基于蓝牙4_0技术的防丢器的研究与设计_王磊.docx

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1、 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 ： _ _ 日期 ： _ _ 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的， 复制赠送

2、和交换学位论文； 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 （ 保密学位论文在解密后遵守此规定）。 签 名： _ 日期 ： _ 导师签名 ： _ _日期 ： _ f 基于蓝牙 4.0 技术的防丢器的研究与设计 摘要 随着科学技术的发展，人们生活水平得到了很大提高，节奏也变 得越来越快，从而遗失东西的现象经常在身边发生，甚至还丢失儿童。 据统计，在 2012 年，因丟失智能手机而未找回，美国消费者在经济 上直接损失了 300亿美元；在儿童丢失方面，我国每年约有 20多万 儿童失踪案，目前仍未放弃寻找的案件达 60 万件。针对这些现象， 防丢器应用由此产生。而随着技术的不断更新，现在防丢器和以往相

3、比有极强的抗干扰性和稳定性，功能也越来越多。 该文设计的防丢器沿用了以前的发射抑制原理，无线电波由传感 器发出，假如手持设备能接收到该信 号就不报警，但是如果它们之间 的距离越过预定的距离时，手持设备就接收不到传感器的信号，从而 会发出报警声，这样给使用者提出警告。 该防丢器采用新蓝牙技术 4.0,该技术是传统蓝牙技术、髙速蓝 牙技术和低功耗蓝牙技术的合集，在国内外的研究都处于起步阶段。 该技术在应用方面非常节能，一块硬币大小的电池能用半年之久，同 时还安全和廉价，称为设计此防丢器的不二选择。硬件采用世嵌科技 公司为智能收发模块所专门开发出的 WX2530 通用传感器板，智能 模块采用 TI

4、公司的具有体积小、低功耗和廉价等特点的 CC2540;软 件方 面是在 IAR 集成开发环境下应用 C 语言编写了防丟器代码。实 现了该应用的功能，在设计中，充分考虑了低复杂度、低功耗、低成 本等特点。 本文在结构安排上首先说明了蓝牙技术背景，并简要介绍了低功 耗蓝牙的特点和应用；其次对 BLE 技术的体系结构、拓扑结构、工 作状态和工作角色、设备分类做了简单描述，然后对低功耗蓝牙的协 议栈以及桟内各层进行了详细的研究。再次，介绍了论文的核心部分 : 防丢器软硬件的设计。最后把写的程序分别烧写进传感器和手持设备 中，并进行了测试。接下来对本文所 做的研究工作进行了总结，并对 工作中的不足进行了

5、展望。综上所述。本文所设计的防丢器为防止丢 失东西或儿童提供了一套行之有效的解决方案。 关键字：防丢器， CC2540 芯片，低功耗蓝牙协议栈， WX2530, IAR RESEARCH AND DESIGN OF THE ANTI-THEFT DEVICE BASED ON BLUETOOTH TECHNOLOGY 4.0 ABSTRACT With the development of science and technology, peoples living standard has been greatly improved, and also the pace of life be

6、comes faster and faster, thereby the phenomenon of losing something often occurs around us, and even lost children. According to statistics in 2012, The U.S. consumer lose $ 30 billion directly in the economy because of the loss of smart phone that can not be found； each year about 20 million childr

7、en has been lost in china, and also 600,000 cases has yet not been given up. At this time, the anti-theft device came into being. As technology continues to update, the anti-theft device has more strong anti-interference and better stability, and also the fimction becomes more and more. The design o

8、f anti-theft device in this paper follows the previous emission suppression principle, the radio wave is sent from the slave machine. For example, the master machine will not give an alarm when it receives the signal comes from slave machine, but if the distance between the master and slave machine

9、exceeds a predetermined distance, the master cannot receive the signal from the slave machine, and will send an alarm immediately to user. The anti-lost alarm uses the new Bluetooth technology 4.0, the technology is a collection of traditional technology, high-speed technology and low-power technolo

10、gy, the study of this technology is in its infancy at home and abroad, but the technology is energy-saving in the application, the battery which has a size as small as a coin can be used as long as six months, and also is safe and cheap, so becomes a good choice for anti-lost alarm. In the hardware,

