第六章 近距离无线通信技术-蓝牙

1、第五章第五章 近距离无线通信技术近距离无线通信技术赵建立赵建立山东科技大学山东科技大学 在物联网中，经常需要和物理空间较小范围的感知层物联网终端进行灵活的接入，实现感知控制层与网络传输层的通信。这就需要采用一种非接触式的近距离无线通信来承载信息的传输，目前能完成这样功能的无线通信技术主要有蓝牙(Bluetooth Technology)、红外技术(Infrared)、超宽带无线技术(Ultra-Wideband， UWB)、WI-FI技术(Wireless Fidelity, WI-FI)以及无线传感网络(Wireless Sensor Network)。这些近距离通信的技术广泛应用在智能电网

2、的数据采集与抄表、智能交通与汽车、物流与追踪、智能家居、金融与服务、智慧农业、医疗健康、工业自动化与控制、环境监测等物联网所涉及的各个领域，并且成为了物联网的基础与核心技术之一。本章将从原理与应用两个方面来介绍蓝牙技术、红外通信技术、超宽带无线技术。 蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短

3、包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。传统篇： “蓝牙”的名称，来自10世纪的丹麦国王哈拉尔德(Harald Gormsson)的外号。出身海盗家庭的哈拉尔德统一了北欧四分五裂的国家，成为维京王国的国王。由于他喜欢吃蓝莓，牙齿常常被染成蓝色，而获蓝牙的绰号，当蓝莓因为颜色怪异的緣故，被认为是不适合食用的东西，因此这位爱尝新的国王也成为创新与勇于尝试的象征。1998年，爱立信公司希望无线通信技术能统一标准而取名蓝牙。山寨篇： 狼的牙齿参差不齐，却能紧紧地啮合在一起，这种设备同样

4、会让耳机、笔记本电脑、冰箱等毫不相关的产品紧密结合在一起。由于狼牙在月光下会发出蓝光，“蓝牙”由此得名。 V1.1(1991年)V1.2 V2.1(2004年)V2.2 V3.0(2009年) V4.0(2010年) 蓝牙标准最早期版本Vl.1传输速度约在748810 Kbit/s，由于是早期设计，易受到同频率产品所干扰，Vl.2在传输速度没有改进，但在加上了抗干扰跳频功能。 2004年提出的V2.0、V2.1标准将传输速度提高到1.8Mbit/s2.1Mbit/s，可以工作在全双工模式下。它基本解决了语音通信和高质量图像传输的基本要求，目前市场上大多数蓝牙产品均采用V2.0或V2.1版本的技

5、术标准。 2009年4月，蓝牙技术联盟颁布了V3.0标准，V3.0的核心是AMP(Generic Alternate MAC/PHY)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。通过集成“IEEE 802.11 PAL”（协议适应层），V3.0的数据传输率提高到了大约24MbpS（即可在需要的时候调用IEEE 802.11WI-FI用于实现高速数据传输），可用于录像机至高清电视、个人计算机至打印机之间的资料传输。V3.0引入了增强电源控制(EPC)机制，再辅以IEEE 802.11.XX，实际空闲功耗会明显降低，解决了蓝牙设备的待机耗电问题。 2010年蓝牙技术

6、联盟(Blue tooth SIG)正式发布了V4.0核心规范(Blue tooth Core Specification Version4.0)，V4.0包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。V4.0实际是将传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术合而为一，三个规格可以组合或者单独使用。V4.0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。 蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统

7、一开放的2.4GHz工业、科学和医学（Industrial, Scientific and Medical, ISM）频段。从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。 蓝牙技术的特点可归纳为如下几点： 很好的很好的抗干扰抗干扰能力和安全性能力和安全性可建立临时可建立临时对等对等连接连接全球范围全球范围适用适用同时传输同时传输语音数据语音数据近距离通信近距离通信功耗低功耗低体积小体积小蓝蓝牙技术牙技术特点特点l蓝牙工作在2.4GHz的 ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2

8、.4-2.4835GHz。l蓝牙采用电路交换和分组交换技术，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。l主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。l蓝牙采用了跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱，抵抗来自这些设备的干扰。l提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。l蓝牙设备在通信连（Connection）状态下，有四种工作模式：激活（Active）模式，呼吸（Sniff）模式保持（Hold）模式，休眠（Park）模式，Active 模式是正常的工作状态，另外三种

9、模式是为了节能所规定的低功耗模式。 l蓝牙技术通信距离为10m,可根据需要扩展至100m，以满足不同设备的需要。工作在2.45GHz频段射频特性收发机配置符合IEEE 802标准48位地址数据频率为1Mbs使用扩频和跳频技术，噪音环境也能工作工作范围约10m，可加至100m 在1.0B版本的标准中，蓝牙的基带符号速率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625ms，不排除将来采用更高的符号速率。蓝牙支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数PCM或连续可变斜率增量调制（CVSD，Continuos Variable Slope Delta Modulat

10、ion）。语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9 kb/s 的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6 kb/s 的非对称双工通信，后者特别适合无线访问Internet。另外，还采用CRC (Cyclic Redundancy Check)、FEC (Forward Error Correction) 及ARQ (Automatic Repeat Request) 以提高通信的可靠性。TDMATDMA结构结构( (Time Division Multiple Access) ) Add y

