藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)知識簡介PPT課件

1、上講回顧 掌握傳感器的作用及定義 掌握傳感器的工作原理 掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義及應(yīng)用 了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)1第1頁/共33頁2本講提綱 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對比 藍(lán)牙技術(shù)的簡介 藍(lán)牙的通信連接過程 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用第2頁/共33頁3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義服務(wù)器服務(wù)器用戶用戶WSN（Wireless Sensor Network）：一種新型的無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式處理技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信技術(shù)等，能夠通過各個傳感器節(jié)點進行實時監(jiān)測、感知和采集各種現(xiàn)場信息。它的節(jié)點是傳感器這種特殊的嵌入式設(shè)備，它們靜態(tài)地隨機分布于某一區(qū)域。監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測區(qū)域傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點有線或無線網(wǎng)絡(luò)有

2、線或無線網(wǎng)絡(luò)有線或無線網(wǎng)絡(luò)有線或無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee等等網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)第3頁/共33頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性 Sensor node: 緩存小 CPU計算速度慢 無線通信傳輸 電池耗電 可能具備定位功能 Sink node 傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制中心，能夠收集 sensor node的所有數(shù)據(jù)。第4頁/共33頁101001,00010,000101001,00010,000100,000速率kbpsGSM802.11a/gGPRSEDGE20002003-42005Bluetooth3GHiperLAN/2Bluetooth 2.0距離（米）802.11bZigBeeWiMediaBlue

3、tooth 1.5常用的無線技術(shù)常用的無線技術(shù)第5頁/共33頁2.4GHz ISM 2.4GHz ISM 頻段頻段 ISM頻段：Industry Science and Medical Band （工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）第6頁/共33頁常用的短距離無線技術(shù)比較7第7頁/共33頁藍(lán)牙概述8第8頁/共33頁什么是藍(lán)牙技術(shù) 藍(lán)牙技術(shù)采用高速跳頻擴展技術(shù)FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）,跳頻速率為每秒1600次，每次傳送一個封包，封包大小從126bit-2871bit皆可，而且其封包內(nèi)容可以是包含數(shù)據(jù)或語音等不同的資料。資料封包可借助自動重送（ARQ）機制來加

4、以保護，而聲音封包因采用CVSD（連續(xù)可調(diào)變斜面三角器波形編碼）方式編碼而可以不在重送以增加效率。其設(shè)備采用的是GFSK調(diào)制技術(shù)，其最高傳輸速率為1Mbps，實際數(shù)據(jù)有效速率為721Kbps，話音采用連續(xù)可變斜率調(diào)制CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation 連續(xù)可變斜率調(diào)制）編碼方式，CVSD方式抗干擾能力很強，即使在誤碼率達(dá)到4%時仍然有可以接受的話音質(zhì)量。9第9頁/共33頁藍(lán)牙技術(shù)的特點藍(lán)牙技術(shù)的特點 藍(lán)牙是一種短距離無線通信的技術(shù)規(guī)范，它最初的目標(biāo)是取代現(xiàn)有的掌上電腦、移動電話等各種數(shù)字設(shè)備上的有線電纜連接，其特點如下：第10頁/共3

5、3頁藍(lán)牙技術(shù)的特點藍(lán)牙技術(shù)的特點很好的抗干擾很好的抗干擾能力和安全性能力和安全性可建立臨時可建立臨時對等連接對等連接全球范圍全球范圍適用適用同時傳輸同時傳輸語音數(shù)據(jù)語音數(shù)據(jù)近距離通信近距離通信功耗低功耗低體積小體積小藍(lán)牙技術(shù)特點l藍(lán)牙工作在2.4GHz的ISM頻段，全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4-2.4835GHz。l藍(lán)牙采用電路交換和分組交換技術(shù)，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路語音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步語音同時傳輸?shù)男诺?。l主設(shè)備是組網(wǎng)連接主動發(fā)起連接請求的藍(lán)牙設(shè)備，幾個藍(lán)牙設(shè)備連接成一個皮網(wǎng)（Piconet）時，其中只有一個主設(shè)備，其余的均為從設(shè)備。l藍(lán)牙采用了跳頻（FrequencyHo

