【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 tControllerInterface， HCI)。 HCI是藍(lán)牙協(xié)議中軟硬件之間的接口，它提供了一個(gè)調(diào)用下層 BB、 LMP、狀態(tài)和控制寄存器等硬件的統(tǒng)一命令接口。 HCI 協(xié)議以上的協(xié)議軟件實(shí)體 運(yùn)行在主機(jī)上，而 HCI以下的功能一般由藍(lán)牙設(shè)備硬件來(lái)完成，二者之間通過(guò)一個(gè)對(duì)兩端透明的傳輸層進(jìn)行交互。通過(guò) HCI 傳輸?shù)男畔?、事件、?shù)據(jù)三類(lèi)，命令由主機(jī)端發(fā)給硬件設(shè)備，事件由設(shè)備提交給主機(jī)，數(shù)據(jù)則是雙向的。兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間只能建立一條 ACL 信道，但可以建立多條 SCO 信道。連接建立起來(lái)后，主機(jī)控制器將從主機(jī)端收到的數(shù)據(jù)通過(guò) LM.、 BB 和 RF 發(fā)送出去，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)則過(guò)程相反。 邏輯鏈路控制和適配協(xié)議 (LZCAP) 邏輯鏈路控制適配層協(xié)議，是一個(gè)為高層傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議屏蔽基帶協(xié)議的適配協(xié)議。 LMP 只負(fù)責(zé)連接的建立和控制，而 LZCAP 則是業(yè)務(wù)協(xié)議，向上層提供面向連接和無(wú)連接的數(shù)據(jù)服務(wù)，支持高層協(xié)議的多路復(fù)用。 LZCAP 層本身只關(guān)心異步信息 (ACL 分組 )的傳輸。此外，它還使較大的高層數(shù)據(jù)分組和較小的基帶數(shù)據(jù)分組之間的分割和重組變得容易。 LZCAP 位于基帶協(xié)議層之上，屬于數(shù)據(jù)鏈路層，它為高層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，允許高層和應(yīng)用層協(xié)議收發(fā)大小為 64kB字節(jié)的 LZCAP 數(shù)據(jù)包。雖然基帶協(xié)議提供了 SCO 和 ACL 兩種連接類(lèi)型，但是 LZCAP 只支持面向無(wú)連接的異步傳輸 ACL，不支持面向連接的同步傳輸 SCO， SCO 鏈路主 要用預(yù)留的帶寬進(jìn)行實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸。 串口仿真協(xié)議 (RFCOMM) 藍(lán)牙串口仿真協(xié)議運(yùn)行于 LZCAP 信道之上，定義了在對(duì)等藍(lán)牙設(shè)備之間如何使用 RFCOMM 來(lái)模擬 RS 一 232 串口進(jìn)行連接，從而傳送用戶(hù)數(shù)據(jù)、控制信號(hào)及配置命令等。藍(lán)牙串口仿真協(xié)議完成了對(duì) RS232串口的仿真，這樣就可以盡可能利用現(xiàn)有的各種高層應(yīng)用程序，保證 Bluetooth 技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)的融合以及各種應(yīng)用之間的互通性，充分利用兼容 Bluetooth 技術(shù)規(guī)范的軟硬件體系。其中最常用的是基于串行線傳送機(jī)制的高層協(xié)議，如 :PPP、 OBEX(對(duì) 象交換協(xié)議 )和 AT 命令集。 藍(lán)牙串口仿真協(xié)議是作為一個(gè)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其涉及到太多細(xì)節(jié)問(wèn)題，為了給用戶(hù)提供一些簡(jiǎn)單必要的接口，需要對(duì)串口仿真協(xié)議的接口進(jìn)行進(jìn)一步的封裝。藍(lán)牙 SIG 專(zhuān)門(mén)制定了串口應(yīng)用規(guī)范 (SerialPortProfile)來(lái)封裝串口仿真協(xié)議。使用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)替代電纜時(shí)采用的就是由串口應(yīng)用規(guī)范生 8 成的面向連接的信道。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中基于串口應(yīng)用規(guī)范的應(yīng)用模型如圖 服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議 (SDP) SDP 在藍(lán)牙協(xié)議中起著至關(guān)重要的作用，它是所有用戶(hù)模型的基礎(chǔ)。通過(guò) SDP 協(xié)議，藍(lán)牙設(shè)備可以查詢(xún)到 其它設(shè)備的信息和提供的服務(wù)類(lèi)型，從而決定采用何種應(yīng)用層協(xié)議。