【文章內(nèi)容簡介】 tControllerInterface， HCI)。 HCI是藍牙協(xié)議中軟硬件之間的接口，它提供了一個調(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)議軟件實體 運行在主機上，而 HCI以下的功能一般由藍牙設(shè)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?shù)男畔?、事件、?shù)據(jù)三類，命令由主機端發(fā)給硬件設(shè)備，事件由設(shè)備提交給主機，數(shù)據(jù)則是雙向的。兩個藍牙設(shè)備之間只能建立一條 ACL 信道，但可以建立多條 SCO 信道。連接建立起來后，主機控制器將從主機端收到的數(shù)據(jù)通過 LM.、 BB 和 RF 發(fā)送出去，當收到數(shù)據(jù)時則過程相反。 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，是一個為高層傳輸層和應用層協(xié)議屏蔽基帶協(xié)議的適配協(xié)議。 LMP 只負責連接的建立和控制，而 LZCAP 則是業(yè)務協(xié)議，向上層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務，支持高層協(xié)議的多路復用。 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，允許高層和應用層協(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(xié)議 (RFCOMM) 藍牙串口仿真協(xié)議運行于 LZCAP 信道之上，定義了在對等藍牙設(shè)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(shù)據(jù)、控制信號及配置命令等。藍牙串口仿真協(xié)議完成了對 RS232串口的仿真，這樣就可以盡可能利用現(xiàn)有的各種高層應用程序，保證 Bluetooth 技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)的融合以及各種應用之間的互通性，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制的高層協(xié)議，如 :PPP、 OBEX(對 象交換協(xié)議 )和 AT 命令集。 藍牙串口仿真協(xié)議是作為一個協(xié)議來實現(xiàn)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(xié)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(xié)議。使用藍牙無線技術(shù)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(shù)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(xiàn)協(xié)議 (SDP) SDP 在藍牙協(xié)議中起著至關(guān)重要的作用，它是所有用戶模型的基礎(chǔ)。通過 SDP 協(xié)議，藍牙設(shè)備可以查詢到 其它設(shè)備的信息和提供的服務類型，從而決定采用何種應用層協(xié)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(shè)備間建立連接。 藍牙通信原理 藍牙數(shù)據(jù)流 藍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 。異步數(shù)據(jù)流則要通過軟件層。藍牙協(xié)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(shù)據(jù)交換。藍牙異步數(shù)據(jù)流如圖 所示 9 圖 藍牙異步數(shù)據(jù)流 當發(fā)送異步數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的走向為 :硬件一 HCI 一 LZCAP 一 RFCOMM/SDP 一 APP。當接收異 步數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的走向為 :APP 一 RFCOMM/SDP 一 LZCAP 一 HCI 一 硬件。 藍牙控制流 藍牙協(xié)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(guān)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(shù)據(jù)的指令，RFCOMM 層向下發(fā)出由 LZCAP 建立設(shè)備間藍牙數(shù)據(jù)鏈路的指令，完成整個數(shù)據(jù)收發(fā)的過程。藍牙控制流如圖 所示。 藍牙通 信載體 藍牙設(shè)備間應能夠進行通信，即任何藍牙設(shè)備之間都應能夠?qū)崿F(xiàn)互連。實現(xiàn)某些設(shè)備，從無線電兼容模塊和空中接口，直到應用層協(xié)議和對象交換格式，都要實現(xiàn)通信。藍牙計劃的目標就是要確保任何帶有藍牙功能的設(shè)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(shè)備能夠適應藍牙規(guī)范和現(xiàn)有的協(xié)議，采用相同的應用層協(xié)議棧，具有彼此 10 發(fā)現(xiàn)、識別并進行語音、數(shù)據(jù)收發(fā)的能力。