【文章內容簡介】 tControllerInterface， HCI)。 HCI是藍牙協議中軟硬件之間的接口，它提供了一個調用下層 BB、 LMP、狀態(tài)和控制寄存器等硬件的統一命令接口。 HCI 協議以上的協議軟件實體 運行在主機上，而 HCI以下的功能一般由藍牙設備硬件來完成，二者之間通過一個對兩端透明的傳輸層進行交互。通過 HCI 傳輸的信息包括命令、事件、數據三類，命令由主機端發(fā)給硬件設備，事件由設備提交給主機，數據則是雙向的。兩個藍牙設備之間只能建立一條 ACL 信道，但可以建立多條 SCO 信道。連接建立起來后，主機控制器將從主機端收到的數據通過 LM.、 BB 和 RF 發(fā)送出去，當收到數據時則過程相反。 邏輯鏈路控制和適配協議 (LZCAP) 邏輯鏈路控制適配層協議，是一個為高層傳輸層和應用層協議屏蔽基帶協議的適配協議。 LMP 只負責連接的建立和控制，而 LZCAP 則是業(yè)務協議，向上層提供面向連接和無連接的數據服務，支持高層協議的多路復用。 LZCAP 層本身只關心異步信息 (ACL 分組 )的傳輸。此外，它還使較大的高層數據分組和較小的基帶數據分組之間的分割和重組變得容易。 LZCAP 位于基帶協議層之上，屬于數據鏈路層，它為高層提供數據服務，允許高層和應用層協議收發(fā)大小為 64kB字節(jié)的 LZCAP 數據包。雖然基帶協議提供了 SCO 和 ACL 兩種連接類型，但是 LZCAP 只支持面向無連接的異步傳輸 ACL，不支持面向連接的同步傳輸 SCO， SCO 鏈路主 要用預留的帶寬進行實時語音傳輸。 串口仿真協議 (RFCOMM) 藍牙串口仿真協議運行于 LZCAP 信道之上，定義了在對等藍牙設備之間如何使用 RFCOMM 來模擬 RS 一 232 串口進行連接，從而傳送用戶數據、控制信號及配置命令等。藍牙串口仿真協議完成了對 RS232串口的仿真，這樣就可以盡可能利用現有的各種高層應用程序，保證 Bluetooth 技術與現有技術的融合以及各種應用之間的互通性，充分利用兼容 Bluetooth 技術規(guī)范的軟硬件體系。其中最常用的是基于串行線傳送機制的高層協議，如 :PPP、 OBEX(對 象交換協議 )和 AT 命令集。 藍牙串口仿真協議是作為一個協議來實現的，其涉及到太多細節(jié)問題，為了給用戶提供一些簡單必要的接口，需要對串口仿真協議的接口進行進一步的封裝。藍牙 SIG 專門制定了串口應用規(guī)范 (SerialPortProfile)來封裝串口仿真協議。使用藍牙無線技術替代電纜時采用的就是由串口應用規(guī)范生 8 成的面向連接的信道。藍牙技術規(guī)范中基于串口應用規(guī)范的應用模型如圖 服務發(fā)現協議 (SDP) SDP 在藍牙協議中起著至關重要的作用，它是所有用戶模型的基礎。通過 SDP 協議，藍牙設備可以查詢到 其它設備的信息和提供的服務類型，從而決定采用何種應用層協議。用戶可以從鄰近的服務中選一個可用的，然后就可以在兩個或多個藍牙設備間建立連接。 藍牙通信原理 藍牙數據流 藍牙可以傳輸同步和異步數據。同步數據一般直接由硬件接出，如輸出給耳機 。異步數據流則要通過軟件層。藍牙協議棧為高層應用提供透明信道，完成與遠端高層應用的透明數據交換。藍牙異步數據流如圖 所示 9 圖 藍牙異步數據流 當發(fā)送異步數據時，數據的走向為 :硬件一 HCI 一 LZCAP 一 RFCOMM/SDP 一 APP。當接收異 步數據時，數據的走向為 :APP 一 RFCOMM/SDP 一 LZCAP 一 HCI 一 硬件。 藍牙控制流 藍牙協議棧的每一層都接受上一層的命令，向上一層報告事件，并接收下一層提交的事件，向下一層發(fā)送命令。在串口的讀寫操作過程中，應用程序 APP 通過打開 /關閉、讀 /寫等命令操作仿真串口。仿真串口向 RFCOMM 發(fā)出與遠端建立 DLC 鏈、拆除 DLC 鏈、發(fā)送和接收數據的指令，RFCOMM 層向下發(fā)出由 LZCAP 建立設備間藍牙數據鏈路的指令，完成整個數據收發(fā)的過程。藍牙控制流如圖 所示。 藍牙通 信載體 藍牙設備間應能夠進行通信，即任何藍牙設備之間都應能夠實現互連。實現某些設備，從無線電兼容模塊和空中接口，直到應用層協議和對象交換格式，都要實現通信。藍牙計劃的目標就是要確保任何帶有藍牙功能的設備都能進行通信，包括硬件和軟件通信。 