（计算机应用技术专业论文）嵌入式蓝牙网关的关键技术研究与实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 的发展和智能设备的增多，连接各种p c 机、笔记本、p d a 、 智能手机等设备的电缆布线会越来越复杂，它不仅影响了美观，还增加了安装、 维护的费用和难度，从而各智能设备之间的无线互连接就成了当前的一个研究主 题。因此，课题组就嵌入式蓝牙网关技术展开了相应研究与开发。作为课题研发 工作的一部分，论文主要分析研究了蓝牙技术的特点、协议及应用模型，并结合 嵌入式系统的特点及开发原理，完成了嵌入式蓝牙网关硬件方案和软件方案设 计，重点研究并实现蓝牙协议栈中的链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、串口仿真 协议( r f c o m m ) 层协议、蓝牙虚拟串口驱动和蓝牙规范中局域网访问应用模 型( l a p ) 。 本文在对蓝牙发展现状和应用分析之后，并在比较各蓝牙网关实现方案的基 础上，选定用嵌入式系统来实现蓝牙网关，主要工作如下： 首先，针对嵌入式蓝牙网关通信系统的应用需求，给出嵌入式蓝牙网关硬件 方案和软件方案设计。同时，阐述了网关软件模块间的接口设计以及蓝牙协议栈 中各协议层之间的通信方式。 其次，阐述嵌入式蓝牙网关硬件试验平台的组建以及软件开发平台的建立， 对嵌入式蓝牙网关的软件总体架构进一步细化，并指出了论文研究和实现的内 容。接着，重点论述l 2 c a p 和r f c o m m 协议实现过程中的重要数据结构、协 议层之间的接口函数。同时，引入有限状态机( f s m ) 来抽象描述协议层状态的 变迁，并给出了l 2 c a p 、r f c o m m 协议的通信流程图和关键程序模块流程图。 为了利用l i n u x 下现有的拨号服务程序，提出并实现蓝牙虚拟串口设备t t y b t ； 为了便于管理蓝牙虚拟串口t t y b t 设备和蓝牙协议模块交互，设计了一个 t t y b t m g r 的字符设备。 最后，论述了嵌入式蓝牙网关样机测试系统和测试方法，并给出测试结果。 同时，对课题研发阶段的主要工作进行总结，并在总结课题研发阶段的基础上， 提出了一些有待于进一步研究的问题。 关键词：嵌入式，蓝牙，局域网访问应用模型，网关技术 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也d e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n di n c r e m e n to fi n t e l l i g e n c ee q u i p m e n t ，t h e a r r a n g e m e n to fe l e c t r i cc a b l el i n k i n gv a r i o u se q u i p m e n ts u c ha sp c ，n o t e b o o k ，p d a ， i n t e l l i g e n c em o b i l et e l e p h o n ea n ds oo n ，w i l lb em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，i th a s n o to n l ya f f e c t e da t t r a c t i v el o o k s ，b u ta l s oh a si n c r e a s e dc o s ta n dd i f f i c u l t yo f a s s e m b l i n ga n dd e f e n d i n g t h e r e f o r e ，w i r e l e s sl i n k sb e t w e e na l lk i n d so fe q u i p m e n t h a v i n gb e c o m eac u r r e n ts t u d y i n gs u b j e c t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e db l u e t o o t hg a t e w a yt e c h n o l o g yh a v i n gb e e nd e v e l o p e di nm yg r o u p a s o n ep a r to fs u b j e c t ，t h e s i sm a i n l ya n a l y s e sa n ds t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ep r o t o c o l a n dt h ep r o f i l eo fb l u e t o o t ho fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n d d e v e l o p m e n tt h e o r e mo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n