不同類型的藍牙設(shè)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(shè)備及筆記本電腦等藍牙設(shè)備來完成。 軟件通信始 于鏈路級協(xié)議的多路傳輸、設(shè)備和服務的發(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、自動識別其它藍牙設(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簿網(wǎng)絡協(xié)議。為實現(xiàn)這些功能，藍牙軟件構(gòu)架必須利用現(xiàn)有的規(guī)范，而不是再去開發(fā)新的規(guī)范。 根據(jù)實現(xiàn)方式的不同，存在兩種不同的藍牙設(shè)備 :類型 1 的藍牙設(shè)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(xiàn)通信設(shè)備之間的短距離無線連接 。類型 2 的藍牙設(shè)備僅僅起到類似于 Modem的功能，負責將普通設(shè)備所要傳輸?shù)男畔⑴c藍牙格式的碼流進 行相互轉(zhuǎn)換。當采用類型 2的藍牙設(shè)備時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i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(shè)備時，則不受串口速率的限制。 藍牙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 藍牙網(wǎng)絡分為微微網(wǎng) (Pieo)和散射網(wǎng) (Seatte。)。共享單個公共信道的一組藍牙設(shè)備組成一個微微網(wǎng)。每個微微網(wǎng)使用不同跳頻序列，多個微微網(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)絡結(jié)構(gòu)如圖 所示。 微微網(wǎng) (P1eo) 微微網(wǎng)是藍牙最基本的網(wǎng)絡形式，由主設(shè)備和從 設(shè)備組成。主設(shè)備是主動發(fā)起組網(wǎng)連接請求的設(shè)備，而連接的響應方則為從設(shè)備。一個微微網(wǎng)中，一般只有一個主設(shè)備，最多可以有 256 個從設(shè)備，不過處于活動狀態(tài)的從設(shè)備目前最多可以有 7 個。主從設(shè)備間的關(guān)系不固定，可以變化。主設(shè)備輪詢從設(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)才能實現(xiàn)它們之間的互通。 (l)連接過程 某個設(shè)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(shè)備。一個 Pieo 內(nèi)一旦有 8 個活動的從屬設(shè)備，主控設(shè)備必須把一個從屬設(shè)備強制成休眠 (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 8bit 的被動成員地址 (PassiveMemberAddress， pMA)。 AMA和 PMA的結(jié)合允許超過 256 個設(shè)備同時存在于一個 Pico 中，但是只有 7個具有 AMA地址的設(shè)備 (包括主控設(shè)備 )刁能進行通信。 11 Pico內(nèi)的藍牙設(shè)備之間建立連接之前，所有的設(shè)備都處于待機 (Standby)狀態(tài)。此時，這些設(shè)備周期性地監(jiān)聽其他設(shè)備的 查詢 (Inquiry)消息或者構(gòu)建 Pico 的尋呼 (Page)請求。作為主藍牙設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備， Inquiry 消息和 Page 消息很像，但是需要一個額外的數(shù)據(jù)串周期來收集所有的響應。 (2)工作模式 如果微微網(wǎng)中己經(jīng)處于連接的設(shè)備在較長一段時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)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(shè)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(jù)應用要求作適當調(diào)整 。 在 Hold 模式下，只有一個內(nèi)部計數(shù)器在工作，一般被用于連接好幾個微微網(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)傳遞就立即重新開始 。 在 Park 模式下，設(shè)備被賦予 PMA 地址，并以一定間隔監(jiān)聽主控設(shè)備的消息，設(shè)備依然與微微網(wǎng)同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。 散射網(wǎng) (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(wǎng)構(gòu)成了分布式網(wǎng)絡，稱為散射網(wǎng)(Scarte:)，微微網(wǎng)之間的跳頻各自獨立，從而微微網(wǎng)之間可以相互連接。通過時分復用技術(shù)，一個藍牙設(shè)備便可以同時與幾個不同的微微網(wǎng)保持同步。