（機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)論文）基于藍(lán)牙技術(shù)的多機(jī)器人通信和控制系統(tǒng)的研究.pdf

武漢理- = 人學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 機(jī)器人直是各國(guó)竟相研究、集成最新科技成果的高技術(shù)象征。最近幾年， 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展理念發(fā)生了根本的變化，開(kāi)放性、小型化、高柔性和高智能已 成為機(jī)器人發(fā)展的主流方向，而體現(xiàn)上述特點(diǎn)的人機(jī)交互和信息傳輸一直是制約 機(jī)器人發(fā)展的重要因素之一。藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)，無(wú)疑為機(jī)器人發(fā)展開(kāi)辟了一條嶄 新的通道。 藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信開(kāi)放性全球規(guī)范，它在設(shè)計(jì)之初的主 旨，就是取代現(xiàn)有的短距離無(wú)線(xiàn)通信方式，成為性能最好、價(jià)格最低的種短距 離無(wú)線(xiàn)通信方式。藍(lán)牙通信方式必然將成為多機(jī)器人通信的一個(gè)最重要的方式 這是由藍(lán)牙技術(shù)本身所具有的特色和優(yōu)勢(shì)決定的，是一些其它的通信方式無(wú)法比 擬的。 本文探討了藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在分布式多機(jī)器人系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，并針對(duì)這一 問(wèn)題提出了一種解決方案：一種適合分布式多機(jī)器人的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模式。這種藍(lán)牙 網(wǎng)絡(luò)模式是在藍(lán)牙通信技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合定的思想和算法，使藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的各 個(gè)主體在關(guān)系上表現(xiàn)得更加平等、自主，同時(shí)又能很好的相互通信和協(xié)調(diào)，充分 體現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)的基本特征。本文給出了這種藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模式的硬件和軟件實(shí)現(xiàn) 以及藍(lán)牙通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 此外，本文還簡(jiǎn)要介紹了可移動(dòng)機(jī)器人的制作。這個(gè)可移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng) 移動(dòng)，轉(zhuǎn)彎以及檢測(cè)周?chē)欠裼姓系K物，如果有障礙物，那么能夠自動(dòng)測(cè)量障礙 物與其之間的距離，并且能夠自動(dòng)的轉(zhuǎn)彎避開(kāi)這個(gè)障礙物。這個(gè)機(jī)器人的制作是 為了給機(jī)器人的藍(lán)牙通信提供一個(gè)平臺(tái)，以及檢驗(yàn)令牌式藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模型。 關(guān)鍵詞： 藍(lán)牙通信，移動(dòng)機(jī)器人，紅外線(xiàn)傳感器，超聲波檢測(cè) 武漢理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t r o b o tr e s e a r c hi sa l w a y st h eh i g h - t e c h n o l o g ys y m b o l ，i tu s u a l l yi n t e g r a t e su pt o t h em i n u t es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a r v e s t ，a n ds om a n yc o u n t r i e sn o wp a ym o s t i m p o r t a n ta t t e n t i o nt or o b o tr e s e a r c h i nr e c e n ty e a r s ，t h et r e n da n dc o n c e p t i o no ft h e r o b o tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n th a v et h o r o u g h l yc h a n g e d o p e n i n g ，m i n i a t u r i z a t i o n a n dh i g h p l i a b i l i t y , a sw e l la sh i g h i n t e l l i g e n c eh a v eb e c o m et h em a i nt r e n d so f r o b o t sd e v e l o p m e n t t h ea l t e r n a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh u m a na n dr o b o ti s oneo ff a c t o r , w h i c hr e s t r i c tt h er o b o tr e s e a r c h sd e v e l o p m e n t t h ea d p e a r a n c eo ft h e b l u e t o o t ht e c h n o l o g yw i t h o u tf a i li n a u g u r a t e san e wc h a n n e lf o rr o b o tr e s e a r c h s d e v e l o p m e n t b l u e t o o t hw i r e l e s st e c h n o l o g yj sas h o r t r a n g er a d i ot e c h n o l o g y b l u e t o o t hr a d i o u s e saf a s ta c k n o w l e d g e m e n ta n df r e q u e n c y h o p p i n gs c h e m et om a k et h el i n kr o b u s t ， e v e ni nn o i s yr a d i oe n v i r o n m e n t s t h ea i mo ft h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi st or e p l a c e t h ee x i s t i n gs h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm a n n e r , a n dt ob eak i n do f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a st h eb e s tc a p a b i l i t ya n dt h el o w e s tp r i c e b l u e t o o t hn e c e s s a r i l yt u r nt oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a n n e rf o rt h em u l t i - r o b o t c o m m u n i c a t i o n ，b e c a u s ei th a sm a n yf e a t u r e sa n da d v a n t a g e sw h i c ho t h e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o 疊i e sh a v e n t i nt h i sp a p e r , t h ep r o b l e m sw h i c hm a y b eh a p p e nw h e nt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y i sa p p l i e dt od i s t r i b u t e dm u l t i r o b