s c h e m eo ft h ee m b e d d e db l u e t o o t hg a t e w a yh a sb e e nd e s i g n e d ，l 2 c a pa n d r f c o m mo ft h eb l u e t o o t hp r o f i l es t a c k ，v i r t u a ls e r i a ld r i v ea n dl a po ft h eb l u e t o o t h p r o f i l ea r ep r i o r i t ys t u d i e da n dr e a l i z e d a r e ra n a l y z e dc u r r e n ts i t u a t i o na n da p p l i c a t i o nt ob l u e t o o t h ，a n dc o m p a r e d v a r i o u sb l u e t o o t hg a t e w a yr e a l i z a t i o ns c h e m e s ，w es e l e c te m b e d d e ds y s t e mt or e a l i z e t h eb l u e t o o t hg a t e w a y t h et h e s i sm a i nc o n t e n ta r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nn e e do fe m b e d d e db l u e t o o t hg a t e w a y c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sas o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ns c h e m e f o re m b e d d e db l u e t o o t hg a t e w a y m e a n w h i l e ，d i s c u s s e st h es c h e m eo ft h ei n t e r f a c e b e t w e e ng a t e w a ys o r w a r em o d u l e sa n dt h ec o m m u n i c a t i o nw a yb e t w e e nt h ep r o t o c o l t i e r so fb l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k s e c o n d l y ，d i s c u s s e st h eb u i l d i n go fe m b e d d e db l u e t o o t hg a t e w a yh a r d w a r e t e s t i n gp l a t f o r ma n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m e m b e d d e db l u e t o o t hg a t e w a y s o , w a r eg l o b a lc o n s t r u c t i o nw i l lb ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dw h a tt h i st h e s i ss t u d y i n g a n di m p l e m e n tw i l lb ep o i n t e do u t ，t h e n ，e m p h a s i si nd i s c u s s i n gt h ei m p o r t a n td a t a s t r u c t u r ea n dt h ei n t e r f a c ef u n c t i o nb e t w e e np r o t o c o ll a y e ri nt h el 2 c a pa n d r f c o m m p r o t o c o l ，u s ef s m t od e s c r i b es t a t u sc h a n g e si np r o t o c o ll a y e r ，a n dg i v e c o m m u n i c a t i o nf l o wc h a r ta n dk e yp r o c e d u r em o d u l ef l o wc h a r tf o rl 2 c a pa n d r f c o m mp r o t o c 0 1 i no r d e rt om a k eu s eo ft h el i n u xd i a ls e r v i c ep r o g r a m ，v i r t u a l s e r i a le q u i p m e n tt t y b ti sd e v e l o p