1、 第10章短距离无线通信技术10.1蓝牙技术蓝牙技术10.2红外通信技术红外通信技术10.3超宽带无线通信技术超宽带无线通信技术本章小结本章小结 10.1 蓝牙技术蓝牙技术10.1.1 蓝牙发展现状与技术特点蓝牙发展现状与技术特点蓝牙是一个开放的通信技术，没有版权费，从提出到形成实用的标准经历了若干年时间，其标准在不断改进。从1999年7月推出了蓝牙的技术规范1.0版本到2010年，蓝牙共推出了6个实用版本标准，即V1.1、V1.2、V2.0、V2.1、V3.0、V4.0。蓝牙在通信协议上采用的是IEEE802.15.1标准。蓝牙标准最早期版本V1.1的传输速度约在748810 kb/s，由于
2、是早期设计，易受到同频率产品所干扰，V1.2在传输速度上没有改进，但加入了抗干扰跳频功能。2004年提出的V2.0、V2.1标准将传输速度提高到1.82.1 Mb/s，可以工作在全双工模式下。它基本解决了语音通信和高质量图像传输的要求，目前市场上的大多数蓝牙产品均采用V2.0或V2.1版本的技术标准。2009年4月，蓝牙技术联盟颁布了V3.0标准。V3.0的核心是AMP(Generic Alternate MAC/PHY)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。通过集成“IEEE802.11 PAL”（协议适应层），V3.0的数据传输率提高到了大约24 Mb
3、/s（即可在需要的时候调用IEEE 802.11WI-FI用于实现高速数据传输），可用于录像机至高清电视、个人计算机至打印机之间的资料传输。V3.0引入了增强电源控制(EPC)JP2机制，再辅以IEEE802.11.XX，实际空闲功耗明显降低，解决了蓝牙设备的待机耗电问题。2010年蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正式发布了V4.0核心规范(Bluetooth Core Specification Version4.0)。V4.0包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。V4.0实际是将传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术合而为一，三个规格可以组合或者单独使用。V4
4、.0继承了蓝牙技术无线连接的所有固有优势，同时增加了低耗能蓝牙和高速蓝牙的特点，尤以低耗能技术为核心。经过十多年的发展，蓝牙技术越来越成熟，速度越来越快，集成度也越来越高，初期需要大量的外围电路，现在基本都采用单芯片。蓝牙技术的功耗非常低，可以用钮扣电池供电，使得应用领域非常广泛。尤其是近两年发展起来的物联网，在物联网的感知控制层，大量的物联网终端的共享需要大量的短距离无线通信技术通过汇集设备与网络传输层交互，而蓝牙技术的特点使得物联网的短距离通信得以较好地实现，因此，蓝牙技术将在物联网中扮演着越来越重要的角色。（1）功耗低。蓝牙技术具有功耗低的特点。蓝牙的链路管理器中有功耗管理功能，可以根据
5、工作状况对功耗进行有效的管理。在不通信时，系统自动进入休眠模式，来降低功耗。典型的蓝牙通信峰值电流一般不超过30 mA，低功耗蓝牙峰值电流不超过15 mA。蓝牙的三种类型的功耗分别为：远距离蓝牙的发射功率为100 mW(20 dBm)，典型蓝牙的发射功率为2.5 mW(4 dBm)，低功耗蓝牙的发射功率为1 mW(0 dBm)。（2）通信速率高。作为一种短距离无线通信技术，蓝牙具有通信速率高的特点。低功耗的蓝牙，其空中的传输速率可达1 Mb/s，实际有效数据传输速率可达200 kb/s以上；高速蓝牙在空中的传输速率可达3 Mb/s，实际有效数据传输速率可达2.1 Mb/s。可见，不论低功耗蓝牙
6、还是高速蓝牙均可实现语音的实时通信，高速蓝牙还可实现视频传输。（3）工作频段不受限制。蓝牙工作在2.4 GHz的ISM波段,而全球大多数国家的ISM频段范围是在2.42.4835GHz,该波段是一种无需许可的工业、科技、医学无线电波段，可以在此波段内可以免费使用无线电频段资源。（4）可靠性高。蓝牙通信采用了扩频技术和多种安全模式，因而具有较高的通信可靠性。蓝牙采用跳频扩谱技术，可以降低受同频干扰的影响，还由于载波频率的不停跳变，使监听设备很难达到载波同步，故而无法侦听。另外，蓝牙还结合了多种纠错技术，提高了数据传输的可靠性。蓝牙网络提供了三种安全模式：模式一，无加密；模式二，应用层加密；模式三