6、pping）方式來擴展頻譜，抵抗來自這些設(shè)備的干擾。l提供了認(rèn)證和加密功能，以保證鏈路級的安全。l藍(lán)牙設(shè)備在通信連（Connection）狀態(tài)下，有四種工作模式：激活（Active）模式，呼吸（Sniff）模式保持（Hold）模式，休眠（Park）模式，Active 模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。 l藍(lán)牙技術(shù)通信距離為10m,可根據(jù)需要擴展至100m，以滿足不同設(shè)備的需要。第11頁/共33頁藍(lán)牙系統(tǒng)的組成藍(lán)牙系統(tǒng)的組成系統(tǒng)組成描述了鏈路控制器，實現(xiàn)了基帶協(xié)議和其他的底層連接規(guī)程- 媒體接入控制(MAC)-差錯控制-認(rèn)證與加密鏈路管理器（LM）軟件實現(xiàn)鏈路的建立

7、認(rèn)證及鏈路配置等-通過連接管理協(xié)議（LMP）建立通信聯(lián)系。- LM 利用鏈路控制器（LC）提供的服務(wù)實現(xiàn)上述功能。天線發(fā)射功率符合 FCC 關(guān)于 ISM 波段的要求。 -發(fā)射功率：100mW-跳頻速率：1600 跳/秒藍(lán)牙規(guī)范是為個人區(qū)域內(nèi)的無線通信制定的協(xié)議，它包括兩部分： 核心（Core）部分和協(xié)議子集（Profile）部分。協(xié)議棧仍采用分層結(jié)構(gòu)，分別完成數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸,跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸,連接的建立和釋放,鏈路的控制,數(shù)據(jù)的拆裝等功能。第12頁/共33頁藍(lán)牙系統(tǒng)的技術(shù)特點工作在2.45GHz頻段射頻特性射頻特性收發(fā)機配置符合IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)48位地址數(shù)據(jù)頻率為1Mbs使用擴頻和跳頻

8、技術(shù)，噪音環(huán)境也能工作工作范圍約10m，可加至100m第13頁/共33頁藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)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)第14頁/共33頁15藍(lán)牙藍(lán)牙4.0V1.1(1998年)為最早期版本，傳輸率約在748810kb/s，因是早期設(shè)計，容易受到同頻率的產(chǎn)品干擾下影響通訊質(zhì)量V2.1(2004年)改善了裝置配對流程，短距離的配對方面，具備了在兩個支持藍(lán)牙的手機設(shè)備之間互相進行配對與通訊傳輸?shù)腘FC機制，具備更佳的省電效果V3.0(2009年)全新的交替射頻技術(shù)，允許藍(lán)牙協(xié)議棧針對任一任務(wù)動態(tài)地選擇正確射頻。傳

9、輸速率更高，功耗更低。V4.0(2010年)包括三個子規(guī)范，即傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速藍(lán)牙和新的藍(lán)牙低功耗技術(shù)。藍(lán)牙4.0的改進之處主要體現(xiàn)在三個方面：電池續(xù)航時間、節(jié)能和設(shè)備種類。有效傳輸距離最大達(dá)到100m第15頁/共33頁16 藍(lán)牙4.0設(shè)備種類 2.4G藍(lán)牙低功耗系統(tǒng) 消費類電子產(chǎn)品 移動電話外圍擴展設(shè)備 運動和休閑設(shè)備 健康醫(yī)療用品(血壓計、體溫計.) 汽車電子設(shè)備 人機接口設(shè)備(鍵盤、鼠標(biāo)、遙控器) USBDongle藍(lán)牙藍(lán)牙4.0設(shè)備種類設(shè)備種類第16頁/共33頁 信道數(shù)：79 個 （0-78） 范圍：2.402GHz - 2.480GHz 信道間隔：1MHzGeographyRegu

10、latoryRangeRFChannelEurope/USA/Japan 24002483.5MHzf=2402+kMHz,k=0,78France2446.52483.5MHz f=2454+kMHz,k=0,22藍(lán)牙的頻道劃分藍(lán)牙的頻道劃分第17頁/共33頁藍(lán)牙建立通信的過程藍(lán)牙建立通信的過程 藍(lán)牙系統(tǒng)有三種主要狀態(tài)：待機狀態(tài)，連接狀態(tài)和節(jié)能狀態(tài)。從待機狀態(tài)向連接狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，有7個子狀態(tài)：尋呼、尋呼掃描、查詢、查詢掃描、主響應(yīng)、從相應(yīng)、查詢相應(yīng)。第18頁/共33頁藍(lán)牙建立通信的過程藍(lán)牙建立通信的過程Standby(Standby(缺省缺省) )Inquiry(Inquiry(查詢查詢

