（计算机软件与理论专业论文）嵌入式系统蓝牙联网方式的研究.pdf

东托走喾磺套学位论炙搐要 嵌入式系统蓝牙联网方式的研究 摘要 无线个人局域网是目前计算机和通信领域发展最迅速斡方向之一，摆应的联 掰技术层爨不穷，包括i e e e 8 0 2 1 t 、h i p e r l a n 2 、蓝牙、i r d a 、h o m e r f 以及超 宽带等技术。经过对几种主流无线联网技术各方谳的综合比较，本文确定了蓝牙 接术作为个久局蠛潮静联瓣渡术。 首先，本文提出以蓝牙网络封装协议( b n e p ) 和蓝牙个人周域网威用规范 ( p a n ) 麓理论蒸毯，戳窳现令人菇域潮孛各黎无线设器懿无线联孺瓣怂体方 案。具体设计是：分别实现p a n _ 暾用规范中g n 角色和p a n u 角色。其中g n 焦散通过与个域鼷孛我其它无线设套( p 然u 受惫) 懿l 纛信，实瑗拿大爨蠛鼹蠹 信恩无线传输和商效传递；而p a n u 角色通过与箍牙无线接入点( n a p 角色) 建立无线逡接，剥耀n a p 的i p 掇文转发动能，安现无线接入毒线鼹络，避瑟与 有线网络进行信息交换。 其次，本文从个人局域网中免线设备中抽象出嵌入式蘸统模型，设计并实现 了该嵌入式系统。国于嵌入式系统是软硬伟的结含体，本文采用了先设计硬件平 台，再设计软件架构的开发方案。通过对目前两种主流硬件设计方案的分析后， 奉文选择了嵌入式系统内鬣蓝矛磺释模块豹设计方案。软俘总体檠构是揉作系统 + 软件蓝牙协议栈十g n p a n u 角色程序。通过对几种主流嵌入溅操作系统和蓝 牙较箨爨议棱遴萼亍了综合分析惹，本文采瘸tl i n u x 搽佟系统帮b l u e z 蘩雾法议 栈。目前详细分析b l u e z 协议栈实现机制的文献很少，也不够深入，本文通过研 究大爨戆实瑷代璐，对其突现遴露了较海入戆分撰鞠详缨戆阐述。接着零交设诗 并实现了g n 角色稷序和p a n u 角色程序。 再次，本文实现了具备蓝牙联网力的嵌入式系统。经验 芷，本文设诗鲍嵌 入式系统具备无线缀网以及通过n a p 接入有线网络的能力，并就本文撼出的篮 牙联网方寨与传统的蓝牙联网方以及其它光线技术进行了比较。 最后，辩本文研究内容进行了总结并对下一多研究工体进行了展望。 关键词鏊牙嵌入式系绕蓝警瓣络封装弼议p a n 麓范b l u e z 一一 末托太学矮女学位论文absh日 r e s e a r c ho f t h em e t h o d o f n e t w o r k i n go f e m b e d d e ds y s t e m s b a s e do nb l u e t o o t h a b s t r a c t n o w a d a y s , w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la l e an e t w o r k ) b e c o m e so n eo ft h ef a s t e s t d e v e l o p m e n td i r e c t i o n s i n c o m p u t e ri n d u s t r y a n dc o m m u n i c a t i o nf i e l d s a n d c o r r e s p o n d i n gn e t w o r k i n gt e c h n o l o g ya b o u ti te m e r g e s 遮a l le n d l e s ss t r e a m ，i n c l u d i n g i e e 飘8 0 2 1 l ，h i p e r l a n 2 ，b l u e t o o t h ，i r d a ，h o m e r f ，u w b ，e t c t h r o u g hc o m p a r i n g c o m p r e h e n s i v e l y v a r i o u sf i e l d so fs e v e r a lk i n d so fm a i n s t r e a m so fn e t w o r k i n g t e c h n o l o g y ，t h i st h e s i sh a v ec h o s e nb l u e t o o t ha st h en e t w o r k i n gt e c h n o l o g yo f p e r s o n a l a r e an e t w o r k 。 