7、，链路层加密。对于最高级别的模式三，它由四个要素组成，即48bit的设备地址BD_ADDR、128 bit的蓝牙链路密钥、8128 bit的不定长加密密钥、128 bit的随机数RAND。同时，蓝牙协议有一套完整的密钥生成机制，确保数据安全。（5）通信距离短。蓝牙通信典型的通信距离为10 m，但它是一种通信距离随功率而变的通信技术，有100 mW、25 mW 和1 mW三个典型的发射功率。当发射功率为100 mW时，其传输距离为100 m；当发射功率为2.5 mW时，其传输距离为10 m；当发射功率为1 mW 时，其传输距离为10 cm。蓝牙通信非常适合不同应用场合的短距离无线通信，尤其适用于
8、物联网的传感器的数据采集。（6）可灵活组网、自动搜索。蓝牙系统支持两种通信模式，即点对点和点对多点的通信模式，形成了两种网络拓扑结构：微微网(Piconet)和散射网络(Scatternet)。在一个 Piconet 中，只有一个主单元(Master)，最多支持7个从单元(Slave)与Master建立通信。Master通过4个不同的跳频序列来识别每一个Slave，并与之通信。若干个Piconet 形成了一个散射网络，如果一个蓝牙设备单元在一个Piconet中是一个Master，而在另一个Piconet 中就可能是一个Slave。几个Piconet可以连接在一起，依靠跳频顺序识别每个Picon
9、et。同一个Piconet的所有用户都与这个跳频顺序同步。其拓扑结构可以被描述为“多Piconet”结构。在一个“多Piconet”结构中，在带有10个全负载的独立的Piconet的情况下，全双工数据速率超过6 Mb/s。蓝牙还采用了Plug&Play（即插即用）技术，任意一个蓝牙设备一旦寻找到另一个蓝牙设备，它们之间就可立即建立联系，无需用户进行任何设置，自动完成搜索、连接功能。（7）成本低廉和技术成熟。蓝牙技术经过十多年的发展，不论是从标准制定、芯片的设计与加工、产品的设计与应用等，都相当成熟。现在的蓝牙模块都采用单芯片集成化，大多数芯片还包含了MCU、Flash和Ram,基本上一个芯片就
10、能完成所有的工作。由于蓝牙设备的使用量大，目前，蓝牙芯片已经降到了1美元以下，而且功能比以前强大得多。它可同时传送语音与数据，实现语音与数据的共路传输。（8）应用范围广。蓝牙作为一种无线数据与语音通信的开放技术标准，以低成本、短距离的无线通信为特点，已广泛应用到了消费电子的各个层面，如移动电话、笔记本电脑、打印机、PDA、个人电脑、传真机、计算机附件（鼠标、键盘、游戏操作杆等）、空调、冰箱、电表等。10.1.2 蓝牙系统的构成及工作原理蓝牙系统的构成及工作原理1.蓝牙系统的构成蓝牙系统可分为蓝牙通信系统模块与蓝牙应用模块两大部分。蓝牙应用模块主要由主机控制器接口、高层协议和应用程序等构成。蓝牙
11、系统结构如图10.1.1所示。图10.1.1 蓝牙系统结构图1）无线射频通信模块无线射频通信模块以无线LAN的IEEE802.11 技术为基础，使用2.4 GHz的ISM全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线，以天线电平为0 dBm的基础上建立空中接口，并遵从美国联邦通信委员会(FFC)有关0 dBm电平的ISM频段标准。该模块的发射功率可达100 mW，系统最大跳频速率为1600跳/秒，在2.4022.480 GHz之间采用了79个间隔为1 MHz的频点来实现。系统设计的通信距离为10 m，如经过增大发射功率，其通信距离可达到100 m。2）基带与链路控制模块基带与链路控制模块的作用是用于基带
12、链路控制器的数字信号处理，并且由基带链路控制器处理基带协议和其他一些低层的常规协议。基带与链路控制模块的主要功能为：建立物理链路以及网络的连接（包括面向连接的同步链路SCO、异步链路 ACL以及微微网）、进行差错控制、在物理层提供验证加密，以保护链接中的个人信息不外露。3）链路管理器链路管理器的主要作用是设计链路的数据设置、鉴权、硬件配置等一些协议，并发现其他蓝牙设备的链路管理，然后通过链路管理协议LMP 建立通信联系。链路管理提供了诸如发送/接收数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商及建立等功能。4）高层协议蓝牙基带协议结合电路交换和分组交换机，适用于语音和数据传输。蓝
