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1、 密级 : 题目： 基于蓝牙 4.0 的防丢系统 的研究与设计 _ 学 号： 2012110172 姓 名： 霍丙乾 _ 专 业： 通信与信息系统 导 师 : 李剑峰 学 院： 信息与通信工程学院 2015 年 3 月 17 曰 硕士学位论文 独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研宄 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申
2、请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 : 日期 : 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， E 卩：研宄生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位厲北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 : 导师签名 日期： 日期 ： (,1 基于蓝牙 4.0的防丢系统的研究与设计 摘要 随着社会的进步和技术的发展，人们的工作和生活节奏
3、越来越 快，外出开会、洽谈、旅行、购物的需求也越来越普遍，也正是因为 如此，随身物品丢失的案例屡见不鲜；与此同时儿童、老人走失的事 件也屡有发生。因此对于防丢系统的研宄具有很大的市场价值。 蓝牙 4.0 标准使得蓝牙设备在传输距离、抗干扰能力以及能源消 耗上都表现优异，特别是它只需要一节纽扣电池就可以使用数年的低 功耗特性，更是令世人瞩目。 论文首先基于生活场景中的防丢需求对低功耗蓝牙协议进行了 研宂，其中重点对其协议的层次结构以及设备的工作状态、工作角色、 工作模式等多个角度进行了探讨；其次，对 Android 系统的蓝牙协议 栈的实现进行了分析，对其应用程序的开发特别是低功耗蓝牙相关的 程
4、序开发细节进行了调研。最后，在对传统的防丢系统的概念模型和 存在的问题进行深入分析的基础上设计并实现了 套硬件成本更低 廉、逻辑更精简的防丢系统。 该防丢系统主要由子机和母机两部分组成。子机是一个具有低功 耗蓝牙广播功能的硬件模块，在实际应用中用户可以将其安置于防丢 物品当中；母机则是一款基于 Android 智能设备的应用程序，用户只 需要将其安装在软硬件均支持低功耗蓝牙的 Android 手机上即可对子 机进行监控，达到防丢的目的。 在系统工作时，子机需要工作在广播 状态，并按照协议的要求在相应的广播信道上发送广播消息；母机则 仅仅通过对子机进行简单的扫描即可获取子机的信号强度，并且通过
5、先验的子机信号强度数据（包括离线采集和线上获取两种）对子机的 状态进行分析，并在适当的情况下进行报警。 本文在实验室条件下的对该系统进行了功能测试，测试时令子机 和母机以不同的速度匀速远离，并在母机报警时记录子机和母机的距 离，称为 “报警距离 ” ，由报警距离可以计算出母机从子机进入异常 状态到最终报警的反应时间，而这个反应时间就是衡量防丢系统工作 性能的 一个重要指标。实验结果表明在子机以正常行走速度远离母机 时，母机能够迅速作出反应并向用户报警。 关键词：低功耗蓝牙， Android 手机，防丢系统，反应时间 THE DISCUSS ON A ANTI-LOST SYSTEM BASED
6、 ON BLUETOOTH 4.0 ABSTRACT With the development of the society and technology, it has become faster and faster for people to follow steps of the world and it has also become increasingly urgent for them to go out for meeting, negotiation, travel, shopping and so on. Because of this, cases of losing
7、belongings among these people are extremely common. Even the lost incidents of children and the old may also occur frequently at the same time. So the research on the Anti-lost System has a great value in the market. Bluetooth 4.0 standard was released in 2010. Since then, the BLE (Bluetooth Low Ene
8、rgy), part of Bluetooth 4.0, has been playing a significant role in peopled life. This new born Bluetooth standard provides a longer covered distance, more advanced ability of anti-interference and the most important lower energy consumption. At this point, it only needs a button cell to survive a t
9、en-year life. Based on the needs in the real life, this article has worked on the BLE protocol especially focusing on the level structure of the protocol stack and the states, roles, modes designed for the BLE devices. After that, the realization of this protocol on Android system will be brought in
10、 and be discussed, and the development of the BLE related applications is going to be covered. Then the traditional Anti-lost System should be dealt with, meanwhile, a lower cost and less complicated Anti-lost System will be designed and realized based on those former ones. The system mainly consist