11、our title in here Add your title in here跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做伪随机码，就是假的随机码）不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。 与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应于单时隙包，蓝牙的跳频速率为160

12、0跳每秒，对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3,200跳每秒。使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。使用调频技术使用调频技术 Add your title in here Add your title in here 提供点对点和点对多点的无线链接。在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备(Master)，被动进行通信的设备称为从设备(Slave)。利用TDMA，一个Master最多可同时与7个Slave进行通信并和多个Slave（最多可超过200个）保持同步但不通信。一个Master和一个以上的S

13、lave构成的网路称为蓝牙的主从网络(Piconet)。若两个以上的Piconet之间存在着设备间的通信，则构成了蓝牙的分散网路(Scatternet)。基於TDMA原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，还可同时既是Master又是Slave。因此，在蓝牙中没有基站的概念。另外，所有设备都是可移动的。蓝牙设备的组网蓝牙设备的组网 Add your title in here Add your title in here 蓝牙的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用於任意的小范围通信。任一蓝牙设备，都可根据IEEE

14、 802标准得到一个唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的演算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码(ID，Identification)在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。全球范围内的工作全球范围内的工作 和许多通信系统一样，蓝牙的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口(HCI，Host Control Interface)实现高、低层的联接，后者则可不用HCI。这种层次结构

15、使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，从而构成Piconet或Scatternet ，实现系统提供的各种功能。软件的层次结构软件的层次结构 蓝牙技术具有功耗低、通信速率高、传输距离短、工作频段不受限制、可靠性高、通信距离短、可灵活组网、自动搜索、成本低廉和技术成熟、应用范围广等特点。 蓝牙技术具有功耗低的特点。由于蓝牙在的链路管理器中有功耗管理功能，可以根据工作状况对功耗进行有效的管理。在不通信时，系统自动进入休眠模式，来降低功耗。典型的蓝牙通信峰值电流一般不超过30mA，低功耗蓝牙峰值电流不超过15mA。

16、蓝牙的三种类型的功耗分别为，远距离蓝牙发射功率为100mw (20 dBm)，典型蓝牙发射功率为2.5mw(4dBm)，低功耗蓝牙的发射功率为1mw(0dBm)。 作为一种短距离无线通信技术，蓝牙具有通信速率高的特点。低功耗的蓝牙，其空中的传输速率可达1MbPs，实际有效数据传输速率可达200KbpS以上；高速蓝牙空中的传输速率可达3MbPs，实际有效数据传输速率可达2.1MbPS。可见，不论低功耗蓝牙、还是高速蓝牙均可实现语音的实时通信，高速蓝牙还可实现视频传输。 蓝牙工作在2.4 GHz的ISM波段，而全球大多数国家的ISM频段范围是在2.4 2.4835 GHz，该波段是一种无需许可的工

17、业、科技、医学无线电波段，可以在此波段内可以免费使用无线电频段资源。因此，它的工作频段不受限制。 蓝牙通信的可靠性高主要是由于采用了扩频技术和多种安全模式。这使得蓝牙具有较高的通信可靠性。 蓝牙采用跳频扩频技术，可以降低受同频的干扰影响，还由于载波频率的不停跳变，使监听设备很难达到载波同步，而无法侦听。另外，蓝牙还结合多种纠错技术，提高了数据传输的可靠性高。 蓝牙网络提供了三种安全模式：模式一，无加密；模式二，应用层加密；模式三，链路层加密。对于最高级别的模式三，它由四个要素组成，即48bit的设备地址BD_ADDR、128bit的蓝牙链路密钥、8128bit的不定长加密密钥、128bit的随

18、机数RAND。同时，蓝牙协议有一套完整的密钥生成机制，确保数据安全。 蓝牙通信典型的通信距离为10m。但它是一种通信距离随功率而变的通信技术。有100mW，25mW 和 1mW三个典型的发射功率。当发射功率为100mW时，其传输距离为100m；2.5mW时，为10m；1mW时，则为10cm。非常适合不同应用场合的短距离无线通信，尤其适用于物联网的传感器的数据采集。 蓝牙系统支持两种通信模式，即点对点和点对多点的通信模式。可形成了两种网络拓扑结构：微微网(Piconet)和散射网络(scatternet)。在一个 Piconet 中，只有一个主单元(Mater)，最多支持七个从单元(slave)

19、与Master建立通信。Master靠4不同的跳频序列来识别每一个slave，并与之通信。若干个Piconet 形成了一个散射网络，如果一个蓝牙设备单元在一个Piconet中，一个Master，而在另一个Pico net中可能就是一个slave。几个Piconet可以连接在一起，依靠跳频顺序识别每个Piconet。同一Piconet的所有用户都与这个跳频顺序向步。其拓扑结构可以被描述为“多Piconet”结构。在一个“多Piconet”结构中，在带有10个全负载的独立的Pico net的情况下，全双上数据速率超过6Mbit/s。 蓝牙还采用了PLUG&PLAY（即插即用）技术，任意一个

