1、蓝牙技术简介蓝牙技术简介上讲回顾上讲回顾 掌握传感器的作用及定义 掌握传感器的工作原理 掌握无线传感器网络的定义及应用 了解无线传感器网络的关键技术23本讲提纲本讲提纲 无线网络协议对比 蓝牙技术的简介 蓝牙的通信连接过程 蓝牙网络的应用4无线传感器网络的定义无线传感器网络的定义服务器服务器用户用户WSN（Wireless Sensor Network）：一）：一种新型的无基础设施网络，它综合了种新型的无基础设施网络，它综合了传感器传感器技术、嵌入式处理技术、现代网络以及无线技术、嵌入式处理技术、现代网络以及无线通信技术通信技术等，能够通过各个等，能够通过各个传感器节点传感器节点进行进行实时监
2、测、感知和采集实时监测、感知和采集各种现场信息。它的各种现场信息。它的节点是传感器这种特殊的嵌入式设备，它们节点是传感器这种特殊的嵌入式设备，它们静态地随机分布于某一区域。静态地随机分布于某一区域。监测区域监测区域传感器节点传感器节点有线或无线网络有线或无线网络有线或无线网络有线或无线网络ZigBee等等网关网关无线传感器网络特性无线传感器网络特性 无线传感器网络特性Sensor node: 缓存小缓存小CPU计算速度慢计算速度慢无线通信传输无线通信传输电池耗电电池耗电可能具备定位功能可能具备定位功能Sink node传感器网络的控制中心，能够收集传感器网络的控制中心，能够收集 sensor
3、node的所有数据。的所有数据。101001,00010,000101001,00010,000100,000速速率率kbpsGSM802.11a/gGPRSEDGE20002003-42005Bluetooth3GHiperLAN/2Bluetooth 2.0距距离离（米）米）802.11bZigBeeWiMediaBluetooth 1.5常用的无线技术常用的无线技术2.4GHz ISM 2.4GHz ISM 频段频段 ISMISM频段：频段：Industry Science and Medical BandIndustry Science and Medical Band （工业、科学、
4、医学）工业、科学、医学）常用的短距离无线技术比较常用的短距离无线技术比较8蓝牙概述蓝牙概述9什么是蓝牙技术什么是蓝牙技术 蓝牙技术采用高速跳频扩展技术FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）,跳频速率为每秒1600次，每次传送一个封包，封包大小从126bit-2871bit皆可，而且其封包内容可以是包含数据或语音等不同的资料。资料封包可借助自动重送（ARQ）机制来加以保护，而声音封包因采用CVSD（连续可调变斜面三角器波形编码）方式编码而可以不在重送以增加效率。其设备采用的是GFSK调制技术，其最高传输速率为1Mbps，实际数据有效速率为721Kbps，话
5、音采用连续可变斜率调制CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation 连续可变斜率调制）编码方式，CVSD方式抗干扰能力很强，即使在误码率达到4%时仍然有可以接受的话音质量。10蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点 蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接，其特点如下：蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点很好的抗干扰很好的抗干扰能力和安全性能力和安全性可建立临时可建立临时对等连接对等连接全球范围全球范围适用适用同时传输同时传输语音数据语音数据近距离通信近距离通信功耗低功耗低体积小体积小蓝牙技术蓝
6、牙技术特点特点l蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz。l蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。l主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。l蓝牙采用了跳频（FrequencyHopping）方式来扩展频谱，抵抗来自这些设备的干扰。l提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。l蓝牙设备在通信连（Connection）状态下，有四种工作模式：激活（Active）模式，呼吸（Sniff）模式保持
7、（Hold）模式，休眠（Park）模式，Active 模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。 l蓝牙技术通信距离为10m,可根据需要扩展至100m，以满足不同设备的需要。蓝牙系统的组成蓝牙系统的组成系统组成系统组成描述了链路控制器，实现描述了链路控制器，实现了基带协议和其他的底层了基带协议和其他的底层连接规程连接规程- 媒体接入控制媒体接入控制(MAC)-差错控制差错控制-认证与加密认证与加密链路管理器（链路管理器（LM）软件实现）软件实现链路的建立认证及链路配置等链路的建立认证及链路配置等-通过连接管理协议（通过连接管理协议（LMP）建立通信联系。建立通信联系。-
