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  • 1 # 河東醉雪

    藍芽系統一般由天線單元、鏈路控制(韌體)單元、鏈路管理(軟體)單元和藍芽軟體(協議棧)單元四個功能單元組成。

    藍芽系統的組成介紹

    天線單元

    藍芽要求其天線部分體積十分小巧、重量輕,因此,藍芽天線屬於微帶天線。藍芽空中介面是建立在天線電平為0dB的基礎上的。空中介面遵循FCC,(即美國聯邦通訊委員會)有關電平為0 dB的ISM頻段的標準。如果全球電平達到100 mw以上,可以使用擴充套件頻譜功能來增加一些補充業務。頻譜擴充套件功能是透過起始頻率為2.402GHz,終止頻率為2.480GHz,間隔為1MHz的79個跳頻頻點來實現的。

    出於某些本地規定的考慮,日本、法國和西班牙都縮減了頻寬。最大的跳頻速率為1660跳/s。理想的連線範圍為100mm~10m,但是透過增大發送電平可以將距離延長至100m。藍芽工作在全球通用的2.4GHzISM(即工業、科學、醫學)頻段。藍芽的資料速率為1Mbit/s。ISM頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶,因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等,都可能是干擾源。為此,藍芽特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鍵路穩定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻通道(hopchannel),在一次連線中,無線電收發器按一定的碼序列(即一定的規律,技術上叫做"偽隨機碼",就是"假"的隨機碼)不斷地從一個通道"跳"到另一個通道,只有收發雙方是按這個規律進行通訊的,而其它的干擾不可能按同樣的規律進行干擾;跳頻的瞬時頻寬是很窄的,但透過擴充套件頻譜技術使這個窄帶成百倍地擴充套件成寬頻帶,使干擾可能造成的影響變得很小。時分雙工(TimeDivision Duplex,簡稱TDD)方案被用來實現全雙工傳輸。

    與其它工作在相同頻段的系統相比,藍芽跳頻更快,資料包更短,這使藍芽比其它系統都更穩定。FEC(ForwardError Correction,前向糾錯)的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音;應用了二進位制調頻(FM)技術的跳頻收發器被用來抑制干擾和防止衰落。

    鏈路控制(韌體)單元

    在目前藍芽產品中,人們使用了3個IC分別作為聯接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器,此外還使用了30~50個單獨調諧元件。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其它一些低層常規協議。

    藍芽系統的組成介紹

    它有3種糾錯方案:1/3比例前向糾錯(FEC)碼、2/3比例前向糾錯碼和資料的自動請求重發方案。採用FEC(前向糾錯)方案的目的是為了減少資料重發的次數,降低資料傳輸負載。但是,要實現資料的無差錯傳輸,FEC就必然要生成一些不必要的開銷位元而降低資料的傳送效率。這是因為資料包對於是否使用FEC是彈性定義的。報頭總有佔1/3比例的FEC碼起保護作用,其中包含了有用的鏈路資訊。在無編號的ARQ方案中,在一個時隙中傳送的資料必須在下一個時隙得到"收到"的確認。 只有資料在收端通過了報頭錯誤檢測和迴圈冗餘檢測後認為無錯才向發端發回確認訊息,否則返回一個錯誤訊息。比如藍芽的話音通道採用ContinuousVariable Slope Delta Modulation(簡稱CVSD,即連續可變斜率增量調製技術)話音編碼方案,獲得高質量傳輸的音訊編碼。CVSD編碼擅長處理丟失和被損壞的語音取樣,即使位元錯誤率達到4%,CVSD編碼的語音還是可聽的。

  • 2 # 偉然影視

    “藍芽”原是十世紀統一丹麥的丹麥國王的名字,現取其“統一”的含義,用來命名意在統一無線區域網通訊標準的技術。藍芽技術是愛立信、IBM等5家公司在1998年聯合推出的一頂嶄新的短距離無線通訊技術。它可將計算機、手機、CD唱機及其他家用電器用無線方式連線起來,實現資料共享。

    藍芽系統的組成介紹:

    藍芽系統一般由天線單元、鏈路控制(韌體)單元、鏈路管理(軟體)單元和藍芽軟體(協議棧)單元四個功能單元組成。

    天線單元,藍芽要求其天線部分體積十分小巧、重量輕,因此,藍芽天線屬於微帶天線。藍芽空中介面是建立在天線電平為0dB的基礎上的。空中介面遵循FCC,(即美國聯邦通訊委員會)有關電平為0 dB的ISM頻段的標準。如果全球電平達到100 mw以上,可以使用擴充套件頻譜功能來增加一些補充業務。頻譜擴充套件功能是透過起始頻率為2.402GHz,終止頻率為2.480GHz,間隔為1MHz的79個跳頻頻點來實現的。

