蓝牙防丢背包论文.docx

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蓝牙防丢背包论文

本科毕业论文（设计、创作）

题目：

基于蓝牙技术的防丢器的设计与实现

学生姓名：

罗逍遥学号：

120102271

所在系院：

电子电气工程学院专业：

电子信息工程

入学时间：

2012年9月

导师姓名：

薛峰职称/学位：

副教授/硕士

导师姓名：

张春光职称/学位：

硕士

导师所在单位：

安徽三联学院

完成时间：

2016年3月

安徽三联学院教务处制

基于蓝牙的防丢器的的设计

摘要：

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，我们的手持设备能收到该信号就不会发出报警，而如果他们之间的距离过远，超出了可接受范围时，手持设备就接收不到信号，那么就会发出报警信号给予使用者进行提醒。

此防盗防丢装置采用新蓝牙技术4.0，该项技术是传统蓝牙技术、低功耗蓝牙技术与高速蓝牙技术的合集，这在国内外的研究都是属于非常热门的。

该技术的使用方面有几大优点：

其一是非常节能，一款纽扣电池可用寿命达4个月；其二非常廉价；其三非常安全；所以是防盗防丢装置的不二之选。

硬件采用蓝牙4.0主从一体超距感应模块，软件采用IAR集成开发环境下的C语言程序编写处理代码，从而实现了此项应用的功能,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栈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。

关键词：

蓝牙防丢接受范围低功耗低成本

Basedonthedesignofbluetoothpreventlost

Abstract：

Inthispaper,thedesignoftheantidropdevicefollowsthepreviousemissionsuppressionprinciple.Radiowavesemittedbythesensor,ourhandhelddevicecanreceivethesignalwillnotissueawarning.Andifthedistancebetweenthemistoofar,beyondtheacceptablerange,thehandhelddevicecannotreceivethesignal,thenthealarmsignalwillbesenttotheusertoremind.

Thisanti-theftantilostdeviceusingthenewBluetoothtechnology4,thetechnologyisthetraditionalBluetoothtechnology,lowpowerBluetoothtechnologyandhigh-speedBluetoothtechnologycollection,whichisverypopularinthedomesticandforeignresearch.Thetechniquehasseveraladvantages:

thefirstisveryenergyefficient,abuttonbatteryusablelifeforupto4months;secondisverycheap;thirdisverysafe;soisanti-theftdeviceofchoice.HardwareusingBluetooth4.0master-slaveonesuperdistanceinductionmodule.ThesoftwareusesIARintegrateddevelopmentenvironmentfortheClanguageprogramwrittencode,soastorealizethefunctionoftheapplication,inthedesign,totakefullaccountofthelowcomplexityandlowpowerconsumptionandlowcost.Inthispaper,thestructureofthefirstdescriptionoftheBluetoothtechnologybackground,andabriefintroductionofthecharacteristicsandapplicationsoflowpowerbluetooth;Secondly,thearchitectureofBLEtechnology,thetopologystructure,theworkingstatusandtheroleofthework,thedeviceclassificationisdescribedbriefly,andthenthelowpowerBluetoothprotocolstackandthestackofeachlayerarestudiedindetail.Thirdly,thepaperintroducesthecorepartofthepaper:

thedesignofthehardwareandsoftwareoftheantithrowdevice.Finally,theprogramiswrittenseparatelyinthesensorandhandhelddevice,andthetestiscarriedout.Next,theresearchworkdoneinthispaperissummarized,andtheshortcomingsoftheworkareprospected.Insummary,thedesignoftheantilostdeviceinthispaperprovidesasetofeffectivesolutionstopreventthelossofthingsorchildren.

Keywords:

Bluetoothantilost;acceptancerange;lowpowerconsumption;lowcost

第一章绪论

1.1技术背景

蓝牙技术最初由爱立信创制。

技术始于爱立信公司的1994方案，它是研究在移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法。

此概念接触了移动设备制造商，讨论其项目合作发展，结果获得支持。

1999年5月20日，索尼易立信、国际商业机器、英特尔、诺基亚及东芝公司等业界龙头创立“特别兴趣小组”（SpecialInterestGroup，SIG），即蓝牙技术联盟的前身，目的是来推广和发展蓝牙技术。

蓝牙协议的标准版本是SIG由负责幵发的802.15.1，该标准基于蓝牙1.1（一个成本低、效益高、可以在短距离范围内随意无线连接的蓝牙技术标准）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802.15.1a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（EnhancedDataRate）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100m，最高速率为10Mb/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、节能和设备种类上更加优秀。