11、s of two parts, a master end and a slave end. The slave end is a BLE module which should be able to work on the broadcast state. Users should equip the belongings with it. The master end is an application based on the Android smart device. Users can monitor their belongings only by installing this a
12、pplication into their Android smart phones which should support the BLE protocol. When working, the slave end should work on the broadcast state and send broadcast message on specified channels while the master end should keep scanning to obtain the power level of the signals sent by the slave. By a
13、nalyzing the levels obtained, the master should make a decision on whether the slave is safe or not. If not, ring the alarm to alert the user. An experiment will be performed to test the performance of the System designed in this article. Reaction Time will be used to measure the ablity for the Syst
14、em to prevent belongings losing. It is concluded that the System can quickly take actions to ring the alarm when the distance between the master and the slave has reached a specified value. KEYWORD： Bluetooth Low Energy, Android handset, Anti-lost System, reaction time 目录 第 一 章 绪 论 . 1 1.1研究背景 . 1 1
15、.1.1现实背景 . 1 1.1.2技术背景 . 1 1. 2蓝牙 4. 0 低功耗技术的特点 . 3 1.3低功耗蓝牙技术的应用 . 4 1.3.1运动医疗 . 4 1.3. 2无线办公 . 4 1.3. 3射频遥控 . 5 1.4无线技术与位置服务 . 5 1.4.1其他主流的无线技术简介 . 5 1.4. 2无线技术在位置服务中的应用 . 6 1.5智能移动终端对低功耗蓝牙的支持 . 7 L5. 1 iOS 阵营 . 8 1.5.2 Android 阵营 . 8 1.6论文安排 . 9 1.7本章小结 . 9 第二章低功耗蓝牙协议栈概述 . 10 2.1体系结构概述 . 10 2.1.1
16、层次结构 . 10 2.1.2拓扑结构 . 11 2. . 】.3工作状态和工作角色 . 11 2.1.4设备分类 . 12 2.2低功耗 蓝牙广播状态 . 13 2.2.1广播类型概述 . 13 2. 2. 2广播信道的选取 . 13 2.2_ 3 广播间隙 （ Advertising Interval) . 13 2. 2.4可连接的非定向广播 . 14 2. 2.5可连接的定向广播 . 15 2. 2.6可扫描的非定向广播 . 16 2. 2. 7不可链接的非定向广播 . 17 2. 3低功耗蓝牙的扫描状态 . 18 2. 3.1 被动扫描 (Passive Scanning) . 18
17、 2. 3.2 主动扫描 (Active Scanning) . 18 2.4 GAP、 GATT 简介 . 19 2. 5本章小结 . 20 第三章低功耗蓝牙协议的 Android 系统实现的研究 . 22 3.1 Android 的体系架构分析 . 22 3. 1.1 Linux 内核层 . 22 3. 1.2系统运行库层 . 23 3-1. 3 应用程序框架层 （ Application Framework) . 24 3. 1.4应用程序层 . 24 3. 2 Android 系统的蓝牙实现 . 24 3. 2. 1 Android 蓝牙基本架构 . 24 3. 2. 2 BlueZ
18、架构 . 25 3. 2. 3 Android 蓝牙协议栈 . 26 3. 4本章小结 . 29 第四章防丢系统的研宄与设计 . 30 4-1传统的防丢系统 . 30 4.1. 1防丢系统概念模型 . 30 4. 1. 2传统防丢系统存在的 题 . 31 4. 2防丢系统改进设计概述 . 32 4.2.1采用智能手机作为母机的载体 . 32 4. 2. 2基于信号强度防丢 . 32 4.2.3大幅度降低实现难度 . 33 4.3子机设计 . 33 4.4母机设计概述 . 33 4. 4.1有限状态机的基本概念 . 33 4. 4. 2母机的状态机模型概述 . 34 4. 5母机详细设计 . 3
19、5 4. 5.1输入频率控制 . 35 4. 5. 2输入滤波 . 36 4.5.3信号数据的离线处理 . 38 4. 5. 4母机系统状态机的设计 . 39 4 5.5状态转移控制器 . 40 4.5.6 “1 拖 N” 模式 . 44 4. 6本章小结 . 44 第五章防丢系统的实现和功能测试分析 . 45 5.1概述 . 45 5. 1.1 Android 应用开发概述 . 45 5. 1. 2服务器应用程序开发概述 . 47 5.2数据采集系统的实现 . 48 5.2.1客户端实现 . 48 5. 2. 2服务器实现 . 52 5.3防丢系统的实现 . 55 5. 3.1子机实现 .