11、) )( (unknown addressunknown address) )Page(Page(尋呼尋呼) )( (known addressknown address) )ConnectionConnection. .Active power(Active power(活動活動) ) Sniff( Sniff(呼吸呼吸) ) Hold( Hold(保持保持) ) Park( Park(休眠休眠) ) Standby Standby 等待加入一個微微網(wǎng)。等待加入一個微微網(wǎng)。 InquiryInquiry 邀請周圍的無線連接。邀請周圍的無線連接。 PagePage 連接一個明確的無線鏈路。連接

12、一個明確的無線鏈路。 ConnectedConnected 加入一個皮網(wǎng)加入一個皮網(wǎng)( (主設(shè)備或主設(shè)備或者從設(shè)備者從設(shè)備) )第19頁/共33頁第20頁/共33頁第21頁/共33頁masterf9inquiry stateInquiry scan stateWait random timeSends 48 bits address，clkFHS packet:f9slaveSlave hosts 48-bit Bluetooth addressFunction FHopping sequence3, 56,7,23,44,page scan state藍(lán)牙建立通信的過程藍(lán)牙建立通信的過程第2

13、2頁/共33頁masterPage statePagescanstate(1) 48-bit address(2) Clock offset(3) AMA(Active Member address)=001slaveFHS packet(1)48-bitaddressofmasterFunctionFHoppingsequenceofmasterandslave7,36,22,28,55,藍(lán)牙建立通信的過程藍(lán)牙建立通信的過程第23頁/共33頁藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的格式藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的格式接入碼包頭內(nèi)容72b54b0-2745b第24頁/共33頁PREAMBLESYNCWORDTRAILER46443424

14、6LSBMSBBCHLAPBRK接入碼藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的格式藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的格式第25頁/共33頁包頭AM_ADDRHEC318AM_ADDRTYPEFLOWARQNslaveactivememberaddresspayloadtypeLCflowcontrolACK/NAKparameterinformationFLOW1ARQN1SEQNTYPE4SEQNretransmitorderingHECheadererrorcheck藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的格式藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的格式第26頁/共33頁微微網(wǎng)（皮網(wǎng)）微微網(wǎng)（皮網(wǎng)）MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlave一個微微網(wǎng)可由

15、一個微微網(wǎng)可由8 8個藍(lán)牙設(shè)備組成。個藍(lán)牙設(shè)備組成。在同一個微微網(wǎng)中，主設(shè)備為所有的在同一個微微網(wǎng)中，主設(shè)備為所有的設(shè)備提供時鐘和跳頻同步序列。設(shè)備提供時鐘和跳頻同步序列。在同一個微微網(wǎng)中，所有的設(shè)備有同在同一個微微網(wǎng)中，所有的設(shè)備有同樣的跳頻序列。樣的跳頻序列。1臺主設(shè)備和1臺以上從設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為微網(wǎng)（皮克網(wǎng)）（Piconet）。一個藍(lán)牙單元作為微網(wǎng)的主單元，其余的可作為從單元看待。在一個微網(wǎng)中最多可有七個活動從單元。另外，更多的從單元被鎖定在休眠狀態(tài)中。這些處于休眠狀態(tài)的從單元在該信道中不能被激活，但對主單元來講它們?nèi)杂芍鲉卧?。無論對激活或休眠狀態(tài)來講，信道訪問都由主單元控制第27

16、頁/共33頁分散網(wǎng)分散網(wǎng)MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveMaster兩個或更多的微微網(wǎng)在重疊的區(qū)兩個或更多的微微網(wǎng)在重疊的區(qū)域可以建立特殊的呼叫。域可以建立特殊的呼叫。具有重疊復(fù)蓋域的微網(wǎng)之間存在設(shè)備間的通信，形成一個擴散網(wǎng)絡(luò)（ Scatternet）結(jié)構(gòu)。每個微網(wǎng)只能具有一個單獨主單元，然而從單元可分享基于時分多址的不同微網(wǎng)。另外，在一個微網(wǎng)中主單元可視為另一個微網(wǎng)的從單元。且各微網(wǎng)間不再是以時間或頻率同步，各微網(wǎng)有自己的跳頻信道。第28頁/共33頁微微網(wǎng)的應(yīng)用（一拖七）微微網(wǎng)的應(yīng)用（一拖七）第29頁/共33頁藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用l電子付帳系統(tǒng)，賓館接待處的電子登記服務(wù)等。l家庭和辦公室自動化、家庭娛樂、電子商務(wù)、工業(yè)控制、