed a t a r e a d i n g a f t e rc o m p l e t e dt h ep a r to ft h ed a t ar e a d ，t h eb l u e t o o t hm o b i l ep h o n e b l u e t o o t hp cw i l ls i m u l a t i o nt h ee x p e r t st os o l v et h ep r o b l e mt h r o u g h tt h ea n a l y s i s a n dp r o c e s s i n g ，t of i n a l i z et h es o l u t i o n t h i sa r t i c l ep r o v i d e st h eb l u e t o o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n t e r f a c ep r o g r a ma n d t h ed a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e ，n o to n l yf o ra g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e m s ，b u ta l s oc a r lb e u s e da sg e n e r a l - p u r p o s ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei nv a r i e t yo fp l a c e s 。 k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ；s c m ；b l u e t o o t ha p i ；d a t at r a n s m i s s i o n 【llllllllllllllllllllillllllllllilllil 目录 1 引言1 1 1 农业专家系统与蓝牙技术的背景与现状l 1 1 1 农业专家系统的背景与现状1 1 1 2 蓝牙技术的背景与现状2 1 2 蓝牙技术版本3 1 3 蓝牙系统的组成4 1 3 1 无线射频单元4 1 3 2 链路控制单元4 1 3 3 链路管理单元( l m ) 5 1 3 4 蓝牙协议软件单元5 1 3 5 主机应用软件单元5 1 4 蓝牙与其它无线技术的比较5 1 5 本文解决的问题和所做的工作6 2 蓝牙技术协议简介8 2 1 蓝牙协议栈体系结构8 2 2 蓝牙核心协议9 2 2 1 基带协议( b a s e b a n d ) 9 2 2 2 链路管理协议( l m p ) 9 2 2 3 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 1 0 2 2 4 服务发现协议( s d p ) 1 0 2 。3 电缆替代协议( r f c o m m ) 1 0 2 4 电话控制协议( t c s 二进制、a t 命令集) 1 0 2 5 可选协议1 0 2 5 1 点对点协议( p p p ) 1 1 2 5 2 对象交换协议( o b e x ) 1 1 3 蓝牙数据传输系统的单片机控制端设计1 2 3 1 农业专家系统结构1 2 3 2 单片机s t c 8 9 c 5 1 r c 简介1 3 3 3 单片机的接口设计1 4 3 4 温度收集部分功能设计1 4 3 4 1 单总线温度传感器d s l 8 s 2 0 简介1 4 3 4 2d s l 8 s 2 0 的数据操作1 6 3 4 3 温度转换操作1 7 3 4 4 单片机对数据的读取1 8 3 5 温度数据收集模块的实现1 9 3 6 基于单片机的蓝牙接口设计2 1 3 6 1 文件发送指令2 3 3 6 2 数据包发送指令2 3 3 6 3 最后数据包发送指令2 4 3 7 