《物联网通信技术及应用(第2版)微课视频版》 课件 第4章 蓝牙通信技术

4.1蓝牙技术的概论4.2蓝牙技术协议体系结构4.3蓝牙网络连接4.4蓝牙通信4.5蓝牙的应用领域第4章蓝牙通信技术4.1蓝牙技术的概论蓝牙作为一种短距离无线通信技术，具有低成本、低功耗、组网简单和适于语音通信等优点。最初设计的主要目的是取代设备之间通信的有线连接，以便实现移动终端与移动终端、移动终端与固定终端之间的通信设备以无线方式连接起来。4.1蓝牙技术的概论由于蓝牙的无线通信连接技术使得人们从有线连接的束缚中解放出来，已经成为近年来发展最快的无线通信技术之一，得到的支持最多，具有广阔的应用前景。4.1蓝牙技术的概论蓝牙一词是10世纪时一位丹麦国王HaraldBlatand的绰号，Blatand在英文里的意思可以被解释为Bluetooth(蓝牙)。蓝牙这个标志的设计取自HaraldBlatand国王名字中的“H”和“B”两个字母，用古北欧字母来表示，将这两者结合起来，就成为了蓝牙的Logo。4.1蓝牙技术的概论4.1.1蓝牙技术的发展1994年，爱立信移动通信公司开始研究具有低成本、低功耗、组网简单和适于语音通信等特点的无线接口的可行性。1998年5月，爱立信公司联合了诺基亚、英特尔、IBM和东芝4家业界中顶尖的公司，并一起联合成立了蓝牙特殊利益集团(SpecialInterestGroup，SIG)4.1蓝牙技术的概论4.1.2蓝牙技术的特点蓝牙是一种近距离的保证可靠接收和信息安全的开放的无线通信技术规范，它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信，主要原因是它具有如下特点。1)蓝牙技术的开发性2)短距离3)无线性4)具有互操作性和兼容性5)全球范围适用6)语音和数据4.1蓝牙技术的概论4.1.3蓝牙技术的版本蓝牙技术诞生到发展至今，已经经历了从V1.0到V5.0的5代版本4.2蓝牙技术协议体系结构蓝牙技术规范是由SIG制定的，属于一种在通用无线传输模块和数据通信协议基础上开发的交互服务和应用。蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种设备应用之间能够互通，这就要求本地设备与远端设备使用相同的协议，不同的应用需要不同的协议，但所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的软件层和硬件层。4.2蓝牙技术协议体系结构蓝牙协议采用分层结构，遵循开放系统互连参考模型。该模型从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层4.2蓝牙技术协议体系结构完整的蓝牙协议栈4.2蓝牙技术协议体系结构4.2.1底层硬件模块传输协议的作用是使蓝牙设备间能够相互确认对方的位置，且建立和管理蓝牙设备间的物理链路和逻辑链路。这部分的传输协议可以再划分为两部分，即高层传输协议和低层传输协议。4.2蓝牙技术协议体系结构低层传输协议运行在单芯片蓝牙硬件模块上4.2蓝牙技术协议体系结构2.4GHz的ISM波段是一种短距离无线传输技术，供开源使用4.2蓝牙技术协议体系结构无线收发器的主要功能是调制/解调、帧定时恢复和跳频功能同时完成发送和接收操作4.2蓝牙技术协议体系结构链路管理协议层利用状态机定义了设备的5种状态，分别是就绪、扫描、广播、发起、连接4.2蓝牙技术协议体系结构4.2.2中间协议层在蓝牙逻辑链路上工作，中间协议层为高层应用协议或程序提供了必要的支持，为上层应用提供了各种不同的标准接口。串口仿真协议(RFCOMM)是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议，提供了对RS-232串行接口的仿真，为建立在串口之上的传统应用提供接口环境，符合欧洲典型标准化规定的TS07.10串口仿真协议，并且针对蓝牙的实际应用情况作了修改。4.2蓝牙技术协议体系结构4.2.3高端应用层高端应用层位于蓝牙协议栈的最上部分，是由选用协议层组成的。该层是指那些位于蓝牙协议堆栈之上的应用软件和其中所涉及的协议，即蓝牙应用程序，由开发上层各种通信诸如拨号上网和语音通信等驱动。4.2蓝牙技术协议体系结构OBEX(ObjectExchangeProtocol)是对象交换协议，它支持设备间的数据交换，采用客户/服务器模式提供与HTTP(超文本传输协议)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、消息和便条等格式。4.2蓝牙技术协议体系结构英特网协议：该部分协议包括点对点协议、网际协议、传输控制协议和用户数据报协议等，用于实现蓝牙设备的拨号上网，或通过网络接入点访问Internet和本地局域网。WAP(WirelessApplicationProtocol)是无线应用协议，在数字蜂窝电话和其他小型无线设备上实现因特网业务是其目的。它支持移动电话浏览网页、收取电子邮件和其他基于因特网的协议。4.2蓝牙技术协议体系结构WAE(WirelessApplicationEnvironment)是无线应用环境，它提供用于WAP电话和个人数字助理PDA所需的各种应用软件。红外无线传输技术早于蓝牙技术，它有着广泛的应用，它所支持的一些应用模型也是蓝牙技术的重要应用方向，因此SIG采用了红外数据协会的会话层协议，即红外对象交换协议，使高层应用可以同时运行在蓝牙和红外的无线链路之上，这就是红外数据协会互操作性的含义。