11、 the design uses the WX2530 common sensor board which is developed by embedded technology company for intelligent transceiver module, the intelligent module uses CC2540 with small size, low power consumption and low cost； In the software, the design writes the code in C language in IAR Integrated De

12、velopment Environment. At last, the design achieves all function. Low complexity, low power, low cost and so on are fully taken into account in the design. In this paper, first of all, the background of Bluetooth technology is introduced, and briefly describes the characteristic and application of l

13、ow-power Bluetooth； Secondly, the paper introduces the BLE technology architecture, topology, work status , work roles and equipment classification briefly, and then the protocol stack and stack layers in the low-power Bluetooth are introduced detailedly. Thirdly, the paper introduces the core part

14、of the thesis： the hardware and software design of anti-lost device. At last, the codes are burned into the chip of master and slave device respectively, and also the system has been tested. In the end, a summary of the research work is given, and the lack of work in the future also is introduced. I

15、n summary, the anti-lost device which is designed in the paper provides a effective solution for preventing the loss of something or children. KEY WORDS:anti-theft device, bluetooth technology 4.0, WX2530, IAR Cp 目录 第一章绪论 . 1 1.1技术背景 . 1 1-2主流无线技术的对比 . 2 1.2. 1红外技术 . 3 1.2.2 ffi-Fi 技术 . 3 1. 2. 3 Zi

16、gBee 技术 . 3 1.2.4 蓝牙技术 . 4 1.3低功耗蓝牙技术的特点 . 5 1.4低功耗蓝牙技术的应用 . 6 1. 4. 1运动安全 . 6 1.4.2 无线办公和移动附件 . 7 1.4. 3射频遥控器 . 7 1.4. 4医疗保健 . 8 第二章低功耗蓝牙 BLE 协议栈 . 9 2. 1低功耗蓝牙 BLE 体系结构概述 . 9 2. 1. 1体系结构 . 9 2. 1. 2拓扑结构 . 10 2. 1.3 工作状态和工作角色 . 11 2.1.4 设备分类 . 12 2.2物理层 PHY 规范 . 13 2.2. 1频带和信道的分配 . 13 2.2.2 发射器和接收器的

17、特性 . 13 2.3链路层 LL 规范 . 15 2.3.1空中接口协议 . 15 2.3.2 链路层的操作 . 19 2. 3.3 空中接口包的格式 . 20 2. 3. 4 信道 PDU . 21 2. 4 HCI 规范 . 23 2. 4.1 HCI的流控制 . 23 2.4.2 HCI的数据格式 . 23 2. 4. 3 HCI事件和命令 . 25 2. 5主机规范 . 26 2. 5. 1低功耗蓝牙传输分组 . 26 2. 5. 2面向连接数据分组 . 26 2. 5. 3 PAL协议分组 . 28 2.5.4 通用访问应用 . 29 2. 5. 5建立连接 . 29 第三章基于低

18、功耗蓝牙的防丢器整体设计概述 . 31 3. 1防丢器的的原理 . 31 3- 2实现的功能 . 31 3.3硬件的整体设计 . 32 3.4软件的整体设计 . 33 第四章硬件设计 . 35 4.1芯片的选型 . 35 4. 1.1蓝牙芯片的选型 . 35 4.1. 2 CC2540 芯片介绍 . 35 4.2主要模块的设计 . 39 4. 2.1 CC2540 芯片模块 . 39 4. 2. 2电源模块 . 40 4. 2. 3蜂鸣器模块 . 40 4.2.4 按键和指示灯模块 . 41 4.3本设计采取的抗干扰措施 . 42 第五章软件设计 . 43 5.1低功耗蓝牙协议栈设计 . 43