20、蓝牙设备一旦寻找到另一个蓝牙设备，它们之间就可立即建立联系，无需用户进行任何设置，自动完成搜索、连接功能。 蓝牙技术经过10多年的发展，不论是从标准制定、芯片的设计与加工、产品的设计与应用等，都相当成熟。 现在的蓝牙模块都采用单芯片集成化，大多数芯片还包含了MCU、FLASH和RAM，基本上一颗芯片就能完成所有的工作。 由于蓝牙设备的使用量大，目前，蓝牙芯片已经降到了1美元以下，而且功能比以前强大得多。它可同时传送语音与数据，实现语音与数据的共路传输。 蓝牙作为一种无线数据与语音通信的开放技术标准，以低成本、短距离的无线通信为特点，已广泛应用到了消费电子的各个层面，如移动电话、笔记本电脑、打印

21、机、PDA、个人电脑、传真机、计算机附件（鼠标、键盘、游戏操作杆等）、空调、冰箱、电表等等。系统组成系统组成描述了链路控制器，实现了基带协议和其他的底层连接规程- 媒体接入控制(MAC)-差错控制-认证与加密链路管理器（LM）软件实现链路的建立认证及链路配置等-通过连接管理协议（LMP）建立通信联系。- LM 利用链路控制器（LC）提供的服务实现上述功能。天线发射功率符合 FCC 关于 ISM 波段的要求。 -发射功率：100mW-跳频速率：1600 跳/秒蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分： 核心（Core）部分和协议子集（Profile）部分。协议栈仍采用分层结构，分

22、别完成数据流的过滤和传输,跳频和数据帧传输,连接的建立和释放,链路的控制,数据的拆装等功能。1）主设备与从设备 主动提出通信要求的设备是主设备，被动进行通信的设备为从设备。1台主设备最多可同时与7台从设备进行通信，并可以和多达256个从设备保持同步但不通信。1台从设备与另1台从设备通信的唯一途径是通过主设备转发。蓝牙系统提供点对点连接方式（即：蓝牙中仅有两点）或一点多址连接方式。在一点多址连接方式中，信道是分在几个蓝牙单元中。分在同一信道中的两个或两个以上的单元形成一个微网（ Piconet）。2）微网与扩散网 1台主设备和1台以上从设备构成的网络称为微网（皮克网）（Piconet）。一个蓝牙

23、单元作为微网的主单元，其余的可作为从单元看待。在一个微网中最多可有七个活动从单元。另外，更多的从单元被锁定在休眠状态中。这些处于休眠状态的从单元在该信道中不能被激活，但对主单元来讲它们仍由主单元同步。无论对激活或休眠状态来讲，信道访问都由主单元控制。 具有重叠复盖域的微网之间存在设备间的通信，形成一个扩散网络（ Scatternet）结构。每个微网只能具有一个单独主单元，然而从单元可分享基于时分多址的不同微网。另外，在一个微网中主单元可视为另一个微网的从单元。且各微网间不再是以时间或频率同步，各微网有自己的跳频信道。 蓝牙扩散网结构示意图3）对等网络Ad-hoc 蓝牙设备在规定的范围内和规定的

24、数量限制下，可以自动建立相互之间的联系，而不需要一个接入点或者服务器，由于这种网络是由某些蓝牙设备临时构成的网络，所以Ad-hoc网络又称临时网。由于网络中的每台设备在物理上都是完全相同的，因此又称为对等网。 蓝牙系统有三种主要状态：待机状态，连接状态和节能状态。从待机状态向连接状态转变的过程中，有7个子状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主响应、从相应、查询相应。l电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等。l家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等。l数字照相机、数字摄像机等。l无线键盘、鼠标等。l以便携式计算机和掌上计算机为代表。各种电话系统蓝牙技术的应用蓝牙技术

25、的应用 应用面多应用面多 前景广阔前景广阔数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统等。无线电缆无线办公包数字电子设备电子商务办公自动化家庭娱乐等 蓝牙通信系统主要由无线射频通信电路、基带与链路控制器、链路管理器、主机控制器和蓝牙音频5个部分构成。蓝牙采用了跳频的码分多址通信技术来实现数据和语音传输的。 蓝牙系统可分为蓝牙通信系统模块与蓝牙应用模块两大部分。蓝牙应用模块主要由主机控制器接口、高层协议和应用程序等构成。系统结构如图4.1所示。 它以无线LAN的IEEE802.11 技术为基础，使用2.4GHz的ISM全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线，以天线电平为0dBm的基础上建立空中

26、接口，并遵从美国联邦通信委员会(FFC)有关 0dBm电平的ISM频段标准。发射功率可达100mW。系统最大跳频速率1600跳/秒，在2.402GHz到2.480GHz之间，采用了79个间隔为1MHz的频点来实现。系统设计的通信距离为10m，如经过增大发射功率，其通信距离可达到100m。 链路控制单元的作用是用于基带链路控制器的数字信号处理，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为：建立物理链路以及网络的连接（包括面向连接的同步链路SCO、异步链路 ACL以及微微网）、进行差错控制、在物理层提供验证加密，以保护链接中的个人信息不外露。 其主要作用是用