13、牙软件构架规范要求从设备支持基本水平的互操作性。蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求，对某些设备，涉及无线模块、空中协议以及应用层协议和对象交换格式。蓝牙设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件，以支持设备更高层次的性能。5）主机控制器与主机控制器接口主机控制器提供了与蓝牙应用模块的控制接口，包括数据总线、控制总线等。主机控制器接口是与蓝牙通信相结合的中间环节，两者相互配合，共同完成蓝牙通信与应用。2.蓝牙通信原理蓝牙通信的工作频段在2.42.4835 GHz的开放频段上，采用跳频(HF)技术，以实现抗干扰和抑制信号衰减。蓝牙的射频电路采用专用芯片来完成，以实现跳频和时分多址(TDMA)。蓝
14、牙通信协议的大部分内容可以用专用集成电路和软件来实现，因此从技术上保证了蓝牙设备的高性能和低成本。一般蓝牙芯片都支持UART、RS-232、USB、SPI、I2C中的两种以上接口，可方便地连接主处理器，由主处理器通过它们控制蓝牙芯片的软件（协议）模块实现所需要的功能。在蓝牙的工作过程中，天线单元和链路控制器完成了前面的基本工作,包括物理信道、物理链接、数据分组和纠错；链路管理模块则完成了蓝牙网络的工作流程，包括信道控制、跳频选择、安全管理等。蓝牙的通信由主设备发起，从设备参与，以组成网络。一般一个微微网中只有一个主设备，但一个主设备可以从属于多个微微网。两个微微网中间存在一个桥路节点，使得两个
15、网络可以互访，互访时则组成了散射网。目前散射网的应用还非常少，一般的蓝牙网络都是微微网。1）物理信道蓝牙通信的工作频带为2.42.4835 GHz，带宽为83.5 MHz。欧美国家将83.5 MHz分为79个跳频点，采用伪随机码序列进行跳频选择，跳频的伪随机码由主设备来决定。蓝牙的信道被划分成625 s的时间片（时隙），时隙由主设备单元确定，跳频的间隔与时隙相吻合，因此，最大跳频速率为1600跳/s(1/625106)。主从设备在不同的时隙里传输数据。在数据传输中，最大的数据分组可以允许占用5个时隙，此期间不改变通信频率，以提高数据通信效率。标准蓝牙通信的速率是1 Mb/s，采用FSK调制，正
16、频偏代表1，负频偏代表0，频偏范围在140175 kHz之间。一个蓝牙跳频序列长度为2271，即一个跳频序列周期长达近24小时。如果没有加入微微网的蓝牙设备，想通过截获某一段时间的通信信号还原跳频序列基本是不可能的，因此，蓝牙通信有着非常高的安全性。2）蓝牙设备的地址蓝牙设备地址BD_ADDR(Bluetooth Device Address)由48 bit组成，分成3个部分：低24 bit为LAP，中间8 bit为UAP，高16 bit为NAP。NAP和UAP由SIG的蓝牙地址管理机构分配给蓝牙设备生产厂家，而LAP则由蓝牙设备厂家自己定义，除保留地址0 x9E8B000 x9E8B3F不可
17、用外，其他地址都可以使用。3）蓝牙物理链路蓝牙提供了两种链接通信模式：同步定向链接(Synchronous Connection Oriented,SCO)和异步链接(Asynchronous Connection Less,ACL)。SCO链接是在主设备表与指定的从设备之间实现点到点的同步连接。SCO链接方式采用保留时隙来传输分组，因此该方式可看做是在主从设备之间实现电路交换连接。SCO 链接主要用于支持类似于如语音这类实时性要求较高的信息。从主设备方面看，它可以支持多达3路的从设备的SCO链接。对于从设备而言，针对同一主设备它可以支持多达3路的SCO 链接。在SCO链接不保留的时隙里，主设
18、备可以与任何属于每个时隙基里的从设备进行分组交换。ACL 链接提供在主设备与所有在微微网中活动从设备的分组交换链接，异步和等时两种服务方式均可采用。在主-从之间，仅是单个ACL链接存在时，对大多数ACL分组来说，分组重传是为确保数据的完整性而设立的。在从-主时隙里，当且仅当先前的主-从时隙已被编址，从单元允许返回一个ACL 分组。如果在分组头的从单元地址解码失败，它就不允许被传输。ACL分组未编址作为广播分组的指定从设备且各从设备可读分组。如果在ACL链接上没有传输数据及没有轮询申请，那么在ACL链接上就不存在传输过程。SCO链接一般用于语音数据传输，数据不进行校验。大部分情况下，蓝牙采用AC
19、L链接，包括链路的建立、协议握手、用户数据传输等。4）蓝牙基带分组蓝牙基带数据传输是通过分组的方式实现的。蓝牙的链路层根据不同阶段和不同的通信方式将信息进行分组，大部分的分组在一个时隙内完成，只有在有效的数据传输时，为了提高传输效率，才会出现一个分组占用多个时隙的情况。最大的分组可占用5个时隙，每个分组数据包括接入码、分组头、有效信息几部分。接入码(Access Code)是分组信息的起始部分，由4 bit引导码、64 bit同步字和4 bit尾码组成，包括信道接入码、设备接入码、查询接入码三种。在微微网中，不同接入码与分组类别组合决定一类操作。接入码的构成如表10.1.1所示。CAC信道接入