19、 5.1.1 操作系统抽象层 . 45 5.1.2 硬件抽象层 . 48 5. L 3库文件 . 48 5.2. . 手持设备应用设计 . 49 5.3传感器应用设计 . 51 第六章测试和结论 . 53 6.1测试环境 . 53 6.1.1 IAR 工作平台 . 53 6.1.2 WX2530传感器底板 . 54 6.1. 3 CCDBG 仿真器 . 55 6.2测试结果 . 56 6. 2.1手持设备和传感器的配置 . 56 6. 2. 2测试与分析 . 57 总结与展望 . 59 参考文献 . 61 Sf M . 65 第一章绪论 1.1技术背景 蓝牙技术在 1994 年诞生，当时爱立信

20、决定开发一种低成本和功耗低的无线 接口，来使手机以及附件间之间建立通信，并且该技术得到了 PC 行业界巨头的 无限支持。在 1998年，经过爱立信、诺基亚、东芝、 IBM 和英特尔公司等五家 厂商的协商，他们在蓝牙技术协议上达成一致。同时还成立了蓝牙特别兴趣组 SIG (Bluetooth Special Interest Group),用来推广和发展蓝牙技术。 蓝牙协议的标准版本是由 SIG负责开发的 802.15.1，该标准基于蓝牙 1.1实 现，并且已经构建到许多各种不同用途的蓝 牙设备中。新版的 802.15.la 基本等 同于蓝牙 1.2 标准，具备一定的 QoS 特性，并完整保持后

21、向兼容性。在 2005 年， 蓝牙核心规范 2.0版本发布，该版本改进之处就是有高数据传输速率 EDR (Enhanced Data Rate),是以前版本的 2倍，并降低了功耗，这就增加了电池的 使用寿命。另外，由于带宽增加，提高了系统同时进行多项任务处理和连接多个 蓝牙设备的能力，并使传输距离已经可达 l m， 最高速率为 lOMb/s。 2009 年， 又有新的规范 3.0,该规范速率得到了提升 （ 24Mb/s),技术是 2.0 的 8 倍。在 2010 年，规范4.0正式发布，该规范是传统蓝牙技术、高速蓝牙技术和低功耗蓝牙技 术的合集。与以前版本相比蓝牙 4.0 在电池续航时间、节能

22、和设备种类上更加优 秀。蓝牙技术的演进过程如图 1-1所示。 图 1-1 蓝牙技术的演进过程 Figure 1-1 The evolution process of bluetooth technology 从蓝牙技术出现至今，纵观整个历程，蓝牙技术发展迅速，但成本一直使人 们关心的问题。人们不愿意花大价钱来买蓝牙设备主要因为以下几点： 价格昂 贵； 芯片太大； 信息安全； 抗 干扰能力不强； 传输距离短等问题。对于 这些问题，蓝牙芯片规格已经经历了 5个阶段： (1) 1998年一 2001年，蓝牙因为其使用方便满足日常需求而得到迅速的发 展，期间还成立了 Bluetooth SIG(世界蓝

23、牙组织 )， 蓝牙技术这才开始慢慢发展。 (2) 2001 年一 2002年，蓝牙产品开始作为附件应用于产品中。但这时的蓝 牙技术还不成熟，还有很多不完善的地方，而主要的缺点则是因为应用于特殊要 求或特殊场合，这种场合只要求性能和功能，而对价格不太敏感，所以这时的蓝 牙还存在功耗较高，且价格高昂的问题，且在便携性上还有 一定程度上的不足。 (3) 2002 年一 2005年，蓝牙幵始嵌入到高档产品中，如 PDA、 移动电话、 蓝牙耳机、笔记本电脑等设备当中。由于制造技术的不断创新，蓝牙的价格出现 下降，同时有关的测试和认证工作也初步完善，这个时候的蓝牙己经比较普及， 为其日后的发展做了充分的准

24、备。 (4) 2005年一 2010年，蓝牙技术已经成熟，传输距离 10米，传输速度 1.8M/S， 蓝牙芯片也变得很小，同时更加注重传输数据的安全性，连接时加入了密码配对 的功能，采用了更安全的协议，蓝牙开始不再局限于手机、 PDA 上，而是进入 数码相机等电子产品中。 (5) 2010 年 一至今 ， Bluetooth SIG 推出了最新版本 4.0，蓝牙开始倾向于 低功耗和远距离的传输，传输距离能达到 100米，传输数据也变得稳定，不易被 其他同频段信号干扰。蓝牙技术己经成为了全球短距离无线传输的首先方式，现 在几乎所有的电子产品都配有蓝牙芯片。 1.2 主流无线技术的对比 目前，全球