20、56 5. 3. 2母机实现 . 59 5,4防丢系统的测试分析 . 64 5. 4. 1测试方法 . 64 5. 4. 2测试结论 . 65 5. 4. 3测试结果的可靠性探讨 . 66 5. 5 66 第六章总结与展望 . 67 6.1全文的工作总结 . 67 6.2防丢系统的发展 . 67 6. 3本章小结 . 68 参考文献 . 69 致谢 . 71 攻读学位期间发表的学术论文目录 . 72 第 一章绪 论 本章从防丢系统的现实背景和技术背景入手，讨论了防丢系统的现实需求和 应用场景，之后对蓝牙技术的发展概况和硬件支持情况做了介绍，发现社会上对 于一款低成本、便携带的防丢系统有着非常大
21、的需求，同时随着低功耗蓝牙标准 的发布以及各大手机厂商对其的支持，防丢系统的研究和实现已经具备了必要的 硬件和软件条件。本章最后给出了全文各章的内容安排。 1.1研究背景 1.1.1现实背景 随着社会的进步和技术的发展，人们生于在互联网时代，其工作和生活节奏 越来越快，外出开会、洽谈、旅行、购物的需求也越来越迫切，也正是因为如此， 随身物品丢失的案例屡见不鲜，特别是在人流量较大的公共场所，像手机和钱包 这样的贵重物品的丢失时有发生。更有甚者，家长看管儿童时稍不留神就可能发 生儿童走失的事情。 在这样的现实背景下，防丢的想法便应运而生，进而刺激了当前防丢相关课 题研宄的开展。 1.1.2技术背景
22、 1994年，爱立信决定研发一套成本和功耗较传统技术更低的无线接口技术， 并期望使用该技术来实现手机及其附件之间的数据通信，这就是后来为人们熟知 的蓝牙技术了 11。随后于 1998年，该技术得到了由爱立信 （ Ericsson)、 诺基亚 (Nokia)、东芝 （ Toshiba)、 IBM (International Business Machines Corporation) 和英特尔（ Intel)等五家硬件厂商主导成立的蓝牙特别兴趣组 SIG (Bhietooth Special Interest Group)的支持，并逐渐被推广开来。 蓝牙协议标准的最初版本是 IEEEE802.
23、15.1， 该标准基于蓝牙 1.1制定，随 后的 IEEE802.15.la 基本等同于蓝牙 1.2标准，该版本的蓝牙除了保持了完整后 向兼容性之外也具备一定的 QoS 特性。 2005 年发布的蓝牙核心规范 2.0 版本以 及后续的 2.1、 3.0 这三个版本是市面上应用最为广泛的版本，它们较老版本在数 据传输速率 011(111130&131上有了不小的进步 ,也在一定程度上降低了 功耗，同时，带宽的增加，也提高了蓝牙系统多任务处理和多设备连接的能力。 实际上 2009年推出的蓝牙 3.0规范已经将数据传输速率提升到了 24Mb/s， 是 2.0 时的 8倍。在 2010 年，蓝牙 4.
24、0发布，该规范是传统蓝牙技术、髙速蓝牙技术 和低功耗蓝牙技术的合集。蓝牙 4.0较老版本在续航时间、覆盖范围、数据传输 上取得了长足的进步，成为了物联网时代最具潜力的接入技术之一 2。 蓝牙技术的演进过程如图 1-1所示。 蓝牙技术诞生至今也有十余载，它的发展极其迅速，曾在突然间令红外数据 传输技术黯然神伤，总体来看，蓝牙技术的发展主要经历了五个阶段如表 1-1 所示： 表丨 -1 蓝牙发展的五个阶段 阶段时间 阶段描述 1998-2001 SIG 成立，蓝牙因为其使用方便并能满足日常需求 而得到迅速的发展 2001-2002 蓝牙产品开始作为附件应用于产品中 存在功耗较高、价格昂贵的问题 便
25、携性在一定程度上的略显不足 2002-2005 制造技术的创新促使蓝牙芯片的成本降低 应用已经相对普及，主要嵌入在常见的 PDA、 手机、 笔记本电脑等设备当中 2005-2010 传输距离达丨 0 米 传输速率达 1.8M/S 芯片体积微型化 数据传输的安全性得到改善 应用范围更加广泛 2010-至今 蓝牙 4.0 发布 开始着眼于低功耗和远距离的传输，传输距离能达 到 100米 抗干扰能力得到增强 1.2蓝牙 4.0低功耗技术的特点 4.0版本的蓝牙技术因为其低功耗的特点，通常也被称作低功耗蓝牙 、 BLE (Bluetooth Low Energy)。 低功耗蓝牙主要有以下几个特点： (