e da n dr e a l i z e d ；c h a r a c t e rd e v i c et t y b t m g ri s 江苏大学硕士学位论文 d e v e l o p e dt om a n a g et h ei n t e r c h a n g eb e t w e e nt h eb l u e t o o t h v i r t u a ls e r i a ld e v i c e t t y b ta n dt h eb l u e t o o t hp r o t o c o lm o d u l e l a s t l y ，at e s ts y s t e ma n dt e s tm e t h o d f o re m b e d d e db l u e t o o t hg a t e w a ya r eg i v e n ， a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rc a l t yo u ta s u m m a r yo nt h em a i np a r to ft h es t u d ya n dt h es t a g ea c h i e v e m e n t ，t h e n ，b a s e do nt h e s u m m a r yc o m eu p 、杭t hs o m ep r o b l e mt ob es t u d i e dl a t t e r k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e r m ，b l u e t o o t h ，l a na c c e s sp o i n t ， g a t e w a yt e c h n o l o g y 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密 口在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 1 ：7 学位论文作者签名：滔橡椽 导师签名： 签字日期：2 1 年莎月日 签字日期： 哆年占月，日 f (力彳 以， ，11l矿d 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：渴救柘 日期：2 岬年f 月j f 日 江苏人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种近距离无线通信技术的标准，其目的是用无线接口来 代替有线电缆连接“1 。其主要优点是：实现数据传输速率i m b p s ( 有效传输速率为 7 2 1 k b p s ) ，传输距离为1 0 1 0 0 米；具有很强的可移植性，可应用于多种通信场合， 引入身份识别后可以灵活实现漫游”；功耗低，对人体危害小；其集成电路应用 简单，成本低廉，实现容易，易于推广。 由于蓝牙可以在较短的距离内取代目前多种电缆连接方案，跨越障碍，在各 种设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、小功耗的话音和数据通信，因而 它的出现是对传统通信和计算机终端设备通信的挑战，具有广阔的发展前景，备 受i t 行业的关注，短短几年时间，取得众多可喜成果，实现了产品化叫。因此， 越来越多的著名r r 和通信公司，如朗讯，摩托罗拉，微软等相继加入蓝牙s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 组织中，同时，国内外的许多著名大学也都在蓝牙领域内 进行积极研究n 】。 随着i n t e m e t 的发展和便携式设备以及智能设备的增多，用来连接各种笔记 本、p d a 、智能手机等等设备的电缆布线会越来越复杂，它不仅影响了美观，还 增加了安装、维护的费用和难度。虽然现在可以用8 0 2 1 l 进行无线互连，并且 在局域网的无线接入应用方面具有一定的优势，但它对语音支持十分有限，只支 持数据传输，它的最主要的应用是实现高质量的数据网络，在体积、功耗和成本 上也无法与蓝牙相比嘲嘲，尤其在对成本敏感的家庭和小型办公环境下更显示了 蓝牙的优势。从蓝牙技术的特点分析可以看出，蓝牙无线通信便可实现这些便携 式设备及智能设备和外部i n t e m e t 方便地进行连接，因此各个设备之间的相互连 接就成了当前的一个研究主题”1 。另一方面，随着近年来嵌入式技术的迅猛发展， 高性能的嵌入式处理器价格不断下降，开发环境、开发工具和第三方软件层出不 穷，越来越多工程技术人员熟悉嵌入式系统的开发，因此，可以把嵌入式技术和 蓝牙技术相结合来解决当前的问题。现在的笔记本、p c 机等只要安装上蓝牙适 配器就迅速变成具有蓝牙功能的终端设备，而本课题把嵌入式技术和蓝相结合研 制的嵌入式蓝牙网关正是为解决这些蓝牙终端设备以及智能设备( 蓝牙笔记本电 脑、蓝牙p c 、蓝牙p d a 、蓝牙手机等) 创建局域网或到广域网的无线连接的通 江苏人学硕七学位论文 第1 章绪论 讯链路，使之能够访问广域网，从而构造一个没有电缆的无线网络，真正体现技 术发展给人们生活带来的巨大变革。 