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1、 2013 届研究生硕士学位论文 学校代码 ： 10269 学 号 ： 51101201052 蓝牙低功耗技术的研究与实现 院 系 : 信息学院计算机科学技术系 专 业 : 计算机应用技术 研究方向 : 嵌入式应用系统 指导教师 : 沈建华副教授 论文作者 : 镇咸舜 2013 年 3 月完成 Dissertation for Master Degree in 2013 School Code ： 10269 Number： 51101201052 East China Normal University Research and Implementation of Bluetooth low
2、 energy DEPARTMENT： Department of Computer Science MAJOR： SPECIALTY： TUTOR： STUDENT： Computer Application Technology Embedded Application System Prof. Shen Jianhua Zhen Xianshun March, 2013 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文蓝牙低功耗技术的研究与实现，是在华东师范 大学攻读硕士 /博士（请勾选）学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除文中已经注明引用的内容外，本
3、论文不包含其他个人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，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名 : 日期年 S月 华东师范大学学位论文著作权使 用声明 蓝牙低功耗技术的研究与实现系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指导 下完成的硕士 /博士（请勾选）学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。本人 同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国 家图书馆和 “ 知网 ” 送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图 书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单 位数据库进行检索
4、，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式 合理复制学位论文。 本学位论文属于（请勾选） ()1.经华东师范大学相关部门审查核定的 “ 内部 ” 或 “ 涉密 ” 学位论文 *， 于 5 月 日解密，解密后适用上述授权。 2. 不保密，适用上述授权。 导师签名 _ V* 年月 V曰 * “涉密 ” 学位论文应是己经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文（需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文 “涉密 ”审批表方为有效），未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权）。 镇咸舜 硕士学位论文答辩委
5、员会成员名单 姓名 职称 单位 备注 张卫 教授 华东师范大学 计算机科学技术系 主席 邵时 教授 华东师范大学 计算机科学技术系 王荣良 副教授 华东师范大学 计算机科学技术系 摘要 伴随着蓝牙 4.0 规范的出现，蓝牙低功耗技术 （ BLE)得到了广泛的关注。 BLE拥有极低的待机与运行功耗， BLE设备使用一粒纽扣大小的电池可连续工作 数年；它同时还拥有低成本、向下兼容、跨厂商和互操作些强等特点。该技术的 低功耗特性可以为消费者提供很多好处，因此蓝牙低功耗单模芯片具备庞大的潜 能，将会在运动器材、自动控制、医疗监控、物联网、智能手机、个人电脑、汽 车应用以及消费电子产品等领域有广泛的应用
6、。而目前蓝牙低功耗技术的应用在 国内几乎没有。基于上述原因，本文对蓝牙 4.0规范中的低功耗技术进行了研究 与实现。 本文首先介绍了蓝牙低功耗技术相对于其它技术的优势与特点。接着深入分 析研究蓝牙低功耗技术协议栈的功能与实现。其次在分析与理解 TI BLE协议栈 核心基础上设计与实现了二个应用接口层，可让普通用户使用蓝牙低功耗技术进 行应用的快速开发。接着使用前面的应用接口层设计与实现了一个蓝牙低功耗技 术的防丢器系统并对其功能进行了测试与验证，然后对 BLE 规范及 TI BLE 协议 栈的性能进行了深入分析，为用户开发提供技术参考。最后对 BLE的前景进行了 分析。 关键词 低功耗技术协议
7、栈， BLE， GATT， 属性协议 ， Proximity Profile,防 丢器，CC2540 ABSTRACT With the emergence of the Bluetooth 4.0 specification, Bluetooth low energy has been widespread concern. Bluetooth low energy has very low operating and standby power consumption, bluetooth low energy devices use a button battery can even w
