【正文】 文基于藍(lán)牙的無線測量系統(tǒng)研究與實(shí)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(jìn)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(shè)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(dòng)工作時(shí)鐘。 采集器軟件負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場各路傳感器數(shù)據(jù)的采集并通過藍(lán)牙通信模塊將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳 13 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(jī)或藍(lán)牙 PDA等，實(shí)現(xiàn)對采集器的控制，以及對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、提取、處理、存儲(chǔ)、分析和顯示。 第三章 藍(lán)牙無線測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的無線測量系統(tǒng)，主要是由溫度傳感器 DS18B20,進(jìn)行測量 ,再由 AVR ATMEGAL128L進(jìn)行 處理 ,再通過藍(lán)牙進(jìn)行無線傳輸 ,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，無線測量系統(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。例如，美國允許 128bit 的密碼長度，而西班牙僅允許 48bit，這樣當(dāng)兩國的設(shè)備互通時(shí)，將選擇 48bit 來加密。當(dāng)來自不同國家的設(shè)備互相通信時(shí)，這種機(jī)制是極其重要的，因?yàn)槟承﹪視?huì)指定最大密碼長度。每個(gè)用 12 戶都有一個(gè)個(gè)人標(biāo)識(shí)碼 (PIN)，它會(huì)被譯成 128bit 的鏈路密鑰 (LinkKey)來進(jìn)行單雙向認(rèn)證。鏈路級(jí)密鑰可存儲(chǔ)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(shí)該設(shè)備是可信的。 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)基于某種用戶界面請求鑒權(quán)。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)就只能訪問另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的該項(xiàng)業(yè)務(wù)，而無權(quán)訪問其它業(yè)務(wù)。最后，藍(lán)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(jìn)行修改。 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)只能在配對的單元之間傳輸 。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(jìn)行欺騙。藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包含了多種安全措施。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)。微微網(wǎng)只能建立點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，以單跳通信方式為主 。 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)稱為藍(lán)牙 Ad 一 Hoc 網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備連接如圖 所示。通過時(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。 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。 在 Snif 模式下，從屬設(shè)備降低了從 Pico 收聽消息的速率，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 。 (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(shí)間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙還支持節(jié)能工作模式。如果沒有應(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。每當(dāng)一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備被激活，它就將監(jiān)聽劃給該單元的 32 個(gè)跳頻頻點(diǎn)。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 Page 消息建立連接 。 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)。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)。 (l)連接過程 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該設(shè)備。主從設(shè)備間的關(guān)系不固定，可以變化。主設(shè)備是主動(dòng)發(fā)起組網(wǎng)連接請求的設(shè)備，而連接的響應(yīng)方則為從設(shè)備。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 所示。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)。 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。當(dāng)采用類型 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。 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)備之間的短距離無線連接 。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。