用戶(hù)可以從鄰近的服務(wù)中選一個(gè)可用的，然后就可以在兩個(gè)或多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間建立連接。 藍(lán)牙通信原理 藍(lán)牙數(shù)據(jù)流 藍(lán)牙可以傳輸同步和異步數(shù)據(jù)。同步數(shù)據(jù)一般直接由硬件接出，如輸出給耳機(jī) 。異步數(shù)據(jù)流則要通過(guò)軟件層。藍(lán)牙協(xié)議棧為高層應(yīng)用提供透明信道，完成與遠(yuǎn)端高層應(yīng)用的透明數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙異步數(shù)據(jù)流如圖 所示 9 圖 藍(lán)牙異步數(shù)據(jù)流 當(dāng)發(fā)送異步數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的走向?yàn)?:硬件一 HCI 一 LZCAP 一 RFCOMM/SDP 一 APP。當(dāng)接收異 步數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的走向?yàn)?:APP 一 RFCOMM/SDP 一 LZCAP 一 HCI 一 硬件。 藍(lán)牙控制流 藍(lán)牙協(xié)議棧的每一層都接受上一層的命令，向上一層報(bào)告事件，并接收下一層提交的事件，向下一層發(fā)送命令。在串口的讀寫(xiě)操作過(guò)程中，應(yīng)用程序 APP 通過(guò)打開(kāi) /關(guān)閉、讀 /寫(xiě)等命令操作仿真串口。仿真串口向 RFCOMM 發(fā)出與遠(yuǎn)端建立 DLC 鏈、拆除 DLC 鏈、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的指令，RFCOMM 層向下發(fā)出由 LZCAP 建立設(shè)備間藍(lán)牙數(shù)據(jù)鏈路的指令，完成整個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)的過(guò)程。藍(lán)牙控制流如圖 所示。 藍(lán)牙通 信載體 藍(lán)牙設(shè)備間應(yīng)能夠進(jìn)行通信，即任何藍(lán)牙設(shè)備之間都應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)互連。實(shí)現(xiàn)某些設(shè)備，從無(wú)線電兼容模塊和空中接口，直到應(yīng)用層協(xié)議和對(duì)象交換格式，都要實(shí)現(xiàn)通信。藍(lán)牙計(jì)劃的目標(biāo)就是要確保任何帶有藍(lán)牙功能的設(shè)備都能進(jìn)行通信，包括硬件和軟件通信。 硬件通信是指藍(lán)牙設(shè)備能夠適應(yīng)藍(lán)牙規(guī)范和現(xiàn)有的協(xié)議，采用相同的應(yīng)用層協(xié)議棧，具有彼此 10 發(fā)現(xiàn)、識(shí)別并進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)收發(fā)的能力。不同類(lèi)型的藍(lán)牙設(shè)備對(duì)通信有不同的要求，通過(guò)安裝合適的軟件識(shí)別出彼此支持的高層功能。更多的功能則要由手機(jī)、手持設(shè)備及筆記本電腦等藍(lán)牙設(shè)備來(lái)完成。 軟件通信始 于鏈路級(jí)協(xié)議的多路傳輸、設(shè)備和服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、以及分組的分段和重組。軟件結(jié)構(gòu)的功能有 :配置及故障診斷工具、自動(dòng)識(shí)別其它藍(lán)牙設(shè)備、電纜仿真、與外網(wǎng)設(shè)備的通信、音頻通信與呼叫控制和商用卡的交易與號(hào)簿網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)這些功能，藍(lán)牙軟件構(gòu)架必須利用現(xiàn)有的規(guī)范，而不是再去開(kāi)發(fā)新的規(guī)范。 根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，存在兩種不同的藍(lán)牙設(shè)備 :類(lèi)型 1 的藍(lán)牙設(shè)備本身具有完整的藍(lán)牙硬件和軟件，能獨(dú)立完成藍(lán)牙功能，實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備之間的短距離無(wú)線連接 。類(lèi)型 2 的藍(lán)牙設(shè)備僅僅起到類(lèi)似于 Modem的功能，負(fù)責(zé)將普通設(shè)備所要傳輸?shù)男畔⑴c藍(lán)牙格式的碼流進(jìn) 行相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)采用類(lèi)型 2的藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i在于實(shí)際的串口之間的有線連接，即受到標(biāo)準(zhǔn)串口最高速率921600bit/s 的限制。