25、通用的无线技术主要包括蓝牙、 ZigBee、 WIFI 等。随着科技的 不断发展，无线技术也进行着日新月异的改进。基于其灵活性、无需布线等优点 , 在市场上也得到相当广泛应用。本节对这几个主流无线技术进行了对比。 1.2.1红外技术 红外线传输是现在最常采用的通信和遥控手段。在家电遥控和控制传输中普 遍采用此技术主要是因为红外线遥控成本低、体积小、功能强和功耗低等特点。 红外探测技术分为主动式和被动式红外探测两种。前者的工作原理是：红外 线发射器发出一束或多束经过调制处理的平行红外光束，接收器对该红外光束进 行接收，同时转换为数字信号，最后传给报警控制器；在这传输区间假如出现障 碍物，就会发出

26、报警。该技术主要应用 在家庭报警系统中，例如把红外发射器及 接收器分别安装在家中阳台的两端，在设备工作期间，只要有人或者障碍物挡住 信号，马上就会发出报警信号，这让主人及时做好戒备。 红外技术除了以上应用外，还主要作为家电设备之间的数据传输技术，比如 音频传输。和其它几种主流的无线技术相比，该技术的最大优点是带宽大，这就 是说这些采用红外技术的音频产品可以传输大容量的音频信号，且该信号不需要 压缩，这样就会使码率格式的运行提高。 1.2.2 Wi-H 技术 Wi-： Fi 的正式名称是 IEEE802.11b,该技术是由 Wi-H 联盟所持有的无线网路 通信技术。它的应用范围是： 可以将手持设

27、备和个人电脑等采用无线传输技术 的终端以无线方式互相连接 ; 在 l m 范围内可以接收到互联网的无线电信号， 并且，只要用户不离开该范围，就能以 llMb/s 的速度接入 WEB， 但在使用中， 当同一个节点被多个用户接入时，由于带宽会被共享从而传输速率会下降。 随着 wi-Fi 新版本协议的发布， wi-n 的应用越来越广泛。现在手机支持该 技术是以后发展的趋势，并且在未来 ， IEEE 802.11g 可能会作为无线产品之间通 信的标准，该协议工作的无需申请的 2.4HGZ,速率达到了 54Mb/s,并且采用与 IEEE802.11b 相同的正交频分多路复用调制技术。 1.2.3 Zig

28、Bee 技术 ZigBee 技术的特点是低功耗、低速率、近距离、低成本、低复杂度。主要 应用在传输速率不高、距离短和功耗低的场合。简单的说， ZigBee 是一种高可 靠的无线数传网络，类似于 CDMA 和 GSM 网络。 ZigBee 数传模块类似于移 动网络基站。通讯距离从标准的 75m 到几百米、几公里，并且支持无限扩展。 ZigBee可以工作在 2.4GHz (全球流行）、 868MHz (欧洲流行）和 915 MHz (美国流行 ）3个频段上，传输速率分别具有最高 250kbit/s、 20kbit/s 和 40kbit/s 的；传输距离在 l -75m 的范围内，随着应用的不同，该

29、距离可以继续增加。 1.2.4蓝牙技术 蓝牙技术工作在 2.4GHz 的 ISM 频段，该频段对使用者来说无需申请。通过 以下几个方面对蓝牙系统进行了简单介绍。 在业务上，蓝牙规范同时支持数据业务和话音业务的传输，即同时支持异步 方式和同步方式。 当发射功率为 lmW 时，通信距离可以达到 10m,发射功率为 lOOmW 时，通 信距离可达 100m。 使用 IMb/s 速率以达到最大限制带宽。 为防止在 ISM 频段遇到干扰， SIG 采用了快速调频 （ 1600 跳 /s)技术，该技 术是把频带分成若干个跳频信道，在两个设备的连接中，发送端按一定的码 序列不断地从一个信道 “ 跳 ” 到另