o ts y s t e m ( d m r s ) h a v eb e e nd i s c u s s e d a i mt of i x t h o s ep r o b l e m s ，w ep r o p o s e dad y n a m i cb l u e t o o t hm o d e ，w h i c hn a m e df o rt h et o k e n b l u e t o o t hn e t w o r km o d e t h i sb l u e t o o t hn e t w o r km o d e lb a s e do nb l u e t o o t h c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m b i n e ds o m ei d e a sa n da r i t h m e t i c i no r d e rt o e m b o d yt h eb a s i cc h a r a c t e ro fm u l t i r o b o ts y s t e mt h a tt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e a g e n t si se q u a la n di n d e p e n d e n ta n de a c hr o b o tc a nc o m m u n i c a t ea n di n t e r o p e r a t e w i t ho t h e r sw e l lv e r y f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o n so ft h et o k e nb l u e t o o t hn e t w o r km o d e l a n db l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v eb e e ni n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l yi nd e t a i l s f u r t h e r m o r e ，t h ep r o c e s so fas i m p l er e m o v a b l er o b o t sp r o d u c eh a sb e e n i n t r o d u c e db r i e f l yi nt h i sp a p l e r t h i ss i m p l er e m o v a b l er o b o tc a nm o v ea n ds w e r v e a u t o m a t i c a l l y , a sw e l la si n s p e c tw h e t h e rt h e r ea r es o m eb a r r i e r sa r o u n di t i ft h e r ea r e b a r r i e r s j tc a nm e a s u r et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h eb a r r i e ra n di t s e l f , a n de v a d et h o s e b a r r i e r sa u t o m a t i c a l l y t h e r ea r et w om a i np d r p o s e sw h yw ep r o d u c et h i ss i m p l e r e m o v a b l er o b o t ：o n ei st op r o v i d eag o o de x p e r i m e n tt o o lf o rr o b o t sb l u e t o o t h c o m m u n i c a t i o n ，t h eo t h e ri st ov e r i f yt h et o k e nb l u e t o o t hn e t w o r km o d e l 。 k e y w o r d ：b l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o n ，r e m o v a b l er o b o t ，i n f r a r e ds e n s o r u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n 武漢理1 人學(xué)碩十學(xué)位論文 1 1引言 第1 章緒論 “藍(lán)牙”技術(shù)是一種短距離無(wú)線(xiàn)寬帶通信技術(shù)，是當(dāng)今世界公認(rèn)的十大科技 成果之。迄今為止，藍(lán)牙應(yīng)用主要還是集中在p n a ( p e r s o n a ln e t w o r ka r e a ) ， s i g 成員公司更看重藍(lán)牙目前的幾個(gè)主要技術(shù)特性：功耗小，傳輸穩(wěn)定、町 靠、安全，并且可以集成在任何需要無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)漠a(chǎn)品中。同時(shí)許多第三方廠(chǎng)商 在藍(lán)牙應(yīng)用丌發(fā)研究方面，重點(diǎn)集中在擁有大量用戶(hù)的手持設(shè)備產(chǎn)品上，所以 不可避免地出現(xiàn)了藍(lán)牙應(yīng)用貌似狹窄的現(xiàn)蒙。另外，許多開(kāi)發(fā)者以及用戶(hù)更加 注重傳輸速率和傳輸距離的要求，再加上8 0 2 1 l b 無(wú)線(xiàn)系列產(chǎn)品的迅速發(fā)展， 及其在傳輸速率和距離上的優(yōu)勢(shì)及今后兩年的發(fā)展趨勢(shì)，導(dǎo)致了許多對(duì)藍(lán)牙應(yīng) 盼陛能方面的猜疑。但綜合目前傳輸距離功耗而言，包括支持廠(chǎng)商的數(shù)量以 及其集成的規(guī)模和趨勢(shì)，藍(lán)牙在短距離范圍無(wú)線(xiàn)傳輸上有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。 機(jī)器人一贏是各國(guó)競(jìng)相研究、集成最新科技成果的高技術(shù)象征。最近幾 年，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展理念發(fā)生了根本的變化：讓機(jī)器人來(lái)完成人不想干的體 力勞動(dòng)是早期開(kāi)展機(jī)器人研究的根本動(dòng)力；讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的智能擴(kuò)展，從 事人類(lèi)想干的腦力勞動(dòng)或輔助人的智能活動(dòng)，已成為新的目標(biāo)。而且，機(jī)器人 在醫(yī)療、服務(wù)、娛樂(lè)、生物、醫(yī)藥、環(huán)保、軍事、核工業(yè)、水下、空間、農(nóng) 業(yè)、工業(yè)、建筑、救災(zāi)和排險(xiǎn)等許多領(lǐng)域都開(kāi)辟了前所未有的應(yīng)用空問(wèn)。開(kāi)放 性、小型化、高柔性和高智能已成為機(jī)器人發(fā)展的主流方向，而體現(xiàn)上述特點(diǎn) 的人機(jī)交互和信息傳輸一直是制約機(jī)器人發(fā)展的重要因素之一。藍(lán)牙技術(shù)的出 現(xiàn)，無(wú)疑為機(jī)器人發(fā)展開(kāi)辟了一條嶄新的通道。但是，藍(lán)牙與機(jī)器人之間的接 門(mén)并非是簡(jiǎn)單的疊加，而是集機(jī)械、電子、傳感、控制和通訊技術(shù)于一體的多 種信息的融合，是多項(xiàng)高技術(shù)的集成，因而必然會(huì)帶來(lái)一些核心難題，如基于 “藍(lán)牙”人機(jī)協(xié)調(diào)、多傳感器融合和協(xié)調(diào)控制等。所以，基于藍(lán)牙的機(jī)器人研 究，就機(jī)器人研究本身而言是一個(gè)很大的技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)，機(jī)器人也將對(duì)藍(lán)牙 接口及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)提出要求，因此在未來(lái)幾年中藍(lán)牙與機(jī)器人集成研究將走在 藍(lán)牙應(yīng)用開(kāi)發(fā)的前列，具有代表性。 從一定意義上講，機(jī)器人水平的高低集中體現(xiàn)了這個(gè)國(guó)家的綜合科技實(shí) 力。如何將藍(lán)牙應(yīng)用于機(jī)器人已成為浚領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之，藍(lán)牙技術(shù)為丌放 武漢理r ：人學(xué)碩f j 學(xué)位論文 式機(jī)器人與信息空間之間的可靠銜接提供了技術(shù)保障。