20、码：用于标识一个微微网。主设备地址的低24 bit作为同步字。DAC设备接入码：仅用于呼叫或呼叫响应。从设备地址的低24 bit形成同步字。GIAC和DIAC接入码：用于查询与查询扫描。蓝牙协议预留地址的低24 bit形成同步字。SIG预留了64个LAP地址0X9E8B000X9E8B3F用于查询操作，其中0X9E8B33为GIAC，其他的都是DIAC。分组头信息由18 bit组成，包括3bit活动成员地址、4 bit类别码（分组类别码的构成与含义如表10.1.2所示）、1 bit流控制、1 bit应答指示、1 bit序列控制、8 bit头校验码。分组头采用1/3比例前向纠错编码（3重冗余编码
21、）。实际分组头包含了54 bit。同样，类型码根据采用的链接是SCO还是ACL具有不同的意义，它明确了该数据分组所执行的操作意义和传输该分组所占用的时隙。活动成员地址AM_ADDR为3 bit。其中，00为广播地址，001111为活动成员地址，也就是说在一个微微网中只能有7个活动成员存在。一个微微网可以有成百上千的成员同时存在，而非活动成员则处于休眠状态。当主设备要与该成员通信时，该成员有一个预分配的活动成员地址，主设备需要先使活动成员休眠，然后再唤醒该休眠成员进行通信。流控制FLOW为1 bit，用于当接收端的接收缓冲区满时请求发送方暂停ACL数据传输。流控制只对于ACL数据传输有效，对于S
22、CO链接或ACL的非数据传输分组无效。应答指示ARQN为1 bit，用于自动请求重发，接收方向发送方应答上一分组数据是否正确接收，若上一分组数据正确接收，则返回ACK，否则返回NACK，要求发送方重发上一分组数据。序列控制SEQN为1 bit，用于防止分组重传，配合ARQN使用。重传时，保留原序号，传新的分组数据时，采用新的序号。当接收设备已经收到正确分组数据，而又接收到该同样的分组数据时，丢弃该分组数据，回应ACK。5）蓝牙基带纠错机制蓝牙基带提供了三种纠错方式：第一种为1/3比例前向纠错，即3倍冗余方式，每个bit连续3次；第二种为2/3比例前向纠错，采用(15，10)海明码的冗余纠错方式
23、，在15 bit 传输信息中，包含10 bit有效数据，并可纠正1 bit错和检查2 bit错；第三种，对数据的自动请求重传，传输应答模式，也是一种前向纠错方式。一般有效数据域应采用CRC校验，当接收方接收正确时，给予正确应答，否则给予错误应答或不应答，发送端重传该数据。6）蓝牙设备接入过程在微微网中，蓝牙设备具有联机状态和待机状态2个主要工作状态。蓝牙设备默认的工作状态为待机状态。在这两个主要状态中间还有7个中间状态，它们是查询、查询扫描、查询响应、呼叫、呼叫扫描、主设备响应、从设备响应。当一个蓝牙设备进入一个微微网前，微微网的主设备是不知道该设备已经进入微微网，因此就需要一个设备查询过程，
24、查询是否有设备进入。对于主设备，如果希望发现其他设备进入，就进入查询状态；而对于新进入的设备，则进入查询扫描状态。进入查询状态的主设备，按通用查询设备接入码(GIAC)或专用查询设备接入码(DIAC)产生的分组信息进行查询。在查询过程中，主设备只用了其中的32个频率，而没有使用全部的79个频率去查询，而且这些频率分成了A、B两组，每组序列有16个频点，即16个时隙（时间长度为10 ms）。主设备对每组序列至少连续执行256次，然后切换另一组序列，这样一组查询序列切换至少3次，也就是说查询过程需要持续10.24 s，以便更容易被查询设备捕捉到。对于被查询设备，它需进入查询扫描状态，去侦听查询信息
25、，查询扫描每次在一个频点上进行侦听，查询扫描窗口大于16个时隙，即10 ms，这样可保证如果主设备的一个查询跳频序列中正好有一个频点是查询扫描频点，从而捕捉到查询信息，并与时钟同步，然后由被查询的从设备进行查询响应。该响应是一个FHS分组，包含主设备地址、呼叫扫描间隔和呼叫扫描周期。主设备即可根据这个返回信息对它进行呼叫，召唤其入网。查询过程如图10.1.2所示。图10.1.2 设备查询过程当主设备发现了从设备后，并不会立即建立起微微网。要将该从设备加入微微网中，还需一个呼叫过程。呼叫过程与方法基本同查询过程类似，只是呼叫信息中包含从设备的设备接入码(DAC)，使用从设备的地址产生跳频序列，且
