基于蓝牙技术的无线智能传感器系统的研究_王虹云.docx

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1、论文分类号 TN915. 05 单位代码 1 0 1 8 3 研究生学号 2003512019 吉 林大学 项士学位论文 基于蓝牙技术的无线智能传感器系统的研究 Research on The Wireless Smart Sensor System Based on Bluetooth Technique 作者姓名：王虹云 专 业：测试计量技术及仪器 导师姓名 u m $ 李 冶 教 授 及 职 称 学位类别 :工学硕士 论文起止年月： 2005年 4月至 2006每 5月 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 基于蓝牙技术的无线智能传感器系统的研究 Research on The Wir

2、eless Smart Sensor System Based on Bluetooth Technique 作者姓名：王虹云 专 业：测试计量技术及仪器 导师姓名 及职称 李冶教授 学位类别：工学硕士 论文起止年月： 2005年 4月至 2006年 5月 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签

3、名： 日期： 2006年 5月 8日 作者姓名 王虹云 论文分类号 TN915. 05 研究生学号 2003512019 学位类别 项士 授予学位单位 吉林大学 专业名称 测试计量技术及仪器 培养单位 (院、所、中心 ） 仪器科学与 电气工程学院 研究方向 无线技术、 智能传感器 学习时间 2003年 9 月 至 2006年 6 月 论文中文题目 基于蓝牙技术的无线智能传感器系统的研究 论文英文题目 Research on The Wireless Smart Sensor System Pased on Bluetooth Technique 关键词 （ 3-8个） 蓝牙无线智能传感器 IE

4、EE1451 导师情况 姓名 李冶 职称 教授 学历学位 本科 工作单位 吉林大学 论文提交日期 2006年 月 日 答辩曰期 2006年 06月 09日 是否基金资助项目 是 基金类别及编号 2 Q030312 如已经出版，请填写以下内容 出版地（城市 名、省名 ） 出版者（机构 ） 名称 出版日期 出版者地址（包括邮编） 无线传感器系统是一种新型具有巨大发展潜力的传感器系统， IEEE1451 标准代表未来传感器发展方向的一种网络化智能传感器标准，研究无线传感器 技术与IEEE1451标准相结合的系统将具有重大意义。 通过在众多无线技术中对比，选择了蓝牙技术作为系统的无线技术。研制 了两套

5、不同的模型方案，其中模型 I是在有线 IEEE1451.2系统的基础上的无 线化点对点系统，模型 II是采用 EEE1451标准中关键技术的点对多点无线化 智能传感器系统。 蓝牙芯片采用 CSR公司的 BlueCore2-extemal， 它在单芯片上集成了蓝牙 底层协议栈。模型 I主要由单片机和蓝牙模块实现的转接电路作用在标准的 IEEE1451系统上，实现有线信号与无线数据信号的转化；模型 II的系统主控 单元选择 PC，选择片上系统芯片 ADUC812实现低功耗、体积小的智能传感 器节点。 对这两种模型作了测试，针对模型 I作了无线智能小车模块，对其进行网 络化控制，可以很好的运行；针对

6、模型 II的无线智能传感器节点主要作了功 耗、传输距离、采集速率的测试，基本上可以满足实际的应用要求。 最后，还对 NCAP的入网方式作了设想，分析了蓝牙的无线局域网接入 剖面，为以后蓝牙的无线入网作了准备工作。 关键词：蓝牙、无线智能传感器、 IEEE1451 第丨章引言 . 1 1.1无线传感器系统 . 1 1.2蓝牙技术 . 2 1.3 IEEE1451网络化智能传感器标准 . 4 1.4论文研究的意义 . 6 1.5国内外研究现状 . 7 1.6本文的工作 . 7 第 2章总体设计方案 . 8 2.1蓝牙协议规范 . 8 2.1.1蓝牙无线射频部分协议规范 . 9 2.1.2蓝牙基带协

7、议规范 . 9 2.1.3链路管理器协议规范 . 12 2.1.4逻辑链路控制和适配协议规范 . 14 2.1.5服务发现协议规范 . 14 2.1.6串口仿真协议规范 . 15 2.1.7主机控制器接口功能规范 . 15 2.2 IEEE1451标准及其技术介绍 . 18 2.2.1 IEEE1451.1 标准 . 18 2.2.2 IEEE1451.2标准及其技术介绍 . 18 2.2.3 IEEEP1451.5 标准 . 24 2.3无线智能传感器系统模型 . 24 2.3.1模型 I系统方案 . 24 2.3.2模型 II系统方案 . 25 第 3章具体实现 . 26 3.硬件具体实现