蓝牙接口设计的实现2 5 4 蓝牙数据传输系统的蓝牙传输端设计3 3 4 1g c 0 2 蓝牙模块简介3 3 4 2a p i 及j a v am e 简介3 4 4 2 1a p i 简介3 4 4 2 2j a v am e 语言简介3 5 4 3 蓝牙a p i 及蓝牙a p i 核心概述3 5 4 3 1 蓝牙a p i 3 5 4 3 2j a v a 蓝牙a p i 核心概述3 6 4 4 蓝牙设备的典型应用3 9 4 5 蓝牙设备的典型a p i 通信应用4 0 4 5 1 初始化蓝牙程序4 0 4 5 2 连接处理4 3 4 5 3 服务端的蓝牙服务器的设置4 3 4 5 4 搜寻服务端设备以及服务4 5 4 6 服务端与客户端的连接5 1 4 7 蓝牙连接安全性5 1 5 蓝牙数据传输系统的开发5 2 5 1 单片机与蓝牙模块的连接5 2 5 2 系统测试与分析5 3 5 2 1 系统的软件测试5 3 5 2 2 系统的硬件测试5 4 6 论文总结与展望5 8 6 1 论文总结5 8 6 2 展望5 8 6 2 1 应用方面的展望5 8 6 2 2 功能扩展方面的展望5 9 参考文献6 0 附录aj a v am e 环境搭建6 1 附录b 蓝牙模块与单片机之间的硬件连接图6 6 在读期间发表的学术论文6 7 作者简介6 8 致谢6 9 蓝牙无线传输技术在农业专家系统中的应用 1 引言 1 1 农业专家系统与蓝牙技术的背景与现状 1 1 1 农业专家系统的背景与现状 专家系统，是一种具有大量专业知识和专业经验的智能系统。可依据某一位或多位专家提 供的某一领域的专门知识，模拟人脑就某一特殊复杂的问题进行处理并作出最终决策过程的一 套人工智能应用技术，目前为止已应用多个领域当中。 农业专家系统是把专家系统知识应用于农业领域的一项计算机技术。专家系统是人工智能 的一个分支，主要目的是要使计算机在各个领域中起人类专家的作用。它是一种智能程序子系 统，内部具有大量专家水平的领域知识和经验，能利用仅人类专家可用的知识和解决问题的方 法来解决该领域的问题。它是一种计算机程序，可以用专家的水平( 有时超过专家) 完成一般 的、模仿人类的解题策略，并与这个问题所特有的大量实际知识和经验知识结合起来。【l 】 专家系统在农业上的研究及应用始于2 0 世纪7 0 年代末，以美国为代表的欧美国家率先开 始了农业信息化的探讨。我国农业专家系统的开发应用虽起步较晚，但发展很快，涉及作物栽 培、品种选择、育种、病虫害防治、生产管理、节水灌溉、农产品评价等方面。在2 0 世纪8 0 年代初，浙江大学进行过蚕育种专家系统的研究。2 0 世纪9 0 年代以来，我国的农业专家系统 发展十分迅速，科技部把其列入了8 6 3 计划的重点课题。到目前为止，已广泛应用于农业的专 家系统有： 1 )病虫害防治专家系统：如预测小麦病毒流行专家系统，水稻害虫管理专家系统，稻纵 卷叶螟管理专家系统，稻瘟病综合防治专家系统，多媒体玉米病虫害诊治专家系统， 梨病虫害及防治专家系统，棉花病虫害诊断专家系统，上海地区赤霉病预测专家系统 等 2 】。 2 )作物栽培管理专家系统：如骆世明等【3 】从水稻的整体性出发建立的“水稻高产栽培模 拟模型( r s m ) ”，该模块由功能模块和形态模块两部分组成。高亮之等 4 】以“水稻钟 模型”等数学模型为主体开发的“水稻栽培优化决策系统( r c s o d s ) ”，可针对不同地 区、不同品种提出在常年条件下实现高产稳产的最佳群体指标与农业措施。 3 )品种选育、施肥、灌溉专家系统：如中国农科院作物所的冬小麦新品种选育专家系统 【5 】。该系统的建立已经取得了良好的社会效益。 4 )其它包括畜牧兽医、饲料配方、农业气象、农业工程、土壤侵蚀、盐碱地改造等方面 的专家系统。 可以说，农业专家系统已触及我国农业领域的各个方面，为发展高产、优质、高效农业做 出了贡献。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 目前就农业专家系统应用来说，农民的操作作业形式是：有问题先跑去问“电脑”，有了结果 再回到田间中实施作业【6 】。