硬件通信是指藍牙設備能夠適應藍牙規(guī)范和現有的協議，采用相同的應用層協議棧，具有彼此 10 發(fā)現、識別并進行語音、數據收發(fā)的能力。不同類型的藍牙設備對通信有不同的要求，通過安裝合適的軟件識別出彼此支持的高層功能。更多的功能則要由手機、手持設備及筆記本電腦等藍牙設備來完成。 軟件通信始 于鏈路級協議的多路傳輸、設備和服務的發(fā)現、以及分組的分段和重組。軟件結構的功能有 :配置及故障診斷工具、自動識別其它藍牙設備、電纜仿真、與外網設備的通信、音頻通信與呼叫控制和商用卡的交易與號簿網絡協議。為實現這些功能，藍牙軟件構架必須利用現有的規(guī)范，而不是再去開發(fā)新的規(guī)范。 根據實現方式的不同，存在兩種不同的藍牙設備 :類型 1 的藍牙設備本身具有完整的藍牙硬件和軟件，能獨立完成藍牙功能，實現通信設備之間的短距離無線連接 。類型 2 的藍牙設備僅僅起到類似于 Modem的功能，負責將普通設備所要傳輸的信息與藍牙格式的碼流進 行相互轉換。當采用類型 2的藍牙設備時，數據傳輸的瓶頸在于實際的串口之間的有線連接，即受到標準串口最高速率921600bit/s 的限制。而采用類型 1 的藍牙設備時，則不受串口速率的限制。 藍牙網絡結構 藍牙網絡分為微微網 (Pieo)和散射網 (Seatte。)。共享單個公共信道的一組藍牙設備組成一個微微網。每個微微網使用不同跳頻序列，多個微微網可以在公共區(qū)域內共存相連而形成散射網。其網絡結構如圖 所示。 微微網 (P1eo) 微微網是藍牙最基本的網絡形式，由主設備和從 設備組成。主設備是主動發(fā)起組網連接請求的設備，而連接的響應方則為從設備。一個微微網中，一般只有一個主設備，最多可以有 256 個從設備，不過處于活動狀態(tài)的從設備目前最多可以有 7 個。主從設備間的關系不固定，可以變化。主設備輪詢從設備，與它們通信，從設備與主設備之間保持同步，但從設備之間不能通信，需要主設備轉發(fā)數據才能實現它們之間的互通。 (l)連接過程 某個設備一旦加入 Pico 中，就被分配一個 3bit 的活動成員地址 (ActiveMembe:Address，AMA)，其他成員可以用該地址訪問該設備。一個 Pieo 內一旦有 8 個活動的從屬設備，主控設備必須把一個從屬設備強制成休眠 (P 盯 k)模式。在 Park 模式中，此設備仍然存在于 Pico 中，但是它釋放了 AMA地址而得到一個 8bit 的被動成員地址 (PassiveMemberAddress， pMA)。 AMA和 PMA的結合允許超過 256 個設備同時存在于一個 Pico 中，但是只有 7個具有 AMA地址的設備 (包括主控設備 )刁能進行通信。 11 Pico內的藍牙設備之間建立連接之前，所有的設備都處于待機 (Standby)狀態(tài)。此時，這些設備周期性地監(jiān)聽其他設備的 查詢 (Inquiry)消息或者構建 Pico 的尋呼 (Page)請求。作為主藍牙設備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過 Page 消息建立連接 。如果地址未知，則通過一個后接Page 消息的 Inquiry 消息建立連接。每當一個藍牙設備被激活，它就將監(jiān)聽劃給該單元的 32 個跳頻頻點。在最初的 Page 狀態(tài)，主設備將在分配給被 Page 單元的 16 個跳頻頻點上發(fā)送 16 個相同的 Page消息。如果沒有應答，主設備則按照激活次序在剩余 16 個頻點上繼續(xù) page。 Inquiry 消息主要用來尋找藍牙設備， Inquiry 消息和 Page 消息很像，但是需要一個額外的數據串周期來收集所有的響應。 (2)工作模式 如果微微網中己經處于連接的設備在較長一段時間內沒有數據傳輸，藍牙還支持節(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，從屬設備降低了從 Pico 收聽消息的速率，一會兒醒一會睡，宛如呼吸一樣，呼吸間隔可以根據應用要求作適當調整 。 在 Hold 模式下，只有一個內部計數器在工作，一般被用于連接好幾個微微網的情況或者耗能低的設備中，設備停止傳送數據，但一旦 激活，數據傳遞就立即重新開始 。 在 Park 模式下，設備被賦予 PMA 地址，并以一定間隔監(jiān)聽主控設備的消息，設備依然與微微網同步但沒有數據傳送。 散射網 (Seatter) 幾個相互獨立并且不同步的、以特定的方式連接起來的微微網構成了分布式網絡，稱為散射網(Scarte:)，微微網之間的跳頻各自獨立，從而微微網之間可以相互連接。