8、LM 利用链路控制器（利用链路控制器（LC）提供的服务实现上述功能。提供的服务实现上述功能。天线发射功率符合天线发射功率符合 FCC 关于关于 ISM 波段的要求波段的要求。 -发射功率：发射功率：100mW-跳频速率：跳频速率：1600 跳跳/秒秒蓝牙规范是为个人区域内的蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包无线通信制定的协议，它包括两部分：括两部分： 核心（核心（Core）部分部分和和协议子集（协议子集（Profile）部分。协议栈仍采用分层结部分。协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤构，分别完成数据流的过滤和传输和传输,跳频和数据帧传输跳频和数据帧传输,连接的建立和释放连
9、接的建立和释放,链路的链路的控制控制,数据的拆装等功能。数据的拆装等功能。蓝牙系统的技术特点蓝牙系统的技术特点工作在工作在2.45GHz频段频段射频特性射频特性收发机配置符合收发机配置符合IEEE 802标准标准48位地址位地址数据频率为数据频率为1Mbs使用扩频和跳频技术，噪音环境也能工作使用扩频和跳频技术，噪音环境也能工作工作范围约工作范围约10m，可加至，可加至100m蓝牙标准的发展蓝牙标准的发展 V1.1(1991年年)V1.2 V2.1(2004年年)V2.2 V3.0(2009年年) V4.0(2010年年)16蓝牙蓝牙4.0V1.1(1998年年)为最早期版本，传输率约在为最早期
10、版本，传输率约在748810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率，因是早期设计，容易受到同频率的产品干扰下影响通讯质量的产品干扰下影响通讯质量V2.1(2004年年)改善了装置配对流程，短距离的配对方面，具备了在两个支持蓝牙的手机设改善了装置配对流程，短距离的配对方面，具备了在两个支持蓝牙的手机设备之间互相进行配对与通讯传输的备之间互相进行配对与通讯传输的NFC机制，具备更佳的省电效果机制，具备更佳的省电效果V3.0(2009年年)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。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。传输速率更高，功耗更低。传输速
11、率更高，功耗更低。V4.0(2010年年)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。蓝牙包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。蓝牙4.0的改进之处主要体现在三个方面：电池续航时间、节能和设备种类。有的改进之处主要体现在三个方面：电池续航时间、节能和设备种类。有效传输距离最大达到效传输距离最大达到100m17 蓝牙蓝牙4.0设备种类设备种类 2.4G蓝牙低功耗系统蓝牙低功耗系统 消费类电子产品消费类电子产品 移动电话外围扩展设备移动电话外围扩展设备 运动和休闲设备运动和休闲设备 健康医疗用品健康医疗用品(血压计、体温计血压计、体温计.) 汽车电子设备汽
12、车电子设备 人机接口设备人机接口设备(键盘、鼠标、遥控器键盘、鼠标、遥控器) USB Dongle蓝牙蓝牙4.0设备种类设备种类 信道数：79 个 （0-78） 范围：2.402GHz - 2.480GHz 信道间隔：1MHzGeographyRegulatoryRangeRFChannelEurope/USA/Japan 24002483.5MHzf=2402+kMHz,k=0,78France2446.52483.5MHz f=2454+kMHz,k=0,22蓝牙的频道划分蓝牙的频道划分蓝牙建立通信的过程蓝牙建立通信的过程 蓝牙系统有三种主要状态：待机状态，连接状态和节能状态。从待机状态向
13、连接状态转变的过程中，有7个子状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主响应、从相应、查询相应。蓝牙建立通信的过程蓝牙建立通信的过程Standby(Standby(缺省缺省) )Inquiry(Inquiry(查询查询) )( (unknown addressunknown address) )Page(Page(寻呼寻呼) )( (known addressknown address) )ConnectionConnection. .Active power(Active power(活动活动) ) Sniff( Sniff(呼吸呼吸) ) Hold( Hold(保持保持) ) Park( P