这个过程中，农业专家系统虽然帮助农民解决了如何干、怎样干的问 题，但是使用过程十分不便。也就是说，无法实现数据的实时收集、实时传送。近些年以来， 农业专家系统在全国推广的过程中虽取得了巨大的经济效益，但同样也遇到了众多问题，诸如： 1 ) 智能化和可操作性不强。2 ) 农民素质不高制约农业信息技术发展。3 ) 硬件设施不足和配置 落后。4 ) 产后服务跟不上等等问题【7 】。在政府的带动下，虽可以进行电脑硬件的实时升级操 作，但由于农民素质普遍不高，所以对电脑的维护就不得不由专门人员完成。而且，为了保证 对电脑和其它设备的供电则要耗费大量的电能，造成农民生产成本投入的增加。 通过对整个农业专家系统的分析，我们发现“数据收集”这一部分是整个系统中相当重要 的部分，收集的数据主要包括现场温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等等。数据收集是后续工 作的基础，其他部分诸如数据分析、病虫害分析等等都要根据收集到的数据来进行，所以说能 否很好的解决现场数据收集，是农业专家系统的关键。 针对于此，本文提出了以蓝牙传输数据的构想。蓝牙，不仅可以实现数据的实时发送、收 集，同样可以实现其它诸如免费通话、传送图片等等功能。 1 1 2 蓝牙技术的背景与现状 蓝牙( b l u e t o o t h ) ，是一种支持设备短距离通信的无线电技术设备，其通信距离一般可达 到l o 米，但是如果可以改进一下接收端的蓝牙设备。一台普通的蓝牙手机甚至可以达到1 0 0 0 米的传输能力【8 】。 蓝牙技术的优势主要体现在如下几点： 2 1 )全球范围可用。b l u e t o o t h 技术工作在2 4g h z 的i s m 波段，而全球大多数国家的i s m 频段范围是在2 争- 2 4 8 3 5g i - i z ，因此该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、 医学无线电波段，可以在此波段内免费、自由的使用b l u e t o o t h 技术，而无需向各国 无线电资源管理部门申请许可证。 2 )全球通用的规格。b l u e t o o t h 无线技术是当今市场上支持范围最广泛，功能最丰富且安 全的无线标准。全球范围内的资格认证程序可以测试成员的产品是否符合标准。 3 )可同时传输语音和数据。蓝牙采用了电路交换技术和分组交换技术，支持异步数据信 道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。蓝牙共有两种链路类型： 异步无线连接链路( a c l ，用于传输数据) 和同步面向链接( s c o ，用于传输语音和 数据) 。 4 )可以建立临时性的对等连接。根据蓝牙设备在网络中的角色，可以分为主设备和从设 备。主设备的作用，是主动发起连接请求。而从设备的作用，则是响应这个连接请求。 5 )抗干扰能力强。为了保证不被其他设备所干扰，蓝牙采取了跳频方式来扩展频谱，将 2 4 2 4 8 3 5g h z 频段分成7 9 个频点，每个相邻频点之间间隔1 m h z 。蓝牙设备在 某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序是伪随机的，每 秒钟改变1 6 0 0 次，每个频率持续6 2 5 ps 。 蓝牙无线传输技术在农业专家系统中的应用 6 )易于使用。b l u e t o o t h 技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装和 设置，且不需要电缆即可实现连接。 7 )低功耗。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：激活模式、呼吸模式、保持 模式和休眠模式。除了激活模式之外，其他三种模式都是为了节能而设计的低功耗模 式。 