目前所面临的主要问题：蓝牙模块生产难，蓝牙芯片相对价格高，全面测试 ( 包括一致性测试，互连测试及性能测试) 困难嘲叫。蓝牙通常还配置在高品质、 高价格的便携式设备以及智能设备上。 1 2 蓝牙研究现状 1 9 9 8 年5 月，爱立信、英特尔、东芝、诺基亚和i b m 等5 家公司组成的“蓝 牙专门兴趣小组”( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s t g r o u p - s i g ) 把蓝牙无线技术的理念正 式推向社会，使其成为无线技术的全球规范 1 0 o3 c o m 、朗讯、微软和摩托罗拉 很快加盟s i g ，与s i g 的五个创始公司一同成为s i g 的九个倡导发起者。1 9 9 9 年1 2 月公布了蓝牙规范1 o b 版；2 0 0 1 年4 月公布了新1 1 版本蓝牙规范“。2 0 0 3 年6 月蓝牙s i g 宣布，蓝牙规范v 1 2 进行最后阶段的测试 t 2 1 。2 0 0 4 年1 1 月发 布了蓝牙标准2 0 版本+ e d r ( e n h a n c e dd a t ar a t e ) ，数据传输速度提高到以往的3 倍且减小了耗电量，建立了可同时使用多个功能和设备的环境，提高了传输大容 量数据时的性能，增大了可使用带宽，简化了多链路方法，向下兼容了原有规范， 改善了误码率“”。2 0 0 6 年s i g 发布了技术发展路线图，同时还推出了新的减少 电源消耗和多任务功能的技术说明。s i g 希望将来蘸牙技术能够实现宽带传输功 能，在家庭安全系统等消费电子产品中应用蓝牙技术。同时，实现一个条信息同 时向多个设备的传输，比如一台c d 播放器可以向多个耳机传输信号。由此可见， 蓝牙技术将掀起新一轮的热潮f 1 4 1 。 蓝牙技术掀起的冲击波不可避免地波及到了中国。国内包括华为、中兴通讯 在内的加入b l u e t o o t h s i g 的企业、科研机构有3 0 多家，由来自国家主管部门、 企业界、学术界及科研机构共同发起成立的“蓝牙技术发展与应用论坛”在推动 蓝牙技术在国内的传播中发挥了重要作用“。我国拥有全球最大的家电、移动 通信和计算机网，是蓝牙技术最大的潜在市场，已有越来越多的政府机构、企业 和科研机构意识到蓝牙技术给我国提供了一个难得的发展机遇，开始致力于这一 领域的研究。高校作为全国主要的研究型机构之一，当然也毫不例外地投入到了 蓝牙技术研究的热潮中，本课题作为江苏省高校自然科学计划支持项目之一，就 是要结合嵌入式技术和蓝牙技术来解决各种移动设备对接入i n t e m e t 网络连线的 麻烦，满足人们对网络的需求以及对接入i n t e m e t 网络的方便性。 2 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 论文的主要工作 论文在对蓝牙发展现状和应用分析之后，深入剖析蓝牙协议栈的中间层协议 ( l 2 c a p 、r f c o m m ) 和蓝牙规范中局域网访问应用模型( l a p ) ，把蓝牙技 术和嵌入式系统开发相结合，研究并开发出嵌入式蓝牙网关的测试样机。下面将 介绍本人承担的具体工作： ( 1 )通过对各种实现蓝牙网关的方案比较，最后选定用嵌入式系统来实现蓝 牙网关，并参与嵌入式蓝牙网关的硬件平台的选型和功能设计。 ( 2 )详细论述嵌入式蓝牙网关硬件和软件的方案设计。根据嵌入式开发要求， 组建嵌入式蓝牙网关硬件试验平台并建立软件开发环境。对嵌入式蓝牙网关的 软件总体构架进一步细化，深入研究并实现了链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、 串口仿真协议( r f c o m m ) 、给出了协议实现过程中的重要数据结构及协议层 之间的接口函数，同时，引入有限状态机( f s m ) 来抽象描述协议层收到的消 息、作出的动作、和链路的状态变化，并给出了l 2 c a p 、r f c o m m 协议的通 信流程图和关键程序模块流程图，并参与了部分模块代码的编写工作。 ( 3 ) 提出并实现了蓝牙虚拟串1 ：3 设备t t y b t ，这样可以利用l i n u x 操作系统上 的m g e t t y + a u t o p p p 组成拨号服务程序。因此在嵌入式l i n u x 下方便地实现l a n a e e e s s s p r o f i l e 而不用自己开发拨号服务程序。为了便于管理蓝牙虚拟串口t t y b t 设备和蓝牙协议模块间的交互，设计了一个t t y b t m g r 字符设备。最后，进行软 件系统集成，实现了蓝牙局域网访问应用模型( l a p ) 。 。 ( 4 )开发出嵌入式蓝牙网关的测试样机后，负责设计系统测试方案并进行系 统集成测试，最终，在测试系统上使蓝牙测试终端成功接入嵌入式蓝牙网关， 饼通过嵌入式蓝牙网关提供的l a p 服务访问i n t e r a c t 。 1 4 论文的组织结构 本文主要针对嵌入式蓝牙网关的关键技术之一一一蓝牙协议栈中的l 2 c a p 层、r f c o m m 层协议和蓝牙虚拟串口驱动层进行了深入研究并给出了重要实现 过程。下面简要介绍论文的组织结构： 第一章首先介绍了课题背景、随后阐述了本课题研究目的及面临的问题。