26、呼叫状态也只使用32个频点而不是全部的79个频点。主设备的呼叫按从设备的地址发送ID分组，该分组只有68 bit，按1 MHz的通信速率计算，只需68 s。为了提高呼叫速度，呼叫过程将原来每秒1600跳改成了3200跳，这样被扫描设备只需要16个时隙就保证监测到32频点的某一个频点。从设备会间歇地进入呼叫扫描状态。间歇时间与查询时返回给主设备的FHS分组参数的扫描间隔SR和扫描周期SP有关。在此状态下，它在一个频率上侦听，根据SR值，该侦听频点每1、128、256个呼叫序列（即10 ms、1.28 s、2.56 s)变换一次。呼叫扫描窗口也大于16个时隙。当从设备被呼叫成功时，它根据监测到的频
27、点在一个时隙间隔后以自己的ID分组应答主设备。在下一个时隙，主设备发送FHS分组，将自己的地址和时钟通知给从设备，从设备按主设备地址产生的跳频序列进行同步，这样就完成了一个从设备加入微微网的基本过程。主从设备的呼叫应答过程如图10.1.3所示。图10.1.3 主从设备的呼叫应答过程10.1.3 蓝牙协议体系蓝牙协议体系在蓝牙系统中，蓝牙协议体系是其核心的内容，它由不同的协议构成。蓝牙协议体系采用分层化的结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、链接的建立和释放、链路控制、数据拆装、业务质量(QoS)、协议的复用和分段重组等功能。1.蓝牙协议栈蓝牙规范的核心部分是协议栈。协议栈允许设备
28、定位、互相连接并彼此交换数据，从而在蓝牙设备之间实现互操作性的交互式应用。在设计协议栈（特别是高层协议）时的原则就是最大限度地重复使用现存的协议，而且尽管不同的协议栈对应不同的应用，其高层应用协议（协议栈的垂直层）也都使用公共的物理层和数据链路层。蓝牙技术的一个主要目的是使符合该规范的各种设备能够互通，这就要求本地设备和远端设备使用相同的协议。监牙协议体系结构如图10.1.4所示，明确地表述了数据经过无线传输时，所有协议之间的相互关系。图10.1.4 蓝牙协议体系结构蓝牙协议体系可以分为四层，分别为核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和选用协议层，每一层还包含一些具体的协议，具体如下：核
29、心协议层：包含基带、链路管理协议(LMP)、适配协议和逻辑链路控制应用协议(L2CAP)、服务搜索协议(SDP)。替代电缆协议层：包含串行电路仿真协议(RFCOMM)。电话控制协议层：包含二元电话控制规范(TCS Binary)与 AT-命令(AT-Command)。选用协议层：包含点到点协议(PPP)、用户数据报、传输控制协议、互联网协议(UDP、TCP/IP)、目标交换协议(OBEX)、无线应用协议(WAP)、无线应用环境(WAF)、vCard、vCal、红外移动通信(IrMC)。除了上述协议层外，蓝牙规范还定义了主机控制器接口(HCI)，它为基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄
30、存器等提供命令接口。在图10.1.4中，HCI层位于L2CAP之下，但是它也可以位于L2CAP 之上。在蓝牙协议栈中，不是所有的应用都必须使用全部协议，可以只采用部分纵向协议，利用特殊的服务来支持主要应用。协议还可以有其他的相互关系，在某些应用中这种关系是有变化的。例如，当需控制链路管理器时，可使用逻辑链路控制应用协议、二元电话控制规范或链路管理协议。这些协议又可以分为蓝牙专有协议和非专有协议，这样区分的目的主要是在蓝牙专有协议的基础上，尽可能地采用和借鉴现有的各种高层协议（也就是非专有协议），使得现有的各种应用能移植到蓝牙上来，如 UDP/TCP/IP等。蓝牙核心协议都是蓝牙无线技术的专有协
31、议，是由蓝牙SIG开发出来的；而RFCOMM和TCS Binary 协议也是是SIG开发的，但是它们分别在现存的ETSIRTS 07.10和ITU Recomm-endation Q.931协议的基础上制定的。2.蓝牙核心协议蓝牙的核心协议由基带、链路管理、逻辑链路控制与适应协议和服务发现协议等四部分组成。从应用的角度看，射频、基带和LMP可以归为蓝牙的低层协议，它们对应用而言是十分透明的。3.替代电缆协议和电话控制协议蓝牙通信的目标是替代电缆，支持串行通信及其相关应用是电缆替代使用模型的重要特征。为了便于蓝牙无线链路在串行通信中的使用，蓝牙协议栈定义了被称为替代电缆协议(RFCOMM)的串口