蓝牙技术得到了空前广泛的应用，集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备等等，使用 该技术的用户从消费者、工业市场到企业等等，不一而足。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。据统计，大约全球共有8 0 以上的 手机都使用了蓝牙技术，其中将近1 0 0 的智能手机都已经使用了蓝牙技术。“此外全球大约 有三分之一的轿车也使用了蓝牙技术，所有的手提电脑和电子书设备也都在广泛地使用蓝牙技 术，而且这一数字正在不断攀升。除此之外，全球3 0 0 0 多万家庭和医疗电子设备也都使用了蓝 牙技术【9 】。蓝牙未来的发展与市场价值不容忽视。 1 2 蓝牙技术版本 按照时间发布的顺序，截止到2 0 11 年6 月本文定稿为止，蓝牙的正式公布版本共有六个， 分别是：v 1 1 1 2 、v 2 0 2 1 、v 3 0 、v 4 0 。 现分别介绍如下： 1 )蓝牙v 1 1 版本。此版本为最早期版本，传输率约在7 4 8 8 1 0 k b s ，因是早期设计， 故会因为容易受到同频率产品的干扰而最终影响到了通讯质量。 2 )蓝牙v 1 2 版本。同样是只有7 4 8 - 8 1 0 k b s 的传输率，但加上了抗干扰跳频功能( 即 改善s o i t w a r e ，引入自适应频率跳跃) ，故而减少了其它电气设备频率对蓝牙设备的干 扰。 3 )蓝牙v 2 0 版本。此版本的本身并没有实现多大改进，其意义主要体现在用于e d r ( 增 强数据速率) 扩展这个方面，所以这个版本通常被写为b t 2 0 + e d r 。在使用e d k 之后，主要体现在了带宽的增加方面( 比b t1 2 约高出了3 倍) 。另一个改善的地 方，就是通过改进工作周期，从而略微的延长了蓝牙设备内部集成电池的使用寿命。 4 )蓝牙v 2 1 版本。此版本较之先前版本最重要突破，就是“简单配对”的引入。“简单 配对”。具体含义就是：比如说我要对蓝牙电话与蓝牙手机之间进行连接配对，只需 在蓝牙手机的显示屏上确认蓝牙电话所使用的耳机名称即可成功的实现连接，而无需 再通过输入通行密钥进行连接，操作过程大大简化。 5 )蓝牙v 3 0 版本。此版本于2 0 0 9 年4 月2 1 日正式颁布，此版本最大的亮点就在于传 输速度的大大提高，传输速度提高到了大约2 4 m b p s ( p 可在需要的时候调用8 0 2 1 l w i f i 用于实现高速数据传输) ，是蓝牙v 2 0 的8 倍。故而可以轻松将之应用于用于 录像机至高清电视、p c 至p m p 、u m p c 至打印机之间的资料传输等等需要高速传输 的家电、办公领域，但不可避免的也带来功耗增加的些许遗憾 1 0 】。 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 6 )蓝牙v 4 0 版本。此版本于2 0 0 9 年1 2 月1 8 号正式发布，全新的蓝牙4 0 版本涵盖了 三种蓝牙技术，是一个三融技术，首先蓝牙v 4 0 版本继承了蓝牙技术无线连接的所 有固有优势，同时增加了低耗能蓝牙和高速蓝牙的特点，尤以低耗能技术为核心，大 大拓展了蓝牙技术的市场潜力，其低耗能技术将为以纽扣电池供电的小型无线产品及 感测器，能够进一步开拓医疗保健、运动与健身、保安及家庭娱乐等市场，为短距无 线传输提供无限可能。支持蓝牙4 0 标准的设备已经于2 0 1 0 年年初批量上市。 而以通讯距离的远近为标准，蓝牙可分为c l a s sa 和c l a s sb 两大类 现分别予以介绍： 1 ) c l a s sa 是用在大功率，远距离的蓝牙产品上，但因成本高和耗电量大，不适合作个人 通讯产品之用( 手机蓝牙耳机蓝牙d o n g l e 等等) ，故多用在部分商业特殊用途上，通 讯距离大约在8 卜1 0 0 m 距离之间。 2 ) c l a s sb 是目前最流行的制式，通讯距离大约在8 3 0 m 之间，具体的通讯距离要 视产品的设计而定，多用于手机内蓝牙耳机蓝牙d o n g l e 的个人通讯产品上，耗电 量和体积较小，方便携带。 