26、1)功耗低 低功耗蓝牙耗电量低正如其名，与传统的蓝牙技术相比，其改进主要体现在 待机功耗降低、高速连接的实现以及峰值功率的降低等三个方面，具体如表 1-2 所示。 表 1-2低功耗蓝牙与传统蓋牙的对比 低功耗蓝牙 传统蓝牙 待机 广播通道少，只有 3个 广播周期短，0.6-1.2ms 深度睡眠，主机长时间处于超低负载 状态 广播通道多， 16-32个 广播周期长， 22.5ms 空闲时无睡眠状态 正在广播的设备会响应其他设备的 扫描和连接请求，避免了重复扫描的 正在广播的设备不会响应其他 连接 发生 设备的扫描，因此会有重复扫 优化拓扑结构，增加设备连接数，降 低设备连接复杂度 描的发生 峰值
27、功率 对数据包格式、调制方式等方面做了 优化，降低了收发设备的复杂度，进 而降低了峰值功率 数据包较长，调制方式不够优 化导致收发设备复杂度高 (2)可靠性高 低功耗蓝牙采用了跳频扩频技术调制信号，跳频技术是最常见的扩频通信技 术之一，采用跳频技术进行调制的信号载波频率随伪随机码的变化而产生随机跳 变。时域上，跳频信号是一个多频频移键控信号；频域上，跳频信号的频谱在较 宽的频带上随机跳变。因此，低功耗蓝牙在信号传输上具备了跳频扩频通信的抗 干扰能力强、隐蔽性好、对抗能力强等特点。 (3) 成本低 _ 低功耗蓝牙的时序的产生要求较低，而传统蓝牙技术对此的要求非常严格， 同时在协议栈的设计上，低功
28、耗蓝牙协议栈也显得更加精简，因此低功耗蓝牙的 芯片设计复杂度和研发成本较传统蓝牙大大降低。 (4) 数据安全性得到保证 低功耗蓝牙技术使用 AES-128 CCM 加密算法对数据包进行加密和认证， AES(高级加密标准 Advanced Encryption Standard)， 又被称作 Rijndael 加密算法， 是由美国联邦政府采用的一种区块加密标准。目前，高级加密标准已然成为对称 密钥加密中最流行的算法之一。截止目前，针对 AES 唯一的成功攻击是旁道攻 击，旁道攻击不攻击密码本身，而是攻击那些基于不安全系统（会在不经意间泄 漏信息 ）上的加密系统。因此，低功耗蓝牙技术的数据安全性基
29、本上得到了保证， 尽管这并不代表绝对的安全，实际上绝对的安全也不会存在。 1.3低功耗蓝牙技术的应用 低功耗蓝牙技术自身的特点决定了它将在设备之间的简单数据传输方面大 展手脚。随着移动智能手机对低功耗蓝牙从硬件层面和软件层面的不断支持和完 善，基于移动智能操作系统的应用程序也越来越多地采用蓝牙技术来做为数据传 输的接口。 1.3.1运动医疗 此类应用一般分为两部分，母机端为移动终端应用程序，主要用于数据呈现 等功能，子机为位于身上的传感器，传感器主要用来采集母机需要的数据，并通 过蓝牙完成数据传输。低功耗蓝牙技术在运动和健身方面的典型产品是运动手 环，目前推出智能手环的公司有小米、搜狗等公司。
30、以小米手环为例，手环本身 就是一个子机，还需要小米手机的配合，二者结合起来就可以 看作一款健身产品， 它可以帮你记录全天的活动，计算行走距离及热量消耗，你也可以每天设定目标， 让手环帮助你完成每日运动量，而完成子机和母机数据交换的技术就是低功耗蓝 牙技术。 目前，世界各地的医院和医疗保健机构也已经开始通过一些类似的蓝牙设备 来对病人的恢复和调养情况进行跟踪，病人只需要通过随身携带的传感器即可将 数据传输到一台网络接入设备（通常就是病人的移动智能终端）上，数据一经上 报，医护人员即可进行查看，并实时给出下一步的指导意见和方案 3。这不仅能 够为病人的康复带来方便，也极大的减轻了医护人员的 工作强