32、仿真协议。RFCOMM表示的是一个虚拟串口，其应用类似于标准的有线串口所能实现的应用。例如，同步、拨号上网及其他不需要做重大改动的应用。因此，RFCOMM协议的内容就是使那些遗留的、基于串口的应用使用蓝牙传输方式。RFCOMM 是基于欧洲电信联盟技术标准ETSIRTS 07.10规范的串口仿真协议。此标准还用于GSM通信设备，并定义了在一条串行链路上的多路复用串行通信。RFCOMM协议在L2CAP协议的基础上提供了RS-232C串口仿真。这个“替代电缆”的协议在蓝牙基带协议上仿真了RS-232C控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议(如OBEX)提供服务。RFCOMM 提供的串口功能使
33、之成为协议栈的重要组成部分。电话控制协议(TCS)包括二进制电话控制(TCS BIN)协议和一套电话控制命令(AT Commands)。其中，TCS BIN定义了在蓝牙设备间建立语音和数据呼叫所需的呼叫控制信令；AT Commands则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它由蓝牙SIG组在ITU-TQ931的基础上开发而成。蓝牙无线通信的一个主要特点就是既能传输数据通信信号，又能传输语音信号。蓝牙电话控制协议(TCS)的设计支持电话功能，包括呼叫控制和分组管理，这些操作通常与语音呼叫有关，呼叫的参数就是使用TCS建立的；一旦呼叫建立成功，蓝牙音频信道就能运载呼叫的语音内容
34、。TCS同样可以用来建立数据呼叫，以拨号上网的应用模板为例，呼叫的内容在L2CAP上以标准数据包的形式运载。TCS 协议与ITUT Q931规范一致。因为它们都使用的是二进制的编码，这些协议在规范里也被称为二元电话控制协议。二元电话控制协议是面向比特的协议，它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，还定义了处理蓝牙 TCS设备群的移动管理进程。4.可选协议可选协议主要包括PPP（点对点协议）、UDP/TCP/IP、OBEX（对象交换协议）、vCard（电子名片交换格式）、vCal（电子日历及日程交换格式）、WAP（无线应用协议）和WAE（无线应用环境）协议。10.1.4 蓝牙的物联网应用
35、案例蓝牙的物联网应用案例智慧农业是物联网的重要应用领域。采用蓝牙技术对农业大棚内的环境参数进行实时采集、传输和处理是实现智慧农业的关键技术之一。以下以蓝牙技术在智慧农业中的应用为例来说明蓝牙应用系统的设计与实现。1.目标与系统结构设计并实现一个农业大棚环境数据采集系统，将采集的环境数据通过蓝牙数据传输系统传输到近端的智慧农业汇集器中，再由汇集器将数据传送到远端的智慧农业信息平台中，以实现农业大棚的生产与管理的自动化。该系统总体结构如图10.1.5所示。采集的数据为：空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、土壤PH 值和光照强度等农业环境参数。图10.1.5 智慧农业信息系统整个系统分为蓝牙数据采集
36、系统和智慧农业信息平台两大部分。蓝牙数据采集系统将农业大棚内的空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、土壤PH 值和光照强度等农业环境参数通过一个传感器组采集后，经无线信道传送给汇集器。汇集器与互联网相连接，并把所采集到的信息通过互联网发送到智慧农业信息平台，平台将处理后的信息通过互联网或移动通信等方式传送给农户或直接反馈到汇集器来控制相关的农业生产。2.蓝牙数据采集系统的设计与实现蓝牙数据采集系统的硬件由传感器组模块、微处理器模块、蓝牙通信模块及液晶显示模块四部分组成，其硬件系统如图10.1.6所示。图10.1.6 蓝牙数据采集系统硬件结构1）传感器组模块传感器组模块主要由温湿度、CO2浓度、酸
37、碱度、光照强度等传感器及A/D转换电路组成。其功能是完成各种模拟量的采集，并把所采集的模拟量转换为数字量供微处理器数据处理和通信处理。该模块也可采用集成度较高的专用A/D转换模块及配置各种模拟量传感器来实现该功能。例如，可采用美国达拉斯（Dallas)公司生产的DS18Bxx系列模块来实现湿度等数据的采集功能。2）微处理器(MCU)模块微处理器(MCU)模块是整个数据采集系统的核心，主要完成传感器组模块数据采集的控制、数据处理，完成对蓝牙模块的控制及通信处理，以及完成液晶显示器的显示控制与处理等功能。该模块可以采用低功耗的单片机及其外围电路来实现。3）蓝牙通信模块蓝牙通信模块主要完成近距离无线
