【正文】 文基于藍牙的無線測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)感器讀取數(shù)據(jù)，并按照系統(tǒng)約定的數(shù)據(jù)格式，對多路原始數(shù)據(jù)進行整理，并將數(shù)據(jù)遞交給數(shù)據(jù)傳送模塊。 系統(tǒng)初 始化 :初始化采集器各功能模塊和端口，設定采集器的初始工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳送端口參數(shù)，并啟動工作時鐘。 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。 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) ?？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。 第三章 藍牙無線測量系統(tǒng)設計 本文設計的無線測量系統(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 . 采集器硬件設計 按照實際應用需要，無線測量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)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。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。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。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。鏈路級密鑰可存儲在該設備的數(shù)據(jù)庫中，對于以后的訪問，就可以用此密鑰來證實該設備是可信的。 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。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。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。 藍牙技術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 。鑒權可防止關鍵數(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用戶進行欺騙。藍牙技術標準包含了多種安全措施。藍牙散射網(wǎng)實質也是一種分群 (duster)分級式 Ad 一 Hoc 網(wǎng)絡。微微網(wǎng)只能建立點對點或點對多點的星形結構網(wǎng)絡連接，以單跳通信方式為主 。 藍牙微微網(wǎng)與藍牙散射網(wǎng)本質上都是一種 Ad 一 Hoc 射頻網(wǎng)絡，統(tǒng)稱為藍牙 Ad 一 Hoc 網(wǎng)絡，其設備連接如圖 所示。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(wǎng)保持同步。 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(wǎng)同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。 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(jù)應用要求作適當調(diào)整 。 (2)工作模式 如果微微網(wǎng)中己經(jīng)處于連接的設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。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。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。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 。 11 Pico內(nèi)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)。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)。 (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。主從設備間的關系不固定，可以變化。主設備是主動發(fā)起組網(wǎng)連接請求的設備，而連接的響應方則為從設備。其網(wǎng)絡結構如圖 所示。共享單個公共信道的一組藍牙設備組成一個微微網(wǎng)。 藍牙網(wǎng)絡結構 藍牙網(wǎng)絡分為微微網(wǎng) (Pieo)和散射網(wǎng) (Seatte。當采用類型 2的藍牙設備時，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。 根據(jù)實現(xiàn)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(xiàn)通信設備之間的短距離無線連接 。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(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議。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。 硬件通信是指藍牙設備能夠適應藍牙規(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。實現(xiàn)某些設備，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。藍牙控制流如圖 所示。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。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。同步數(shù)據(jù)一般直接由硬件接出，如輸出給耳機 。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(xiàn)協(xié)議 (SDP) SDP 在藍牙協(xié)議中起著至關重要的作用，它是所有用戶模型的基礎。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。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。 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。 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。 LZCAP 層本身只關心異步信息 (ACL 分組 )的傳輸。 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。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。 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。 主機控制接口 (HCI) 在 BB 和 LMP 上與 LZCAP 之間還有一個主機控制接口層 (HostControllerInterface， HCI)。一般而言，發(fā)出連接指令的設備將成為主控設備，但是藍牙系統(tǒng)的“主從轉換”功能可使角色改變。任何一個藍牙設備既可成為主控設備又可成為從屬設備。藍牙給每個 Pico 提供特定的跳轉模式，因此允許大量的 Pico同時存在。