27、于链路的数据设置、鉴权、硬件配置等一些协议，并发现其它蓝牙设备的链路管理，然后通过链路管理协议LMP 建立通信联系。链路管理提供了诸如发送/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。 蓝牙基带协议结合电路交换和分组交换机，适用于语音和数据传输。蓝牙软件构架规范要求从设备支持基本水平的互操作性。蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求，对某些设备，涉及到无线模块、空中协议以及应用层协议和对像交换格式。蓝牙设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件以支持设备更高层次的性能。 主机控制器提供了与蓝牙应用模块的控制接口，包括数据总线、控制总线等。主机控制器接口是与蓝牙通

28、信相结合的中间环节。两者相互配合，共同完成蓝牙通信与应用。 蓝牙通信的工作频段在2.4GHz2.4835GHz的开放频段上，采用跳频(HF)技术，以实现抗干扰和抑制信号衰减。蓝牙的射频电路采用专用芯片来完成，以实现跳频和时分多址(TDMA)。 蓝牙通信协议的大部分内容可以用专用集成电路和软件来实现，因此从技术上保证了蓝牙设备的高性能和低成本。一般蓝牙芯片都支持UART、RS-232、USB、SPI、I2C中的两种以上接口，可方便的连接主处理器，由主处理器通过它们控制蓝牙芯片的软件（协议）模块实现所需要的功能。 在蓝牙的工作过程中，天线单元和链路控制器完成了前面的基本工作,包括物理信道、物理链接

29、、数据分组和纠错、链路管理模块则完成了蓝牙网络的工作流程、包括信道控制、跳频选择、安全管理等。 蓝牙的通信由主设备发起，从设备参与，组成的网络。一般称为微微网中，只有一个主设备，但一个设备可以从属于多个微微网。两个微微网中间存在一个桥路结点，使得两个网络可以互访。互访时，则组成了散射网。目前散射网的应用还非常少，一般的蓝牙网络都是微微网。 蓝牙通信的工作频带为2.4GHz2.4835GHz，带宽为83.5MHz。欧美国家将83.5MHz分为79个跳频点，采用伪随机码序列进行跳频选择，跳频的伪随机码由主设备来决定。蓝牙的信道被划分成625s的时间片（时隙），时隙由主设备单元确定，跳频的间隔与时隙

30、相吻合，因此，最大跳频速率为1600跳/s(1/625106)。主从设备在不同的时隙里传输数据。在数据传输中，最大的数据分组可以允许占用5个时隙，此期间不改变通信频率，以提高数据通信效率。标准蓝牙通信的速率是1Mbit/s，FSK调制，正频偏代表1，负频偏代表0，频偏范围在140kHz175kHz之间。 一个蓝牙跳频序列长度为227-1，即一个跳频序列周期长达近24小时。如果没有加入微微网的蓝牙设备，想通过截获某一段时间的通信信号还原跳频序列基本是不可能的，因此，蓝牙通信有着非常高的安全性。 蓝牙设备地址BD_ADDR(B1ue Tooth Device Address)由48bit组成，分成

31、3个部分，低24bit为LAP(Lower Address Part)、中间8bit为UAP(Upper Address Part)、高16bit为NAP(Non-significant Address Part)。NAP和UAP由SIG的蓝牙地址管理机构分配给蓝牙设备生产厂家，而LAP则由蓝牙设备厂家自己定义，除保留地址0 x9E8B000 x9E8B3F不可用外，其它地址都可以使用。 蓝牙提供了两种链接通信模式：同步定向链接SCO(Synchronous Connection Oriented, SCO)和异步链接ACL(Asynchronous Connection Less, ACL)

32、。 SCO链接是在主设备表与指定的从设备之间实现点到点的同步连接。SCO链接方式采用保留时隙来传输分组，因此该方式可看作是在主从设备之间实现电路交换连接。 SCO 链接主要用于支持类似于如话音这类实时性要求较高的信息。从主设备方面看，它可以支持多达3路的从设备的SCO链接。对于从设备而言，针对同一主设备它可以支持多达3路的SCO 链接。 在SCO链接不保留的时隙里，主设备可以与任何属于每个时隙基里的从设备进行分组交换。ACL 链接提供在主设备与所有在微微网中活动从设备的分组交换链接，异步和等时两种服务方式均可采用。在主从之间，若仅是单个ACL链接存在时，对大多数ACL分组来说，分组重传是为确保

33、数据的完整性而设立。 在从主时隙里，当且仅当先前的主从时隙已被编址，则从单元允许返回一个ACL 分组。如果在分组头的从单元地址解码失败，它就不允许传输。 ACL分组未编址作为广播分组的指定从设备且各从设备可读分组。如果在ACL链接上没有传输数据及没有轮询申请，那么在ACL链接上就不存在发生传输过程。 SCO链接一般用于语音数据传输，数据不进行校验。大部分情况下，蓝牙采用ACL链接,包括链路的建立、协议握手、用户数据传输等。 SCO连接为对称连接，利用保留时隙传送数据包。连接建立后，主设备和从设备可以不被选中就发送SCO数据包。SCO数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重