然 后，介绍了笔者在该课题研究过程中所承担的工作和本文的创新之处。 3 江苏大学硕七学位论文第1 章绪论 第二章首先概述了蓝牙技术的特点和蘸牙技术的优势殿应用前景，因此，选 择爝蓝雾无线逶售i 连接终壤设备秘阙关。麓嚣鬏撂实现嵌入式夔磐阚关掰嚣要 的相关技术依次介绍了蓝牙协议体系结构、应用模趔，为盾筒蓝牙网关的研究和 实璎葵定7 理论基瓣。 第三章首先给如嵌入式鲢牙网关的通僚系统及其应用场景，在此基础上讨论 了用嵌入式系统来实现蓝牙隧关的优点以及嵌入式开发平台盼选择和开发环境 的建立；然后，介缨了硬件方案设计；最后，阐述了嵌入式簸牙网哭软件方案设 诗，阉蹿，论述了瓣关软伟模块闻静接口设计以及藏牙协议栈中各协议层之闯的 通傣方式。 第四章指出嵌入式蓝牙网关软件的实现是课题的研究黧点之一，同时，也是 论文瓣重点褰苓之。本章投据第三肇孛嵌入式夔磐稠美豹疆箨方案帮软侮方案 设计给予具体的实现。首先介绍了嵌入式蓝牙网关硬件试验平台的模块组成以及 较终开发平惫弱建藏。蘧嚣瓣嵌入式蓬雾瘸关戆较传俸系繁梅遴一爹缨毒l 二，摇出 了本文研究和实现的内容一蓝牙协议栈中的l 2 c a p 层、r f c o m m 层协议和 益学寝撵攀鏊驱磊层。接蕾，奁转辑l 2 c a p 瑟协议懿数撂惫揍式和实理 r f c o m m 朦用到的e t s it s0 7 1 0 帧格式的基础上，详细叙述了l 2 c a _ p 、 敲c o m m 实现_ i 童穆串戆圭瑟数据终梅l 三l 及苟主下袋豫谈鹣接叠涵数，藏辩，萼l 入裔限状态机( f s m ) 来抽象描述协议层收到的消息、作出的动作、和链路的状 态交铯。然藤，又分澍绘爨l 2 c a p 、r f c o m m 漭浚豹逶铸滚程耪程彦实壤熬 关键流程图。最后，为了能利用l i n u x 下现省的拨譬服务程序应用程序而不必另 露开发鑫己瓣应蔫纛净，我髓实瑶了莲牙袭羧率窭浚备t t y b t ；梵了管理蘩斧寝 拟串口t t y b t 设备并和蓝牙协议模块的交互，还实现了一个t t y b m g r 字符设备。 最终，基予实瑰魏l 2 c a p 、r f c o m m 、s d p 积蓝琴寝瓠奉日驱动戳爱l i n u x 下 的m g e t t y 和a u t o p p p ，实现了针对嵌入式蘸牙网关的蓝雾周域网访阀应用模型 ( 己a p ) 。 第五章嚣先为研制的嵌入式蓝牙：网关设计了测试方案，在此基础上捞建丁嵌 入式蓝牙两笑的测试系统，袋用最小原型系统法一步步验证嵌入式蔽牙两美研制 的弼确性。艘后，簸牙终端通过接入嵌入式篮牙网关提供的l a p 服务，成功访 问了i n t e r a c t 网络。溯试绪聚表明，基本上完成了嵌入式蘸牙网关的研究行发工 作。 江苏大学硕士学位论文 第l 章绪论 第六章为论文结束语部分，对谍题研发输段的主簧工作进行总褥，给出阶段 性的置作成聚，并在总结课题研发阶段的基破上，提出一些巍待于进一步研究的 阔题。 5 江苏人学硕士学位论文第2 章蓝牙技术综述 第2 章蓝牙技术综述 自蓝牙规范1 0 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 i g 的成员已经超过了2 5 0 0 家，几乎覆盖了全球各行各业，包括通信厂 商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商，软件厂商等，甚至消费类电器厂商和汽车 制造厂商都加入了s l o ，其成员有权使用蓝牙的最新技术，参与蓝牙规范标准的 制定，无偿使用s i g 的研究成果开发自己的产品“”。s i g 成员开发的蓝牙产品 通过s i g 测试，就可以投放市场。蓝牙技术发展非常快，从来没有哪个无线通信 标准联盟的成长能达到这个速度“6 1 1 7 o 从2 0 0 0 年初蓝牙芯片发售以来，包括爱 立信、剑桥硅无线电、摩托罗拉、德州仪器、飞利浦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，产品的体积越来越小，价格越来越低。业内普遍 认为，当蓝牙芯片价格降至5 美元时，蓝牙技术就将得到迅速普及，而2 0 0 2 年 上半年蓝牙芯片的量产价格己经低于5 美元“。由于蓝牙芯片制造技术的不断 改进，己经有5 0 0 多种蓝牙产品获得了s i g 的认证并推向市场。这些产品涉及移 动电话、个人数字助理、耳机、打印机、数码相机、无线网络接入点和键盘鼠标 等各个领域，销量超过4 0 0 万件。到2 0 0 6 年底，世界上采用蓝牙技术的设备已 超过7 亿台，商机无限“”。 毫无疑问，蓝牙技术己经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，它必将在不久的将来渗透到我们生活的各个方面。 2 1 蓝牙技术特点 蓝牙规范定义了一种射频( r f ) 无线通信接口和相关的协议与应用模型 ( p r o f i l e ) ，是一种无线数据与语音通信的全球开放性规范，工作在2 4 g h z 频段上， 以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动通讯环境建立连接2 “。