本论文所使用的蓝牙模块g c 0 2 就是属于蓝牙v 2 0 版本、c l a s sb 类别的产品。 1 3 蓝牙系统的组成 一个典型的蓝牙系统由5 个单元组成，分别是无线射频单元、链路控制单元、链路管理单 元、蓝牙协议软件单元和主机应用软件单元。【1l 】 1 3 1 无线射频单元 蓝牙技术，以无线l a n 的i e e e 8 0 2 11 技术为基础，使用2 4 g h z 的i s m 全球通自由波段。 蓝牙天线属于微带天线，以天线电平为0 d b m 的基础上建立空中接口，并遵从美国联邦通信委 员会( f f c ) 有关0 d b m 电平的i s m 频段标准。发射功率可达1 0 0 m w 。系统最大跳频速率1 6 0 0 跳秒，在2 4 0 2 g h z 到2 4 8 0 g h z 之间，采用了7 9 个间隔为1 m h z 的频点来实现【1 2 】。系统设 计的通信距离为1 0 m ，如经过增大发射功率，其通信距离可达到1 0 0 m 。 1 3 2 链路控制单元 蓝牙链路控制单元，又称基带单元。包括连接控制器、基带处理器和射频传输 妾收器共3 个集成芯片，以及3 5 个不等的调谐元件。 链路控制单元的作用是用于描述基带链路控制器的数字信号处理规范，并且由基带链路控 制器处理基带协议和其他一些低层的常规协议。 链路控制单元的主要功能如下：建立物理链路以及网络的连接( 包括面向连接的同步链路 s c o 、异步链路a c l 以及匹克网) 、进行差错控制、在物理层提供验证加密( 目的是保护链接 4 啊_ll【llilliiiiiiiiiiiiii【i【iiiiiliillliiiilii 蓝牙无线传输技术在农业专家系统中的应用 中的个人信息不外露) 。 1 3 3 链路管理单元( l m ) 这个单元主要组成部分是链路管理器l m ，其主要作用是用于设计链路的数据设置、鉴权、 硬件配置等一些协议，并发现其它蓝牙设备的l m ，然后通过链路管理协议l m p 建立通信联系。 l m 提供了诸如发送，接收数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式 协商及建立等功能。 1 3 4 蓝牙协议软件单元 由于不同级别的设备对蓝牙技术在软件方面的不同要求，因此蓝牙软件协议体系会呈现出 明显的层次性。本课题主要涉及到了无线模块、空中协议和对象交换格式等。 1 3 5 主机应用软件单元 主机应用软件，根据不同的应用需要来选取具有针对性的蓝牙协议栈进行开发。蓝牙规范 包括两部分：( 1 ) 核心部分。用以规定诸如射频、基带、业务发现等等通信协议。( 2 ) 应用 规范部分。用以规定不同的蓝牙应用所需要的协议和过程。 1 4 蓝牙与其它无线技术的比较 目前较成熟的无线通信技术之中，除了蓝牙技术，还有红外、w i f i 、u w b 、h o m e r f 、 z i g b e e 技术。 现分别介绍如下： 红外。红外通信技术，是通过波长为8 5 0 r i m 的红外光传输数据。可以在收发光路夹角为 3 0 0 以内的收发装置之间进行数据传输，常用通信距离为1 3 m 。优点是操作简单，成本低 廉、安全性高，缺点是只支持点对点连接传送、两个传送点之间不能有障碍物、传送点的位置 必须固定不能移动，而且传输距离过短、传输角度过小。种种缺点都不适用于大棚作业，故本 实验中不使用红外传输。【1 3 】 w i - f i 。该技术使用i e e e8 0 2 1 la 或8 0 2 1 lb 无线电技术，可以提供安全、可靠、快速 的无线连通性。i e e e8 0 2 1 l 是电气电子工程师协会8 0 2 工作组制定的无线局局网标准，主要用 于实现小范围内的移动组网和无线接入。因其传输速率和安全性要高于蓝牙技术，所以更多的 被应用于局域网的无线接入。而且，w i f i 功耗偏高、成本偏大，不适用于农民对大棚产业投 入的要求，故本实验中不使用w i f i 。 