如何在這一技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中 贏得應(yīng)有的市場(chǎng)空間和產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，對(duì)我國(guó)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著非 常重要的意義。同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)具有極好的代表性，對(duì)促進(jìn)“藍(lán)牙”的應(yīng)用及 其發(fā)展具有重大指導(dǎo)意義。 1 2 研究的目的及意義 課題來(lái)源于重慶市自動(dòng)化控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金( 2 0 0 3 0 f 0 1 ) ，研 究的主要目的是利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)對(duì)等移動(dòng)機(jī)器人之問(wèn)的相互通信與控制， 這個(gè)課題的研究在實(shí)際應(yīng)用和理論方面都具有重要的意義： 1 、在實(shí)際應(yīng)用方面，將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人之間的通信，是對(duì)現(xiàn) 有機(jī)器人通信方式的一種必要而有意義的補(bǔ)充。 目前，多機(jī)器人之間通信的主要方式有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式、紅外線(xiàn)方式等。現(xiàn) 場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)多種多樣，通信標(biāo)準(zhǔn)各自為政，難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，使系統(tǒng)的開(kāi)放性大 打折扣，此外，在通信時(shí)還必須用電纜將各個(gè)機(jī)器人相連接起來(lái)，這在有時(shí)走 線(xiàn)非常困難甚至是不可能的情況下，將成為其致命的缺陷。紅外線(xiàn)傳輸( i n f r a t e dd e l i v e r a b l ea c c e s s - - h d 舢在機(jī)器人無(wú)線(xiàn)通訊中也是常常被人使用的技術(shù)， 這種無(wú)線(xiàn)傳輸方法在技術(shù)上與藍(lán)牙有著極大的差異，甚至有人預(yù)測(cè)藍(lán)牙在未來(lái) 將取代紅外線(xiàn)成為最主要的連線(xiàn)技術(shù)。藍(lán)牙通信使用2 4 g h z 附近的無(wú)線(xiàn)電頻 道，1 個(gè)頻道使用1 m h z 共7 9 個(gè)信道，每個(gè)信道的通訊速度可達(dá)1 m b p s 。通信 范圍以1 0 m 以?xún)?nèi)為主，不過(guò)在特殊情況下可加大發(fā)射功率達(dá)到1 0 0 m 左右。 i r d a 則采用8 5 0 9 0 0 n m 的紅外線(xiàn)傳輸，其傳輸?shù)木嚯x與傳輸速度成反比，最 快可達(dá)1 6 m b p s ，但距離必須在l m 以?xún)?nèi)；相反的如果傳輸速度降至7 5 k b p s ，其傳 輸距離則可達(dá)到5 m 以上。因此，在距離和傳輸速度方面，藍(lán)牙( b l u e t o o t h ) 具有比較大的優(yōu)勢(shì)。此外，紅外線(xiàn)通信方式也容易受到干擾，還有接受角度的 限制，而藍(lán)牙通信技術(shù)則已經(jīng)克服了上述的不足，因此將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在多機(jī) 器人通信是是非常有意義的，它可以提高機(jī)器人之間無(wú)線(xiàn)通信的可靠性、有效 。陣。 藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信開(kāi)放性全球規(guī)范，是由e r i c s s o n 、 i b m 、i n t e l 、n o k i a 和t o s h i b a 等公司于1 9 9 8 年聯(lián)合推出的一項(xiàng)最新的短距離無(wú) 線(xiàn)通信技術(shù)。它在設(shè)計(jì)之初的主旨，就是取代現(xiàn)有的短距離無(wú)線(xiàn)通信方式，成 為性能最好、價(jià)格最低的+ 種短距離無(wú)線(xiàn)通信方式。它的最大符號(hào)速率為 武漢理f 人學(xué)碩十學(xué)位論文 1 m b s ，它以低成本的近距離無(wú)線(xiàn)連接替代了電纜連接，在小范圍內(nèi)將各種移動(dòng) 與固定通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其終端設(shè)備等連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫的資源共享。 此外，為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的抗干擾能力，藍(lán)牙技術(shù)采用了跳頻擴(kuò)展頻譜技 術(shù)。藍(lán)牙目前的幾個(gè)主要技術(shù)特性：功耗小，傳輸穩(wěn)定、可靠、安全，并且町 以集成在許多產(chǎn)品中。綜合目前傳輸距離功耗而言，包括支持廠(chǎng)商的數(shù)量以及 其集成的規(guī)模和趨勢(shì)，藍(lán)牙在短距離范圍無(wú)線(xiàn)傳輸上有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。藍(lán)牙通信 方式必然將成為多機(jī)器人通信的一個(gè)最重要的方式，這是由藍(lán)牙技術(shù)本身所具 有的特色和優(yōu)勢(shì)決定的，是一些其它的通信方式無(wú)法比擬的。 2 、給出一種更適合多個(gè)獨(dú)立機(jī)器人的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模型，具有重要的理論指導(dǎo)意 義。 藍(lán)牙技術(shù)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)連接。首先發(fā)起通信要求的設(shè)備稱(chēng) 為主設(shè)備，被動(dòng)進(jìn)行通信的設(shè)備稱(chēng)為從設(shè)備。一個(gè)主設(shè)備f m a s t e r ) 最多可同時(shí)與 7 個(gè)從設(shè)備( s l a v e ) 進(jìn)行通信并和多個(gè)s l a v e ( 最多可超過(guò)2 0 0 個(gè)1 保持同步但不通 信。一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)以上的從設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為藍(lán)牙的皮克網(wǎng)( p i c o n e t ) 。 皮克網(wǎng)中信道的特性完全由主設(shè)各決定，主設(shè)備的藍(lán)牙地址( ( b da d d r ) 決定 了跳頻序列和信道接入碼；主設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)鐘決定了跳頻序列的相位和時(shí)間。 從上述藍(lán)牙技術(shù)的特性可以看出，在藍(lán)牙設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)( p i c o n e t ) 中存 在著較為明顯的主從關(guān)系：所有的從設(shè)備與主設(shè)備之間的通信都由主設(shè)備控 制，l 臺(tái)從設(shè)備與另1 臺(tái)從設(shè)備通信的唯一途徑也是通過(guò)主設(shè)備。然而，本課 題研究的多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人，他們?cè)陉P(guān)系上是對(duì)等的，都具有很強(qiáng)的自主性，不 存在較明顯的主從關(guān)系。因此，藍(lán)牙技術(shù)的基本特性與本課題研究的多機(jī)器人 通信的基本特征相矛盾，針對(duì)這一矛盾，本論文中提出了一種藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模型 令牌式動(dòng)態(tài)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模式。