它還控制無線設備的電源模式和工作周期，以及各設備單元的連接狀態(tài)。 LMP 通過連接的發(fā)起、交換、核實，進行身份驗證和加密 。加密采用流密碼技術，適用于硬件實現(xiàn)，用來保護連接中的個人信息，密鑰由程序的高層來管理。驗證基于“請求一響應”運算法則，采用口令位答方式，在連接進程中進行，是藍牙系統(tǒng)中的重要組成部分。在無編號的自動請求重發(fā)方案中，一個時隙傳送的數(shù)據(jù)必須在 下一個時隙收到確認，只有數(shù)據(jù)在收端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余校驗后認為無錯時才向發(fā)端發(fā)回確認消息，否則返回一個錯誤消息。對于 SCO 鏈路，使用 l/3 前向糾錯 。前向糾錯的目的是減少重發(fā)的可能性，但同時也增加了額外開銷。 (2)差錯控制 基帶控制器采用三種差錯控制方案 :1/3 比例前向糾錯 (FEC)、 2/3 比例前向糾錯和數(shù)據(jù)自動請求重發(fā) (ARQ)。從設備只有被 選中時才能傳送數(shù)據(jù)。 ACL鏈路就是定向發(fā)送數(shù)據(jù)包，它既支持對稱連接，也支持不對稱連接。連接建立后，主設備和從設備可以不被選中就發(fā)送 SCO數(shù)據(jù)包。兩種連接類型都使用時分雙工 (TDD)實現(xiàn)全雙工傳輸。 (1)鏈路連接 活動狀態(tài)下，藍牙設備支持 SCO和 ACL 兩種鏈路類型，而且 在一個階段內(nèi)可以任意改變連接類型。在從屬設備和主控設備完成“查詢”和“尋呼”操作后，從屬設備由“待機狀態(tài)”轉變?yōu)椤斑B接狀態(tài)”。未連接時，基帶處于待機狀態(tài)。 基帶 (Baseband) 藍牙設備基帶狀態(tài)可分為連接狀態(tài)和待機狀態(tài)。最大發(fā)射功率分為三個等級 :100mw(20dBm)，(4dBm)， lmw(odBm)，在 4 一 20dBm范圍 內(nèi)要求采用功率控制。 藍牙的射頻調(diào)制方式為 BT= 的高斯移頻鍵控 (GFSK)，調(diào)制指數(shù)為 一 。其任一分組在指定時隙、指定頻 6 率上發(fā)送，使用查詢和尋呼進程同步不同設備間的發(fā)送頻率和時鐘，可為基帶數(shù)據(jù)分組提供兩種物理連接方式 : 面 向 連 接 sCO(SynchronousConneetion 一 oriented) 和 無 連 接ACL(AsynchronousConnectinnless)，而且在同一射頻上可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)傳送。隨著這個頻段的應用越來越廣泛，產(chǎn)生的無線干擾會越來越多，為此，藍牙特別設計了跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。支持高層協(xié)議復用、幀的組裝和拆分的邏輯鏈路控制和分配協(xié)議 LZCAP。用于鏈路的建立、安全和控制的鏈路管理器協(xié)議 LMP。 藍牙核心協(xié)議 藍牙核心協(xié)議是藍牙協(xié)議的關鍵部分，由 SIG 制定的藍牙專利協(xié)議組成 ，絕大部分藍牙設備都需要核心協(xié)議 (加上無線部分 )，而其它協(xié)議根據(jù)應用的需要而定。除上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機控制器接口 (HCI)，它為基帶控制器、北京郵電人學碩卜論文纂于藍牙的無線測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)連接管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口。中間協(xié)議層包括邏輯鏈路管理層 (LZCAP)、服 務發(fā)現(xiàn)協(xié)議 (SDP)、串口仿真協(xié)議 (RFCOMM)和電話控制協(xié)議 (TCS)。 整個藍牙協(xié)議體系結構可分為 :底層硬件模塊、中間協(xié)議層 (軟件模塊 )和高端應用層三部分，藍牙協(xié)議的體系模型如圖 所示。 第二章 藍牙協(xié)議及通信研究 藍牙協(xié)議體系概述 藍牙作為一種網(wǎng)絡技術，以安全的無線方式把眾多移動設備連接起來 ，實質上建立起了通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標準，使得遵守這種無線數(shù)據(jù)通信規(guī)范的所有設備不使用電纜互連而相互通信。包括三部分 :單片機與藍牙模塊的串口通信，藍牙模塊間的無線通信和藍牙模塊于 PC 機的串口通信。控制端實現(xiàn)了與采集器的藍牙通信、數(shù)據(jù)處理與顯示等功能，其界面友好，操作簡單。 硬件方面，包括采集器和控制端兩個終端系統(tǒng)，采集器系統(tǒng)以 ATMEL 公司的 ATmega128L 單片機為控制核心，采用傳感器對各路參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，通過藍牙通信模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，并利用單片機多種工作模式進行系統(tǒng)低功耗設計 :控制端采用 PC 機，主要實現(xiàn)與采集器的藍牙無線通信，對采集器進行無線控制和數(shù)據(jù)傳輸，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理、分析和顯示。 本論文的工作 本文設計了高精度、小尺寸、低功耗的基于藍牙的無線測量系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由硬件和軟件兩部 4 分組成。 11)兼容性好 藍牙技術由于獨立于操作系統(tǒng)，所以在各種操作系統(tǒng)中均有良好的兼容性。凡是嵌入藍牙技術的設備一旦搜尋到另一個藍牙設備，馬上就可以建立聯(lián)系，利用相關的控制軟件，無須用戶干預即可傳輸數(shù)據(jù)，這樣，用戶不再需要學習如何安裝和設置設備。 10)使用方便 藍牙技術規(guī)范中采用了一種“ Plonkamp。例如，把藍牙技術引入到移動電話和筆記本電腦中，可以通過無線方式使其建立通信。通過時分復用技術，一北京郵電大學碩卜論文基于藍牙的無線測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)個藍牙設備便可以同時與幾個不同的微微網(wǎng)保持同步。散射網(wǎng)中的藍牙設備可以是某個微微網(wǎng)的從設備，也可以是另一個微微網(wǎng)的主設備。微微網(wǎng) (Pico)是藍牙設備 最基本的一種網(wǎng)絡形式，幾個藍牙設備連接成一個微微網(wǎng)，其中只有一個主設備，其余均為從設備。另外，藍牙所采用的前向糾錯技術更是限制了較長距離鏈路的無序噪聲影響，而經(jīng)優(yōu)化的編碼方式也可使藍牙技術應用于各種惡劣的無線環(huán)境。 7)安全加密、抗干擾能力強 工作在 ISM 頻段的無線電設備有很多種，因此使用其中的某個頻段會遇到不可預測的干擾源，為了很好的抵抗來自這些設備的干擾，藍牙技術特別設計了快速確認和跳頻方式來擴展頻譜 ，將頻段分成 79個頻點，帶寬為 IMHz，頻率為 1600 跳 /秒，每隔一段時間就從一個頻率跳到另一個頻率，不斷搜尋干擾比較小的信道。 6)短距離 目前， _藍牙無線收發(fā)器發(fā)射有效距離范圍為 10 厘米到 10 米，如果增加傳輸功率的話，可以擴展到 100 米。目前藍牙芯片的量產(chǎn)價格己經(jīng)突破 5 美元，而且還有進一步下滑的 趨勢。如蜂窩電話、傳呼 機、筆記本電腦、 PDA、PC機，甚至各種家用電器中，與集成的設備相比可忽略功耗和成本。當采用對稱信道傳輸數(shù)據(jù)時，最大速率為 。每個語音數(shù)據(jù)速率為 64kbPs，語音信號編碼采北京郵電大學 {吹 1 論文