图1-1蓝牙技术的演进过程

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：

①价格昂贵；②芯片太大；③信息安全；④抗干扰能力不强；⑤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年至2001年，由于蓝牙操作方便而优化了人们日常需求而得到迅速的发展，期间还成立了BluetoothSIG（世界蓝牙组织），蓝牙技术的发展这才有了开端。

（2）2001年至2002年，部分产品开始使用蓝牙技术。

但此时的蓝牙技术还不够完善，而最主要的就是其对于场合的特殊性，这种场合只要求性能和功能，而对价格没太大要求，所以这时的蓝牙产品还存在高功耗与高成本的问题，且不够便携。

（3）2002年至2005年，蓝牙技术开始应用于高端产品，如掌上电脑、移动通信设备、耳机、笔记本等产品中。

且制造技术的不断完善与优化使得蓝牙的制造成本下降，与此同时相关的测试和认证体系基本完善，这时的蓝牙技术开始普遍被使用。

（4）2005年至2010年，蓝牙技术已经相当成熟，信息传输的距离变长，传输速度为1.8Mb/s，蓝牙芯片的体积也变得很小，同时对于数据传输的安全性更加重视，连接配对时需要输入密码，协议更加安全，蓝牙技术不仅仅局限于手机、PDA，开始进入数码相机等其他非通信电子产品中。

（5）2010年至今，BluetoothSIG发布了最新版本4.0，蓝牙幵始向低功耗和远距离的传输方向发展，传输数据更稳定，也更不易被其他信号干扰。

蓝牙技术已成为全球首要的短距离无线传输的方式，蓝牙技术几乎遍布所有的电子产品。

1.2主流无线技术的对比

目前，无线信息传输技术的主要包括蓝牙、红外、无线网络等。

随着科学技术的飞速发展，无线信息传输技术的发展也变得越来越好。

已被广泛应用于市场。

本节对主流无线信息传输技术进行了比较。

1.2.1红外技术

红外线传输是通信和远程控制的一种手段。

在家用电器的远程控制和控制中比较普遍，主要是因为红外线遥控的低成本，体积小，功能强大，功耗低。

将红外探测技术分为主动和被动两种检测。

前者的工作原理是：

红外发射机发出一束或多束调制的平行红外线光束，接收器接收到的红外光束同时转换为数字信号，最后要报警控制器；在传输间隔内若有障碍，会发出报警。

该技术主要用于家庭报警系统，如红外发射器和接收器分别设置在家里的两端的阳台，在工作设备，只要有人或障碍物阻挡的信号，它会立即发出报警信号，这让业主做好及时报警。

红外技术在除了以上的应用，也作为家电等数据传输的主要技术，如音频传输。

与其他几种主流的无线技术相比，这一技术最大的优点是高带宽，也就是说这些音频产品用红外线技术能传输大量的音频信号，而信号不需要被压缩。

这将使比特格式操作提高。

1.2.2Wi-Fi技术

Wi-Fi是由Wi-Fi联盟开发的无线网络通信技术，它的正式名称是IEEE802.11b。

其适用范围：

1、手持设备和个人电脑使用无线传输技术的终端以无线方式互相连接；

（2）在100m的范围内可接受的互联网广播信号，只要用户不离开范围可以到11Mb/s对Web的访问速度，但在使用中，当一个节点被多个用户访问，由于带宽将被共享，传输速率将下降。

随着新版本的Wi-Fi协议的发布，Wi-Fi的应用越来越广泛。

现在手机支持技术是未来发展的趋势，在未来，IEEE802.11g可能之间的协议的无线通信标准的产品，不需要申请的2.4GHz，率达到54Mb/s，并使用相同的与IEEE802.11b的正交频分复用技术。

1.2.3ZigBee技术

ZigBee技术具有低功耗、低速度、低成本、近距离、低复杂度。

主要用于传输速率不高，短距离和低功耗的场合。

总之，ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于CDMA和GSM网络。

数据传输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）及915MHz（美国流行）等不同频段上，传输速率分别为具有最高的250kbit／s，20kbit／s和40kbit／s；在10-75m范围传输距离，可随不同的应用，距离可以继续增加。