34、发被损坏的那部分的数据。同步定向链接（SCO）是在匹克网中主单元和从单元之间实现点到点链接。主单元通过有规律的使用保留时隙来维持SCO 链接。 ACL链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接（既可以一对一，也可以一对多）。主设备负责控制链路带宽，并决定微微网中的每个从设备可以占用多少带宽和连接的对称性。从设备只有被选中时才能传送数据。ACL链路也支持接收主设备发给微微网中所有从设备的广播消息。ACL 链接是主单元与共存于匹克网中的所有从单元之间实现一点多址的连接方式。在这种连接方式中，主单元并不以时隙来保留SCO 链接，主单元在每个时隙基上建立对任何其它从单元的ACL链接。其

35、中包括已预定用SCO链接方式中的从单元。 蓝牙基带数据传输是通过分组的方式实现的。蓝牙的链路层根据在不同阶段和不同的通信方式将信息进行分组，大部分的分组在一个时隙内完成，只有在有效的数据传输时，为了提高传输效率，才会出现一个分组占用多个时隙情况。最大的分组可占用5个时隙，每个分组数据包括：接入码、分组头、有效信息几个部分。接入码接入码包头包头内容内容72b54b0-2745b 接入码(Access Code)是分组信息的起始部分。由4bit引导码、64bit同步字和4bit尾码组成，包括信道接入码、设备接入码、查询接入码三种。在微微网中不同接入码与分组类别组合决定一类操作。PREAMBLESY

36、NC WORDTRAILER464434246LSBMSB BCH LAP BRK接入码接入码 CAC信道接入码：用于标识一个微微网。用主设备地址的低的24bit作为同步字； DAC设备接入码：仅用于呼叫或呼叫响应。 用从设备地址的低24bit形成同步字； GIAC和DIAC接入码：用于查询与查询扫描。采用蓝牙协议预留地址的低24bit形成同步字。 SIG预留了64个LAP地址0X9E8B000X9E8B3F用于查询操作，其中0X9E8B33为GIAC，其它的都是DIAC。 分组头信息由18bit组成，包括3bit活动成员地址、4bit类别码（分组类别码的构成与含义）、1bit流控制、1bit

37、应答指示、1bit序列控制、8bit头校验码。分组头采用1/3比例前向纠错编码（3重冗余编码）。实际分组头包含了54bit位。同样的，类型码根据采用的链接是SCO还是ACL有不同的意义，它明确了该数据分组所执行的操作意义和传输该分组所占用的时隙。 活动成员地址AM_ADDR为3bit。其中，00为广播地址，001111为活动成员地址，也就是说在一个微微网中，只能有7个活动成员存在。一个微微网可以有成百上千的成员同时存在，而非活动成员则处于休眠状态。当主设备要与该成员通信时，该成员有一个预分配的活动成员地址，主设备需要先使活动成员休眠，然后再唤醒该休眠成员进行通信。 流控制FLOW为1bit，用

38、于当接收端的接收缓冲区满时请求发送方暂停ACL数据传输。流控制只对于ACL数据传输有效，对于SCO链接或ACL的非数据传输分组无效。AM_ADDRHEC318FLOW1ARQN1SEQN TYPE4 应答指示ARQN为1bit。用于自动请求重发，接收方向发送方应答上一分组数据是否正确接收，若上一分组数据正确接收，则返回ACK，否则返回NACK，要求发送方重发上一分组数据。 序列控制SEQN为1bit。用于防止分组重传，配合ARQN使用。重传时，保留原序号，传新的分组数据时，采用新的序号。如果接收设备已经收到正确分组数据，而又接收到该同样的分组数据时，丢弃该分组数据，回应ACK。AM_ADDRH

39、EC318FLOW1ARQN1SEQN TYPE4 蓝牙基带提供了三种纠错方式：第一种为1/3比例前向纠错，即3倍冗余方式。每个bit连续3次；第二种为2/3比例前向纠错，在15bit传输信息中，包含10bit有效数据，并可纠1bit错和检查2bit错；第三种，对数据的自动请求重传，传输应答模式，一般有效数据域应采用CRC校验，当接收方接收正确时，给予正确应答，否则给予错误应答或不应答，发送端重传该数据。 在微微网中，蓝牙设备具有联机状态和待机状态2个主要工作状态。蓝牙设备默认的工作状态为待机状态。在这两个主要状态中间，还有7个中间状态，它们是查询、查询扫描、查询响应、呼叫、呼叫扫描、主设备响

40、应、从设备响应。 当一个蓝牙设备进入一个微微网前，微微网的主设备是不知道该设备已经进入微微网，因此就需要一个设备查询过程，查询是否有设备进入。 对于主设备，如果希望发现其它设备进入，就进入查询状态。而对于新进入的设备，它则进入查询扫描状态。进入查询状态的主设备，按通用查询设备接入码(GIAC)或专用查询设备接入码(DIAC)产生的分组信息进行查询。在查询过程中，主设备只用了其中的32个频率，而没有使用全部的79个频率去查询，而且这些频率分成了A、B两组，每组序列16个频点，即16个时隙（时间长度为10ms）。 主设备对每组序列至少连续执行256次，然后切换另一组序列，这样一组查询序列切换至少2