蓝 牙规范的动机是通过合理地选择链路的传输速度、通讯距离和传输功率来实现一 种成本低、效率高、单芯片方式的通信收发设备2 1 。蓝牙正式规范b l u e t o o t hv 1 2 版是2 0 0 3 年6 月颁布的。规范分为两部分：核心部分与应用模型部分。核心 部分定义了蓝牙协议栈的所有层，该协议栈与经典的计算机网络7 层协议模型不 完全相同，区别主要体现在对于a d - h o c 连接性的支持。应用模型部分主要是定 义用户应用规范。制造商可以利用蓝牙协议栈所提供的服务建立各种各样的应 6 江苏大学硕士学位论文第2 章蓝牙技术综述 用，蓝牙应用模型为各种应用之间的互操作性提供了支持。蓝牙技术具有以下特 点： ( 1 )蓝牙工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 非许可证的频 段2 4 0 2 2 4 8 g h z 频段分成7 9 个频点，相邻频点间隔i m h z 。用微波取代传统 网络中错综复杂的电缆，在蓝牙设备间实现方便快捷，灵活安全、低成本低功耗 的数据和语音通信。 ( 2 )蓝牙采用f h s s 扩频技术，每个时隙6 2 5 m s ，每个报文跳一次，并使用 前向纠错抑制了长距离链路的随机噪音，是目前跳频技术中最快的一种，数据包 更短，这使得蓝牙比其它系统拥有更良好的反跟踪保密性嘲。 ( 3 )在业务的支持上，蓝牙规范同时支持数据业务和语音业务的传输，即同 时支持异步方式( a c l ) 和同步话音信道( s c o ) ，还可用一个信道同时传送异步数 据和同步话音。每个话音信道都支持6 4k ip s 同步话音链路。异步信道可支持一 端最大速率为7 2 1k b p s 而另一端速率为5 7 6 k i p s 的不对称连接，也可支持4 3 2 6 k i p s 的对称连接嘲。 ( 4 )蓝牙技术支持点对点和点对多点连接。在组网方式上，蓝牙规范支持微 微网( p i c o n e t ) 模式和自组n ( a d - h o c ) 模式，对于前者，一个主设备所支持的活跃 从设备数不超过7 个。多个微微网可以通过节点桥接的方式构成自组网( a d - h o e ) ， 但蓝牙规范并没有对散射网构成的细节加以定义 2 7 1 。 ( 5 ) 在工作模式上，蓝牙设备可以有两种选择，即主设备( m a s t e r ) 方式或从设 备( s l a v e ) 方式。主设备负责设定跳频序列，从设备必须与主设备保持同步。主设 备负责控制主从之间的业务传输时闻与速率。 2 2 蓝牙技术优势及应用 蓝牙无线技术经过将近十年的发展已经成熟，正被越来越多厂商所支持，其 技术优势在于： ( 1 )协议已经成为受到广泛支持的国际技术标准。支持蓝牙协议的厂商从 1 9 9 8 年的9 个发起者( 爱立信、诺基亚、i b m 、i n t e l 、朗讯，东芝、微软、摩托 罗拉、3 c o m ) 到现在多达上万家生产厂家，可以说蓝牙协议己经成为国际标准， 并正被越来越多的厂商所接受。 ( 2 )生产工艺的成熟。蓝牙芯片采用先进电予9 0 纳米芯片生产工艺，将 2 4 g h z 的基带及蓝牙协议集成到一个不足0 9 平方厘米的面积内，能够方便的 将其集成到应用的手持设备内，并且蓝牙芯片价格大幅度下降。从2 0 0 4 年开始， 7 江苏人学硕士学位论文第2 章蓝牙技术综述 蓝牙核心射频芯片的价格从头两年高价位下降至现在2 美元以内。蓝牙核心射频 芯片价格的下降，为蓝牙技术的应用带来了商机。 ( 3 )蓝牙协议的公开及无偿使用。蓝牙技术自1 9 9 8 年发布以来，全世界对蓝 牙技术的发展和应用表现出极大的热情。蓝牙技术是一种新型的短距离无线通信 技术，具有低成本、低功率。 ( 4 )蓝牙频段为世界大多数国家开放频率频段。为了使蓝牙技术得到更广泛 的应用，世界大多数国家向公众开放了2 4 g h z 频段，用户无需向政府申请便能 自由使用该频段。中国政府己于2 0 0 0 年正式开放蓝牙频段频率资源嗍。 ( 5 )蓝牙蜂窝无线系统的系统容量大。蓝牙技术采用时分双工和时分多址技 术，使得每个信道可同时传输7 路数据信息或3 路语音信息，具有很高的频谱利 用率，使蓝牙蜂窝无线接入系统具有很大的系统容量。 ( 6 )共享信息资源丰富。随着信息电子产品的发展，我们身边的信息电器越 来越多，如：智能手机、多功能掌上电脑、笔记本电脑、家用智能电器、计算机 周边设备等。利用蓝牙技术可非常容易地将这些设备中的信息进行交换，将其功 能组合，最大限度地利用信息资源，减少浪费。 正因为蓝牙的技术特点和众多优势，使得它有了广泛的应用前景和市场。 美国市场研究公司i n s t a t m d r 于2 0 0 3 年5 月发表的一份报告指出，垂直市场 将为蓝牙技术提供大量机会，这些市场包括医疗保健、政府机关、移动电子商务、 服务业、交通、通信、公用事业、制造业、矿业和零售业。根据i n - s t a t m d r 预测，这些垂直市场中的蓝牙a p 节点在2 0 0 7 年将超过2 0 0 万个，而且短期内， 在制造业和医疗保健业将创造最大的机遇。蓝牙的基本应用是当前最主要的 应用方式，可以概括为替代电缆、无线互联和无线上网，目前已经有许多这样的 产品问世，包括蓝牙手机、蓝牙无线打印机、蓝牙耳机、蓝牙适配卡、蓝牙记忆 棒、蓝牙笔记本电脑等。