1.2.4蓝牙技术

蓝牙技术在ISM2.4GHz频段工作，这对用户应用没有要求。

我们可以在以下几个方面简要了解蓝牙系统。

在业务方面，蓝牙规范支持数据业务和语音业务传输，即异步和同步。

当发射功率为1mW，通信距离可达10m，传输功率100mW，通信距离可以达到100m。

使用1Mb/s速率达到最大限制带宽。

为了防止干扰在ISM频段中，信号采用快速跳频（1600跳/秒）技术。

该技术是将频率带分为多个跳频信道在设备连接，发送端根据一个码序列不断从一个通道“跳”到不同的信道，接收器只要根据规则，将接收到的真实信息和干扰，使用短数据餐可以尽可能地增加容量。

为了实现一个良好的链路，在低编码开销的蓝牙系统的实现使用一个快速识别机制。

自适应发射功率，降低干扰。

严格设计空中接口，最大限度地降低功耗。

在设备模式中，蓝牙有主要设备和2种方式从设备。

主设备负责设置频率调制序列，控制主与从动件间的传输时间和速度。

从设备必须与主要设备相一致。

一般而言，各种无线技术都有其优缺点，但在不同场合的应用不同。

对红外技术而言适用于相对稳定的静态的短距离通信应用，ZigBee技术则在工业控制中得以应用，而蓝牙技术适用于短距离通信应用和嵌入式产品，如移动电话、便携式计算机和各种便携式通信设备。

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）低耗性

低功耗蓝牙技术在省电方面比标准蓝牙数据有明显优势。

当一个标准的蓝牙技术设备要处于被发现或可以连接的状态时，它必须在一个固定的时间段内使它自己的无线层保持激活状态。

因为其他设备在这个时候可能会发送数据包，它会扫描32个以上不同的频率。

而且在移动到下一个频率之前，该设备可以通过频率自检的方式来确定当前频率是否可用。

这段时间总共超过22毫秒。

与此相同，使用低功耗蓝牙设备只需要发送三个数据包，然后开始监控是否有其他设备你想与之交谈。

会话包括扫描请求和连接请求。

而这三个数据包占用的时间和监听损耗的时间极少。

从而可以得出的结论：

低功耗蓝牙设备的效率是标准蓝牙的17倍。

蓝牙设备有唤醒，连接，发送数据和断开几个操作。

这些操作占用的时间会影响电池寿命的长短，占用时间越少，在能源消耗方面就越低，从而使电池寿命更长。

使用低功耗蓝牙技术和设备来完成这些操作只需要3ms的时间，可有利于提高电池的寿命。

在数据包中，标准的蓝牙技术需耗时210us，低功耗蓝牙技术只需112us。

这意味着，如果你需要发送同样的信息，低功耗蓝牙设备发送时间只有标准蓝牙技术的一半，即相同数量的应用程序数据而低功耗蓝牙技术需更少的时间发送。

标准的蓝牙技术有3种不同的功率水平，而每个级别的最小输出功率为1mW，0.25mW。

采用低功耗器件的最小发射功率为0.01M，而其发送功率是由于该层的工作模式的变化而发生动态改变。

从现在开始，我们可以得出一个结论：

低功耗蓝牙的最低功耗仅为标准蓝牙设备1/25。

（2）可靠性

由于低功耗蓝牙技术的设备采用了调频技术，它将在性能更稳定可靠。

也就是说，该设备需要不断地搜索较小干扰表的信道，使其不断地从一个频率到另一个频率，并从根本上保证数据传输的可靠性。

（3）便宜

随着技术的不断发展，采用标准CMOS工艺的低功耗蓝牙设备的制造。

由于其时序不像标准蓝牙的要求一样严格，而在协议栈的设计中，低功耗蓝牙则比标准蓝牙更为精简，因此它的生产和研发成本相对较低。

此外，低功耗蓝牙设备在工作中的应用的频率带无需申请，所以，和其他需要支付专利费或版权费的技术相比较，就再次降低了它的成本。

1.4低功耗蓝牙技术的应用

低功耗蓝牙技术的主要优点是低功耗，即1纽扣电池就可以使其运行长达10年。

这样的技术是实现简单的数据传输的设备，也满足不同领域的需求，如消费电子设备，工业控制，农业自己，汽车自动化，医疗设备控制，在未来，市场将是非常大的。

1.4.1运动安全

位于车身上的传感器连接在自己的鞋子和其他部位相配合可以收集心跳、速率、距离、速度和加速度的数据信息，并将数据发送到移动电话或个人存储设备准备处理。

低功耗蓝牙技术在体育健身与健康方面的典型应用是智能手环。

该系统是由手环中的数据采集和传输装置的相关部件安装组成，手环是显示和存储人们关心的各种物理信息的设备，如行驶速度、步频、心率，它是个人区域网络核心。

用这种运动看医生的建议，人们可以达到最佳的锻炼效果。

1.4.2无线办公和移动附件

小型低功耗蓝牙技术和长电池寿命使其工作在无线和移动配件的广泛应用，如无线键盘，游戏设备。

无线耳机在我们的生活中随处可见，现在笔记本可以配置这个功能，一般的台式机没有这个功能，而最好的应用是无线耳机有一个呼叫中心，因为人们需要停止行走，所以戴上有线耳机会给他们带来很多不便。