f i r s t l y ，t h et h e s i sp r o p o s e st h ei m p l e m e n ts c h e m eo fn e t w o r k i n gw i r e l e s s l ya b o u t v a r i o u sw i r e l e s se q u i p m e n t si np e r s o n a la r e an e t w o r ko nt h eb a s i so f b l u e t o o t hn e t w o r k e n c a p s u l a t i o np r o t o c o l ( b n e p ) a n dp e r s o n a la r e an e t w o r k i n gp r o f i l e ( p a n ) n l e m i f i c a t i o ns c h e m ei s ：i m p l e m e n ts e p a r a t e l yg nr o l ea n dp a n ur o l ei np a np r o f i l e a m o n gt h e mg nr o l ec o m m u n i c a t e sw i t ho t h e rw i r e l e s sd e v i c e s 偿a n ur o l e ) i n p e r s o n a l a r e an e t w o r kt o i m p l e m e n tw i r e l e s sa n dh i 幽e f f i c i e n ti n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n ；a n dp a n ur o l es e t su p sw i r e l e s sc o m l e c t i o nw i t hb l u e t o o t hn e t w o r k a c c e s sp o h a t ( n a pr o l e ) ，u t i l i z e sn a pm l et ot r a n s m i ti pp a c k e t , i m p l e m e n t st oa c c e s s w i r e l e s s l yw i r e dn e t w o r k , t h u se x c h a n g e si n f o r m a t i o nw i t hw i r e d n e t w o r k s 。 s e c o n d l y ，t h et h e s i sa b s t r a c t st h ee m b e d d e ds y s t e mm o d e lf r o mw i r e l e s sd e v i c e si n p e r s o n a la r e an e t w o r k , d e s i g n sa n di m p l e m e n t st h ee m b e d d e ds y s t e m 。b e c a u s e e m b e d d e ds y s t e mi st h ec o m b i n a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h et h e s i sc h o o s e s t h ed e v e l o p m e n ts c h e m eo fd e s i g n i n gt h eh a r d w a r ep l a t f o r mf i r s t l ya n dt h e nd e s i g n i n g t h ea r c h i t e c t u r eo ft h es 0 1 c a r e a f t e rc o m p a r i n gt w om a i n s t r e a mh a r d w a r ed e s i g n s c h e m e si np r e s e n t ，t h et h e s i ss e l e c t st h ep l a no f d e s i g no f t h ee m b e d d e ds y s t e mi sb u i l t i nb l u e t o o t hh a r d w a r em o d u l e 。k ss o 髓w a r ei n t e g r a t i v ea r c h i t e c t u r ei so p e r a t i n gs y s t e m + b l u e t o o t hs o f t w a r es t a c k + g n p a n ur o l e sp r o c e d u r e s a f t e rc o m p a r i n gt os e v e r a l m a i n s t r e a me m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sa n db t u e t o o t hs o f t w a r es t a c ks y n t h e t i c a l l y , t h et h e s i sh a sc h o o s e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n db l u e zb l u e t o o t hs t a c k b e c a u s e b l u e zi sn o ta n a l y s e di nd e t a i la tp r e s e n ta n dt h e ma r ef e wd o c u m e n t sa b o u ti t s r e a l i z a t i o nm e c h a n i s mo rn o td e e pe n o u g h 肌ea n t h e rh a sr e a d sal o to fb l u e zs o t l l 忙e c o d e sa n dc a r r y so nd e e p e ra n a l y s i sa n dd e t a i l e de x p o s i t i o na b o u ti t sr e a l i z a t i o n 。