8、ork continuously for several years; it also has a low-cost, backward compatible, cross-vendor interoperability and some other characteristics. Low power characteristics of the technology can provide many benefits for consumers, thus bluetooth low energy single-mode chip will be have a huge potential
9、 with a wide range of applications such as the sports equipment, automatic control, medical monitoring, internet of things, smart phones, personal computers, automobiles applications， consumer electronics and so on. The application of Bluetooth low energy is hardly exist in our country. For the abov
10、e reasons this paper research and implement bluetooth low energy. This paper first introduces bluetooth low energy with respect to the advantages and characteristics of other technologies. Then analyze the function and implementation of bluetooth low energy core protocol stack. Secondly based on the
11、 research of TI BLE core protocol stack, two application interface layer designed, it can be easy for the general user to develop application using BLE. Thirdly designed and implemented anti-lost alarm system based on the previous application interface using bluetooth low energy technology and its f
12、unctionality being test and verification. Finally, analysed the performance of the bluetooth low energy protocol and TI BLE stack deeply, providing reference to users. At the end the prospective of BLE was analyzed. KEY WORD： Bluetooth low energy protocol stack, BLE， GATT， ATT, Proximity Profile, an
13、ti-lost alarm system, CC2540 目录 1 . 1 1.1 论文研究背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状分析 . 2 1.3 论文研究内容 . 3 1.4 论文组织结构 . 4 2 BLE M/h . 5 2.1 Um . 5 2.1.1 蓝牙与 ZigBee, Wi-Fi 介绍 . 5 2.1.1 蓝牙低功耗技术及其与经典蓝牙的比较 . 6 2.2BLE 的体系结构 . 9 2.3BLE 的网络拓扑 . 11 3 BLE 协议栈各层的研究分析 . 12 3.1 PHY 层介绍 . 12 3.1.1 广播事件和连接事件 . 12 3.2 LL 层研究与分析 . 1
14、4 3.2.1 LL 层原理概述 . 14 3.2. U LL 层状态机实现 . 14 3.2.1.2 广播通道和数据通道 . 15 3.2.2 数据包格式 . 16 3.2.2.1 广播通道数据包 . 16 3.2.2.2 数据通道数据包 . 18 3.2.3 LL 层设备建立连接的流程 . 19 3.3 HCI 层研究与分析 . 20 3.3.1 HCI 层作用 . 20 3.3.2 HCI 层信息交互方式 . 21 3.3.3 HCI 层数据包格式 . 21 3.3.3.1 HCI commands 包格式 . 22 3.3.3.2HCI 事件包格式 . 22 3.3.3.3HCIACL
15、 数据包格式 . 23 3.4 L2CAP 层研究与分析 . 24 3.4_1 L2CAP 功能概述 . 24 3.4.2 L2CAP 主要操作要求 . 24 3.4.3 L2CAP 层数据相关格式 . 25 3.4.3.1 LE 中面向连接信道用到的基本信息帧格式 . 25 3.4.3.2LE 中信令信道用到的信令命令格式 . 26 3-5 ATT 层研究与分析 . 27 3_5_1 ATT 原理概述 . 27 3.5.2 ATT 信息交互具体方式 . 28 3.5J ATT 相关格式定义 . 29 3.6 GATT 层研究与分析 . 31 3.6.1 GATT 层功能概述 . 31 3.6
16、.2 GATT 层功能实现的组织结构 . 31 3_6.3 GATT 中 Service 的具体实现 . 33 3.6.4 GATT 提供的功能特征 . 34 3.7 SM 层 C Security Manager Protocol)介绍 . 35 4 BLE 应用接口层的设计与实现 . 37 4.1 GAP 层的设计与实现 . 37 4.1.1 GAP 协议具体要求 . 37 4.1.2 LE 中 GAP 提供的服务特征 . 41 4.1.3 LE 中 GAP 的主要功能实现 . 41 4.1.4 LE 中 GAP 的功能实现流程 . 45 4.2 GAP Common 层的设计与实现 .