41、次，也就是说查询过程需要持续10.24s，以便更容易由被查询设备捕捉到。对于被查询设备，它需进入查询扫描状态，去侦听查询信息，查询扫描每次在一个频点上进行侦听，查询扫描窗口大于16个时隙，即10ms，这样可保证如果主设备的一个查询跳频序列中正好有一个频点是查询扫描频点，从而捕捉到查询信息，并同步时钟，然后被查询的从设备进行查询响应。该响应是一个FHS分组，包含主设备自己的地址、呼叫扫描间隔和呼叫扫描周期。主设备即可根据这个返回信息对它进行呼叫，召唤其入网。查询过程如图4.2所示。 当主设备发现了从设备后，并不会立即建立起微微网。要将该从设备加入微微网中，还需一个呼叫过程。呼叫过程与方法基本同查

42、询过程类似。只是呼叫信息中包含有从设备的设备接入码(DAC)，使用从设备的地址产生跳频序列。呼叫状态也只使用32个频点而不是全部的79个频点。主设备的呼叫是按从设备的地址发送ID分组，该分组只有68bit，按1MHz的通信速率计算，只需68us。为了提高呼叫速度，呼叫过程将原来每秒1600跳改成了3200跳，这样被扫描设备只需要16个时隙就保证监测到32频点的某一个频点。 从设备会间歇的进入呼叫扫描状态。间歇时间与查询时返回给主设备的FHS分组参数的扫描间隔SR和扫描周期SP有关。在此状态，它在一个频率上侦听，根据SR值，该侦听频点每1、128、256个呼叫序列变换一次（即10ms、1.28s

43、、2.56s)。呼叫扫描窗口也大于16个时隙。当从设备被呼叫成功，它以监测到的频点在一个时隙间隔后以自己的ID分组应答主设备。在下一个时隙，主设备发送FHS分组，将自己的地址和时钟通知给从设备，从设备按主设备地址产生的跳频序列进行同步，这样就完成了一个从设备加入微微网的基本过程。主从设备的呼叫应答过程如图4.3所示。 在蓝牙系统中，蓝牙协议体系是其核心的内容，它由不同的协议构成了蓝牙的协议栈。蓝牙协议栈采用分层化的结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、链接的建立和释放、链路控制、数据拆装、业务质量(QoS)、协议的复用和分段重组等功能。 蓝牙规范的核心部分就是协议栈。这个协议栈允

44、许设备定位、互相连接并彼此交换数据，从而在蓝牙设备之间实现互操作性的交互式应用。在设计协议栈（特别是高层协议）时的原则就是最大限度地重复使用现存的协议，而且尽管不同的协议栈对应不同的应用，其高层应用协议（协议栈的垂直层）都使用公共的物理层和数据链路层。蓝牙技术的一个主要目的是使符合该规范的各种设备能够互通，这就要求本地设备和远端设备使用相同的协议。监牙协议体系结构如图4.4所示，明确地表述了数据经过无线传输时，所有协议之间的相互关系： 蓝牙协议体系可以分为四层，分别为核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和选用协议层，每一层还包含一些具体的协议，具体为： 核心协议：包含基带、链路管理协议(

45、LMP)、适配协议和逻辑链路控制协议(L2CAP)、服务发现协议(SDP)； 替代电缆协议：包含串行电路仿真协议(RFCOMM)；电话控制协议：二元电话控制规范(TCS Binary)与 AT命令(AT-command)； 选用协议：点到点协议(PPP)、用户数据报、传输控制协议、互联网协议(UDP、TCP/IP)、目标交换协议(OBEX)、无线应用协议(WAP)、无线应用环境(WAF)、vCard、vCal、红外移动通信(IrMC)。 在蓝牙协议栈中，不是所有的应用都必须使用全部协议，可以只采用部分纵向协议，利用特殊的服务来支持主要应用。协议还可以有其他的相互关系，在某些应用中这种关系是有变

46、化的。例如，如需控制链路管理器时，可使用逻辑链路控制应用协议、二元电话控制规范或链路管理协议。 这些协议又可以分为蓝牙专有协议和非专有协议，这样区分主要是在蓝牙专有协议的基础上，尽可能地采用和借鉴现有的各种高居协议（也就是非专有协议），使得现有的各种应用能移植到蓝牙上来，如 UDP/TCP/IP等。蓝牙核心协议都是监牙无线技术的专有协议，是由蓝牙SIG开发出来的。而RFCOMM和TCS Binary 协议也是是SIG开发的，但是它们分别公现存的ETSIRTS 07.10和ITU Recomm -end ation Q931协议的基础上制订的。核心协议以及蓝牙射频是绝大部分蓝牙设备都需要的协议。