令牌式動(dòng)態(tài)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模式能夠使藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)機(jī) 器人在關(guān)系和功能上表現(xiàn)得更加平等、自主，同時(shí)各個(gè)獨(dú)立的機(jī)器人又能很好 地相互協(xié)作完成某一任務(wù)。 因此，本課題的研究不論是從理論上還是從實(shí)際應(yīng)用方面來(lái)看都是必要 的。具有重要意義的。 1 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 自1 9 9 4 年愛(ài)立信提出藍(lán)牙技術(shù)以來(lái)，這項(xiàng)低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù) 已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展，從整體發(fā)展來(lái)看，藍(lán)牙技術(shù)從提出到現(xiàn)在大約經(jīng)歷了 武漢理：人學(xué)碩l 學(xué)何論文 3 個(gè)階段。第一階段：藍(lán)牙技術(shù)的提出。1 9 9 4 年，愛(ài)立信公司的工程師苦惱于 同益增多的連接線(xiàn)纜，提出了使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)代替線(xiàn)纜連接的思想，并將 這種技術(shù)命名為b l u e t o o t h ”( 藍(lán)牙) ；第_ 二階段：藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展。1 9 9 8 年5 月，e r i c s s o n 、n o k i a 、t o s h i b a 、i b m 和i n t e l 成立了藍(lán)牙特殊興趣小組( s i g ) ， 加大了對(duì)藍(lán)牙的投資力度，致力于藍(lán)牙協(xié)議的研究制定。第三階段：藍(lán)牙技術(shù) 的逐漸成熟，截止目前，s i g 的成員已經(jīng)超過(guò)了2 5 0 0 家，“藍(lán)牙”技術(shù)j f 在日 漸普及，市場(chǎng)上的產(chǎn)品也在不斷增多。2 0 0 2 年，國(guó)際市場(chǎng)上已經(jīng)有5 0 0 多種 “籃牙”產(chǎn)品，其中有2 0 0 種屬于消費(fèi)產(chǎn)品，包括移動(dòng)電話(huà)、“藍(lán)牙”耳機(jī) 等。 國(guó)內(nèi)對(duì)藍(lán)牙技術(shù)的研究起步較晚，高校、科研單位、企業(yè)在1 9 9 9 年以后彳 對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行了較多的關(guān)注和跟蹤。中國(guó)參加藍(lán)牙國(guó)際s i g 的單位，包括企業(yè)、 研究機(jī)構(gòu)大約有3 0 多個(gè)，與世界2 4 9 1 個(gè)單位相比，占的比例很小。一部分高 校、科研單位和企業(yè)對(duì)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行了跟蹤和研究，如清華大學(xué)、北京郵電大 學(xué)、東南大學(xué)、重慶大學(xué)等等。但大多還處于應(yīng)用研發(fā)的初期，對(duì)藍(lán)牙協(xié)議進(jìn) 行研究的很少，成熟的藍(lán)牙產(chǎn)品也為數(shù)不多，從整體情況看來(lái)，目前我國(guó)對(duì)藍(lán) 牙技術(shù)的研究還比較落后。 目前，藍(lán)牙協(xié)議還處于不斷完善期。此外，藍(lán)牙技術(shù)在各行業(yè)廣泛使用以 前，還需要大量的研究與測(cè)試工作，以證明藍(lán)牙技術(shù)能滿(mǎn)足各種特定情況下的 通信要求。 1 4 課題研究的主要內(nèi)容 本課題需要制作完成一個(gè)藍(lán)牙局域網(wǎng)大系統(tǒng)。這個(gè)大系統(tǒng)由三個(gè)獨(dú)立的、 對(duì)等的嵌入式控制子系統(tǒng)組成，每個(gè)嵌入式控制子系統(tǒng)都含有藍(lán)牙模塊，他們 之間通過(guò)藍(lán)牙通信協(xié)議彼此傳輸信息，以此相互協(xié)作完成一定難度的合作功 能。例如：當(dāng)三個(gè)或多個(gè)機(jī)器人在一個(gè)小的范圍內(nèi)各自運(yùn)動(dòng)時(shí)，如何避免這三 個(gè)或多個(gè)機(jī)器人之間發(fā)生碰撞，這就是一個(gè)相互協(xié)作的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)藍(lán)牙局 域網(wǎng)大系統(tǒng)，存在著以下兩個(gè)主要內(nèi)容需要研究： 1 、對(duì)藍(lán)牙通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計(jì)出一適合由多個(gè)獨(dú)立機(jī)器人組 成的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模型。 2 、嵌入式控制器的設(shè)計(jì)；嵌入式控制器的設(shè)計(jì)和研究，將是本課題研究的 另一個(gè)豐要內(nèi)容。嵌入式控制器的設(shè)計(jì)整體t 包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)這兩個(gè) 4 - 武漢理j 人學(xué)碩十學(xué)位論文 部分，它所需要完成的主要功能是：( 1 ) 實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)；( 2 ) 控制移動(dòng)機(jī)器人完成基本的操作，例如控制機(jī)器人移動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，避障等等種運(yùn) 動(dòng)。 武漢瓔i ? 人學(xué)碩 。學(xué)位論文 第2 章藍(lán)牙技術(shù)及其在多機(jī)器人通信中的應(yīng)用 2 1藍(lán)牙技術(shù) 2 1 1 藍(lán)牙技術(shù)背景 ( 1 ) 藍(lán)牙技術(shù)究竟是什么 藍(lán)牙技術(shù)是公開(kāi)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信標(biāo)準(zhǔn)，旨在建立微功耗、低成本、 短距離、小型化的無(wú)線(xiàn)連接，它將所有的技術(shù)和軟件集成于8 m m + 8 m m 的微芯 片內(nèi)。藍(lán)牙技術(shù)將使特定的藍(lán)牙設(shè)備如藍(lán)牙移動(dòng)電話(huà)、藍(lán)牙便攜式電腦以及其 他各種便攜式藍(lán)牙設(shè)備在近距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源的無(wú)縫共享。使人們能夠隨時(shí)隨地 實(shí)現(xiàn)個(gè)人區(qū)域內(nèi)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸，從而實(shí)現(xiàn)快速靈活的通信。 ( 2 ) 藍(lán)牙的命名 最早提出藍(lán)牙概念的是愛(ài)立信移動(dòng)通信公司。在1 9 9 4 年，愛(ài)立信移動(dòng)通信 公司提出了為移動(dòng)電話(huà)及電話(huà)附件之間尋找一種低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)接口， 而作為無(wú)線(xiàn)接口首先需要規(guī)定其工作的頻譜范圍，對(duì)技術(shù)造價(jià)、容量和接口尺 寸大小也進(jìn)行了預(yù)先規(guī)定，目的是要保證該技術(shù)具有所有線(xiàn)纜連接所沒(méi)有的優(yōu) 勢(shì)：該無(wú)線(xiàn)單元的尺寸和功耗都必須足夠小，使得它可以安裝進(jìn)許多便攜設(shè)備 中。另外該技術(shù)必須支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信，最重要的是該技術(shù)應(yīng)具有全球通用 性。研究的結(jié)果表明短距離無(wú)線(xiàn)鏈路方案是可行的，當(dāng)設(shè)計(jì)者們開(kāi)始開(kāi)發(fā)收發(fā) 芯片時(shí)，愛(ài)立信很快意識(shí)到他們需要其他公司的協(xié)作來(lái)共同開(kāi)發(fā)此項(xiàng)技術(shù)，兇 為發(fā)展該技術(shù)的目標(biāo)不僅是提高技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及性能，更重要的是要獲得來(lái)自p c 硬件、便攜機(jī)和移動(dòng)電話(huà)行業(yè)堅(jiān)實(shí)的、廣闊的市場(chǎng)支持。