1 4 1 u w b 。该技术是一种新兴的高速短距离通信技术，在1 3 m 以下的短距离数据传输有很大 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 - _ - _ - _ _ l _ - _ _ i l _ _ _ _ 一i i l l l - _ - _ _ - - _ _ _ _ - _ i - _ - _ _ 一 优势，最高传输速度可达1 g b s 。u w b 的覆盖频谱范围很宽( 3 1 1 0 6 g h z ) ，但发射功率 很低。u w b 技术目前可以支持l1 4 m b s 的传输速度，此传输速率甚至完全可以满足短距离家 庭娱乐应用需求。但在目前，u w b 技术只有在美国官方承认，目前在市场的应用产品正处于 初期阶段，目前使用标准有u w bf o r u m 推举的d s u w b 和1 1 1 ew im e d i aa l l i a n c e 推举的 o f d m 。所以，有鉴于开发资料的欠缺，本实验不使用u w b 技术。【15 】 h o m e r f 。该技术从i e e e8 0 2 1 1 技术发展而来，主要针对的是家庭无线局域网的应用， 同时也支持数据和语音的通信。主要侧重于p c 以及其外设所组成的无线局域网的应用中，不 符合本实验的设计理念( 以单片机控制蓝牙发送) ，所以本试验不采用h o m e r f 技术。【1 6 1 z i g , b e e 。该技术是一种新兴的短距离、低功率、低速率无线接入技术。工作在2 4 g h zi s m 频段，传输速率为1 0 m 2 5 0 k b s ，传输距离为l o 一7 5 m ，技术和蓝牙接近。但大多时候 处于休眠模式，适合于不需实时传输或连续更新的场合。z i 妒e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 的扩展集。 目前z i g b e e 联盟包含有7 0 多成员。物理层标准采用三个频段：北美2 4 g 和9 1 5 m h z 、欧洲 8 6 8 m h z 。z i g b e e 采用基本的主从结构配合静态的星型网络，因此更适合于使用频率低、传输 速率低的设备。激活时延短、仅1 5 m s 、低功耗等特点，将来定会成为未来自动监控、遥控领域 的新技术。但是，此技术成本较高，且穿透性不好，障碍物厚度会严重影响通信距离及通信质 量。其次协议占带宽的开销量对信道带宽要求较高，而这反过来会影响通讯距离和环境适应性。 所以，本实验也不采用z i 幽e e 技术。【1 7 】 1 5 本文解决的问题和所做的工作 在通过农业专家系统解决农作物的过程中，农民虽然可以通过现场农作物的情况，在农业 专家系统中找到与之相对应的解决方法。但由于农民素质普遍不高，对农作物的现场环境诸如 现场温、湿度、一氧化碳浓度等测量，不可避免的会在读取数值时出现读取不准、读物误差过 大等等问题。如果可以实现一个现场数据实时收集、实时发送的系统，就能够使得农民通过这 个系统就可以很方便的收集到现场的实时数据，不仅实现了现场数据的量化处理，还不必担心 现场数据读取的误差等等问题。所以，实现这个现场数据实时收集、发送系统，就是本文所要 解决的问题。 在单片机的众多应用领域与系统当中，无线通讯是较为成熟的领域。基于上述目标。本文 首先在第二章对蓝牙基本知识进行了介绍，并在在第三章、第四章分别详细介绍了蓝牙数据传 输系统的单片机端和蓝牙传输端的设计。其中，在第三章，本文设计了一个基于s t c 8 9 c 5 1 r c 单片机的蓝牙无线通信软硬件接口。在软件方面，提供了一系列可用于控制温度传感器d s l 8 s 2 0 和蓝牙模块的通用代码。通过这个接口，可以较方便的实现数据的采集和数据的无线通信，基 本上满足了大多数单片机系统中的数据采集和无线通信的需要。在第四章，按照蓝牙设备的使 用顺序着重剖析了蓝牙a p i 的协议规范，并详细给出了蓝牙应用的通用代码。利用上述设计的 接口，在第五章中，本文实现了一个点对点的蓝牙无线数据传输系统。