47、选用协议则主要是各种已经广泛使用的高层协议，仅在需要时使用。电缆替代协议、电话控制协议和选用协议在核心协议的基础上构成了面向应用的协议。 蓝牙的核心协议由基带、链路管理、逻辑链路控制与适应协议和服务发现协议等四部分组成。从应用的角度看，射频、基带和LMP可以归为蓝牙的低层协议，它们对应用而言是十分透明的。 在讨论基带(Baseband)协议之前，先来介绍蓝牙的网络拓扑结构，如图4.5所示。它由一个或多个微微网(Piconet)构成。在一个微微网中，只有一个蓝牙设备是主设备(Master)，可以有7个从设备(Slave)，它们是由3bit的MAC 地址区分的。主设备的时钟和跳频序列用于对同一个微

48、微网中的从设备进行同步。多个独立的非同步的微微网又可以形成分布式网络(Scatternet),一个微微网中的主/从设备可以是另外一个微微网中的主/从设备，但是各个微微网通过使用不同的跳频序列来加以区分。 基带协议确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接，以形成微微网。蓝牙的射频系统使用跳频和扩频技术。其任一分组在指定时隙通过指定频率进行发送，这层使用查询和呼叫进程来同步不同设备间的传输跳频频率和时钟。 基带对相应的基带数据分组提供两种不同的物理链路：同步面向连接(SCO)和异步无连接(ACL)，其中ACL可以在同一个射频系统中采用多路技术的方式进行传输。ACL只能传输数据分组；而SCO既能传输语音分

49、组(采用CVSD编码)，也能传输数据分组。所有的语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)编码，并可进行加密，以保证可靠传输。另外，对于链路管理信息和控制信息分别分配一个特殊的传输信道。 包含话音数据的分组可以使用不同的应用模型在一个或多个蓝牙设备上传输。SCO分组中的话音数据与基带有直接通路，而不需要通过L2CAP。话音模型在蓝牙规范中相对简单，任意两个蓝牙设备仅通过开通一条话音链路，就可以相互发送和接收话音数据。 链路管理协议不但负责蓝牙各设备间链路的建立和控制，还用于安全方而的鉴权和加密。另外，还可以控制无线部分的能量模式和工作周期、微微网内各设备的连接状态

50、。 每个设备上的链路管理器(LM)利用LMP协商彼此之间蓝牙空中接口的特性。其中包括带宽的分配，设备间协商确定基带数据分组的大小，通过支持适配协议数据业务所需要的服务级以及保留的周期性带宽，来支持话音通信业务。通信设备上的蓝牙LMP利用“竞争响应”的方式对设备进行鉴权，产生、交换、核实链路和加密连接密钥，以进行身份认证和加密等安全措施。在必要时，对LM 监控设备的配对和对设备之间空中接口的数据流加密，其中配对是通过产生和存储连接密钥来建立起设备之间的相互信任的关系，为以后的设备鉴权做准备。如果鉴权失败，LM将切断设备间的链路，以禁止设备间的任何通信。LM 还支持能量控制，通过交换彼此间的参数信

51、息(例如低活动性基带模式的周期)来协商低活动性基带运行方式，从而控制功耗。 接收端的链路管理器对LMP消息进行过滤和解释，从而它们不会向上层传递。因为LMP消息的优先权大于用户数据，所以如果一个链路管理器需要发送一条消息，不会被L2CAP话务延迟。另外，逻辑信道通过了一个可靠的链路，使得 LMP 消息不需要被普遍公认。 逻辑链路控制与适配协议完成基带与高层协议间的适配，并通过协议发用、分割及重组操作为高层提供数据业务和分类提取。来自数据应用的通信信号首先通过L2CAP，L2CAP层屏蔽了高层协议和应用与低层传输协议之间的关联。因此，高层协议既不需要知道在无线电波和基带层上的跳频序列，也不需要知

52、道在蓝牙空中接口传输的特殊的分组格式。L2CAP支持协议复用，允许多个协议和应用共享空中接口，它支持分组的分割和重组，将高层使用的大分组分割成适合于基带传输的小分组，在接收设备端又将这些小分组重组。最后，两个对等设备上的L2CAP层通过协商达成一个双方都能接受的业务等级，并能维护和保持此业务级别。基于要求的业务等级，一个L2CAP的使用既能行使允许新的通信进入的控制权，同时与低层协调，以保持所需的业务等级。 逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议，可以认为它是与LMP并行工作的，它们的区别住于，当数据不经过LMP时，L2CAP将采用多路技术、数据分组分割和重组技术、群提取技术以及服务质量等，为

53、上层提供数据服务。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种链接类型，但是L2CAP只支持ACL，并允许高层协议以每64K字节的速度收发数据分组。话音和电话应用的语音质量信道通常在基带SCO 链路上运行，然而话音数据可以打包并使用通信协议在L2CAP 上进行传输。 服务发现协议(SDP)是蓝牙技术框架中非常重要的一个部分，它是所有应用模型的基础。任一蓝牙应用模型的实现都是利用某些服务的结果。在设备之间组网的基本目的就是使这些设备相互通信，并且获得彼此的服务。对于蓝牙通信来说，在蓝牙链路上的任何两个或多个设备随时都有可能开始通信。如果这些设备要能够相互利用彼此间的业务，就需要确定这些业务位置的功态方式