30、一个信道，接收端只要按照这个规律就可以 收到真确的信息，在干扰下使用短数据帧可以尽可能增大容量。 为了能够在链路情况良好时实现较低的编码开销蓝牙系统釆用快速确认机 制。 发射功率自适应，低干扰。 严格设计的空中接口使功耗最小。 在设备模式上，蓝牙有主设备和从设备两种方式。主设备负责设定调频序列， 和控制主从之间的业务传输时间与速率。从设备必须与主设备保持一致。 总的来讲，各种无线技术各有优缺点，只不过应用的场合不同而已。红外线 技术应用在相对稳定静止的短距离通信中， ZigBee 技术应用在工业控制上，而 蓝牙技术应用在任何短距离通信和嵌入式产品中，例如移动电话、便携式计算机 以及各种便携式通

31、信设备。 1.3低功耗蓝牙技术的特点 蓝牙作为一种新型的技术主要有以下几种特点： (1) 省电 低功耗蓝牙技术在 省电方面比标准蓝牙数据有明显的优势。 当标准蓝牙技术设备想要处于可发现状态或者可连接状态时，它一定使自己 的 Radio 层在固定的时间段内保持激活状态。由于其它的设备在这段时间内有可 能会向它发送数据包，所以它会扫描超过 32个不同的频率。另外在移动到下一 个频率之前，该设备通过频率检查的方法来判断当前频率是否可用。这段时间总 共超过 22ms。 而对此相同的情况，采用低功耗蓝牙技术设备仅仅需要发送 3个 数据包，随后就幵始监听是否有其它设备想要和之开始会话，其中会话包括扫描 请

32、求和连接请求两种。这 3个数据包占据的时 间加上监听所损耗的时间总共是 1.4ms。 从此可以得出：低功耗蓝牙设备的效率是标准蓝牙设备的 17倍之多。 一个蓝牙设备有被唤醒、建立连接，发送应用数据和断幵连接几种操作，这 些操作占用时间的长短会影响其电池的寿命，时间越短，在耗能方面也就越低， 从而电池的寿命也就越长。采用低功耗蓝牙技术设备完成这些操作仅仅需要 3ms 的时间，从而大大增加了其电池的使用寿命。 在数据包方面，标准蓝牙技术需要 210，而低功耗蓝牙技术仅仅需要 112#。这就说明了，假如需要发送相同的信息，低功耗蓝牙技术设备发送的时 间是标准蓝牙技术的 1/2,也就是说低功耗蓝牙技术

33、可以使用更少的时间去发送 数量相同的应用数据。 采用标准蓝牙技术的设备都有 3 个不同的功率级别，其中每个级别最小输出 功率分别为 lmW、 0.25mW、 N/A。 而采用了低功耗蓝牙技术的设备最小发射功 率为 O.OlmW;并且由于 Radio 层的工作模式的改变，它的发射功率也会动态的 改变。从此可以得到一个结论：低功耗蓝牙的最小发射功率仅仅是标准蓝牙设备 的 1，25。 (2) 可靠 低功耗蓝牙技术的应用设备是由于采用了调频技术，它才会在性能上及其稳 定可靠。即设备需要不断地搜索干扰表较小的信道，以至于每隔一段时间就从一 个频率调到另一个频率，从此在数据传输的可靠性从根本上得到了保证。

34、 (3) 廉价 随着技术的不断发展，制造低功耗蓝牙设备采用标准的 CMOS 工艺技术。 由于其时序没有像标准蓝牙要求的那么严格，同时在协议栈的设计方面，低功耗 蓝牙比标准蓝牙更精简，所以它的生产成本和研发方面相对较低。另外，低功耗 蓝牙设备工作在无需申请的频段，所以，和其他需要缴纳版权或专利费用的技术 而言，又一次降低了它的成本。 (4) 无限制 在主设备可以连接从设备的数量上，标准蓝牙和低功耗蓝牙也不一样。标准 蓝牙中在同一时间只允许 1个主设备和 7 16777184个从设备之间通信。而低功 耗蓝牙可以 1个主设备和无数个从设备之间通信。 (5) 安全 由于低功耗蓝牙技术釆用带有 128