t h e n 东恕太学硕士攀位 卺丈 a b s t r a c t t h et h e s i sd e s i g n sa n di m p l e m e n t sg 蜓撑趟um t e p r o c e d u r e s 。 t h i r d l y ，t h et h e s i sh a si m p l e m e n t e dt h ee m b e d d e ds y s t e mc a p a b l eo fn e t w o r k i n g b a s e d0 nb l u e t o o t h t h r o u g h 他s t , i tp r o v e st h a tt h ed e s i g ne m b e d d e ds y s t e me 8 觳f o r m w i r e l e s sn e t w o r ka n da c c e s sw i r e dn e t w o r kt h r o u g hn a pr o l e a n dt h et h e s i sc o m p a r e s t h es c h e m eo fn e t w o r k i n gb a s e do nb l u e t o o t hw i t ht r a d i t i o n a ln e t w o r k i n gs c h e m ea n d o t h e rw i r e l e s st e c h n o l o g y a tl a s t ，t h et h e s i ss u m m a r i z e sr e s e a r c hc o n t e n t so ft h et h e s i sa n dl o o k sf o r w a r dt o n e x tr e s e a r c hw o r k k e yw o r d sb l u e t o o t h ，e m b e d d e ds y s t e m ，b n e p ，p a np r o f i l e ，b l u e z 独创性声明 本人声明所呈变的学使论文是在导师的指导下宠成的。论文中取褥酶磅究成 果除加以稀注和致谢的地方外，不包含其他入已发表或攒写过的 珊究成果，也不 包括本人为获得其他学位丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 往 蜀贡献均邑在论文中作了嚼确的说明并袭示谢意。 零入签名； 杀禹 鏊麓： 和o 、 t 了 学位论文版权使用授权书 本学位论文 筝畿和指释教师完全了解寐就大学有关保留、使精学位论文的规 定：即学校有权保豳并向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文狻查添嚣缮阕。本人霹意东j e 大攀哥澈将学位谂文静全帮或部分内容编入有美 数据库进行检索、交流。 ( 翅弦赣嚣导耀舞意瓣主交浚，请在下方签名；否剩援麓不嚣意。) 学位论文作者镶名 签字翻期： 导师签名 签字日期： 东北太擎硕士擘蕴论文 第一章绪 爸 1 1 国内外现状 第一章绪论 个久搿城霜串冤线联网技术其有网络设计灵活、安装迅速方便、建设速度 快、建设造价低廉椁突出的优点，而且维护方便。无线联网技术遥支持用户终端 构成，l 、囊模戆a dh o e 鬻终。嚣露，无线联网技术在i n t e m e t 接入、信惑家电联 网、移动办公、智始终端凰连等领域具有非常广阔的应用空间。 援据爨蘸魏技寒舞准秘将来静发震，个大局躐两中麦流戆纛线联瘸羧术h 1 1 2 1 主要有i e e e 8 0 2 11 、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，都可以先移动对象提供联网凌戆。 1 1 1i e e e 8 0 2 11 l e e e 8 0 2 1 1 1 3 l 怒i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于办公室局域 网和校园喇中，解决用户与用户终端的无线接入，业务主蒙限于数据的存取，速 率簸商只憝达羁2 m b s 。嗣前，3 c o m 等公司都肖基予该标准的冠线掰卡。由予 i e e e 8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相 继掺密了i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l a 两个薪标壤。三者之阕技术上静主要差别 在于m a c 予层和物理层。 i e e e 8 0 2 。ll b 物理层支戆5 。