    出於某些本地規定的考慮,日本、法國和西班牙都縮減了頻寬。最大的跳頻速率為1660跳/s。理想的連線範圍為100mm~10m,但是透過增大發送電平可以將距離延長至100m。藍芽工作在全球通用的2.4GHzISM(即工業、科學、醫學)頻段。藍芽的資料速率為1Mbit/s。ISM頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶,因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等,都可能是干擾源。為此,藍芽特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鍵路穩定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻通道(hopchannel),在一次連線中,無線電收發器按一定的碼序列(即一定的規律,技術上叫做"偽隨機碼",就是"假"的隨機碼)不斷地從一個通道"跳"到另一個通道,只有收發雙方是按這個規律進行通訊的,而其它的干擾不可能按同樣的規律進行干擾;跳頻的瞬時頻寬是很窄的,但透過擴充套件頻譜技術使這個窄帶成百倍地擴充套件成寬頻帶,使干擾可能造成的影響變得很小。時分雙工(TimeDivision Duplex,簡稱TDD)方案被用來實現全雙工傳輸。與其它工作在相同頻段的系統相比,藍芽跳頻更快,資料包更短,這使藍芽比其它系統都更穩定。FEC(ForwardError Correction,前向糾錯)的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音;應用了二進位制調頻(FM)技術的跳頻收發器被用來抑制干擾和防止衰落。鏈路控制(韌體)單元。在目前藍芽產品中,人們使用了3個IC分別作為聯接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器,此外還使用了30~50個單獨調諧元件。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其它一些低層常規協議。

    它有3種糾錯方案:1/3比例前向糾錯(FEC)碼、2/3比例前向糾錯碼和資料的自動請求重發方案。採用FEC(前向糾錯)方案的目的是為了減少資料重發的次數,降低資料傳輸負載。但是,要實現資料的無差錯傳輸,FEC就必然要生成一些不必要的開銷位元而降低資料的傳送效率。這是因為資料包對於是否使用FEC是彈性定義的。報頭總有佔1/3比例的FEC碼起保護作用,其中包含了有用的鏈路資訊。在無編號的ARQ方案中,在一個時隙中傳送的資料必須在下一個時隙得到"收到"的確認。 只有資料在收端通過了報頭錯誤檢測和迴圈冗餘檢測後認為無錯才向發端發回確認訊息,否則返回一個錯誤訊息。比如藍芽的話音通道採用ContinuousVariable Slope Delta Modulation(簡稱CVSD,即連續可變斜率增量調製技術)話音編碼方案,獲得高質量傳輸的音訊編碼。CVSD編碼擅長處理丟失和被損壞的語音取樣,即使位元錯誤率達到4%,CVSD編碼的語音還是可聽的。路管理(軟體)單元,鏈路管理(LM)軟體模組攜帶了鏈路的資料設定、鑑權、鏈路硬體配置和其它一些協議。LM能夠發現其它遠端LM並透過LMP(鍵路管理協議)與之通訊。LM模組提供如下服務:傳送和接收資料。請求名稱。鏈路地址查詢。建立連線。鑑權。鏈路模式協商和建立。決定幀的型別。將裝置設為sniff(呼吸)模式。Master(主機)只能有規律地在特定的時隙傳送資料。將裝置設為hold保持模式。工作在hold模式的裝置為了節能在一個較長的週期內停止接收資料,每一次啟用鏈路,這由LM定義,LC(鏈路控制器)具體操作。