出于對(duì)將來(lái)解決方案 之問(wèn)互通性的擔(dān)心，各相互競(jìng)爭(zhēng)的公司開(kāi)始走到一起來(lái)進(jìn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的研 究。 1 9 9 8 年2 月愛(ài)立信( e r i c s s o n ) 、英特爾( i n t e l ) 、i b m 、東芝( t o s h i b a ) 年d 諾基 亞f n o k i a ) 等公司組成了特別興趣小組( s 1 6 ) 。藍(lán)牙s i g 的目標(biāo)是定義一個(gè)實(shí)際可 用的空中接口及其控制軟件標(biāo)準(zhǔn)，用以實(shí)現(xiàn)來(lái)自不同生產(chǎn)廠(chǎng)商的便攜計(jì)算機(jī)、 移動(dòng)電話(huà)機(jī)和其他設(shè)備之間的互通性。任何公司只需簽訂一個(gè)免費(fèi)的協(xié)議，就 可以加入藍(lán)牙s 1 g ，進(jìn)而被授權(quán)進(jìn)行基于藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷(xiāo)售。 在此之后，3 c o m 、朗 ：f 【( l u c e n t ) 、微軟( m i c r o s o f t ) 和摩托羅拉( m o t o r o l a l 也相繼加盟藍(lán)牙計(jì)劃，他們的共同目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種全球通用的小范圍無(wú)線(xiàn)通信 武漢理f 人學(xué)碩l 學(xué)化論文 技術(shù)。那么，為什么取名為藍(lán)牙呢? 藍(lán)牙的耿名來(lái)自于h a r a l d 。h a r a l d 是公兒 1 0 世紀(jì)統(tǒng)一廠(chǎng)國(guó)家的丹麥目王哈托維，“b l u e t o o t h “是哈拉維圍王的綽號(hào)他而 對(duì)當(dāng)時(shí)處于四分五裂的丹麥、瑞典、挪威、芬蘭等北歐地區(qū)，建立了統(tǒng)一強(qiáng)大 的d a n e s 千朝，并將基督教引入北歐地區(qū)，從而確立了為后人緬懷、頌揚(yáng)的不 朽功勛，瑞典的e r i c s o n 公司為這種即將成為全球通用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)命此名也許 大有一統(tǒng)天下的含義。這位與眾不同、功名顯赫的丹麥國(guó)王，無(wú)論如何也設(shè)有 想到，他的名字居然會(huì)在千年之后成為一項(xiàng)高新技術(shù)的代名詞而響徹全球。 ( 3 ) 為什么藍(lán)牙技術(shù)如此廣受關(guān)注 藍(lán)牙技術(shù)最早是針對(duì)近距離的便攜式器件之問(wèn)的紅外線(xiàn)鏈路( 1 n f r a r c e d l i n k ，簡(jiǎn)稱(chēng)i r d a ) 存在的問(wèn)題而提出的，應(yīng)用紅外線(xiàn)鏈路收發(fā)器鏈接，雖然省去 電線(xiàn)和電纜的連接，但是使用起來(lái)有許多不便，不僅距離只限于l 一2 m ，而且 必須在視線(xiàn)上直接對(duì)準(zhǔn)，中間不能有任何阻擋，且只限于在兩個(gè)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn) 鏈接，因此提出來(lái)的。上述9 家成立了世界藍(lán)牙組織b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r n e t g r o u p ( s i g ) ，他們采用了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)的策略來(lái)推廣藍(lán)牙技術(shù)，取得了相當(dāng)?shù)?成功。自1 9 9 8 年成立藍(lán)牙特別興趣小組( s i g ) 以來(lái)，已經(jīng)有2 5 0 0 家左右的信 息產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)家加入這個(gè)組織，其中包括了計(jì)算機(jī)、通信和電子行業(yè)的所有知 名廠(chǎng)商。世界藍(lán)牙組織b l u e t o o t hs i g 已發(fā)展成為一個(gè)相當(dāng)大的工業(yè)界高新技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)化組織，一項(xiàng)公開(kāi)的、全球統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范得到如此廣泛的關(guān)注和支持是 以往罕見(jiàn)的：美國(guó)權(quán)威性雜志網(wǎng)絡(luò)計(jì)算將藍(lán)牙技術(shù)與8 0 2 1 i b 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) 及寬帶技術(shù)等評(píng)為“十年來(lái)十大熱門(mén)新技術(shù)產(chǎn)品”。是什么緣故使得它有如此大 的影響力? 人類(lèi)的需求是無(wú)止境的，也正是這種需求推動(dòng)著技術(shù)不斷地向前發(fā)展。人 們對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)空間的需求使計(jì)算機(jī)技術(shù)以“摩爾定律”的速率不 斷向前發(fā)展，當(dāng)人們?cè)谶\(yùn)算能力和容量上得到一定滿(mǎn)足的時(shí)候，又去追求設(shè)備 的小型化和便攜性能，藍(lán)牙正是人們這種需求和追求的結(jié)果。隨著技術(shù)的發(fā) 展，便攜的數(shù)字處理設(shè)備已經(jīng)成為人們同常生活和辦公的必需品，這些設(shè)備包 括筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理( p d 舢、外圍設(shè)備、移動(dòng)電話(huà)機(jī)、尋呼機(jī)和客戶(hù) 電子產(chǎn)品等。它們都具有了較強(qiáng)的處理能力和較大的存儲(chǔ)空間，從而形成了一 個(gè)個(gè)人操作空間( p o s ) 。這些設(shè)備之間的信息交換還大都依賴(lài)于電纜的連接， 因而使用非常不方便。雖然無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)( w l a n ) 和紅外數(shù)據(jù)傳輸在特定的條件 卜能夠替代電纜，但是它們?cè)谑褂蒙暇哂泻艽蟮木窒扌?。藍(lán)牙就是為了滿(mǎn)足人 們?cè)趥€(gè)人操作空間的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)而設(shè)計(jì)的它使用跳頻技術(shù)使處于個(gè)人操作空間 武漢理1 ：人1 學(xué)頒 學(xué)位論文 的設(shè)備形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，真e 實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間可移動(dòng)的、自動(dòng)的互 聯(lián)。藍(lán)牙正發(fā)展成為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。 ( 4 ) 藍(lán)牙組織s i g 藍(lán)牙s i g 是一個(gè)國(guó)際性的非營(yíng)利組織，它的目的是制定藍(lán)牙的技術(shù)規(guī)范和 推廣藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用。該組織由發(fā)起會(huì)員( p r o m o t e r l 、合作會(huì)員( a s s o c i a t e m e m b e r ) 年1 接受會(huì)員( a d o p t e r ) 種會(huì)員組成。其中，發(fā)起會(huì)員共有9 個(gè)，即 3 c o m 、愛(ài)立信、i b m 、英特爾、朗訊、微軟、摩托羅拉、諾基亞和東芝，在所 有的會(huì)員中它們的地位最高，主要任務(wù)是制定規(guī)范和市場(chǎng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。