17、46 4.3 BLE Data Communication 层的设计与实现 . 49 4.3.1 BLEDC Server 端功能设计实现 . 50 4.3.2 BLEDC Client 端功能设计实现 . 51 5 BLE 应用系统的设计与实现 . 53 5.1 应用系统框架 . 53 5.2 蓝牙防丢器系统的设计与实现 . 54 5.2.1 防丢器系统的硬件设计 . 55 5.2.1.1 BLE 模块 CC2540 . 56 5.2.2 防丢器系统的软件设计 . 57 5.2.2.1 防丢器系统的软件功能 . 57 5.2.2.2 Proximity Profile 分析与设计 . 57
18、5.2.2.3 FDQ Monitor 设备的软件实现 . 62 5.2.2.4 FDQ Reporter 设备的软件流程 . 63 5.2.2.5 防丢器系统中设备之间的交互流程 . 64 5.2.3 防丢器系统的功能与性能测试分析 . 65 5.2.3.1 功能测试 . 65 5.2.3.2 性能分析 . 68 6 总结与展望 . 74 6.1 论文总结 . 74 6.2 展望 . 74 . 76 縣： . 78 A 研究生期间发表的专利 . 78 B 论文图目录 . 78 C 论文表目录 . 79 S 谢 . 80 1绪论 1.1论文研究背景和意义 蓝牙技术标准，是以公元十世纪统一了丹麦
19、和挪威的丹麦国王 Harald Blaatand (Bluetooth) II而命名的 1。它是由易利信 （ Ericsson)所研发的一 种短距离无线传输介面，并在 1998年联合 Nokia、 IBM、 Toshiba、 Intel五 家厂商成立 Bluetooth SIG 蓝牙技术联盟 （ Bluetooth Special Interest Group)。 它寓意着实现通讯与计算机工业的无缝连接。事实上，它很快从最初的电缆替代 延伸为面向个人无线网 (WPAN)的应用标准 1。 蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，自从 1998年 蓝牙技术标准被制定以来，蓝牙技术在全
20、球范围内得到了迅猛发展，蓝牙技术联 盟 （ SIG) 直致力于蓝牙技术的研究与发展，蓝牙兴趣小组的公司成员也迅猛 胀大，已经有15000多个公司成员加入，期间先后颁布蓝牙 1.0, 1.1， 1.2， V2. 0+EDR， V2. 1+EDR，3.0+HS等多个版本，并于 2010年 7月发布蓝牙 4.0版本 核心规范 2，蓝牙正式迈入4.0时代。 蓝牙 4.0规范是个将传统蓝牙、高速蓝牙和蓝牙低功耗 （ Bluetooth low energy)技术整合为一体的规范。这些技术可以组合或单独使用。该规范中最吸 引人的就是蓝牙低功耗技术 （ BLE)。 BLE 拥有极低的运行和待机功耗， BLE
21、 设备 使用一粒纽扣电池甚至可连续工作数年之久 3;同时还拥有低成本、向下兼容、 跨厂商、互操作些强等特点。 蓝牙低功耗单模芯片具备庞大的潜能，我们已 看到许多蓝牙的创新应用，而 蓝牙低功耗更将为此带来显著的强化。比如：将测量体重的单模传感器数据传送 到一个移动电话上。然后，使用者可以通过一系列应用，将体重计连接到因特网 上提供的健身、体重管理，甚至慢性病监控服务，上传数据到 Google Health 或者国家健康照护系统 (NHS)病历。事实上，可行的健康保健应用不尽其数。目 前，OEM 已幵始着手有关计步器、心律监测器、单车秒表、以及其它更多采用蓝 牙低功耗技术的应用开发。这个市场预期将
22、有显著增长， IMS分析师预测，到 2014 年，每年单是运动和健身方面，无线人体传感器的采购量就会超过 1.5 亿只 4。 蓝牙低功耗技术还可以置入心律监测器、跑鞋、体重计和手表中，也能和移动电 话或笔记本电脑进行数据同步或上传。它可以让我们的电话变成遥控器，操控支 1 持蓝牙低功耗技术的电视机或中央空调，也适用于许多其它的应用情景。 蓝牙低功耗还可以与现在的热门的物联网技术相结合，比如使用手机、平板 电脑和其它家用设备等，当集成到家用自动化系统时，点击手机就可以播放 DVD， 手机不仅将能对所有的设备做正确配置，还能关闭窗户和调暗灯光或提升房间温 度，带来真正浪漫的体验。只有蓝牙低功耗可以
23、提供这种家庭自动化，消费电子 和移动设备的全面集成。 蓝牙低耗能技术将为整个无线感应市场做出极大贡献，预计到 2015年，其 将达到近 50%的市场占有率 3。蓝牙技术可以针对特定的应用开发非常具体的配 置文件，能让制造商开发最具创新性、拥有卓越功率功能及易于让消费者使用的 产品。推动蓝牙 4.0 普及非常有必要，因为它的低功耗特性可以为消费者提供很 多好处。蓝牙低功耗技术未来将会在运动器材、医疗监控 、物联网、智能手机、 个人电脑、自动控制、汽车应用以及消费电子产品等领域有广泛的应用。 1.2国内外研究现状分析 根据 Bluetooth SIG 发布的 Bluetooth 4. 0 核心规范
24、白皮书 ， Bluetooth 4. 0 低耗电模式有双模式和单模式两种应用，如图 1-1。低功耗蓝牙的单模式蓝牙的 技术特点 （ Bluetooth)是通过低功率无线电波传输数据，其本质是一种支持设备 短距离通信 (一般是 10m之内）的无线电技术。 蓝牙芯片模块根据使用时应用需求不同分为仅支持低功耗传输的单模和同 时支持低功耗与标准蓝牙传输的双模两种设计。单模应用面向高度集成、紧凑的 设备，具有轻量级链路层，支持超低功耗的待机模式操作、简单设备恢复、可靠 的点对多点数据传输、安全的加密连接等；而链路层则适用于网络连接传感器， 并确保在无线传输中，皆能通过蓝牙低功耗传输。我们主要研究蓝牙低功耗技术 在少量数据传输中的应用