31、度和工作压力，也 降低了医疗成本。 1.3.2无线办公 低功耗蓝牙技术也被广泛应用在无线键鼠、无线耳机等外设当中。试想一下， 随着技术的不断更新，越来越多的设备需要接入 USB 接口来实现与个人电脑互 联，如此下来，非但电脑接口不能满足需求，繁杂的数据线也会令人烦闷。而低 功耗蓝牙也正是因为其耗电量低、接入能力强的特点，使得一台电脑只需要一个 蓝牙接口即可与其他具备蓝牙功能的设备建立稳定可靠的连接，这使得它在无线 办公领域得到了广泛的应用。 1.3.3射频遥控 蓝牙似乎天生就是红外技术的克星。移动终端最初曾有过一段短暂的时间主 要通过红外技术来实现数据交换，不过随着蓝牙的普及，红外技术已经似乎
32、在这 一领域绝迹。尽管如此，红外技术仍然活跃在家用电器等电子设备的遥控装置领 域，而低功耗蓝牙的出现似乎进一步加速了红外技术的淘汰进程 4。 红外技术虽然价格低廉，功耗也极低，但红外信号有一个致命的弱点：无法 穿越障碍物，数据传输能力也较弱。在这些方面低功耗蓝牙是具有巨大优势的。 加上功耗和成本大幅度降低的优点，低功耗蓝牙毫无疑问的将成为遥控领域的王 者。 1.4无线技术与 位置服务 1.4.1其他主流的无线技术筒介 当前主流的无线技术主要包括红外技术、蓝牙技术、 ZigBee、 WiFi 等。这 些技术基本自身的特点，在不同的场合、不同的领域发挥着各自的优势。本节接 下来首先对这几个主流无线
33、技术做一下简单的介绍。 1.4.1.1红外技术 红外线是主要是指波长处于 760nm 和 1mm 之间的电磁波，因其波长长于可 见光波长最长的红光而得名。红外线的波长比微波 （ 0.3GHz3000GHz)短，衍 射能力差相对较，适合应用在短距离的通信场合。实际上，红外传输在前面提到 的几种无线技术当中普及较早，最常见的应用场景就是遥控器了。红外技术能够 得到广泛使用的主要原因在于其成本低、体积小、功能强、功耗低等特点。 1.4.1_2 Wi-Fi 技术 WiFi5 (Wireless Fidelity,可直译作 “ 无线保真 ”) ，也可以写作 Wi-Fi、 Wifi, 是一种使用 2.4G
34、Hz UHF 和 5GHz SHF 频段来传输数据的无线局域网 （ WLAN) 技术。实际上，确切的说 WiFi 是一个商标名称，由 WiFi 联盟 （ WiFi Alliance) 持有。WiFi 联盟将 WiFi 的定义为基于 IEEE802.1 标准的无线局域网产品，因 此认为 WiFi 即 IEEE802.11的无线局域网标准是 一 种常见的误解，当然，也正是 因为大量的无线局域网产品都使用 WiFi 技术，因此通常所说的 “ WiFi” 也指代各 式各样的无线局域网产品。 ffiEE802.ll 协议族的发展是非常迅速的，目前主流的无线路由器已经支持 IEEE802.11b/g/n，
35、 频率也因此由最初的 2.4GHz 单频发展到 2.4+5GHZ 双频段， 价格也一降再降，品牌也趋于多样化、平民化。在人流量较为集中的 场所可以毫 不夸张的讲已经基本实现了 WiFi 的全覆盖。表 1-3所示为 IEEE802.il 协议族主 要版本的对比情况。 表丨 -3IEEE802.1丨协议族主要版本对照表 标准号 IEEE 802.11b IEEE 802.11a IEEE 802.1 lg IEEE 802.1 In 标准发布时间 1999 年 9 月 1999 年 9 月 2003 年 6 月 2009 年 9 月 工作频率范围 2.4-2.4835GHZ 5.150-5.350GHz 5.475 5.725GHz 5.725 5.850GHz 2,4 2.4835GHz 2.4-2.4835GHz 5.150 5.850GHz 非重叠信道数 3 24 3 15 物理速率 （ Mbps) 11 54 54 600 实际吞吐量 （ Mbps) 6 24 24 100 以上 频宽 20