合作會(huì)員 是一種付費(fèi)的會(huì)員，它們具有訪(fǎng)問(wèn)各種早期規(guī)范草案的權(quán)利，這些早期的版本 包括0 5 、o 7 、0 9 和0 9 5 版，另外這些會(huì)員還可以是藍(lán)牙工作組、藍(lán)牙結(jié)構(gòu)檢 查委員會(huì)和其他s i g 組的成員。接受成員是一種無(wú)付費(fèi)的成員只需要簽定一 個(gè)接受藍(lán)牙規(guī)范的協(xié)議，保證開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品符合藍(lán)牙規(guī)范的要求，在通過(guò)藍(lán)牙認(rèn) 證過(guò)程后，就能夠訪(fǎng)問(wèn)藍(lán)牙0 9 和0 9 5 草案規(guī)范版本。 藍(lán)牙s i g 的文檔有三種類(lèi)型。一是協(xié)議，規(guī)定藍(lán)牙從無(wú)線(xiàn)層到最高應(yīng)用層 的具體要求和內(nèi)容；二是剖面( p r o f i l e ) ，規(guī)定某個(gè)具體應(yīng)用在每個(gè)協(xié)議層次使用 的具體功能和過(guò)程；三是測(cè)試文檔，描述協(xié)議和剖面實(shí)現(xiàn)的測(cè)試過(guò)程和方法， 在1 0 之前的版本部是草案，1 0 之后是正式的版本。目前公開(kāi)的版本是1 1 ， 并j 下在醞釀2 0 版本。 2 1 ，2 藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可歸納為：功耗非常低( 發(fā)射功率為1 m w 或1 0 0 r o w ) 、價(jià) 格比較低廉( 價(jià)格低于5 美元) 、體積非常小( 8 m m * 8 m m ) 、功能非常強(qiáng)( 數(shù)話(huà)兼 容，速率高達(dá)1 m b i t s ) 、應(yīng)用非常廣( 問(wèn)定和移動(dòng)設(shè)備全可應(yīng)用，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與一點(diǎn) 多址均可工作，任何有需要的電子設(shè)備均可嵌入應(yīng)用) 、標(biāo)準(zhǔn)非常明( 全公開(kāi)， 全傘透明) 。 ( 1 ) 功耗非常低 隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的深入人心，輻射也成了消費(fèi)者非常關(guān)心的問(wèn)題。從藍(lán)牙的 應(yīng)用領(lǐng)域( 一般用于電池供電的便攜式設(shè)備) 。對(duì)人體的影響及其他無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) 共存的角度考慮，藍(lán)牙協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是低功耗：藍(lán)牙主要用于個(gè)人操作 空n ( p o s ) ，就是以個(gè)人為中心，半徑為1 0 m 的近似于球形范圍的區(qū)域，閃此 它的發(fā)射功率非常低，且按設(shè)備的不同等級(jí)分類(lèi)，有l(wèi) m w 、2 5 r o w 、1 0 0 m w 二個(gè)等級(jí)。當(dāng)在1 0 m 之內(nèi)連接時(shí)，藍(lán)牙產(chǎn)品的輸出功率僅為l m w ，是微波爐 武漢理1 人學(xué)碩十學(xué)位論文 使用功率的百萬(wàn)分之一，是移動(dòng)電話(huà)功率的小部分，而且，這些輸出中也只有 一小部分被人體吸收。由世界衛(wèi)生組織、i e e e 等專(zhuān)家組成的小組表示，檢測(cè)中 并未發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙產(chǎn)品的輻射對(duì)人體有影響，值得注意的是，藍(lán)牙在增加發(fā)射功率 的情況下也可以達(dá)到相當(dāng)?shù)耐ㄐ欧秶?( 2 ) 價(jià)格比較低廉 由于藍(lán)牙解決方案的出現(xiàn)，大多數(shù)公司將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了“硅時(shí)機(jī)”，引起硅市 場(chǎng)龐大的競(jìng)爭(zhēng)和創(chuàng)新。這種競(jìng)爭(zhēng)使藍(lán)牙硅價(jià)格急劇下降，預(yù)計(jì)到2 0 0 5 年底，藍(lán) 牙模塊價(jià)格將低于5 美元。藍(lán)牙將成為一種廉價(jià)、低復(fù)雜度、高可靠性的無(wú)線(xiàn) 接口技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)中最為關(guān)鍵的是低復(fù)雜度它使得系統(tǒng)的集成度大大提 高，從而有利于大幅度降低產(chǎn)品成本。 ( 3 ) 體積非常小 當(dāng)前電子產(chǎn)品發(fā)展的日新月異的確為我們帶來(lái)了不少享受。但是，要把他 們連接起來(lái)，免不了要用到許多數(shù)據(jù)線(xiàn)，其結(jié)果常常是數(shù)據(jù)線(xiàn)滿(mǎn)桌遍靠。對(duì)于 不同類(lèi)型、不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品，所用數(shù)據(jù)線(xiàn)有時(shí)也不盡相同，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 有了藍(lán)牙技術(shù)，人們有望從千頭萬(wàn)緒的數(shù)據(jù)線(xiàn)連接工作中解放出來(lái)：寫(xiě)有“藍(lán) 牙”無(wú)線(xiàn)收發(fā)程序的小芯片約l c m 2 ( s m m x8 r a m ) ，與電話(huà)卡內(nèi)的芯片一般大 小。別看這種只有小指甲蓋大小的芯片，有了它，任何嵌入該芯片的設(shè)備，在 1 0 m 范圍內(nèi)，不需任何數(shù)據(jù)連接線(xiàn)，筆記本電腦或移動(dòng)電話(huà)就可以與所有支持 藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備進(jìn)行高效率的數(shù)據(jù)聯(lián)系。在瞬間即可組成一個(gè)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 在這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，使用者只需操縱手中設(shè)備，便可遙控周轉(zhuǎn)其他電子設(shè)備， 或與他們進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。因此，掌上電腦之問(wèn)、掌上電腦與移動(dòng)電話(huà)等其他電 子設(shè)備之間都可以資源共享、同步工作。這無(wú)疑將縮短辦公f i 寸間，大大提高工 作效率為人們的生活帶來(lái)極大的便利。 ( 4 ) 功能非常強(qiáng) 藍(lán)牙技術(shù)具有數(shù)話(huà)兼容、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的功能，工作范圍為1 0 m ，也可擴(kuò)展 到1 0 0 m ，只需增加功率。在微微網(wǎng)( p i c o n e t ) 或稱(chēng)匹克網(wǎng)中個(gè)主設(shè)備能同時(shí)支 持8 個(gè)從設(shè)備工作，可透過(guò)墻壁和其他阻礙完成非視距傳輸，全向傳播，安全 保密。 藍(lán)牙技術(shù)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，可采用無(wú)線(xiàn)方式將若干藍(lán)牙：設(shè)備 連成一個(gè)微微網(wǎng)。多個(gè)微微網(wǎng)又可互連成特殊分散網(wǎng)，形成靈活的一個(gè)區(qū)域從 而實(shí)現(xiàn)各類(lèi)設(shè)備之間的快速通信。 ( 5 ) 應(yīng)用非常廣 武漢理f 人學(xué)碩十學(xué)位論文 藍(lán)牙技術(shù)的主要好處是消除了于頭萬(wàn)緒、令人頭疼的電纜線(xiàn)，通常這些電 纜是用于連接設(shè)備間信息傳遞和同步所必需的，它簡(jiǎn)化了小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備( 如移動(dòng) p c 、掌上電腦、手機(jī)1 之間以及這些設(shè)備與i n t e m e t 之間的通信，免除了在無(wú)繩 電話(huà)或移動(dòng)電話(huà)、調(diào)制解調(diào)器、頭套式送，受話(huà)器、p d a 、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、幻 燈機(jī)、局域網(wǎng)等之間加裝電線(xiàn)、電纜和連接器?