而采用類(lèi)型 1 的藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，則不受串口速率的限制。 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)分為微微網(wǎng) (Pieo)和散射網(wǎng) (Seatte。)。共享單個(gè)公共信道的一組藍(lán)牙設(shè)備組成一個(gè)微微網(wǎng)。每個(gè)微微網(wǎng)使用不同跳頻序列，多個(gè)微微網(wǎng)可以在公共區(qū)域內(nèi)共存相連而形成散射網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 微微網(wǎng) (P1eo) 微微網(wǎng)是藍(lán)牙最基本的網(wǎng)絡(luò)形式，由主設(shè)備和從 設(shè)備組成。主設(shè)備是主動(dòng)發(fā)起組網(wǎng)連接請(qǐng)求的設(shè)備，而連接的響應(yīng)方則為從設(shè)備。一個(gè)微微網(wǎng)中，一般只有一個(gè)主設(shè)備，最多可以有 256 個(gè)從設(shè)備，不過(guò)處于活動(dòng)狀態(tài)的從設(shè)備目前最多可以有 7 個(gè)。主從設(shè)備間的關(guān)系不固定，可以變化。主設(shè)備輪詢(xún)從設(shè)備，與它們通信，從設(shè)備與主設(shè)備之間保持同步，但從設(shè)備之間不能通信，需要主設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)它們之間的互通。 (l)連接過(guò)程 某個(gè)設(shè)備一旦加入 Pico 中，就被分配一個(gè) 3bit 的活動(dòng)成員地址 (ActiveMembe:Address，AMA)，其他成員可以用該地址訪問(wèn)該設(shè)備。一個(gè) Pieo 內(nèi)一旦有 8 個(gè)活動(dòng)的從屬設(shè)備，主控設(shè)備必須把一個(gè)從屬設(shè)備強(qiáng)制成休眠 (P 盯 k)模式。在 Park 模式中，此設(shè)備仍然存在于 Pico 中，但是它釋放了 AMA地址而得到一個(gè) 8bit 的被動(dòng)成員地址 (PassiveMemberAddress， pMA)。 AMA和 PMA的結(jié)合允許超過(guò) 256 個(gè)設(shè)備同時(shí)存在于一個(gè) Pico 中，但是只有 7個(gè)具有 AMA地址的設(shè)備 (包括主控設(shè)備 )刁能進(jìn)行通信。 11 Pico內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備之間建立連接之前，所有的設(shè)備都處于待機(jī) (Standby)狀態(tài)。此時(shí)，這些設(shè)備周期性地監(jiān)聽(tīng)其他設(shè)備的 查詢(xún) (Inquiry)消息或者構(gòu)建 Pico 的尋呼 (Page)請(qǐng)求。作為主藍(lán)牙設(shè)備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過(guò) Page 消息建立連接 。如果地址未知，則通過(guò)一個(gè)后接Page 消息的 Inquiry 消息建立連接。每當(dāng)一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備被激活，它就將監(jiān)聽(tīng)劃給該單元的 32 個(gè)跳頻頻點(diǎn)。在最初的 Page 狀態(tài)，主設(shè)備將在分配給被 Page 單元的 16 個(gè)跳頻頻點(diǎn)上發(fā)送 16 個(gè)相同的 Page消息。如果沒(méi)有應(yīng)答，主設(shè)備則按照激活次序在剩余 16 個(gè)頻點(diǎn)上繼續(xù) page。 Inquiry 消息主要用來(lái)尋找藍(lán)牙設(shè)備， Inquiry 消息和 Page 消息很像，但是需要一個(gè)額外的數(shù)據(jù)串周期來(lái)收集所有的響應(yīng)。 (2)工作模式 如果微微網(wǎng)中己經(jīng)處于連接的設(shè)備在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙還支持節(jié)能工作模式。按照節(jié)能效率以升序排列依次是 :呼吸 (Snif)模式、保持 (Hofd)模式和休眠 (Park)模式。 在 Snif 模式下，從屬設(shè)備降低了從 Pico 收聽(tīng)消息的速率，一會(huì)兒醒一會(huì)睡，宛如呼吸一樣，呼吸間隔可以根據(jù)應(yīng)用要求作適當(dāng)調(diào)整 。 