35、位密钥的 AES 算法对数据进行加密或者 解密。从而在数据的传输方面使用户者更放心，即由许多蓝牙设备组成的网络是 安全的。 1.4低功耗蓝牙技术的应用 低功耗蓝牙技术的主要优势是低功耗，即 1枚纽扣般大小的电池就可以运行 10年之久。因此该技术主要是实现两个设备之间的简单数据传输，同时 还满足 各种领域不同种类的要求，如消费型电子设备、工业控制、农业自行化、汽车自 动化和医用设备控制等，在不就的将来，市场将会非常庞大。 1.4.1运动安全 位于身上的传感器连接上鞋和其它合适装可以收集心率、距离、速度、加速 度等数据信息并发送数据到手机或个人存储设备上以备处理 . 低功耗蓝牙技术在运动、健身和保

36、健方面的典型应用是运动手表。该系统是 由手表装置和安装在身体相关部位的数据釆集和发送装置组成的，其中手表装置 是显示和存储人们关心的各种身体情况信息的设备，如行进速度、步伐频率、心 率等，它是个人区域网络的核心。使用这种运动手表再加上医生的建议，人们就 可以达到最佳的锻炼效果。 1.4.2无线办公和移动附件 低功耗蓝牙技术的小尺寸和长电池寿命使得它在无线办公和移动附件领域 有着广泛的应用，如无线键盘、游戏设备等。 无线耳机在我们的生活中随处可见，现在的笔记本都能配置此功能，台式机 一般是没有的；并且无线耳机最优秀的应用是呼叫中心，在这个呼叫中心，由于 话务人员需要不停的走动，所以佩戴有线耳机会

37、给他们带来很多的不便。同时由 于长时间的通话，以避免经常更换电池对功耗有严格的要求。低功耗蓝牙技术的 应用正符合这些要求。 1.4.3射频遥控器 现在遥控器一般采用红外线技术，并且主要应用于电子设备、家用电器和家 庭娱乐上。价格低廉、使用可靠的红外线技术在功能方面会受到限制，并且不能 与系统与时俱进。而射频遥控技术就可以改善这些情况，它可实现双向高速数据 传输，同时会在遥控器上看到反馈回来的信息；同时功耗非常低，并且在工作时 不怕被物品遮挡视线和传输距离会更远。 射频遥控技术的典型应用是对媒体中心的遥控，例如在 KTV 点歌时，人们 使用射 频遥控器。该应用的主要优势表现在： 因为遥控器上会显

38、示我们已点的 歌曲，那么就不需要人们跑到主机那看菜单。 因为遥控器能遮挡传输，那么人 们可以在屏幕前边玩边唱。总之给人们的生活带来了方便。 随着计算机的媒体中心进入家庭娱乐，射频遥控器的应用将会越来越广。在 不久之前，微软公司还提出了支持 Windows Vista Side Show 技术的双向遥控概 念。而这个概念的双向通信恰好使用的是射频技术。低功耗蓝牙正满足这些要求， 并且在性能、稳定性和功耗方面是不二选择。 1.4.4医疗保健 目前，世界各地的医院和医疗保健机构都会使用不同种类的系统，对病人的 病情进行记录、监测和跟踪。但是，对于不同的治疗阶段，这些系统和病人的病 情还是脱节的，所以面对这些问题，效率高且低成本的设备应用而生。 在病人和医保人员刚开始接触，就可以使用低功耗蓝牙无线技术仪器和相应 的传感器对病情自动跟踪和监测，且还可以信息记录下来方便与未来医保人员的 查阅。由于该设备小和稳定，不会影响人们的正常生活，所以在医院和病人家中 都可使用。由于医疗保健费用的昂贵，这个发展趋势只会加快。 低功耗蓝牙无线技术的 另一个功能是无线监控，因此，可以使用该技术对于 生活中的糖尿病、心脏病和高血压等慢性病进行远距离的监控。另外，加上适当 的基础设施，医保人员可以远距离监视病人的一切情况。例如：是否准时吃饭和 吃药；是否能起床；在病人在便溺失禁后，是