通過時分復用技術，一個藍牙設備便可以同時與幾個不同的微微網保持同步。具體來說，就是該設備按照一定的時間順序參與不同的微微網，即某一時刻參與某一個微微網，而下一個時刻 參與另一個微微網。 藍牙微微網與藍牙散射網本質上都是一種 Ad 一 Hoc 射頻網絡，統稱為藍牙 Ad 一 Hoc 網絡，其設備連接如圖 所示。圖中， Master 和 Slavc 分別代表藍牙主設備和從設備。微微網只能建立點對點或點對多點的星形結構網絡連接，以單跳通信方式為主 。而散射網由多個微微網互連起來，可以建立樹形結構網絡連接和其它更為復雜的網絡連接，支持靈活的多跳通信方式，進而適應不同應用場合的多種需求。藍牙散射網實質也是一種分群 (duster)分級式 Ad 一 Hoc 網絡。 藍牙移動性及安全性 藍牙系統的移動性和開 放性使得安全問題極其重要。藍牙技術標準包含了多種安全措施。除了有限的通信范圍和跳頻技術使得現場截獲信號異常困難之外，藍牙還采用了鏈路級的鑒權和加密等措施。鑒權可防止關鍵數據和功能的非法訪問，也可以防止黑客試圖偽裝成授權用戶進行欺騙。加密技術中把傳送的數據擾亂，可以保持鏈路的機密性，防止他人竊聽。 藍牙技術在三個層面上保證了系統的安全 :首先，每個藍牙單元都有一個唯一的 48 位物理地址 (MACaddress)，數據只能在配對的單元之間傳輸 。其次，藍牙協議提供了 8 到 128位的密匙數據加密機制，保證了數據傳輸的可 靠性 。最后，藍牙的數據加密密匙的長度是可以配置的，產品在出廠前由廠商制定，用戶無法對密匙進行修改。 藍牙系統支持高層協議棧的不同應用體內的特殊安全機制。比如兩臺計算機在進行商業(yè)卡信息交流時，一臺計算機就只能訪問另一臺計算機的該項業(yè)務，而無權訪問其它業(yè)務。藍牙安全機制依賴 PIN 碼在設備間建立信任關系，一旦這種了實現關系建立起來了，這些 PIN 碼就可以存儲在設備中，以便將來更便捷的連接。 按照藍牙的安全體系結構，在準予接入之前，不可信設備或未知設備會基于某種用戶界面請求鑒權。以前獲得過鑒權并被允許基于鏈路級密鑰進 行訪問的設備成為可信任設備。鏈路級密鑰可存儲在該設備的數據庫中，對于以后的訪問，就可以用此密鑰來證實該設備是可信的。 鏈路層安全機制提供了大量的認證方案和一個靈活的加密方案，即允許協商密碼長度。每個用 12 戶都有一個個人標識碼 (PIN)，它會被譯成 128bit 的鏈路密鑰 (LinkKey)來進行單雙向認證。一旦認證完畢，鏈路就會以不同長度的密碼 (EneryptionKey)來加密，此密碼以 sbit 為單位增減，最大 12sbit。當來自不同國家的設備互相通信時，這種機制是極其重要的，因為某些國家會指定最大密碼長度。藍 牙系統會選取 Pico 網中各個設備的最小的最大允許密碼長度。例如，美國允許 128bit 的密碼長度，而西班牙僅允許 48bit，這樣當兩國的設備互通時，將選擇 48bit 來加密。 本章小結 本章主要研究了藍牙協議及其體系結構，包括藍牙核心協議，藍牙通信原理、藍牙網絡結構以及應用中的移動性和安全性，為本文系統設計中的藍牙技術應用提供了理論依據。 第三章 藍牙無線測量系統設計 本文設計的無線測量系統，主要是由溫度傳感器 DS18B20,進行測量 ,再由 AVR ATMEGAL128L進行 處理 ,再通過藍牙進行無線傳輸 ,傳回到 PC 上 ,PC 進行信息收集和處理 . 采集器硬件設計 按照實際應用需要，無線測量系統的硬件系統設計為上位機一下位機結構，即分為采集器和控制端兩部分。如圖 所示，采集器根據監(jiān)測要求選擇不同的傳感器來采集監(jiān)控參數，實現對所需參數的實時采集、處理、與控制端的藍牙無線通信 ?？刂破骺刹捎?PC機或藍牙 PDA等，實現對采集器的控制，以及對采集數據進行接收、提取、處理、存儲、分析和顯示。 信號采集與變換模塊 :包括溫度傳感器 處理器模塊 :采集器的核心部分，采用 AVR 單 片機作為控制器，實現對其他模塊的控制，對采集的多路信號進行處理并遞交給藍牙通信模塊進行無線傳送 。 藍牙通信模塊 :與控制端按照系統約定的通信協議進行通信，主要實現控制端對采集器的無線控制和采集數據的無線收發(fā) 。 電源供電模塊 :為系統各模塊供電，保證采集器系統能長時間穩(wěn)定工作。 采集器軟件負責完成現場各路傳感器數據的采集并通過藍牙通信模塊將采集的數據進行無線傳 13 送。采集器軟件主要包括三個模塊 :系統初始化模塊、數據