此系统分为单片机端和 蓝牙手机端，在本章详细介绍了单片机端的软硬件设计。经测试，此系统具有一定的通用性， 经过简单的修改，即可作为一个相对独立的无线数据传输模块集成到农业专家系统当中去。最 6 蓝牙无线传输技术在农业专家系统中的应用 后，在第六章中对全文总结，并对后续工作进行了展望。 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 - _ _ - _ i i - _ l i i i _ _ _ i _ - - - _ _ _ _ - _ 一i i i i _ - i _ _ - - l _ - _ l l - _ - _ _ l - - 一 2 蓝牙技术协议简介 在蓝牙系统中，想要实现目的的不同，用来实现目的的协议栈也是不同的，而蓝牙协议栈 就是这些不同协议的总和。 蓝牙协议栈，是整个蓝牙技术的核心部分，其作用就是通过连接其他的蓝牙设备以进行数 据和语音的传输。 2 1 蓝牙协议栈体系结构 蓝牙协议栈体系具体结构，如图2 1 所示。 图2 1 蓝牙协议体系结构 蓝牙技术规范，是由s i g ( 蓝牙特别兴趣小组) 所制定。制定此规范的目的就是在通用无 线传输模块的数据通信协议的基础上，开发交互式服务和应用。本地设备和远端设备之间要想 进行交互操作，前提就是必须要使用相同的协议栈。而且，对不同的应用需要，就要针对这个 需要使用与之相对的协议栈。但是，任何一种应用需要都会使用蓝牙技术规范中的数据链路层 和物理层。 设计蓝牙协议和协议栈的主要原则，就是：尽可能的利用现有的各种高层协议，以保证现 有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通，最终可以把兼容蓝牙技术规范的软硬件系 统充分的利用起来。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可以自由的选用其专利协议或者 常用的公共协议，在蓝牙技术规范的基础上开发出新的应用【l8 】。 8 iii llillllllllillillilllllllllllillilllilllilll 蓝牙无线传输技术在农业专家系统中的应用 蓝牙技术规范，包含了c o r e 与p r o f i l e s 两大部分。其中，c o r e 是整个蓝牙的核心，定义了 蓝牙技术中的各个技术细节。而p r o f i l e s 部分则是定义了蓝牙各种应用中的协议组成，并同时 定义了相应的实现协议栈。 按照各层协议在整个协议体系中所处的位置，可以将体系结构中的协议分为为四层：核心 协议、电缆替代协议、电话传送控制协议、可选协议【1 9 】。除上述协议层外，规范还定义了主 机控制器接口( h c i ) ，这个h c i 接口用来做为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄 存器提供命令接e l 。虽然在图2 1 中，h c i 位于l 2 c a p 的下层，但实际上h c i 也可位于l 2 c a p 上层。 蓝牙核心协议，是由s i g 所制定的蓝牙专用协议。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。比如，电缆替代协议、电话控制协议和被 采用的协议就是在核心协议基础上构成了的面向应用协议。 2 2 蓝牙核心协议 蓝牙基带协议，总共分为如下四个部分：基带协议( b a s e b a n d ) 、链路管理协议( l m p ) 、 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 和服务发现协议( s d p ) 。 2 2 。1 基带协议( b a s e b a n d ) 基带和链路控制层的作用，是确保匹克网( 蓝牙的最基本的网络组成) 内的各个蓝牙设备 之间可以由射频建立物理射频链路。( 蓝牙射频系统，是一个跳频系统。其任一个分组都要在 指定的时隙并在指定的频率上发送。它使用查询