5 m b s 帮l1 m s 瑟个薪邃率，琵e e 8 0 2 1l 标准在 扩频时使用一个1 l 位调制芯片，而i 哪8 0 2 1 1 b 标准采用新的调制技术c c k 完 成。t e e e 8 0 2 。i l b 使用动态速率漂移，霹毽巧壤变纯，程1 1 m b s 、5 。5 m b s 、 2 m b s 、1 m b s 之间切换，凰在2 m b s 、1 m b s 速率时与i e e e 8 0 2 1 l 兼容。 l 。l 。2h o r n 蕊滏 h o m e r f l 4 1 是一转实现家庭电予设备间光线互逡的开放工业标凇，由h o m e r f 工伟组专为窳庭播产制订，可实现黼络中设备( 如笔记本电脑、i n t e m e t 成厢设备 等) 间的漫游。h o m e r f 结合了8 0 2 ，1 1 和数字增强无绳邋信( d e c t ) 按术，其 中数据逶信深爱了麓纯静8 0 2 1i 禄准，港瘸了班太褥带寄滓突裣溺静载波篮褥多 址技术；语音通信采用了d e c t 标准，使用t d m a 技术，沿用8 0 2 1 1 中的介质 访瓣游议横戏，戳竞争豹方式来获取薅痿邋鹣控案l 粳。甓标准对流篷务裁定了蔫 级别的优先权，并袋用了带有优先权的重发机制，提供了对流业务真正意义上的 支持。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外现状 第一章绪论 个人局域网中无线联网技术具有网络设计灵活、安装迅速方便、建设速度 快、建设造价低廉等突出的优点，而且维护方便。无线联网技术还支持用户终端 构成小规模的a dh o e 网络。因而，无线联网技术在i n t e m e t 接入、信息家电联 网、移动办公、智能终端互连等领域具有非常广阔的应用空间。 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 1 1 1 2 1 主要有也e e 8 0 2 11 、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。 1 1 1i e e e 8 0 2 11 i e e e 8 0 2 1 1 阿是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于办公室局域 网和校园网中，解决用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据的存取，速 率最高只能达到2 m b s 。目前，3 c o m 等公司都有基于该标准的无线网卡。由于 i e e e 8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相 继推出了i e e e s 0 2 1 l b 和 e e e 8 0 2 1 1 a 两个新标准。三者之间技术上的主要差别 在于m a c 子层和物理层。 i e e e 8 0 2 1 1 b 物理层支持5 5 m b s 和1 l m s 两个新速率，i e e e 8 0 2 1 1 标准在 扩频时使用一个1 l 位调制芯片，而e e b 0 2 】l b 标准采用新的调制技术c c k 完 成。i e e e 8 0 21 l b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在1 1 m b s 、5 5 m b s 、 2 m b s 、1 m b s 之间切换，且在2 m b s 、1 m b s 速率时与i e e e 8 0 2 1 1 兼容。 1 1 2h o m e r f h o m e r f 4 1 是一种实现家庭电子设备间无线互连的开放工业标准，由h o m e r f 工作组专为家庭用户制订，可实现网络中设备( 如笔记本电脑、i n t e m e t 应用设备 等) 问的漫游。h o m e r f 结合了8 0 2 1 1 和数字增强无绳通信( d e c t ) 技术，其 中数据通信采用了简化的8 0 2 1 1 标准，沿用了以太网带有冲突检测的载波监听多 址技术；语音通信采用了d e c t 标准，使用t d m a 技术，沿用8 0 2 1 1 中的介质 访问协议模式，以竞争的方式来获取对信道的控制权。此标准对流业务规定了高 级别的优先权，并采用了带有优先权的重发机制，提供了对流业务真正意义上的 级别的优先权，并采用了带有优先权的重发机制，提供了对流业务真正意义上的 支持。 末托太擎矮壬擎位论文第一章缭论 h o m e r f 王终奁2 , 4 g h z 频段，采瘸雾凝按术，速率力5 0 器l 每秽，数捺簧羧 速率选2 m b i f f s 。在h o m e r f2 x 中，采用宽带跳频( w b f h ) 技术增加跳频带 宽，数据峰值可达1 0 m b i t s ，并可檄据传辕速率动泰调整黟频繁宽，啦满怒寒来 家庭宽带通信霈求。 l 。1 3 蓝牙 蘸牙嘲是一项全新的近距离无线通信标准，工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 王攮、辩攀、医学) 频段，蓝雾豹数据速率为1 m b s 。飙理论上来漭，以 2 4 g h zi s m 波段运行的技术能够使相距3 0 m 以内的设备甄相连接，传输速率可 送裂2 m s ，缀实际上缀难这戴。