    當裝置不需要傳送或接收資料但仍需保持同步時將裝置設為暫停模式。處於暫停模式的裝置週期性地啟用並跟蹤同步,同時檢查page訊息。建立網路連線。在piconet內的連線被建立之前,所有的裝置都處於standby(待命)狀態。在這種模式下,未連線單元每隔1.28s週期性地"監聽"資訊。每當一個裝置被啟用,它就監聽規劃給該單元的32個跳頻頻點。跳頻頻點的數目因地理區域的不同而異,32這個數字適用於除日本、法國和西班芽之外的大多數國家。作為master的裝置首先初始化連線程式,如果地址已知,則透過尋呼(page)訊息建立連線,如果地址未知,則透過一個後接page訊息的inquiry(查詢)訊息建立連線。在最初的尋呼狀態,master單元將在分配給被尋呼單元的16個跳頻頻點上傳送一串16個相同的page消處。如果沒有應答,master則按照啟用次序在剩餘6個頻點上繼續尋呼。Slave從機收到從master發來的訊息的最大的延遲時間為啟用週期的2倍2.56s,平均延遲時間是啟用週期的一半(0.6S)。Inquiry訊息主要用來尋找藍芽裝置,如共享印表機、傳真機和其它一些地址未知的類似裝置,Inquiry訊息和page訊息很相像,但是Inquiry訊息需要一個額外的資料串週期來收集所有的響應。如果piconet中已經處於連線的裝置在較長一段時間內沒有資料傳輸,藍芽還支援節能工作模式。master可以把salve置為hold(保持)模式,在這種模式下,只有一個內部計數器在工作。slave也可以主動要求被置為hold模式。Hold模式一般被用於連線好幾個piconet的情況下或者耗能低的裝置,如溫度感測器。除hold模式外,藍芽還支援另外兩種節能工作模式:sniff(呼吸)模式和park(暫停)模式。在sniff模式下,slave降低了從piconet"收聽"訊息的速率,"呼吸"間隔可以依應用要求做適當的調整。

    在park模式下,裝置依然與piconet同步但沒有資料傳送。工作在park模式下的裝置放棄了MAC地址,偶爾收聽master的訊息並恢復同步、檢查廣播訊息。如果我們把這幾種工作模式按照節能效率以升序排隊,那麼依次是:呼吸模式、保持模式和暫停模式。連線型別和資料包型別。連線型別定義了哪種型別的資料包能在特別連線中使用。藍芽基帶技術支援兩種連線型別:同步定向連線(SynchronousConnection Oriented,簡稱SCO)型別,主要用於傳送話音;非同步無連線(Asynchronous Connectionless簡稱ACL)型別,主要用於傳送資料包。

    同一個piconet中不同的主從對可以使用不同的連線型別,而且在一個階段內還可以任意改變連線型別。每個連線型別最多可以支援16種不同型別的資料包,其中包括4個控制分組,這一點對SCO和ACL來說都是相同的。兩種連線型別都使用TDD(時分雙工傳輸方案)實現全雙工傳輸。SCO連線為對稱連線,利用保留時隙傳送資料包。連線建立後,master和slave可以不被選中就傳送SCO資料。SCO資料包既可以傳送話音,也可以傳送資料,但在傳送資料時,只用於重發被損壞的那部分的資料。

    ACL鏈路就是定向傳送資料包,它既支援對稱連線,也支援不對稱連線。master負責控制鏈路頻寬,並決定piconet中的每個slave可以佔用多少頻寬和連線的對稱性。slave只有被選中時才能傳送資料。ACL鏈路也支援接收master發給piconet中所有slave的廣播訊息。

    鑑權和保密。藍芽基帶部分在物理層為使用者提供保護和資訊保密機制。鑑權基於"請求一響應"運演算法則。鑑權是藍芽系統中的關鍵部分,它允許使用者為個人的藍芽裝置建立一個信任域,比如只允許主人自己的膝上型電腦透過主人自己的行動電話通訊。加密被用來保護連線的個人資訊。金鑰由程式的高層來管理。網路傳送協議和應用程式可以為使用者提供一個較強的安全機制。

    軟體(協議棧)單元

    藍芽的軟體(協議棧)單元是一個獨立的作業系統,不與任何作業系統捆綁。它必須符合已經制定好的藍芽規範。藍芽規範是為個人區域內的無線通訊制定的協議,它包括兩部分:第一部分為核心(Core)部分,用以規定諸如射頻、基帶、連線管理、業務搜尋(servicediscovery)、傳輸層以及與不同通訊協議間的互用、互操作性等元件;第二部分為協議子集(Profile)部分,用以規定不同藍芽應用(也稱使用模式)所需的協議和過程。

    藍芽規範的協議棧仍採用分層結構,分別完成資料流的過濾和傳輸、跳頻和資料幀傳輸、連線的建立和釋放、鏈路的控制、資料的拆裝、業務質量(QoS)、協議的複用和分用等功能。在設計協議棧,特別是高層協議時的原則就是最大限度地重用現存的協議,而且其高層應用協議(協議棧的垂直層)都使用公共的資料鏈路和物理層。

    藍芽協議可以分為4層,即核心協議層、電纜替代協議層、電話控制協議層和採納的其它協議層。

    核心協議:

    藍芽的核心協議由基帶、鏈路管理(LMP)、邏輯鏈路控制與適應協議(L2CAP)和業務搜尋協議(SDP)等四部分組成。從應用的角度看,射頻、基帶和LMP可以歸為藍芽的低層協議,它們對應用而言是十分透明的。基帶和LMP負責在藍芽單元間建立物理射頻鏈路,構成微微網。此外,LMP還要完成像鑑權和加密等安全方面的任務,包括生成和交換加密鍵、鏈路檢查、基帶資料包大小的控制、藍芽無線裝置的電源模式和時鐘週期、微微網內藍芽單元的連線狀態等。邏輯鏈路控制與適應協議(L2CAP)完成基帶與高層協議間的適配,並透過協議複用、分用及重組操作為高層提供資料業務和分類提取,它允許高層協議和應用接收或傳送長達64K位元組的L2CAP資料包。業務搜尋協議(SDP)是極其重要的部分,它是所有使用模式的基礎。透過SDP,可以查詢裝置資訊、業務及業務特徵,並在查詢之後建立兩個或多個藍芽裝置間的連線。SDP支援3種查詢方式:按業務類別搜尋、按業務屬性搜尋和業務瀏覽(browsing)。

    電纜替代協議:

    序列電纜模擬協議(RFCOMM)像SDP一樣位於L2CAP之上,作為一個電纜替代(cablereplacement)協議,它透過在藍芽的基帶上模擬RS-232的控制和資料訊號,為那些將序列線用作傳輸機制的高階業務(如OBEX協議)提供傳輸能力。該協議由藍芽特別興趣小組在ETSI的TS07.10基礎上開發而成。

    電話控制協議:

    電話控制協議包括電話控制規範二進位制(TCSBIN)協議和一套電話控制命令(AT-commands)。其中,TCSBIN定義了在藍芽裝置間建立話音和資料呼叫所需的呼叫控制信令;AT-commands則是一套可在多使用模式下用於控制行動電話和調變解調器的命令,它由藍芽特別興趣小組在ITU-TQ.931的基礎上開發而成。 

    採納的其它協議:

    電纜替代層、電話控制層和被採納的其它協議層可歸為應用專用(application-specific)協議。在藍芽中,應用專用協議可以加在序列電纜模擬協議之上或直接加在L2CAP之上。被採納的其它協議有PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、WAE、vCard、vCalendar等。在藍芽技術中,PPP運行於序列電纜模擬協議之上,用以實現點到點的連線。UDP/TCP/IP由IETF定義,主要用於Internet上的通訊。

    IroBEX(short OBEX)是紅外資料協會(IrDA)開發的一個會話協議,能以簡單自發的方式交換目標,OBEX則採用客戶一伺服器模式提供與HTTP相同的基本功能。WAP是由WAP論壇建立的一種工作在各種廣域無線網上的無線協議規範,其目的就是要將Internet和電話業務引入數字蜂窩電話和其它無線終端。vCald和vCalendar則定義了電子商務卡和個人日程表的格式。在藍芽協議棧中,還有一個主機控制介面(HCI)和音訊(Audio)介面。HCI是到基帶控制器、鏈路管理器以及訪問硬體狀態和控制暫存器的命令介面。利用音訊介面,可以在一個或多個藍芽裝置之間傳遞音訊資料,該介面與基帶直接相連。

    藍芽技術把各種行動式裝置與行動電話用無線鏈路連線起來,使計算機與通訊更加密切結合起來,使人們能隨時隨地進行資料資訊的交換與傳輸。因此藍芽技術受到許多行業的關注並得到廣泛應用。

  • 3 # 天工測控

    藍芽是一種短距的無線通訊技術,可實現固定裝置、移動裝置之間的資料交換。一般將藍芽3.0之前的BR/EDR藍芽稱為傳統藍芽,而將藍芽4.0規範下的LE藍芽稱為低功耗藍芽。

    藍芽4.0標準包括傳統藍芽模組部分和低功耗藍芽模組部分,是一個雙模標準。低功耗藍芽也是建立在傳統藍芽基礎之上發展起來的,並區別於傳統模組,最大的特點就是成本和功耗降低,應用於實時性要求比較高。

    BLE(Bluetooh Low Energy)藍芽低能耗技術是短距離、低成本、可互操作性的無線技術,它利用許多智慧手段最大限度地降低功耗。

    BLE技術的工作模式非常適合用於從微型無線感測器(每半秒交換一次資料)或使用完全非同步通訊的遙控器等其它外設傳送資料。這些裝置傳送的資料量非常少(通常幾個位元組),而且傳送次數也很少(例如每秒幾次到每分鐘一次,甚至更少)。