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)備來完成。 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)行語音、數(shù)據(jù)收發(fā)的能力。實(shí)現(xiàn)某些設(shè)備，從無線電兼容模塊和空中接口，直到應(yīng)用層協(xié)議和對象交換格式，都要實(shí)現(xiàn)通信。藍(lán)牙控制流如圖 所示。在串口的讀寫操作過程中，應(yīng)用程序 APP 通過打開 /關(guān)閉、讀 /寫等命令操作仿真串口。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。同步數(shù)據(jù)一般直接由硬件接出，如輸出給耳機(jī) 。用戶可以從鄰近的服務(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，它是所有用戶模型的基礎(chǔ)。藍(lán)牙 SIG 專門制定了串口應(yīng)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(jī)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(lán)牙串口仿真協(xié)議運(yùn)行于 LZCAP 信道之上，定義了在對等藍(lán)牙設(shè)備之間如何使用 RFCOMM 來模擬 RS 一 232 串口進(jìn)行連接，從而傳送用戶數(shù)據(jù)、控制信號(hào)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(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。 LZCAP 層本身只關(guān)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(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。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。 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)備硬件來完成，二者之間通過一個(gè)對兩端透明的傳輸層進(jìn)行交互。 主機(jī)控制接口 (HCI) 在 BB 和 LMP 上與 LZCAP 之間還有一個(gè)主機(jī)控制接口層 (HostControllerInterface， HCI)。一般而言，發(fā)出連接指令的設(shè)備將成為主控設(shè)備，但是藍(lán)牙系統(tǒng)的“主從轉(zhuǎn)換”功能可使角色改變。任何一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備既可成為主控設(shè)備又可成為從屬設(shè)備。藍(lán)牙給每個(gè) Pico 提供特定的跳轉(zhuǎn)模式，因此允許大量的 Pico同時(shí)存在。它還控制無線設(shè)備的電源模式和工作周期，以及各設(shè)備單元的連接狀態(tài)。 LMP 通過連接的發(fā)起、交換、核實(shí)，進(jìn)行身份驗(yàn)證和加密 。加密采用流密碼技術(shù)，適用于硬件實(shí)現(xiàn)，用來保護(hù)連接中的個(gè)人信息，密鑰由程序的高層來管理。驗(yàn)證基于“請求一響應(yīng)”運(yùn)算法則，采用口令位答方式，在連接進(jìn)程中進(jìn)行，是藍(lán)牙系統(tǒng)中的重要組成部分。在無編號(hào)的自動(dòng)請求重發(fā)方案中，一個(gè)時(shí)隙傳送的數(shù)據(jù)必須在 下一個(gè)時(shí)隙收到確認(rèn)，只有數(shù)據(jù)在收端通過了報(bào)頭錯(cuò)誤檢測和循環(huán)冗余校驗(yàn)后認(rèn)為無錯(cuò)時(shí)才向發(fā)端發(fā)回確認(rèn)消息，否則返回一個(gè)錯(cuò)誤消息。對于 SCO 鏈路，使用 l/3 前向糾錯(cuò) 。前向糾錯(cuò)的目的是減少重發(fā)的可能性，但同時(shí)也增加了額外開銷。 (2)差錯(cuò)控制 基帶控制器采用三種差錯(cuò)控制方案 :1/3 比例前向糾錯(cuò) (FEC)、 2/3 比例前向糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)自動(dòng)請求重發(fā) (ARQ)。從設(shè)備只有被 選中時(shí)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(shè)備和從設(shè)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(shí)分雙工 (TDD)實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。 (1)鏈路連接 活動(dòng)狀態(tài)下，藍(lán)牙設(shè)備支持 SCO和 ACL 兩種鏈路類型，而且 在一個(gè)階段內(nèi)可以任意改變連接類型。在從屬設(shè)備和主控設(shè)備完成“查詢”和“尋呼”操作后，從屬設(shè)備由“待機(jī)狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑B接狀態(tài)”。未連接時(shí)，基帶處于待機(jī)狀態(tài)。 基帶 (Baseband) 藍(lán)牙設(shè)備基帶狀態(tài)可分為連接狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)。最大發(fā)射功率分為三個(gè)等級(jí) :100mw(20dBm)，(4dBm)， lmw(odBm)，在 4 一 20dBm范圍 內(nèi)要求采用功率控制。 藍(lán)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(shí)隙、指定頻 6 率上發(fā)送，使用查詢和尋呼進(jìn)程同步不同設(shè)備間的發(fā)送頻率和時(shí)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(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)傳送。隨著這個(gè)頻段的應(yīng)用越來越廣泛，產(chǎn)生的無線干擾會(huì)越來越多，為此，藍(lán)牙特別設(shè)計(jì)了跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。