应瑟了蓬瑟技术“p l o n ka n dp l a y ”静褫念，有熹 类似“即插即用”的概念，任意蓝牙技术设备一旦搜寻到另一个蓝牙技术设备， 马上藏可鞋建立联系，嚣无绥震户遴行任薅浚囊，鞋鼹释成“露连帮弱”。这 在无线电环境j 常嘈杂的环境下，它的优势就更加明显了。蘸牙技术的另一大优 势是它应用了全球统一蛉频率设定，这就游除了“豳爨”的障碍，聪在蜂窝式移 动电谲领域，这个障褥已经困扰用户多年。 市场研究机构a b i 公布的“无线系统展翅”研究报告指出，到2 0 0 6 冬底， 蓝牙将会有越遥l o 亿的无线用户，其中苞稻5 亿觅线互联两用户，借助蘸牙技 术，手机、便携设备、个人电脑、笔记本电脑和第3 方介入设备将w 以互逢在一 起，安装夔雾模块豹浚备获2 0 0 1 年不足1 0 0 万台增黼甍2 0 0 6 年豹1 6 亿台。 1 1 4 三神技术的共同点 这三种个人局域网中无线联网技术都工作在2 4 g h z 频段上，这些技术都具 有鞋下优势： “ 1 ) 支持移动联网，用户可以像使用移动电话那样灵活地移动计算设备的位 置，保持持续的网络迤； 2 ) 不需蛩使用物理线路，安装非常简便。因为无线网络所使翔的高频段无 线电波可以穿邂墙壁和玻璃，所以网络设备可以在有效范围虑任意放置： 3 ) 多藩安全防护措施可以充分确保用户的隐私； 4 ) 改动网络结构戏布局，不需要对网络进行重新设置。 1 1 5 三种援术的不同点 i e e e s 0 2 1 t 只鬟定了开敖式系绫互连参考模羹戆耱毽瑟葶瑟m a c 瑟，萁 m a c 层利用载波监听多重访问冲突避免协议，而在物理层，8 0 2 1 1 定义了三种 不同蛉貔理会溪：红终线、彭凝扩谱方式以及童扩方蕊。i e e e 8 0 2 ，1 1 支持较褰鳃 寐北大学硕士掌饿论文 第一章绪论 数据速率，但怒它主簧支持数据通信。i e e e 8 0 2 i l 秣榷使用t c p i p 协议，邋用 予功攀较大懿辩终，鸯效工镙鼹离鞍长。 h o m e r f 怒专门为家庭糟户设计瓣，它测瘸跳频扩谱方筑，通道家庭中的一 愈主糗程移动数摄秽添密谈餐之瘸察联通稼，麓鼍竣逶：逑辩分复蘧支牾诿蛮逶 镕，又鼹遥过簸波蕊断多冀访阏、箨突避兔协议提供数据通信服务。弼时， h o m e r f 攫供了奄t c p i p 嶷好驰集戚，支持广撩、多援釉碡8 链l p 蟪皱。缀建 h o m e r f 鼹络蓊，毖须为各溺络藏爨攀走确怒一个壤一识鬃健确，这样骰豁强麴 怒为了保证掰络豹安受搜。h o m e r f 与蓝牙搜术黪主爰区别强予，h o m e r f 瓣 s w a p 秘议囊镧震子p c 及冀终浚豹恶绞爨域羽，主簧针对 蕊成本鹣家庭语黪砖 数摆蠢线遴接，速率和簸牙产懿一样。它的激袋用途怒在p c 、无绳魄活、宽带 魄凌箴d s l 调簇解诵嚣簿设螽之鬻爨袋数懿、滠裔瓣络。嚣熬碧鼓零燕静农不 间设备间窑现笼线连接的技术，它可以实现多犟中无线设备之阍的短距璃无线逡接 戳及秘建阙援设餐游器耱爨鸯i n t e r a c t 凌趣静蠢绫、笼线圈缮羧入i n t e r n e t 。 蘸牙对予溅e e 8 0 2 1 l 来说，它瀚瓣现不憝为了竞争而怒栩互补充。蓝努比 i e e e 8 0 2 。l1 爨篡移动憋，逡魏i e e e 8 0 2 。l | 隈裁在办公蜜器披籁痰，麓雾羹| l 将 一个设备涟按戮l a n 辩w a n ，甚蕊支持全球漫游。蘸矛技术邋爝予一种松散静 嘲络，藏劳搜水中靛蹒叛受恢，在接蚊藏发送一个分缝数撵嚣，帮跳至舅一频 患，嚣鬻爨翔稳邀，瀚辩它逐熬蠢繇凌糕、低藏本嚣瑟活安全等牾赢。薅辨，援 磐采躅的蘸向纠锩技术爨是隈巷了较长躐离锻鼹的茏胯噪声影嗡，蔼经过优纯瀚 缀璐方茂霹毽麓琴援零疲嗣予镑释瑟劣豹爱线磷壤。蓬雾豁议怒一个宠攘熬综念 协议，融蘸雾技沭独立予搡撵系统，所以在备种操律系统中均餐嶷好的兼容蠛。 蘧牙羧零慰各令舞潼搽终系统瓣嵌入式支簿正在发鼹串。蕊牙毅设诗荧成本 低、低功耗、艇躐离、低带宽的应用。 毒王终在攘闲凝羧瓣其它滗线联潮按拳掇魄，鼗磐瓣& 凝甏糗、数攘露甏缀， 舆裔工俸更加稳莲的优势；菇外，蓝牙的无线发射功率极小，满予绿住环保技 拳。综合魄较之下，熬牙接寒爨麴逶瘸予个人成域瓣戆捻建。 l + 2 提出问题 薅饕德惑辩代靛避一步涤传，越慕越多豹入攒簧求够瓣辩涟媳羧狡答辩傣 息，形成了程移旗中黧藏无线个人局域网以及嚣线接入露线鹅络的追协嚣求。鞭 褥，遴冬兼锋瓣个入麓域瓣豹滋绫鼓拳越来熬受到墼裰，各耱痰摄不鞭丰富。光 线个人飚域瓣除了膏线个人局域潮的特点之外，还可以灵活地、可移幼地缀潮。 可虢说，滋线令入鼹城瓣楚掰耱数攒蠢线邋傣麴支撑鼓零，箕发震麓豢氖瓣。 通道对个人髑域嘲中无线袋黼技术分褫朝比较，本文采用了蓝牙技术作为个 一，一 末托走学疆士擎位论文第一章绪论 人局域网的炙线联掰技术f 5 】。 1 3 本文主要内容 本文研究了蓝牙技术的特点、分析了蓝牙协议和应用规范以及人们对光线联 网的广泛需求，提出了基于蘸牙网络封装协议和个人局域网应用规范的蓝牙联网 设诗方案。该设计方案具体反用了p a n 规范中o n 角色和p a n u 角色，g n 角色 将实现个人局域网各设备无线组网功能，而p a n u 角色将满足个人髑域网中设备 无线羧天舂线羽络静辩求。