8、 . 26 3.1_1蓝牙模块 . 26 3.1.2模型 I的硬件设计 . 30 3.1.3模型 II的硬件设计 . 31 3.1.4蓝牙天线的设计和选择 . 35 3.1.5蓝牙硬件电路设计中的其他问题 . 38 3.2软件具体实现 . 39 3.2.1转接电路的软件设计 . 39 3.2.2无线智能传感器节点的软件设计 . 40 3.2.3主机端智能传感器系统测控软件的设计 . 46 第 4章应用及测试结果 . 68 4.1模型 I的测试及应用 无线遥控小车演示模块 . 68 4.2模型 II的测试及应用 . 68 4.2.1 测试 . 68 4.2.2应用展望 . 71 第 5章网络适配

9、器蓝牙无线入网的相关研究 . - . 73 5.1蓝牙局域网接入应用框架简介 . 73 5.2框架概述 . 74 5.3用户接口方面 . 76 5.4应用层 . 77 5.5 PPP . 78 5.6 RFCOMM . 80 5.7业务发现 . 80 5.8 L2CAP . 80 5.9链路管理 . 81 5.10链路控制 . 82 5.11管理实体程序 . 82 第 6章总结 . 84 0m . 85 . 87 ABSTRACT. . 88 Sc m . 89 导师及作者简介 . 90 第 1章引言 1. 1无线传感器系统 当今科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息 获取

10、最重要和最基本的技术 传感器技术也得到了极大的发展。早在上世 纪 70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输连接传感控制器而构成 的传感器系统雏形，我们把它归之为第一代传感器系统。随着相关学科的不 断发展和进步，传感器系统同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能 力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器系 统，这是第二代传感器系统。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于 传感器系统，人们用其组建智能化传感器系统，大量多功能传感器被运用， 并使用无线技术连接，无线传感器系统逐渐形成。 无线传感器系统是新一代传感器系统，较有线传感器系统有如下优势： 參易于部署 随机部署

11、在感兴趣的地方而无需事先规划降低安装成本 和增加部署灵活性； 范围扩展 许多分布的小型无线传感器覆盖的范围超过一个有线传 感器的覆盖范围； 鲁容错能力 单个传感节点的故障不会影响网络的性能； 移动性节点 可进行任意不脱离中心的移动。 无线传感器系统的这些优势使得它可以应用到有线系统使用受限制的 领域，如传统的应用领域包括军事应用、应急场合等，一些新兴领域如环境 科学、智能化家居环境、精细农业、空间探索等，并在这些领域占有不可替 代的位置。无线传感器技术还将会不断的产生新的应用模式，从各个方面为 我们的生活带来深远的影响。 巨大发展潜力的无线传感器技术引起了世界各国军事部门、工业界和学 术界的极

12、大关注。发达国家如美国，也非常重视无线传感器的发展。可以预 计，无线传感器系统的广泛应用是一种必然趋势 ，它的出现将会给人类社会 带来极大的变革。 1.2蓝牙技术 现有的无线通讯技术有很多，为了选择一种适合用于传感器的，我们针 对主要的几种无线局域网通讯方式做一下比较，如表 1-1 ZigBee IEEE802J1X IrDA HomeRP UWB BIueTooth 工作频段 2.4GHz868/9 2.4GHz 红外线 2.4GHz 3_1GHz 2.4GHz 15MHz 10.6GHz 2.48GHz 传输速率 250Kbps 54Mbps 16Mbps 1-2Mbps 480Mbps

13、1Mbps 传输距离 10-75m 100-300m 定向 lm 50m Reset 01 03 0C 00 Tx= 4个字节 指令名称 :初始化 解 析彳 011分组指示器 0C03操作码 00参数长度 Read_Buffer_Size 01 05 10 00 Tx= 4个字节 指令名读缓冲区大小 解 析 :01分组指示器 1005操作码 00参数长度 Clcar:Set_Evenl_Filter 01 05 0C 01 00 Tx= 5个字节 指令 称 :士定事件过滤器 解 析 :01分组指示器 0C05 操作码 01参数长度 00J清除的所有滤波器 Write_Scan_Enable 0

14、1 1A 0C 01 03【 Tx= 5 个字节 令名每 :写入扫描允许结构参数值 解 析 :丨 分组指示器 0C1A操作码 【 01参数长度 03查询扫描允许；呼叫扫描允许 Set_Event_Filter 01 05 0C 03 02 00 02 Tx= 7个字节 指令去称 .指定事件过滤器 解 析 :01分组指示器 0C05操作码 03参数长度 02链接设置 00响应査询过程的新设备 02允许指定蓝牙地址的设备链接 Write_Connection_Accept_Timeout 0丨 16 0C 02 00 20 Tx= 6个字节 g令名称 :写又链接运别超时结构参数 解 析 :01分组