    BLE協議棧的結構和配置

    1、協議有兩個部分組成:Controller和Host

    2、Profiles和應用總是基於GAP和GATT之上

    3、在單晶片方案中,Controller和Host,profiles,和應用層都在同一片晶片中

    4、在網路控制器模式中,Host和Controller是在一起執行的,但是應用和profiles在另外一個器件上,比如PC或者其他微控制器,可以透過UART,USB進行操作

    5、在雙晶片模式中,Controller執行在一個控制器,而應用層,profiles和Host是執行在另外一個控制器上

    BLE裝置連線狀態流程圖

    低功耗藍芽體系結構

    BLE藍芽模組主要應用領域

    1.藍芽燈控方案

    藍芽燈控解決方案主要以SKYLAB BLE藍芽模組SKB362為基礎,實現智慧藍芽LED燈的色彩控制等功能。SKYLAB將提供:1)產品級解決方案(如藍芽彩控燈,空調伴侶等);2)硬體設計支援;3)軟體設計支援;4)APP設計(包括iOS和Android,第三方合作);5)雲端平臺支援(第三方合作)。

    藍芽燈控方案

    藍芽燈控方案說明:手機藍芽和彩燈上的藍芽模組進行配對,實現APP命令控制彩燈藍芽,實現不同的功能,比如可以透過色板、聲音調節喜歡的顏色、亮度等。

    2.BLE藍芽智慧鎖方案

    智慧門禁鎖是在原有門禁系統的基礎上,增加低功耗藍芽透傳模組,實現手機藍芽協議對接。智慧手機透過APP呼叫藍芽服務,傳送指令,智慧門禁鎖接收藍芽指令,繼而控制智慧門禁鎖的開關。

    BLE藍芽智慧鎖方案

    藍芽智慧鎖方案說明:智慧鎖中內建BLE藍芽模組SKB369,手機透過APP讀取智慧鎖藍芽資訊,嘗試配對,併發送開鎖請求到伺服器端,伺服器端向手機發送開鎖指令,手機接受到指令,透過藍芽再把指令傳送給智慧鎖進行解鎖。

    3.藍芽MAC地址掃描列印解決方案

    藍芽MAC地址掃描列印解決方案

    藍芽MAC地址掃描列印解決方案說明:把低功耗藍芽模組(比如SKYLAB的BLE藍芽4.2模組SKB360)充當主機角色,掃描周邊裝置,根據廣播名稱過濾,篩選出周邊訊號最強的裝置,獲取MAC地址;獲取MAC地址後,透過串列埠將資料傳送給標籤印表機,標籤印表機打印出符合要求的二維碼。

    4.藍芽Mesh組網方案

    藍芽Mesh網路是用於建立多對多(many:many)裝置通訊的低能耗藍芽(Bluetooth Low Energy,也稱為Bluetooth LE)新的網路拓撲。它允許您建立基於多個裝置的大型網路,網路可以包含數十臺,數百甚至數千臺藍芽Mesh裝置,這些裝置之間可以相互進行資訊的傳遞,無疑這樣一種應用形態為樓宇自動化,無線感測器網路,資產跟蹤和其他解決方案提供了理想的選擇。有了藍芽Mesh,智慧家居便湧現出很多新的應用可能性。

    藍芽Mesh組網方案

    藍芽Mesh組網方案說明:藍芽Mesh組網的BLE藍芽模組——SKB369。有了藍芽Mesh之後,只需用一臺控制裝置,就可以同時、輕鬆、高效地控制智慧家居系統內的所有功能。藍芽Mesh的強大架構還可以進行擴充套件,滿足辦公室、工廠、工業環境甚至城市的需求,將數以百萬計的節點連線起來,而不會產生故障。

    5.藍芽Beacon室內定位方案

    Beacon是建立在低功耗藍芽協議基礎上的一種廣播協議,同時它也是擁有這個協議的一款低功耗藍芽從機裝置。Beacon裝置,通常放在室內的某個固定位置,每隔一定時間廣播一個數據包到周圍,作為獨立的藍芽主機在掃描時,會間隔地接收到 Beacon廣播出來的資料包,可以用在超市商品促銷,用來向走進它的顧客推送促銷資訊或者優惠券等,或者通過當前接收發送訊號強度指示值(RSSI)、和MAC地址解析等來進行復雜的資料運算,進而對顧客進行室內定位。

    藍芽Beacon室內定位方案

    藍芽Beacon室內定位方案說明:室內定位配合Beacon這一技術,將Beacon節點布在適當的位置,在配合豐富的APP應用,可以很方便地為使用者提供室內位置服務。

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