本课题研究的嵌入式蓝牙网关正是利用蓝牙技术来解决 各种移动设备对接入i n t e r n e t 网络连线的麻烦，从而满足人们对网络的需求以及 对接入i n t e r n e t 网络的方便性的需求，因此具有广阔的市场前景。 2 3 蓝牙协议体系结构 规范分为两部分：协议部分与应用模型部分。协议部分定义了蓝牙协议栈的 所有层，应用模型部分主要是定义用户应用规范。为了简化协议设计的复杂性， 蓝牙技术在它的协议体系中也采用了分层的方法。图2 1 给出了蓝牙的协议栈体 系结构。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章蓝牙技术综述 一 蓝 无线应用环境( w a e ) 无线应用协议( w a p ) 螭 虚拟名片 传输控制传辕控制 应 用 虚拟日历 议 协议( t c p )坍议( t c p )协 因特网协议( i p )屡 对象交换 i 协议 点对点协议 l 音频电话命令 ( o b e x ) ( p p p )l似下命令)l 。1 一一r 一一一一一一一 i 串盏舞黜l = 迸差盖掣协谖jf 服务笸s d 现p 橼儇l li i 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c 棚叶 il 音频 - _ 一一一一一 差机控制嚣硬 u ( h c i ) 链路管理协议 底 件 ( l i p )层 实 基带( b b ) 协 现 议 层 i 蓝牙天线收发器( r f ) 软 件 实 现 图2 1 蓝牙协议栈体系结构 从图2 1 中我们也可以看出，整个协议体系是非常庞大复杂的，但实际上， 并非每个应用都要用到所有的协议，它们只可能运行在其中的某个分支上。只有 蓝牙的核心协议才是每个应用所必须的，蓝牙的核心协议由以下几个：b b 、l m p 、 h c i 、l 2 c a p 、s d p 。课题中嵌入式蓝牙网关使用的内嵌式模块已经实现了b b 、 l m p 、h c i 这三层底层的核心协议，从而简化嵌入式蓝牙应用的开发难度和缩短 开发餍期，在此基础上，我们实现了运行嵌入式蓝牙网关硬件平台上的l 2 c a p 、 s d p 和r f c o m m 层协议。 ( 1 ) 底层协议 底层协议是蓝牙技术的核心协议，所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括底层 协议。它主要由l m p 、b b 和r f 部分组成。其功能是：无线收发器通过2 4 g h z i s m 频段，实现数据流的过滤和传输。l h 但层负责两个或多个设备链路的建立 和拆除及链路的安全和控制，如鉴权和加密、控制和协商基带包的大小等，它为 上层软件模块提供了不同的访问入口；蓝牙主机控制器接口h c i 由基带控制 器、链路管理器、控制和事件寄存器等组成。它是蓝牙协议中软硬件之间的接口， 提供了调用下层b b 、l m 、状态和控制寄存器等硬件的统一命令，上、下两个模 块接口之间的消息和数据的传递必须通过h c i 的解释才能进行。h c i 层以上的 9 、j；ll，lll，一一中问协议层一 江苏大学硕士学位论文第2 章篮牙技术综述 协议软件实体运行在主机上，而h c i 以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间 通过传输层进行交互。 ( 2 ) 中间协议层 中间协议层由l 2 c a p 、s d p 、r f c o m m 和t c sb i n 组成。l 2 c a p 是蓝牙 协议栈的核心组成部分，也是其它协议实现的基础。它位于b b 之上，向上层提 供a c l 和s c o 数据服务o “。它主要完成数据的拆装、服务质量控制、协议的复 用、分组的分割和重组及组提取等功能。s d p 是一个基于客户服务器结构的协 议。它工作在l 2 c a p 层之上，为上层应用程序提供一种机制来发现可用的服务 及其属性，而服务的属性包括服务的类型及该服务所需的机制或协议信息。 r f c o m m 是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议，符合e t s i 标准的t s7 1 0 串口仿真协议。它在蓝牙基带上仿真r s 2 3 2 的控制和数据信号，为原先使用串 行连接的上层业务提供传送能力。t c s 是一个基于i t u - t q 9 3 1 的面向比特的 协议，它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令，并负责处理 蓝牙设备组的移动管理过程m 。 ( 3 ) 高端应用协议层 高端应用协议层位予蓝牙协议栈的最上部分，包括p p p 、t c p ，i p 、u d p 、 o b e x 、w a p 、w a e 。p p p 是点到点协议，它由封装、链路控制协议、网络 控制协议组成，它定义了串行点到点链路应当如何传输因特网协议数据，它主要 用于l a n 接入、拨号网络及传真等应用规范；t c p ，口、u d p 是三种己有的协议， 它定义了因特网与网络相关的通信及其他类型计算机设备和外围设备之间的通 信。