15、指示器 0C16操作码 02 参数长度 2000在基带时隙数里的链接识别超时测量 N,Interval Length=N*0.625 msec(单基带时隙 ） Write_Page_Timeout【 01 18 0C 02 00 30 Tx= 6个字节 &令名写入呼叫响应超时结构参数 解析 :【 01丨分组指示器 0C18 操作码 02 参数长度 3000在基带时隙数里的呼叫超时测量 N,间隔长度 =N*0.625ms Read BD ADDR 01 09 10 00 Tx= 4个字节 指令 &称 :读本地蓝牙设备地址 解 析 :f叫分组指示器 1009操作码 00】参数长度 Inquiry

16、01 01 04 05 33 8B 9E 06 00 Tx= 9个字节 指令名称 :查询周边蓝牙设备 解 析 :0 分组指示器 0401操作码 05参数长度 9E8B33访问识别码 06j查询最长持续时间 N,时间 =NM .28秒 00不限制应答次数 (缺省值） Create Connection 01 05 04 0D 19 C0 16 37 80 00 08 00 00 00 00 00 00 Tx= 17个字节 指令名称 :建立链接 解 析 :01分组指示器 04051操作码 0D参数长度 00803716C019对方蓝牙地址 0008分组类型： DM1 00扫描重复段间隔： R0模式

17、 -连续 00扫描模式：强制呼叫扫描 0000时隙设置 00以本地设备为主设备，它不会在链接建立时接受由远程设备请求的主从互换 Disconnection 01 06 04 03 01 00 13 Tx= 7个字节 指令名称 :断开链接 解 析 :01分组指示器 0406操作码 03参数长度 0001对方蓝牙设备链接句柄 13断开原因：由于另一端引起连接中断 .用户中断连接 Disconnection 01 06 04 03 01 00 13 Tx= 7个字节 指令名称 :断开链接 解 析 .01分组指示器 0406操作码 03参 数 长度 0001对方蓝牙设备链接句柄 13断开原因：由于另一

18、端引起连接中断：用户中断连接 low power wireless smart sensor node. The software of the system has realizes the USB driver on PC and the driver of bluetooth data transmission, the program in the wireless smart sensor node is accord with IEEE 1451 Standard basically.In order to realize the low power,it should contr

19、ol the bluetooth to work in low power mode.Standard bluetooth protocol make the node could conmmunicate with portable device. We test the two system model ,too.Model I is made to a wireless smart remote control car demo model,it could work well in network control;The wireless smart sensor node of mo

20、del II is tested in the aspect of power transmission distance、 sample speed and so on, it could meet the request basically. This paper also research on the connection manner of the Internet of NCAP.Adopts the bluetooth technique to realize wireless connection to Internet. In order to prepare with th

21、e wirelss connection to internet ,the paper has researched on the bluetooth wireless LAN Profile. Key Words:BIuetooth wireless smart sensor IEEE1451 致谢 由衷的感谢我的导师李冶老师！ 本论文始终是在李老师的悉心指导下完成的。三年来，无论是在基础课 程学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环 节，无不得到导师的悉心指导和帮助，使得我能够克服各种困难最终完成课 题的研究与设计。 同时，感谢在本论文撰写期间实验室给予过我帮助的林

22、君老师，吴忠杰、 朱虹、张颖、王然、韦建荣等同学。 最后，要感谢培养了我七年的母校吉林大学朝阳校区，愿她永远美丽。 导师及作者简介 导师简介： 导师：李冶性别：男 出生日期 ： 1960年 8月民族：汉 学位：本科职称：教授出生地：吉林省长春市 工作经历：现任吉林大学教师兼吉林大学智能仪器与测控技术研究所副所长 著作与成就： 1998年以来，完成国家 863子课题一项，国家自然科学基金项 目一项，吉林大学创新项目两项，目前承担吉林省科技厅研究项目。 98年以 来，发表论文 10多篇，专著 1部，培养硕士生 11名。 研究方向：从事信号处理、智能测控技术及仪器的研究工作 联系方式： Lee_ 作者简介： 作者：王虹云性别：女出生日期： 1981年 9月民族：汉 出生地：吉林省学位：硕士 参加项目： 1吉林省科技厅重点项目 “ 基于 IEEE1451网络化智能传感器模块的研制 ” 2J吉林省科技厅课题 “ 图形化虚拟仪器软件平台的研制 ” 发表论文： 王虹云，李冶。蓝牙技术在智能传感器系统中的应用，传感器技术，已录 用。 王虹云，李冶。 BlueCore系列蓝牙芯片的接口设计应用，电子技术应用， 已录用。