54、，一旦建立起一条通信信道，就能找到需要的业务。这就是蓝牙服务发现协议的功能。 使用 SDP，可以查询到设备信息、服务和服务类型。在对邻近的可获得的服务定位以后，蓝牙设备之间才能建立连接。SDP是在动态网络发现终端用户使用价值的重要环节。蓝牙SDP是专门为使用蓝牙无线通信的环境设计的、以有效和优化的方式执行该项功能；SDP 支持按服务类别搜寻、按服务属性搜寻和业务浏览(Browsing)三种查询方式。 蓝牙通信的目标是替代电缆，支持串行通信及其相关应用是电缆替代使用模型的重要特征。为了便于蓝牙无线链路在串行通信中的使用，蓝牙协议栈定义了被称为替代电缆协议(RFCOMM)的串口仿真协议。RFCOM

55、M表示的是一个虚拟串口，RFCOMM的应用类似于标准的有线串口所能实现的应用。例如同步、拨号上网及其他不需要做重大改动的应用。因此，RFCOMM协议的内容就是使那些遗留的、基于串口的应用使用蓝牙传输方式。 电话控制协议(TCS)包括二进制电话控制(TCS BIN)协议和一套电话控制命令(AT commands)。其中，TCS BIN定义了在蓝牙设备间建立话音和数据呼叫所需的呼叫控制信令；AT commands则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它由蓝牙SIG组在ITU-TQ931的基础上开发而成。 蓝牙无线通信的一个主要特点就是既能传输数据通信信号，又能传输语音信号。蓝

56、牙电话控制协议(TCS)的设计支持电话功能，包括呼叫控制和分组管理，这些操作通常与语音呼叫有关，呼叫的参数就是使用TCS建立的；一旦呼叫建立成功蓝牙音频信道就能运载呼叫的语音内容。TCS同样可以用来建立数据呼叫，以拨号上网的应用模板为例，呼叫的内容在L2CAP上以标准数据包形式运载。 可选协议主要包括PPP（点对点协议）、UDP/TCP/IP、OBEX（对象交换协议）、vCard（电子名片交换格式）、vCal（电子日历及日程交换格式）、WAP（无线应用协议）和WAE（无线应用环境）协议。使用模拟串口方式使用Winsock方式1 1、蓝牙编程方式、蓝牙编程方式 在应用层实现蓝牙通信有两种方式可以

57、选择： Winsock方式优点是：使用Winsock的Bluetooth通信比Bluetooth Virtual Serial Port更简单，不需要配置，而且更强壮，因为使用Winsock的Bluetooth通信可以直接监听到蓝牙设备关闭或者离开通信范围。服务器监听客户端请求 连接确认 2 2、蓝牙套接字、蓝牙套接字 套接字简单的说，就是不同计算机之间为了满足各自进程间通信的需要所架设的一条数据通道。套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：3 3、蓝牙套接字实现、蓝牙套接字实现采用蓝牙套接字WINSOCK目的是发现其他蓝牙设备，并通过蓝牙读写数据。在通过蓝牙建立通信频道中产生两个角色：发起方和

58、接受方。接受方进行配置后等待发起方建立连接。一旦连接建立，两方是对等的，都可以发送或接受数据。基于蓝牙的OBEX(OBEXOBEX对象交换协议对象交换协议 )协议基于OBEX 的文件传输实现过程4、OBEXOBEX对象交换协议对象交换协议 3、文件交换2、OBEX层连接1、传输层连接服务器端OBEX层API应用程序客户端OBEX层API应用程序在Android手机平台中，只到Android 2.0才引入蓝牙接口。在开发时，需要真机测试，如果需要数据传输，还需要两台机器，另外蓝牙需要硬件支持，但一般的智能手机上都会有这方面的支持，特别是Android系统的手机。主要相关类介绍类名类名 作用作用

59、BluetoothAdapter 本地蓝牙设备的适配类，所有的蓝牙操作都要通过该类完成 BluetoothClass 用于描述远端设备的类型，特点等信息 BluetoothDevice 蓝牙设备类，代表了蓝牙通讯过程中的远端设备 BluetoothServerSocket 蓝牙设备服务端，类似ServerSocket BluetoothSocket 蓝牙设备客户端，类似Socket BluetoothClass.Device 蓝牙关于设备信息 BluetoothClass.Device.Major 蓝牙设备管理 BluetoothClass.Service 蓝牙相关服务 BluetoothAd

60、apterBluetoothAdapter是一个非常重要的适配类，它包含打开蓝牙、关闭蓝牙、蓝牙状态、搜索蓝牙等重要方法。getDefaultAdapter 得到默认蓝牙适配器getRemoteDevice 得到指定蓝牙的BluetoothDeviceisEnabled 蓝牙是否开启getState 得到蓝牙状态Enable/Disable 打开/关闭蓝牙getAddress 得到蓝牙适配器地址getName /setName 得到/设置蓝牙的名字getScanMode/setScanMode 得到/设置当前蓝牙的扫描模式startDiscovery/cancelDiscovery 开始/取消搜索蓝牙