蓝牙采用或共享这些己有的协议去实现与连入因特网的设备的通信，既可提 高效率，又可在一定程度上保证蓝牙技术和其它通信技术的互操作性；o b e x 是 对象交换协议懈，它支持设备间的数据交换，采用客户服务器模式提供与h r r p 相同的基本功能。该协议作为一个开放性标准还定义了可用于交换的电子商务 卡、个人日程表、消息和便条等的格式；w a p 是无线应用协议，它的目的是要 在数字蜂窝电话和其它小型无线设备上实现因特网业务支持移动电话浏览网页、 收取电子邮件和其它基于因特网的协议啪1 。w a e 是无线应用环境，它提供用于 w a p 电话和个人数字助理p d a 所需的各种应用软件。 1 0 江苏大学硕十学位论文 第2 章蓝牙技术综述 2 4 蓝牙应用模型 蓝牙s i g 针对不同的应用，定义了许多标准的应用模型( p m f f i e ) 。蓝牙应 用模型定义的内容很多，其中包括通用接入、业务传输、无绳电话、互通信、串 行接口、头戴式耳机、拨号上网、传真、局域网接入、通用对象交换、文件传输 和同步等。从原则上来说，为了各个厂商之间的产品能够互联，所有的蓝牙设备 都必须基于特定的p r o f i l e 。而在各个p r o f i l e 之间，也存在着紧密的相互依赖关 系，如图2 2 所示。例如，本文实现的局域网访问应用模型( u 婶) 基于g a p 和s p p ，它们之间是继承的关系。所有的应用模型都必须遵循g a p 中的规定， 下面主要介绍与课题相关的三个应用模型： 图2 2 蓝牙应用模型 ( 1 ) 一般访问模型( g e n e r i c a c c e s sp r o f l l e g a p ) 一般访问模型定义了用于与发现新的蓝牙设备和与连接蓝牙设备的链路管 理方面相关的通用的过程m l 。同时还定义了不同安全级别的过程。另外，还包 括了用于用户界面级参数的通用格式。 ( 2 ) 串口应用模型( s e r i a lp o r tp r o f i l e s p p ) 串口应用模型定义了在两个对等蓝牙设备之间使用砌：c o m m 建立模拟串 行电缆连接的要求”1 。这些要求以什么样的形式提供应用服务，并通过定义不同 单元之间的互操作性的特性和过程来提出。 ( 3 ) 局域网访问应用模型( ta na c c e s sp r o f i l e l a p ) 局域网访问应用模型定义了一个用于蓝牙设备访问局域网的应用模型规范。 首先，它定义了如何使设备能够使用p p p 方式访问一个l a n 的各种服务；然后， 它展示了如何使用同样的p p p 机制来构建一个由两个蓝牙设备组成的网络。在 本文第三章中将着重介绍此应用模型和利用该应用模型实现嵌入式式蓝牙网关。 江苏大学硕士学位论文第z 章蓝牙技术综述 2 5 本章小结 木章首先概述了蓝牙技术的特点和蓝牙技术的优势及应用前景，因此，选择 用蓝牙无线通信来连接终端设备和网关。随后根据实现嵌入式蓝牙网关所需要的 相关技术依次介绍了蓝牙协议体系结构、应用模型，为后面蓝牙网关的研究和实 现奠定了理论基础。 1 2 江苏大学硕士学位论文第3 章嵌入式蓝牙网关的总体方案设计 3 1 引言 第3 章嵌入式蓝牙网关的总体方案设计 嵌入式蓝牙网关解决无线到有线网络的访问，它主要是用来在蓝牙内部微微 网和外部i n t e m e t 之间传输数据，同时对内部微微网成员进行口分配及路由解决。 另外，嵌入式系统也成为当今最热门的概念之一，是计算机软件和硬件的结合体， 因此本文在讨论用嵌入式系统来实现嵌入式蓝牙网关的优点以及嵌入式开发平 台的选择之后，论述了嵌入式蓝牙网关的硬件方案设计和嵌入式蓝牙网关软件方 案设计。同时，论述了网关软件模块间的接口设计以及蓝牙协议栈中各协议层之 间的通信方式。 3 2 嵌入式蓝牙网关的通信系统 嵌入式蓝牙网关为蓝牙终端设备( 蓝牙p d a 、蓝牙手机、蓝牙笔记本、蓝 牙p c 等) 创建一个到本地网络的高速无线连接的通讯链路，并使之能够通过嵌 入式蓝牙网关的桥接作用与i n t e m e t 互连。其实现了s p p 、l a p 应用模型，可以 为实现t c p i p 协议或者没有实现t c p i p 协议的蓝牙设备提供接入服务。在嵌 入式蓝牙网关中，每一个与之建立连接的蓝牙设备都将与蓝牙网关中的一个t c p 端口绑定。这样，在局域网或i n t e m e t 中就可以通过嵌入式蓝牙网关的m 地址和 端口来唯一地标识该蓝牙设备。当蓝牙设备与网络中主机交互信息时，嵌入式网 关就负责蓝牙通信协议与t c p i p 协议之间的转换工作。从而使蓝牙设备与计算 机网络进行透明地数据交换。对于已经实现t c p i p 协议的蓝牙终端设备，蓝牙 网关可以运行p p p 协议将该类蓝牙设备实现局域网的接入。对于没有实现 t c p i p 协议的蓝牙设备( 如蓝牙家电设备) ，蓝牙网关可以使用s p p 与该类蓝牙 设备建立数据传输通道，然后在嵌入式蓝牙网关上通过一个t c p 端口代理该设 备与远程设备进行数据交换，从而达到将该类蓝牙设备接入到本地网络及 i n t e m e t 的目的。可以应用于家庭、办公室场合、工业控制领域。以下是个嵌 入式蓝牙网关在家庭或办公室中的应用场景，如图3 1 所示： 1 3 江苏大学硕士学位论文第3 章嵌入式蓝牙网关的总体方案设计 凭 么名 ) 广 k 。 一 f e l 慨embenddedbl