支持高層協(xié)議復(fù)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(lán)牙核心協(xié)議 藍(lán)牙核心協(xié)議是藍(lán)牙協(xié)議的關(guān)鍵部分，由 SIG 制定的藍(lán)牙專利協(xié)議組成 ，絕大部分藍(lán)牙設(shè)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(yīng)用的需要而定。除上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機(jī)控制器接口 (HCI)，它為基帶控制器、北京郵電人學(xué)碩卜論文纂于藍(lán)牙的無線測量系統(tǒng)研究與實(shí)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(wù)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(gè)藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)可分為 :底層硬件模塊、中間協(xié)議層 (軟件模塊 )和高端應(yīng)用層三部分，藍(lán)牙協(xié)議的體系模型如圖 所示。 第二章 藍(lán)牙協(xié)議及通信研究 藍(lán)牙協(xié)議體系概述 藍(lán)牙作為一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以安全的無線方式把眾多移動(dòng)設(shè)備連接起來 ，實(shí)質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，使得遵守這種無線數(shù)據(jù)通信規(guī)范的所有設(shè)備不使用電纜互連而相互通信。包括三部分 :單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的串口通信，藍(lán)牙模塊間的無線通信和藍(lán)牙模塊于 PC 機(jī)的串口通信。控制端實(shí)現(xiàn)了與采集器的藍(lán)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(gè)終端系統(tǒng)，采集器系統(tǒng)以 ATMEL 公司的 ATmega128L 單片機(jī)為控制核心，采用傳感器對各路參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，并利用單片機(jī)多種工作模式進(jìn)行系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì) :控制端采用 PC 機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)與采集器的藍(lán)牙無線通信，對采集器進(jìn)行無線控制和數(shù)據(jù)傳輸，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和顯示。 本論文的工作 本文設(shè)計(jì)了高精度、小尺寸、低功耗的基于藍(lán)牙的無線測量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部 4 分組成。 11)兼容性好 藍(lán)牙技術(shù)由于獨(dú)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(lán)牙技術(shù)的設(shè)備一旦搜尋到另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，馬上就可以建立聯(lián)系，利用相關(guān)的控制軟件，無須用戶干預(yù)即可傳輸數(shù)據(jù)，這樣，用戶不再需要學(xué)習(xí)如何安裝和設(shè)置設(shè)備。 10)使用方便 藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中采用了一種“ Plonkamp。例如，把藍(lán)牙技術(shù)引入到移動(dòng)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(shí)分復(fù)用技術(shù)，一北京郵電大學(xué)碩卜論文基于藍(lán)牙的無線測量系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)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。散射網(wǎng)中的藍(lán)牙設(shè)備可以是某個(gè)微微網(wǎng)的從設(shè)備，也可以是另一個(gè)微微網(wǎng)的主設(shè)備。微微網(wǎng) (Pico)是藍(lán)牙設(shè)備 最基本的一種網(wǎng)絡(luò)形式，幾個(gè)藍(lán)牙設(shè)備連接成一個(gè)微微網(wǎng)，其中只有一個(gè)主設(shè)備，其余均為從設(shè)備。另外，藍(lán)牙所采用的前向糾錯(cuò)技術(shù)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(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于各種惡劣的無線環(huán)境。 7)安全加密、抗干擾能力強(qiáng) 工作在 ISM 頻段的無線電設(shè)備有很多種，因此使用其中的某個(gè)頻段會(huì)遇到不可預(yù)測的干擾源，為了很好的抵抗來自這些設(shè)備的干擾，藍(lán)牙技術(shù)特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)和跳頻方式來擴(kuò)展頻譜 ，將頻段分成 79個(gè)頻點(diǎn)，帶寬為 IMHz，頻率為 1600 跳 /秒，每隔一段時(shí)間就從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率，不斷搜尋干擾比較小的信道。 6)短距離 目前， _藍(lán)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(kuò)展到 100 米。目前藍(lán)牙芯片的量產(chǎn)價(jià)格己經(jīng)突破 5 美元，而且還有進(jìn)一步下滑的 趨勢。如蜂窩電話、傳呼 機(jī)、筆記本電腦、 PDA、PC機(jī)，甚至各種家用電器中，與集成的設(shè)備相比可忽略功耗和成本。當(dāng)采用對稱信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，最大速率為 。每個(gè)語音數(shù)據(jù)速率為 64kbPs，語音信號(hào)編碼采北京郵電大學(xué) {吹 1 論文