在 Hold 模式下，只有一個(gè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器在工作，一般被用于連接好幾個(gè)微微網(wǎng)的情況或者耗能低的設(shè)備中，設(shè)備停止傳送數(shù)據(jù)，但一旦 激活，數(shù)據(jù)傳遞就立即重新開(kāi)始 。 在 Park 模式下，設(shè)備被賦予 PMA 地址，并以一定間隔監(jiān)聽(tīng)主控設(shè)備的消息，設(shè)備依然與微微網(wǎng)同步但沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送。 散射網(wǎng) (Seatter) 幾個(gè)相互獨(dú)立并且不同步的、以特定的方式連接起來(lái)的微微網(wǎng)構(gòu)成了分布式網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為散射網(wǎng)(Scarte:)，微微網(wǎng)之間的跳頻各自獨(dú)立，從而微微網(wǎng)之間可以相互連接。通過(guò)時(shí)分復(fù)用技術(shù)，一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備便可以同時(shí)與幾個(gè)不同的微微網(wǎng)保持同步。具體來(lái)說(shuō)，就是該設(shè)備按照一定的時(shí)間順序參與不同的微微網(wǎng)，即某一時(shí)刻參與某一個(gè)微微網(wǎng)，而下一個(gè)時(shí)刻 參與另一個(gè)微微網(wǎng)。 藍(lán)牙微微網(wǎng)與藍(lán)牙散射網(wǎng)本質(zhì)上都是一種 Ad 一 Hoc 射頻網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)稱(chēng)為藍(lán)牙 Ad 一 Hoc 網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備連接如圖 所示。圖中， Master 和 Slavc 分別代表藍(lán)牙主設(shè)備和從設(shè)備。微微網(wǎng)只能建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，以單跳通信方式為主 。而散射網(wǎng)由多個(gè)微微網(wǎng)互連起來(lái)，可以建立樹(shù)形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接和其它更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接，支持靈活的多跳通信方式，進(jìn)而適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的多種需求。藍(lán)牙散射網(wǎng)實(shí)質(zhì)也是一種分群 (duster)分級(jí)式 Ad 一 Hoc 網(wǎng)絡(luò)。 藍(lán)牙移動(dòng)性及安全性 藍(lán)牙系統(tǒng)的移動(dòng)性和開(kāi) 放性使得安全問(wèn)題極其重要。藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包含了多種安全措施。除了有限的通信范圍和跳頻技術(shù)使得現(xiàn)場(chǎng)截獲信號(hào)異常困難之外，藍(lán)牙還采用了鏈路級(jí)的鑒權(quán)和加密等措施。鑒權(quán)可防止關(guān)鍵數(shù)據(jù)和功能的非法訪問(wèn)，也可以防止黑客試圖偽裝成授權(quán)用戶(hù)進(jìn)行欺騙。加密技術(shù)中把傳送的數(shù)據(jù)擾亂，可以保持鏈路的機(jī)密性，防止他人竊聽(tīng)。 藍(lán)牙技術(shù)在三個(gè)層面上保證了系統(tǒng)的安全 :首先，每個(gè)藍(lán)牙單元都有一個(gè)唯一的 48 位物理地址 (MACaddress)，數(shù)據(jù)只能在配對(duì)的單元之間傳輸 。其次，藍(lán)牙協(xié)議提供了 8 到 128位的密匙數(shù)據(jù)加密機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目?靠性 。最后，藍(lán)牙的數(shù)據(jù)加密密匙的長(zhǎng)度是可以配置的，產(chǎn)品在出廠前由廠商制定，用戶(hù)無(wú)法對(duì)密匙進(jìn)行修改。 藍(lán)牙系統(tǒng)支持高層協(xié)議棧的不同應(yīng)用體內(nèi)的特殊安全機(jī)制。比如兩臺(tái)計(jì)算機(jī)在進(jìn)行商業(yè)卡信息交流時(shí)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)就只能訪問(wèn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的該項(xiàng)業(yè)務(wù)，而無(wú)權(quán)訪問(wèn)其它業(yè)務(wù)。藍(lán)牙安全機(jī)制依賴(lài) PIN 碼在設(shè)備間建立信任關(guān)系，一旦這種了實(shí)現(xiàn)關(guān)系建立起來(lái)了，這些 PIN 碼就可以存儲(chǔ)在設(shè)備中，以便將來(lái)更便捷的連接。 