，F(xiàn)在藍(lán)牙產(chǎn)品把這些電纜全代 替了。但它出現(xiàn)的意義遠(yuǎn)不止這一點(diǎn)，“藍(lán)牙革命”能遍及通信領(lǐng)域的各個(gè)方 面，能涉及到各種各樣的阿絡(luò)、辦公電子和家電信息產(chǎn)品，能波及到社會(huì)各個(gè) 層面各個(gè)角落的每個(gè)人，是建立人域網(wǎng)( p a n ) 的理想手段：而且，這神技術(shù)可 以延伸到那些完全不同的新設(shè)備和新應(yīng)用中去。除此之外，藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)還為 已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口以組建一個(gè)遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個(gè)人特別連 接設(shè)備群。 藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它能將不同的設(shè)備和終端全部統(tǒng) 一起來(lái)。由于藍(lán)牙采用了微波技術(shù)，可以繞開(kāi)障礙物傳輸信號(hào)，因此，用藍(lán)牙 芯片制作的遙控器可以遙控整個(gè)家庭里的電器，甚至遙控窗簾和門(mén)窗丌關(guān)。藍(lán) 牙技術(shù)還可應(yīng)用在戰(zhàn)場(chǎng)上：在每個(gè)士兵手腕上戴一個(gè)藍(lán)牙手環(huán)，不僅兵間可 以相互了解戰(zhàn)況，還能對(duì)士兵的健康和受傷情況隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，以便及時(shí)組織 救護(hù)，減少犧牲等。 由于藍(lán)牙技術(shù)可同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)、音頻、視頻信號(hào)，這使得藍(lán)牙的應(yīng)用有可 能擴(kuò)展到成千上萬(wàn)種產(chǎn)品，人們可以隨時(shí)隨地以任何方式接入網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)藍(lán)牙 技術(shù)的特點(diǎn)，許多專(zhuān)家都認(rèn)為在人們未來(lái)生活和工作環(huán)境中，基于藍(lán)牙技術(shù)的 產(chǎn)品將會(huì)無(wú)處不在，擁有廣闊的應(yīng)用前景。藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用范圍是如此之廣 泛，因而人們很難準(zhǔn)確地說(shuō)出它到底有多少種應(yīng)用。正是因?yàn)槿绱?，藍(lán)牙技術(shù) 已成為當(dāng)今世界上投資的熱點(diǎn)。 ( 6 ) 標(biāo)準(zhǔn)非常明 藍(lán)牙技術(shù)的靈魂就在于它是全球統(tǒng)一、開(kāi)放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及世界藍(lán)牙組 織s i g 知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享的策略。從它誕生之閂起，藍(lán)牙就是一個(gè)由廠(chǎng)商們自己發(fā) 起的技術(shù)協(xié)議，完全公開(kāi)，而并非某一家獨(dú)有和保密。為此世界藍(lán)牙組織制定 了一種新的游戲規(guī)則，那就是只有申請(qǐng)加人s i g 并成為其中一員，并按照所規(guī) 定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范工作，才能獲得s i g 授權(quán)使用這項(xiàng)技術(shù)，從而研發(fā)出經(jīng)s i g 測(cè) 試和認(rèn)證的藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品。當(dāng)代世界經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，如果一 項(xiàng)涉及大眾廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)不使用統(tǒng)一公開(kāi)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這種技術(shù)就不會(huì) n 武漢理f 人學(xué)頌十學(xué)化論史 肯廣闊的應(yīng)用前景，大家都各做各的，產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)后不能瓦連互通就只能 局限在自家的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)使用。 藍(lán)牙技術(shù)采用2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 的i s m ( i , j k 、科學(xué)和醫(yī)學(xué)) 頻段，這足因 為：n ) 該頻段內(nèi)沒(méi)有其他系統(tǒng)的干擾，同時(shí)頻段向公眾開(kāi)放，該頻段通常不必 經(jīng)過(guò)允許便可直接利用；( 2 ) 該頻段在全球范圍內(nèi)有效，因而與生俱來(lái)的開(kāi)放性 和透明性賦予了藍(lán)牙技術(shù)強(qiáng)大的生命力。 2 1 3 藍(lán)牙技術(shù)特點(diǎn) 藍(lán)牙技術(shù)利用短距離、低成本的無(wú)線(xiàn)連接替代了電纜連接，從而為現(xiàn)存的 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和小型的外圍設(shè)備接口提供了統(tǒng)一的連接。它具有許多優(yōu)越的技術(shù)性 能，以下介紹一些主要的技術(shù)特點(diǎn)。 ( 1 ) 射頻特性 藍(lán)牙設(shè)備的工作頻段選在全世界范圍內(nèi)都可以自由使用的2 4 g h z 的 1 s m f 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)) 頻段，這樣用戶(hù)不必經(jīng)過(guò)申請(qǐng)便可以在2 4 0 0 2 5 0 0 m h z 范圍內(nèi)選用適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器頻段。頻道采用2 3 個(gè)或7 9 個(gè)， 頻道間隔均為1 m h z ，采用時(shí)分雙工方式。調(diào)制方式為b t = o 5 的g f s k ，調(diào)制 指數(shù)為o 2 8 0 3 5 。藍(lán)牙的無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)采用f m 調(diào)制方式，從而能降低設(shè)備的復(fù) 雜性，最大發(fā)射功率分為三個(gè)等級(jí)。1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ，1 0 m w ( 4 d b m ) ，l m w ( 0 d b m ) ，在4 2 0 d b m 范圍內(nèi)要求采用功率控制，因此，藍(lán)牙設(shè)備之間的有 效通信距離大約為1 0 1 0 0 m 。 ( 2 ) t d m a 結(jié)構(gòu) 藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸率為1 m b i t s ，采用數(shù)據(jù)包的形式按時(shí)隙傳送每時(shí)隙o 6 2 5 u s 。藍(lán)牙系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)的同步定向聯(lián)接和非實(shí)時(shí)的異步不定向聯(lián)接，藍(lán)牙技術(shù) 支持一個(gè)異步數(shù)據(jù)通道，3 個(gè)并發(fā)的同步語(yǔ)音通道或一個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和 同步語(yǔ)音通道。每一個(gè)語(yǔ)音通道支持6 4 k b i t s 的同步語(yǔ)音，異步通道支持最大 速率為7 2 1 k b i t s ，反向應(yīng)答速度為5 7 6 k b i t s 的非對(duì)稱(chēng)連接，或者是速率為 4 3 2 6 k b i t s 的對(duì)稱(chēng)連接。 ( 3 ) 使用跳頻技術(shù) 所謂跳頻技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將整個(gè)頻帶分成若干跳頻信道，即使在單 鏈接的情況下，藍(lán)牙芯片所操控的收發(fā)器也會(huì)按照一定的碼序列( 即具有規(guī)律性 的、技術(shù)j ：稱(chēng)為“偽隨機(jī)碼”的數(shù)碼集) 不斷地從一個(gè)信道“跳”轉(zhuǎn)到另個(gè)信道。 麗接收方亦按照同樣的跳轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行信道切換，這實(shí)際上屬于一種硬件加密手 i i 武漢理i 大學(xué)碩十學(xué)傳論文 段，除非第三方掌握了發(fā)收雙方的切換信道規(guī)律，那么從理論上來(lái)講是無(wú)法獲 得完整信息的。而對(duì)干擾來(lái)說(shuō)不可能存在按同樣的規(guī)律介入的干擾源，跳頻的 瞬時(shí)帶寬很窄，但通過(guò)擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個(gè)窄帶寬成百倍地?cái)U(kuò)展成寬頻帶，使 被干擾的可能變得很小，如此便可以保證傳送的完整性。跳頻是藍(lán)牙使用的關(guān) 鍵技術(shù)之一。對(duì)應(yīng)單時(shí)隙包，藍(lán)牙的跳頻速率為1 6 0 0 跳，秒；對(duì)于多時(shí)隙包， 跳頻速率有所降低：但在建鏈時(shí)則提高為3 2 0 0 跳秒。使用這樣高的調(diào)頻速 率，藍(lán)牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力，且硬件設(shè)備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越。 ( 4 ) 藍(lán)牙設(shè)備的組網(wǎng) 藍(lán)牙根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)連接，在任意一個(gè)有效 通信范圍內(nèi)，所有的設(shè)備都是平等的，并且遵循相同的工作方式。基于t d m a 原理和藍(lán)牙設(shè)備的平等性，任一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備在主從網(wǎng)絡(luò)( p i c o n e t ) 年h 分散網(wǎng)絡(luò) ( s c a t t e m e t ) q b ，既可做主設(shè)備( m a s t e r ) ，又可做從設(shè)備f s l a v e f l ，還可同時(shí)既是主 設(shè)備( m a s t e r ) ，又是從設(shè)備( s l a v e r ) ，因此在藍(lán)牙系統(tǒng)中沒(méi)有從站的概念，另外 所有的設(shè)備都是可移動(dòng)的，組網(wǎng)十分方便。 ( 5 ) 軟件的層次結(jié)構(gòu) 和許多通信系統(tǒng)一樣，藍(lán)牙的通信協(xié)議采用層次式結(jié)構(gòu)，其程序?qū)懺趥€(gè) 8 m m * 8 m m 的微芯片中。其底層為各類(lèi)應(yīng)用所通用，高層則視具體應(yīng)用而有所 不同，大體分為計(jì)算機(jī)背景和非計(jì)算機(jī)背景兩種方式。前者通過(guò)主機(jī)控制接口 h c i m o s tc o n t r o li n t e r f a c e ) 實(shí)現(xiàn)高、低層的連接，后者則不需要h c i 。層次結(jié)構(gòu) 使其設(shè)備具有最大的通用性和靈活性。根據(jù)通信協(xié)議，各種藍(lán)牙設(shè)備無(wú)論在任 何地方，都可以通過(guò)人工或自動(dòng)查詢(xún)來(lái)發(fā)現(xiàn)其他藍(lán)牙設(shè)備，從而構(gòu)成主從網(wǎng)和 分散網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提供的各種功能，使用起來(lái)十分方便。 2 1 3 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模型( b i u e t o o t hn e t w o r km o d e i ) 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的常用名詞： p i c o n e t ( 微微網(wǎng)) ：兩個(gè)或多個(gè)共用同一一藍(lán)牙信道的設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為是 一個(gè)微微網(wǎng)( p i c o n e t ) 由于微微網(wǎng)中主動(dòng)設(shè)備的地址長(zhǎng)度為 3 比特，故一個(gè)微微網(wǎng)的主動(dòng)成員數(shù)為2 8 個(gè)。其中一個(gè) 單元為m a s t e ru n i t 其它單元為s l a v eu n i t 。 s c a a e r n e t ( 特殊松散網(wǎng)) ：有重疊覆蓋區(qū)域的多個(gè)微微網(wǎng)組成一個(gè)s c a t t e r n e t 。 m a s t e ru n i t ( 主單元) ：即在一個(gè)微微網(wǎng)中其時(shí)鐘和跳頻順序被用來(lái)同步其它 單元的設(shè)備。 1 2 武漢理：人學(xué)砸十。學(xué)1 _ i ) = 論文 s l a v eu n i t s ( 從單元) ：即微微網(wǎng)中不是m a s t e r 的所有設(shè)備。 m a c _ a d d ( 主動(dòng)成員地址) ：用來(lái)區(qū)分微微網(wǎng)中各主動(dòng)單元的長(zhǎng)度為3 比特的 地址。 p a r k ( 暫停模式) s n i f fa n dh o l dm o d e 在微微網(wǎng)中與網(wǎng)絡(luò)保持同步但不進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的種二i 作 模式。 ( 呼吸與保持模式) ：與網(wǎng)絡(luò)同步但進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能 源的一種工作模式。 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模型基于鄰近組網(wǎng)的原則，是對(duì)等( p e e rt op e e r ) 通信的種。兩個(gè) 彼此靠近到一定程度的設(shè)備，可以自發(fā)地建立通信鏈接。標(biāo)準(zhǔn)0d b m 藍(lán)牙無(wú)線(xiàn) 設(shè)備的正常通信范圍是1 0m ，帶有功放的2 0d b m 設(shè)備可以達(dá)到1 0 0m 左右。 ( 1 ) 微微網(wǎng) o l o 杰；i 蒂 o ，。 、 圖2 1 利用藍(lán)牙技術(shù)構(gòu)成的不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò) ( a ) 單個(gè)從設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)( 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)) ( b ) 多個(gè)從設(shè)備構(gòu)成的微微網(wǎng)( 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)) ( c ) 多個(gè)微微網(wǎng)構(gòu)成的散射網(wǎng) 注：白色的小圓代表藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備( m a s t e r 、 黑色的小圓代表藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備( s l a v e ) 如果兩個(gè)設(shè)備建立了藍(lán)牙鏈接，其中一個(gè)設(shè)備將扮演主控角色f m a s t e r ) ， 另一個(gè)則扮演從屬角色( s l a v e ) 。角色的分配是在微微網(wǎng)形成時(shí)臨時(shí)確定的，主 控設(shè)備通常由發(fā)起通信的設(shè)備承擔(dān)，而且這種主從角色也可以互換。一個(gè)給定 的主控設(shè)備最多可以和7 個(gè)活動(dòng)的( a c t i v e ) 從屬設(shè)備和2 5 5 個(gè)休眠的( p a r k e d ) 從屬 設(shè)備通信。一個(gè)單獨(dú)的主控漫備和臨近與之通信的所有從屬設(shè)備即組成了所謂 的p i c o n e t ( 慣稱(chēng)微微網(wǎng)) 。圖2 。1 中( a ) ( b ) 展示了藍(lán)牙微微網(wǎng)的一般模