具體來說，就是該設(shè)備按照一定的時間順序參與不同的微微網(wǎng)，即某一時刻參與某一個微微網(wǎng)，而下一個時刻 參與另一個微微網(wǎng)。 藍牙微微網(wǎng)與藍牙散射網(wǎng)本質(zhì)上都是一種 Ad 一 Hoc 射頻網(wǎng)絡，統(tǒng)稱為藍牙 Ad 一 Hoc 網(wǎng)絡，其設(shè)備連接如圖 所示。圖中， Master 和 Slavc 分別代表藍牙主設(shè)備和從設(shè)備。微微網(wǎng)只能建立點對點或點對多點的星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡連接，以單跳通信方式為主 。而散射網(wǎng)由多個微微網(wǎng)互連起來，可以建立樹形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡連接和其它更為復雜的網(wǎng)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(wǎng)實質(zhì)也是一種分群 (duster)分級式 Ad 一 Hoc 網(wǎng)絡。 藍牙移動性及安全性 藍牙系統(tǒng)的移動性和開 放性使得安全問題極其重要。藍牙技術(shù)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(shù)使得現(xiàn)場截獲信號異常困難之外，藍牙還采用了鏈路級的鑒權(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，也可以防止黑客試圖偽裝成授權(quán)用戶進行欺騙。加密技術(shù)中把傳送的數(shù)據(jù)擾亂，可以保持鏈路的機密性，防止他人竊聽。 藍牙技術(shù)在三個層面上保證了系統(tǒng)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(shù)據(jù)只能在配對的單元之間傳輸 。其次，藍牙協(xié)議提供了 8 到 128位的密匙數(shù)據(jù)加密機制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目?靠性 。最后，藍牙的數(shù)據(jù)加密密匙的長度是可以配置的，產(chǎn)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(tǒng)支持高層協(xié)議棧的不同應用體內(nèi)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(quán)訪問其它業(yè)務。藍牙安全機制依賴 PIN 碼在設(shè)備間建立信任關(guān)系，一旦這種了實現(xiàn)關(guān)系建立起來了，這些 PIN 碼就可以存儲在設(shè)備中，以便將來更便捷的連接。 按照藍牙的安全體系結(jié)構(gòu)，在準予接入之前，不可信設(shè)備或未知設(shè)備會基于某種用戶界面請求鑒權(quán)。以前獲得過鑒權(quán)并被允許基于鏈路級密鑰進 行訪問的設(shè)備成為可信任設(shè)備。鏈路級密鑰可存儲在該設(shè)備的數(shù)據(jù)庫中，對于以后的訪問，就可以用此密鑰來證實該設(shè)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(xié)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(shè)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(tǒng)會選取 Pico 網(wǎng)中各個設(shè)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(shè)備互通時，將選擇 48bit 來加密。 本章小結(jié) 本章主要研究了藍牙協(xié)議及其體系結(jié)構(gòu)，包括藍牙核心協(xié)議，藍牙通信原理、藍牙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及應用中的移動性和安全性，為本文系統(tǒng)設(shè)計中的藍牙技術(shù)應用提供了理論依據(jù)。 第三章 藍牙無線測量系統(tǒng)設(shè)計 本文設(shè)計的無線測量系統(tǒng)，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(shè)計 按照實際應用需要，無線測量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計為上位機一下位機結(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)測要求選擇不同的傳感器來采集監(jiān)控參數(shù)，實現(xiàn)對所需參數(shù)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(xiàn)對采集器的控制，以及對采集數(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)約定的通信協(xié)議進行通信，主要實現(xiàn)控制端對采集器的無線控制和采集數(shù)據(jù)的無線收發(fā) 。 電源供電模塊 :為系統(tǒng)各模塊供電，保證采集器系統(tǒng)能長時間穩(wěn)定工作。 采集器軟件負責完成現(xiàn)場各路傳感器數(shù)據(jù)的采集并通過藍牙通信模塊將采集的數(shù)據(jù)進行無線傳 13 送。采集器軟件主要包括三個模塊 :系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)