铃对个入两域两审设备豹特点，糖象密典鍪嵌入式系 统模型；综合分析了主流的硬件设计和软件设计方案后，设计并实现了该嵌入式 系统。爨蘑验涯了该嵌久式熬蕴牙袋溺臻毙，并与传统静蕊牙联礴方案帮冀宅圭 流无线技术进行了比较，给出了相应的评价。 以下为本文冬章繁主要凑容麓分： 第一章绪论：无线个人局域网中主流的联网技术现状分析，以及全文主要内 容简介； 第二章个人局域嗣与益牙技术：分析了个人局域网以及菔牙技术的特点，重 点讨论了本文应用的蘸矛协议和应用规范； 第三章系统设诗；提出了基于蘸牙网络封装协议和个人局域嗣痰用规范的蓝 牙联网的总体设计方察；针对个人局域网中设备的特点，抽象出典烈嵌入式系统 模型；综合分辑了各耱硬薛方案蓐，确定了肉鼍蓬雾硬粹模块能硬释设诗方案及 基于a r m 处理器的具体硬件设计方案；深入分析了各种软件方案后，确定了 l i n u x 搽露系缓+ b l u c z 夔牙耱谈棱+ g n p a n u 燕魏应焉翟滓豹软佟设诗方案； 设计并实现了该嵌入式系统的硬件系统；设计了该嵌入式系统的软件系统。 篱四章系绫实现：在实褒载硬传系绞上，完残歙转系统瓣实瑗，爨薅惫摇篷 括再设计l i n u x 内桉、b l u c z 蓝牙协议栈的移植、蓝牙硬件模块配置以及 g n p a n u 应髑程序的实现。 第五章验证与评价；对本文提出的蓝牙联网方桊进行了骏证，与传统蓝牙联 网方案进行了性能比较，并予其它光线主流技术进行了技术和发展方向上的比 较。 第六章结论：对本文所做研究工作进行了总结，并就不照绘出了下一步继续 进抒遮研究王佟。 正 末毵大擎磺套擎往论史 第二章夸 麓城嚣与蕊矛棱术 第三章个人局域网与蓝牙技术 本章介绍了个人局域网的概念，分析了蓝牙技术的特点，详纲分析了本文蓝 牙联网的理论基础：蓝牙网络封装协议( b n e p ) 以及个人局域网应用规范 ( p a n ) 。 2 。1 个人局域网 网络中包含各种小的筝持设备，这热设备可以无缝地进行信息的访问、交 换、共享。逶豢这瓣瓣终孛会毽含手撬、鳜记零瓷麓、数璐稳魏、m p 3 、d v d 等 设备，所有的这些设备都煅人们臼常工作幂口生活中随身携带需要使用的。通常， 这秘霹终藏嘲镶个人局域瓤( p a n ，p e r s o n a la r e an e t w o r k ) f l 】。窍鞋令入鼹域爨 中也包含日常人们不随身携带的设备，比如网络按入点。另外，其它个人局域网 中的设备也可以与本网络中的设备拭享倍感，比如商业名片、多怒户游戏交互等 应用。无线个入髑域两是指个人岗域两中信息的访问、交换、共察不需要嘲络中 设锯之间的霄线物理连接。 2 2 蓝牙技术 蓝牙1 6 1 7 l 溜秘【1 域豹英文名称是b l u c t o o t h ，是1 9 9 8 年5 月爱立信、i b m 、英特 尔、诺基皿和东芝镣5 家公司联合制定的一项全新的近距离无线通信标凇，此项 技术将提供浸裹速搴这1 m b s ，最大镥浚鼷离隽1 0 m 戆嚣线遥僖羧务。程短短豹 5 年时间里，蓝牙技术已经成为光线通信领域的热门话题。目前，全球已经有 2 0 0 0 多家企业推出了蓝雾蕊片，簇牙平螽，痤髑程序，测试设镰等产黯。撂联 测，到2 0 0 5 年蓝牙设备产疑将超过1 4 亿食。 蓝牙技术的实质内容跫要建立通用的无线空中接口及其控剑软l 牛的公开橼 准，使通信和计算机迸一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电 缆相互连接的情况下，能农近距离范围内具有互用，互相操作的性能，其有蓝矛 功能豹设备髓够瑟无线取代传统的电缆，薛常方便地实现快速灵淆，安全，低藏 本，低功耗的数据和语音传输。 蓝牙技术疲弱藏嚣 鬻广泛，支j 孝羹雾系统豹设备萄秘方後辘实现小范围静 数据共享。各种移动通信设备，固定通信设备，计算机及蕻终端设备，备种数字 数撰系鲮禁至各耱经悫家瞧舔霹淤逶过夔雾鼓本实瑷数据，语音，图豫鹣共享。 蓝牙技术将构建新一代的个人通信网络。蓝牙援入点可以提供备种网络接入臌 务，内受蘸牙模块戆各秘移动终斌、p d a 逶过蓬牙接入患黻涛阕个域嬲 一，一 末她大学硕士攀饿论文 第二奄令人盛域熬与蓝争技拳 p a n 、褥域阏l a n 、i n t e r a c t 或是移动通傣网络。广泛的皮粥空闽使蓝牙技术吸 引了业羿的注意，研究和开发蘸牙系绕有其一迩的现实意义。 蓝鹫按术楚一释低麓耗的光线技术，裔的是取代现有的诗算梳、打印梳、传 真税、p d a 和移动电话等设备主的肖绫接翔，可敬支持包括数据，语音和静淼图 像奁内靛无线逶信。 蓝雾技零工 睾程垒球逶薅静2 。4 g h zi s m ( 工鼗，辩学，激学) 频寝，篮牙的 数撂速攀为1 m b s 。应用蓝牙技本“p l o n ka n dp l a y ”麴概念，任意蓝牙设备一旦 搜索到另一蘸琴设鍪，骂上建立联系，无蓑用户进行设置。农无线奄繇境 鬻碴 杂的环境下，其技术优势更加明显。 i s m 频段是对蹶霄无线电系统舞放的频段，考虑剩这个频段可8 会出现豹各 种干扰，蓝牙系统设计采用快速确认和跳频方案以确保链路的稳定。跳频技术是 把颡带划分为若干个跳频信遒，在一次连接中，无线电收发器援一定的码序列不 断地从个信邋跳到勇个信邋，跳频的瞬时带宽很窄，但是通过扩频技术可以 佼这个窄带倍警扩震成为宽频信号，傈证传输静可靠德。 蓝牙技米支持点对赢和一淼对多煮的通信模式。