38、通信功能，可采用专用的蓝牙芯片来完成无线通信功能。例如，C-06蓝牙串口透明传输模块采用英国剑桥硅无线（CSR）公司的BlueCore4-External 蓝牙芯片来实现无线传输功能。4）液晶显示模块液晶显示模块用于显示当地采集的数据，主要是为了当地农户工作方便而设计的。该模块受微处理器的控制。当需要显示时，可操作微处理器上的显示按钮来激活液晶显示模块，并通过微处理器上的控制显示功能按钮来浏览所采集的实时数据和部分历史数据。10.2 红外通信技术红外通信技术红外线(Infrared)是一种波长范围在750 nm1 mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人眼看不到的光线。任何物体
39、，只要其温度高于绝对零度(273)，就会向四周辐射红外线。物体温度越高，红外辐射的强度就越大。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，即采用波长在0.7525 m之间的电磁波进行无线通信。1993年成立的红外数据协会(Infrared Data Association，IrDA)，为了保证不同厂商生产的红外产品能够获得最佳的通信效果，制定的红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850900 nm之间。红外通信具有以下特点：（1）由于该通信方式是通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转化实现无线通信的，并且同时由于采用定向传输，这使得墙壁或其他不透明的物体对红外信号得以隔离，因此，红
40、外通信具有极强的保密性。（2）由于光是定性传播的，因此，避免了常规无线电波之间的相互干扰。（3）由于它的波长较短，频率较高，因此其带宽较宽，可以承载高速数据的传输。（4）红外通信设备结构简单、成本低、耗电少，能进行高速数据通信。（5）由于红外线的数据传输基本上采用强度调制，红外接收器只需检测光信号的强度便可完成信号的解调，因此红外通信设备比无线电波通信设备便宜、简单得多。依靠低成本的红外发射器与接收器就能进行高速数据通信。10.2.1 红外通信的基本原理红外通信的基本原理红外通信与无线数据通信一样，不同的是传输介质由无线电波换为红外线。通信系统由发射器部分、信道部分和接收器部分组成。发射器部分
41、包括红外发射器和编码控制器,接收部分包括红外探测器和解码控制器。由于红外通信系统一般采用双向通信方式，所以在红外通信系统中把红外发射器与红外探测器合为一个红外收发器。与之对应，编码控制器和解码控制器合为红外编/解码控制器，简称为红外控制器。信道部分是指红外通信中光线传输的方式。因此，红外通信系统即由红外收发器、红外控制器和信道组成，如图10.2.1 所示。图10.2.1 红外通信系统结构由于红外通信系统是靠红外线来传输数据的，所以根据红外线的传输路径及红外收发器的位置可将红外通信方式分为四类，即窄视方式(Narrow Line of Sight,NLOS)、宽视方式(Wide LOS,WLOS
42、)、散射方式(Diffuse)、跟踪方式(Tracked)，如图10.2.2所示。以上四种方式中，相同的通信距离下发射光强由弱到强排列顺序为：散射方式、宽视方式、窄视方式或跟踪方式。根据接收红外信号方式的不同，红外通信还可以分为直射方式和反射方式，如图10.2.3所示。图10.2.2 红外通信的四种方式图10.2.3 直射与发射方式红外通信根据通信速率的不同可分为：低速模式(Serial Infrared,SIR)，通信速率小于115.2 kb/s；中速模式(Medium Speed Infrared,MIR),通信速率为0.5671.152 Mb/s；高速模式(Fast Speed Infr
43、ared，FIR)，通信速率为4 Mb/s；超高速模式(Very Fast Speed Infrared，VFIR),通信速率为16 Mb/s。红外收发器实现了红外脉冲信号的产生和探测，它需要满足规范要求和合适的通信光波长。红外发射管由不同比率的混合物制造而成，混合物由Al、Ga、In三种元素和P、As混合而成。采用这些混合物制造的红外发射管的发射波长为8001000 nm。红外探测器中一般带有GaAs或InP的带通滤波器，能够在一定程度上消除其他波长光线的影响，半球形滤波器比平面滤波器的接收能量提高3 dB。10.2.2 红外通信标准与协议红外通信标准与协议红外通信作为一种成熟的通信技术，目