4.2蓝牙技术协议体系结构红外数据协会互操作协议：蓝牙规范采用了红外数据协会的对象交换协议，使得传统的基于红外技术的对象交换应用同样可以运行在蓝牙无线接口之上。音频视频分发传输协议定义了蓝牙设备间音频视频数据流的协商，建立和传输过程以及相互交换的信令消息形式。4.2蓝牙技术协议体系结构蓝牙音频视频控制传输协议定义了蓝牙音频视频设备之间传输控制指令和响应消息的标准，蓝牙音频视频控制传输协议可以使用音频视频设备同时支持多个应用框架，每一个应用框架定义了各自相应的消息格式与使用规则。4.3蓝牙网络连接蓝牙系统采用一种灵活的Ad-Hoc的组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。蓝牙系统采用一种无基站的灵活组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与其他多个蓝牙设备相连，这样就形成了蓝牙微微网(Piconet)。微微网是实现蓝牙无线通信的最基本方式，微微网不需要类似于蜂窝网基站和无线局域网接入点之类的基础网络设施。4.3蓝牙网络连接4.3.1微微网和散射网在一个微微网中，所有设备的级别是相同的，具有相同的权限。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元。4.3蓝牙网络连接散射网(Scatternet)是多个微微网在时空上相互重叠形成的比微微网覆盖范围更大的蓝牙网络，其特点是微微网间有互连的蓝牙设备4.3蓝牙网络连接4.3.2蓝牙网络的状态蓝牙设备在建立连接以前，通过在固定的一个频段内选择跳频频率或由被查询的设备地址决定，迅速交换握手信息时间和地址，快速取得设备的时间和频率同步。建立连接后，设备双方根据信道跳变序列改变频率，使跳频频率呈现随机特性。4.3蓝牙网络连接蓝牙网络状态及其关系4.4蓝牙通信发送端(TXD)一般表示为自己的发送端，正常通信必须连接另一个设备的RXD。接收端(RXD)一般表示为自己的接收端，正常通信必须连接另一个设备的TXD。蓝牙模块与各种TTL(Transistor-TransistorLogic)电平设备相连4.4蓝牙通信在实现蓝牙通信的例子中，需要准备好两个蓝牙4.0模块和一个TTL转USB模块。4.4蓝牙通信TTL转USB模块的实物图4.4蓝牙通信把其中一个蓝牙4.0与其相连。在蓝牙通信时，设备的TXD永远接另一个设备的RXD，即蓝牙4.0的接收端要与USB转TTL模块的发送端连接。4.4蓝牙通信当蓝牙4.0模块与USB转TTL模块连接没有问题的时候，将USB转TTL模块插入个人计算机的USB接口上，连接正确会看到USB转TTL模块灯常亮，蓝牙4.0模块为闪烁状态，如果蓝牙4.0模块为常亮的情况，可能已经配对成功。检查USB转TTL模块是否正常工作，可以检查端口是否识别。具体操作如下：右击“计算机”，选择“管理”→“设备管理”→“端口”，查看是否识别。4.4蓝牙通信4.4蓝牙通信4.4蓝牙通信4.4蓝牙通信4.4蓝牙通信如果串口调试助手首界面没有反馈“OK”，则要分别检查以前操作是否正确，具体如下。(1)检查硬件连接，即蓝牙模块的TXD是否与USB转TTL模块的RDX进行连接，蓝牙模块的RDX是否与USB转TTL模块的TXD进行连接。(2)检查USB转TTL模块的驱动是否正确安装，PC端的操作系统是否能正确识别连接的端口号。(3)检查串口调试小助手的端口号是否设置正确，是否单击了“打开串口”按钮。(4)串口调试小助手的命令栏内的“AT”后面是否加“回车”按键。4.5蓝牙的应用领域4.5.1蓝牙耳机蓝牙耳机是最早投放市场的蓝牙产品之一，它可以和内嵌蓝牙技术的手机、PDA等设备进行语音通信。生产蓝牙耳机的厂商比较多，如爱立信、飞利浦、日本先锋等。4.5蓝牙的应用领域4.5.2蓝牙手机蓝牙技术在智能手机中的应用十分广泛的。集成了蓝牙技术的手机可以和蓝牙耳机实现无线通话，使得智能手机的娱乐性能得到进一步的演示。此外，蓝牙手机还可以实现许多其他的功能，例如可以将拍摄的图片无线传输到蓝牙打印机进行打印。如图4-28所示为一款蓝牙手机。4.5蓝牙的应用领域4.5.3蓝牙PC卡蓝牙PC卡就是PCMCIA接口卡，插入笔记本电脑后可以实现笔记本电脑与邻近的各种蓝牙设备的无线通信。3COM公司的蓝牙PC卡可以作为蓝牙连接管理器，自动发现相邻的蓝牙设备和资源；它可以在笔记本电脑和蓝牙PDA间自动同步日历等信息；它还使得笔记本电脑可以通过蓝牙手机接入互联网。4.5蓝牙的应用领域4.5.4蓝牙USB适配器蓝牙USB适配器可以插入带有USB接口的设备，实现与其他蓝牙设备间的无线通信。它们可以用于PC或笔记本电脑，实现蓝牙设备间文件等信息的相互交换4.5蓝牙的应用领域4.5.5蓝牙网络接入点蓝牙网络接入点用于实现蓝牙设备接入本地局域网和互联网，它既可以是一种类似于无线调制解调的点对点接入设备，也可以是一种类似于无线HUB的点对多点的接入设备。蓝牙PDA和蓝牙笔记本电脑等设备可以通过蓝牙网络接入点访问本地局域网或接入互联网。此外，这两款网络接入点还可以作为公共交换电话网的接入点，因而可实现IP电话的功能4.5蓝牙的应用领域4.5.6蓝牙打印机蓝牙打印机可以免除以往进行打印前连线的烦恼，甚至可以使用另外一个房间的蓝牙打印机进行打印。惠普公司的蓝牙打印机的无线通信距离是10m，集成有蓝牙技术的笔