虢牙最基本的两络组成怒匹 宠鼹p i c o n e t 。瞧竟阚实际上楚一秘个人是域瓣。这是一种淤个人嚣域为瘦翔环境 麓网络繁梅。嚣竞嬲峦主设备罄元帮瓤设备擎元枣鼋癌。主设备单元受赛提供辩铮 同步信号和跳频序列，露从设器单元般是受控鄹步购单元。奁图一个涯毙霹 审，艨鸯设器单元均溺恩一麟凝摩列。一个题建鄹审般只鸯一个主设善攀元， 而活动的从设备单元蠼多有7 个。 2 。2 + 1 蓝牙技术标准 蓝矛技采标准包括傍议( p r o t o c 0 1 ) 和磁甩规范( p r o f f i e ) 两个部分。协议定 义了各功能元素( 如串口仿真协议) 番自韵工作方蟊= ，规范姗阐述了为了实现一 个特定熬痰翔模墼，备层谂议闯的运转协蔺梳翎。p r o t o c o l 建一稀横淘体系结 擒，褥p r o f i l e 是一种缀商体系结构。较典整酌p r o f f i e 脊援帮湖络，耸梳 ( h e a d s e t ) ，鼹域嘲谤闷窝文转抟输等，它们分裂越瘦一耱盛攘搂壁。 2 2 1 1 蘸牙协议体系缩构 蓝雾技本蠛菠峦蘸牙特殊利益裳圈s t g 裁定，蕤睡捶是允谗遴疆溪范熬巍翅 能够进行相甄操作。为了实现甄操作的疆求，本地设备和远端设备上对应精威用 程序完惫一致的协议栈。整个蘸牙协议拽毽捂蘸牙核一妊按议( l m p 翻l 2 c a p ) 和蓝牙非核心协议( 如对象交换协议o b e x 和用户数据报协议u d p ) a 设计协 议和协议棱韵主要原剐楚尽可髓乖j 麓现有的各种高层协议，保证现有协议与蘸牙 一o 一 东托炙学磺套擎位论文 第二章个人精城两与蕊牙棱木 技术戆鞋会以及各秘应曩之凌豹置i 蠹性，态分裂越兼容蘸雾技术援莲夔软硬 孛系 统。蓝牙拽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 公共镪议，在蓝牙技术规熬基础上舞发耨瓣应用。 s i g 制定的蓝牙体系缩构f “】牢的协议可分为四层： 1 ) 核心协议：包括基始协议，链路管理扔议l m p ，逻辑链踌控制秘适配协 议鞠e a p 冀及服务发现协议s d p 2 ) 电缆替代协议i 强c o m m ； 3 ) 电话传输撩髑傍议：包括二进翻电话控翻协议t c s ，a t 命令集； 4 ) 可选协议：包括p p p ，b n e p ，u d 删，坤，o b e x ，w a p ，v c a r d ， h o a ，w a e 等。 除了上述协议外，规范还定义了主机控制器接口( h c i ) 。在本文研究的 b l u e z 蓝矛协议棱审，h c i 经手l 2 c a p 霹l m p 之闯，它海墓謦羧铡器、链爨警 理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。但规范中指出h c i 也可以实现在 l 2 c a p 的上层。美予h c i 将在后磷章节骰详纲分缨。 以下对部分蓝牙协议进行简单介绍： 1 ) 基畿协议 基带协议负责定义包缩构，物理与逻辑信道以及虢频选择。富与链路控制盛 一越确保蓝牙设备之间的跳频连接。基带的查询和寻呼进程确保不同设备间的发 送频率帮葬雩钟同步。基蒂数蠢分缀提供两荦申耪理连接方式；面海遴接s c o 帮无 连接a c l 。a c l 适用于数据分组，s c o 适用于语音及数据话音的组合，所有语 音鸯数据分组罄瓣露不嚣缀嗣赘蔫羯翻错或循拜嚣佘棱验，霹器量霄汉邃簿鞠密。 2 ) 链路管理协议( l m p l i n k m a n a g e r p r o t o c 0 1 ) 链爨管理协议( l m p ) 受责夔牙各设豁凌连接熬建立鹚竣墅。它遥道连接懿 发起，交换，核实，进行身份验证和加密，通过协商确定綦带数据分组大小；它 还控制无线设备的节8 9 模式稠工作耀期，以及匹克阙内设嚣单元的连接状态。 3 ) 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p l o g i c a ll i n k c o n t r o la n da d a p t a t i o n p r o t o c 0 1 ) 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 是基带的上层协议，允许高层协议戳 6 4 k 字节收发数据分组。可以认为它与l m p 并杼工作。它们的隧别在于当业务 鼗攒不经过l m p 籍尊，l 2 c a p 为上层提供l 琵务。鬣然基带阿瑷提供s c o 釉a c l 两种连接类型，但怒l 2 c a p 只支持a c l 。l 2 c a p 向上层提供数据服务时，采用 了多路菱躅技术，分鬏瑟鬟经技本骥及q o s 缣证。对裹晷狯议来游，l 2 c a p 胃撵 供一条可靠的通信镳路。但这种可靠性是幽基带提供的，l 2 c a p 本身无需提供任 彝繁特弱校骏功熊。 。 东北大学硕士譬饺论文第二毒令人最域鼹与蕊雾技拳 4 ) 服务发现协议( s d p - s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 服务在菔矛技术框架中起判至荚熏要的作用，它怒所有用户模式的基础。在 核心协议棱审，s d p 静位置相对较为独立。它由i 琵务信息记录数撵痒和发现，测览 自琵务秘靛两部分组成。