14、ark(休眠休眠) ) Standby Standby 等待加入一个微微网。等待加入一个微微网。 InquiryInquiry 邀请周围的无线连接。邀请周围的无线连接。 PagePage 连接一个明确的无线链路。连接一个明确的无线链路。 ConnectedConnected 加入一个皮网加入一个皮网( (主设备或主设备或者从设备者从设备) )masterf9inquiry stateInquiry scan stateWait random timeSends 48 bits address，clkFHS packet:f9slaveSlave hosts 48-bit Bluetooth a
15、ddressFunction FHopping sequence3, 56,7,23,44,page scan state蓝牙建立通信的过程蓝牙建立通信的过程masterPage statePagescanstate(1) 48-bit address(2) Clock offset(3) AMA(Active Member address)=001slaveFHS packet(1)48-bit address of masterFunction FHoppingsequenceofmasterandslave7,36,22,28,55,蓝牙建立通信的过程蓝牙建立通信的过程蓝牙数据包的格式蓝
16、牙数据包的格式接入码接入码包头包头内容内容72b54b0-2745bPREAMBLESYNC WORDTRAILER464434246LSBMSB BCH LAP BRK接入码接入码蓝牙数据包的格式蓝牙数据包的格式包头包头AM_ADDRHEC318AM_ADDRTYPEFLOWARQNslave active member addresspayload typeLC flow controlACK/NAKparameterinformationFLOW1ARQN1SEQN TYPE4SEQNretransmit orderingHECheader error check蓝牙数据包的格式蓝牙数据
17、包的格式微微网（皮网）微微网（皮网）MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlave一个微微网可由一个微微网可由8 8个蓝牙设备组成。个蓝牙设备组成。在同一个微微网中，主设备为所有的在同一个微微网中，主设备为所有的设备提供时钟和跳频同步序列。设备提供时钟和跳频同步序列。在同一个微微网中，所有的设备有同在同一个微微网中，所有的设备有同样的跳频序列。样的跳频序列。1 1台主设备和台主设备和1 1台以上从设备构成的网络称为微网（皮克网）（台以上从设备构成的网络称为微网（皮克网）（PiconetPiconet）。）。一个蓝牙单元作为微网的主单元，其余的可作为从单元看待
18、。在一个微网一个蓝牙单元作为微网的主单元，其余的可作为从单元看待。在一个微网中最多可有七个活动从单元。另外，更多的从单元被锁定在休眠状态中。中最多可有七个活动从单元。另外，更多的从单元被锁定在休眠状态中。这些处于休眠状态的从单元在该信道中不能被激活，但对主单元来讲它们这些处于休眠状态的从单元在该信道中不能被激活，但对主单元来讲它们仍由主单元同步。无论对激活或休眠状态来讲，信道访问都由主单元控制仍由主单元同步。无论对激活或休眠状态来讲，信道访问都由主单元控制分散网分散网MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveMaster两个或更多的微微网在重叠的区两个或
19、更多的微微网在重叠的区域可以建立特殊的呼叫。域可以建立特殊的呼叫。具有重叠复盖域的微网之间存在设备间的通信，形成一个扩散网络（具有重叠复盖域的微网之间存在设备间的通信，形成一个扩散网络（ ScatternetScatternet）结构。每个微网只能具有一个单独主单元，然而从单元可分）结构。每个微网只能具有一个单独主单元，然而从单元可分享基于时分多址的不同微网。另外，在一个微网中主单元可视为另一个微享基于时分多址的不同微网。另外，在一个微网中主单元可视为另一个微网的从单元。且各微网间不再是以时间或频率同步，各微网有自己的跳频网的从单元。且各微网间不再是以时间或频率同步，各微网有自己的跳频信道。信
20、道。微微网的应用（一拖七）微微网的应用（一拖七）蓝牙技术的应用蓝牙技术的应用l电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等。l家庭和办公室自动化、家庭家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等智能化建筑物等。l数字照相机、数字摄像机等。数字照相机、数字摄像机等。l无线键盘、鼠标等。无线键盘、鼠标等。l以便携式计算机和掌上计算机以便携式计算机和掌上计算机为代表。为代表。各种各种电话系统电话系统蓝牙技术的应用蓝牙技术的应用 应用面多应用面多 前景广阔前景广阔数字手机、家庭及办公室电话、数字手机、家庭及办公室电话、小型小型PBXPBX等电话系统等。等电话系统等。无线电缆无线电缆无线办公包无线办公包数字数字电子设备电子设备电子商务电子商务办公自动化办公自动化家庭娱乐等家庭娱乐等蓝牙技术的应用蓝牙技术的应用作业作业在无线网络中，有哪些短距离无线通信技术？这些技术的区别及各自的特点是什么简述蓝牙的通信过程，并用流程图进行表示33