按照藍(lán)牙的安全體系結(jié)構(gòu)，在準(zhǔn)予接入之前，不可信設(shè)備或未知設(shè)備會(huì)基于某種用戶(hù)界面請(qǐng)求鑒權(quán)。以前獲得過(guò)鑒權(quán)并被允許基于鏈路級(jí)密鑰進(jìn) 行訪問(wèn)的設(shè)備成為可信任設(shè)備。鏈路級(jí)密鑰可存儲(chǔ)在該設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)于以后的訪問(wèn)，就可以用此密鑰來(lái)證實(shí)該設(shè)備是可信的。 鏈路層安全機(jī)制提供了大量的認(rèn)證方案和一個(gè)靈活的加密方案，即允許協(xié)商密碼長(zhǎng)度。每個(gè)用 12 戶(hù)都有一個(gè)個(gè)人標(biāo)識(shí)碼 (PIN)，它會(huì)被譯成 128bit 的鏈路密鑰 (LinkKey)來(lái)進(jìn)行單雙向認(rèn)證。一旦認(rèn)證完畢，鏈路就會(huì)以不同長(zhǎng)度的密碼 (EneryptionKey)來(lái)加密，此密碼以 sbit 為單位增減，最大 12sbit。當(dāng)來(lái)自不同國(guó)家的設(shè)備互相通信時(shí)，這種機(jī)制是極其重要的，因?yàn)槟承﹪?guó)家會(huì)指定最大密碼長(zhǎng)度。藍(lán) 牙系統(tǒng)會(huì)選取 Pico 網(wǎng)中各個(gè)設(shè)備的最小的最大允許密碼長(zhǎng)度。例如，美國(guó)允許 128bit 的密碼長(zhǎng)度，而西班牙僅允許 48bit，這樣當(dāng)兩國(guó)的設(shè)備互通時(shí)，將選擇 48bit 來(lái)加密。 本章小結(jié) 本章主要研究了藍(lán)牙協(xié)議及其體系結(jié)構(gòu)，包括藍(lán)牙核心協(xié)議，藍(lán)牙通信原理、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用中的移動(dòng)性和安全性，為本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 第三章 藍(lán)牙無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)，主要是由溫度傳感器 DS18B20,進(jìn)行測(cè)量 ,再由 AVR ATMEGAL128L進(jìn)行 處理 ,再通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線傳輸 ,傳回到 PC 上 ,PC 進(jìn)行信息收集和處理 . 采集器硬件設(shè)計(jì) 按照實(shí)際應(yīng)用需要，無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上位機(jī)一下位機(jī)結(jié)構(gòu)，即分為采集器和控制端兩部分。如圖 所示，采集器根據(jù)監(jiān)測(cè)要求選擇不同的傳感器來(lái)采集監(jiān)控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、處理、與控制端的藍(lán)牙無(wú)線通信 ?？刂破骺刹捎?PC機(jī)或藍(lán)牙 PDA等，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集器的控制，以及對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、提取、處理、存儲(chǔ)、分析和顯示。 信號(hào)采集與變換模塊 :包括溫度傳感器 處理器模塊 :采集器的核心部分，采用 AVR 單 片機(jī)作為控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的控制，對(duì)采集的多路信號(hào)進(jìn)行處理并遞交給藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行無(wú)線傳送 。 藍(lán)牙通信模塊 :與控制端按照系統(tǒng)約定的通信協(xié)議進(jìn)行通信，主要實(shí)現(xiàn)控制端對(duì)采集器的無(wú)線控制和采集數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā) 。 電源供電模塊 :為系統(tǒng)各模塊供電，保證采集器系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。 采集器軟件負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)各路傳感器數(shù)據(jù)的采集并通過(guò)藍(lán)牙通信模塊將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳 13 送。采集器軟件主要包括三個(gè)模塊 :系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)