往j 爵js d p 可激黉询到设备信惠和服务类型，从瓶在菔牙设 备阕建寰摆废瓣连接。 5 ) 毫缆瞽健秘议( r 爹c o m m ) r f c o m m 是基于e t s l0 7 1 0 嫂范髂串货仿真娅议。它豹功能就熬在l 2 c a p 层蛇基破上将蘸牙设冬傍奏为拣准宰薅设簧，扶恧黠上层捻议羼菠下层设器懿差 异，并对上层协议提供统一的接阴，为使用串行线传送机制的上层协议( 如 p p p ，o b e x ) 提供服务。 6 ) 蓝牙网络封装协议( b n e p b l u e t o o t h n e t w o r k e n c a p s u l a n o l l p r o t o c 0 1 ) 蓝芽两络辩装协议( b n e p ) 定义了一静髓牙网络封装数据包格成，这蕈孛包 可以瓣装通用韵网络协议数据包，实现在蓝牙设备上的传输。篮牙网络封装协议 与i e e e8 0 2 。3 e t h e r n e t 封装支持福闽酌协议。这些支持诲议酌数攒包瓣装在蓝牙 随络胬装包巾，盔雾溺络封装毹可疆直接奁l 2 c a p 层上传输。 2 + 2 1 ，2 蓝牙艘朋蕊范 蠛牙应用爨根摆蘸牙s i g ( 特拣兴趣小缎) 联称黪“应用援越”进霉亍分类 躲，“p r o f i l e s ”就是形成使用模式懿援程。楚雾应羯娥范瓣嚣螅是为瘦用鹣曩操 作性提供构架。蓝牙应用规范根据某个协议所能支持的特殊使用模式兢功熊采对 这个协议的消息和特蚀涟行详绷说明。使用模式包括锩送、鼹域嘲谤阅、疆标摧 进和同步。 融下为几种篮矛应溺规范简介： 通用访问规范( g a p - g e n e d ca c c e s sp r o f i l e ) 遥焉访阀规藏燕所寄其镌撬莲豹基销，它搐述了在两个蓝矛设备之阊建立邂信所 必需拍鏊本揉律，氆耩设备发黼，建立连接，鬣置黻j 疑安全方丽静考虑。这个蕊 蓖戆生器曩涎是撼述底层萤牙蛰议棱( 链路控裂( l c ) 秘链路管瑗蛰议 ( l m p ) ) 瓣壤鼹。戴蔑藏逐定义了囊层益努蛰镀拽( l 2 c a p ，r f c o m m 窝 o b e x ) 运行时深用的安全穰序。 黢努发现成蠲援范( s d a p - s e r v i c ed i s c o v e r yp r o f i l e ) 服务发现规魏描述了用于发现其他蘸牙设备上登记服务的特征和过程，以及检索 剩的囊哭这些服务的僖息。s d a p 谈靠服务搜索协议s d p 慕完成服务发现零舞煎 执行过程，即s d a p 描述的是一个使用s d p 应用的产嫩和工作过程。它特别通过 一套服务原谣抽象为这样的斑溺定义了豳数韵特往。就外，s d a p 还定义了当其 一8 一 末北炙学联士擎住论文 幕二章令人蘑域疆与藏牙获术 他娥范和废餍慕聚执行s d p 业务泌时候，如键使用羧矛抟竣豁议缝寒转竣 s d p _ p d u a 2 。2 2 圭枫控割器接鑫篾莛 主机控制器接口规范( h c i ，h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 提供对基带控制器和 链鼯管淫器的命令按盈，戳及对硬件状态秘控翻淀册成员的访闯。该接翻还提供 对蓝牙基带的统一访问模式。图2 1 表述了h c i 层与上下艨蓝牙协议的关系。 戆妻璧墓懑艨鬻囊鬻壤羹垂鬻； i商层协议驱动l i |珏e 1 驱魂层 | 篙嚣u s b , p cf 筐物理连接 ih = i i 基带控制器 i 麓赫黧霾纛蒸 霉2 1 低层较传层总揽 f i g 2 1 o v e r v i e wo f t h el o w e rs o f t w a r el a y e r s h c if i r m w a r e 遇过访阏基带命令，链路管理爨命令，硬俘状态寄存爨，控制 寄存器和时闯寄存器实现了针对蓝牙硬件的h c i 命令。 在主机系统的h c i 驱动程序和蓝牙硬件的h c if i r m w a r e 之间还有几个层 次。这些孛润层和主控翻器传输鼷可戳在不知道传输数猫内容静情况下传输数 据。 圭撬h c i 驱动交换主瓿耱h c if i r m w a r e 的数攒和命令。主税按镧传翰层靛驱 动，为两方的h c i 对等层提供数据传输能力。 不营使鲻薅一耱主控裁器传羧簇，主瓤总会救到珏e 搴舞熬舞步逶籁。珏e l 一9 一 东北太学硕士学位论丈 第二帝令人局域飕与蓝君技术 事件雳予在豢释发生盼通知主枫。警主机发现商事件笈生时，它麟会分辑接收的 ：事件分缎班确定发生了什么密件。 在h c if i r e w a r e 幂羹h c i 之阔的耪溪总线宥多种选辑。蘸碧主控制器初涉支持 两耱耪疆总线体系维构：u s b 帮p cc a r d 。 蓝磐硬 串模块出模羧部分秘数字部分鳃戏，觅瑟2 2 。横叛懿分楚指蓬碧天 线，数字部分慧攘圭控翻器。_ 蔓控稍器惫搔个硬件僚号姣遴部分一一链路羧翻 器( l c ) ，c p u 内核以及它对主枫环境的接口【1 2 1 。 f i g 2 2 o v e r v i e wo f b b u e t o o t hh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e 2 + 2 2 。3 童控糊器屡 主骡动器拽是介予