44、前已经形成了标准和应用协议。红外数据委员会(IrDA)作为一个工业机构间的协作组织，于1993年由惠普（HP）、康柏（Compaq)、英特尔(Intel)等公司发起成立，旨在建立开放的红外通信标准。以下简要地介绍红外通信的相关标准与协议。1.红外标准红外标准主要分为IrDA Data和IrDA Control两种类型。其中IrDA Data 主要用于与其他设备交换数据；IrDA Control 则主要用于与人机接口设备（如键盘、鼠标器等）通信。IrDA Data 的传输距离为0.21 m，传输速度为9600 b/s16 Mb/s。IrDA Control 的传输距离为8 m，传输速度为75 k
45、b/s。以下主要介绍IrDA Data。IrDA1.0于1994年发表，简称为SIR(Serial Infrared），是一种非同步、半双工红外通信方式。SIR的实现基于UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置)，是在计算机的UART上扩展红外线编/译码器和红外收发器而形成的。SIR的传输速率取决于UART，最高传输速率受到UART的限制，最高为115.2 kb/s，发射接收角度为30。由于SIR基于 UART，因而具有较低的成本。在SIR之后，IrDA于1996年发布了IrDA1.1，即 FIR(Fast Inf
46、rared)。FIR不再基于UART，而是直接连接计算机总线，它的性能也就不受制于UART的性能了。FIR的数据传输速率最高为4 Mb/s。FIR仍然支持SIR的传输模式，与SIR向下兼容，当FIR设备与SIR设备通信时，使用SIR的速率和调制模式。只有通信双方都支持FIR的4 Mb/s 速率时，才将通信速率设定为4 Mb/s。2001年IrDA发布了最高通信速率为16 Mb/s 的VFIR(Very Fast Infrared)标准。VFIR设备兼容SIR和FIR设备。AIR(Advanced Infrared)是IrDA 针对蓝牙技术的竞争发布的一个多点连接红外线规范，它的优点是其传输距离
47、和发射接收角度的改进，即在4 Mb/s通信速率下其传输距离可以达到4 m，在更低的速率下传输距离可以达到8 m；AIR规范的发射接收角度为120。更重要的是它支持多点连接，其他的IrDA规范都只支持点对点连接。由于红外接口主要用于便携设备，这类设备通常对功耗要求很高，为了降低设备的功耗，IrDA发布了低功耗的IrDA1.2和IrDA1.3，这样缩短了传输距离，传输距离为0.20.3 m。这两个标准分别是SIR和FIR的低功耗版本。IrDA的各版本标准如表10.2.1所示。2.IrDA 协议IrDA发表了一系列的红外通信协议，这些协议在应用上可以分为两类，即强制性的低层协议和可选择的高层协议。1
48、）IrDA 协议结构强制性的低层协议包括物理层连接协议(Infrared Physical Layer Link Specification，IrPHY)、链路层访问协议(Infrared Link Access Protocol，IrLAP)和链路管理层协议(Infrared Link Management Protocol，IrLMP)。在 IrLMP 层之上，针对特定的红外传输应用，IrDA发布了多个高层协议，包括Tiny TP(Tiny Transport Protocol)、IrOBEX(Infrared Object Exchange，红外目标交换协议)、IrCOMM（红外虚拟串行
49、口协议）、IrLAN（红外局域网协议）、IrTran-P（Infrared Transfer Picture Protocol，红外图片传输协议）等。这些协议的层次结构如图10.2.4。图10.2.4 IrDA协议的层次结构2）IrDA 低层协议IrDA 的低层协议包括IrDA协议结构的下三层。其中IrPHY主要由硬件实现，包括SIR、FIR、VFIR 等。IrPHY提供了红外设备的连接规范，涵盖了红外收发器、数据比特的编码和解码、传输距离、传输视角（接收器和发射器之间红外传输方向上的角度偏差）、发光功率、抗噪声干扰等方面，以保证不同种类不同品牌设备之间的物理互连；实现了传输距离为01 m、传
50、输视角为015的无错通信和在环境光及其他红外光干扰下的成功通信。发射器的发光强度和接收器的检测灵敏度规范保证在01 m内链路能正常工作，接收灵敏度还保证了最小强度的发射光在1 m处能被感知，而最大强度的发射光在0 m处也不会使光接收器过饱和。红外发射器、接收器均与标准异步通信收发器相连，最大接入速率达到115.2 kb/s。信道误码率为109。IrDA1.0版本IrPHY的帧结构如图10.2.5所示。图10.2.5 IrPHY的帧结构起始标志与终止标志均为011111100，地址字段为8位地址信息，数据段为2048字节的传输数据，校验字段采用16位的CRC校验。IrLAP是在广域网中广泛使用的