同时由于长时间通话，为了避免频繁更换电池，具有严格的功耗要求。

蓝牙低能耗技术的应用符合这些要求

1.4.3射频遥控器

遥控器现在一般都采用红外线遥控技术，主要用于电子设备、家用电器和家装娱乐设备上。

价格便宜，红外技术虽然可靠但是功能上却是有限的，而且不会随着系统的更新而进化。

但是远距射频控制技术却能改善这一情况，它可以进行双向高速数据传输，也会看到远程控制反馈的数据；而且功耗特别低，不但不害怕视线被阻塞而且传输距离更远。

射频遥控技术的典型应用是一种媒体中心遥控器，例如，在歌曲中，人们使用无线射频遥控。

该应用程序的性能的主要优势：

①将因为我们在远程控制点的歌曲显示，你不需要看到人们走到主菜单。

②由于远程控制器可以分块传输，使人们可以在屏幕前唱歌。

总之，给人们的生活带来方便。

随着计算机进入家庭娱乐媒体中心，射频遥控应用将更加广泛。

不久前，微软还支持拟议中的双向遥控技术概念。

其双向通信的概念使用正是无线电频率技术。

蓝牙低能量正满足这些要求，性能稳定，功耗是最佳选择。

1.4.4医疗保健

目前，世界各地的医院和医疗机构将使用不同类型的系统去对病人的情况实时的记录，监测和跟踪。

然而，对于不同的治疗阶段，这些系统和患者的病情还是会不同步的，为了解决这些问题，高效率和低成本的设备被生产。

患者和医护人员在接触开始时，可以使用低功耗蓝牙无线技术设备和相应的传感器自动跟踪和监测该病的状况，并能记录下来，便于访问和未来的医护人员。

由于设备小而稳定，不会影响人们的正常生活，所以可以在医院和病人的家中使用。

因为医疗费用很昂贵，这一趋势只会加速。

低功耗蓝牙无线技术有无线监测的功能，因此可以利用这种技术对糖尿病、心脏病、高血压等慢性疾病进行远程监测。

此外，结合适当的基础设施，医护人员可以远程监控病人的所有情况。

例如：

是否按时吃的药；无论能起床；失禁的患者，有没有清洁的情况。

总之，在我们的生活中蓝牙设备是常见的。

在多媒体技术方面应用最成功，但在低数据吞吐量的应用上会显得浪费资源。

低功耗蓝牙技术刚好弥补了蓝牙应用的空白。

相信在未来的生活中，人们会用越来越多的内置低功耗蓝牙设备来提高我们的娱乐、健康和运动和时尚体验。

第二章低功耗蓝牙协议栈

2.1低功耗蓝牙体系结构概述

2.1.1体系结构

与标准蓝牙系统的体系结构相比，低功耗蓝牙系统变得更加精简。

从下到上分别为Radio层、HIC层、host层和应用层。

其中，Radio层又被分为两部分：

链路层和物理层。

如图2-1所示。

图2-1低功耗蓝牙系统的体系结构

协议栈的最上层是应用层，它定义了不同类型的业务应用程序的数量。

蓝牙低能量应用系统的时钟，人机界面应用和传感器应用，以优化其功能。

规格主机层规格格式安全模式，低功耗蓝牙低能量蓝牙系统在多个数据包中使用和一些不可缺少的协议。

呃，层和层之间的桥梁，广播主机，它的作用是提供访问相同的无线接口层功能的系统。

链路层的基本功能是将物理层提供的原始传输比特流转化为一个物理连接产生的错误转换成无差错的数据链路在逻辑上同时执行基带协议。

它定义了一个

许多服务，可以分为几种：

本地设备可见到其他设备使用低功耗空闲模式和广告服务。

寻找其他本地设备和服务。

在交换参数中建立快速连接服务。

具有优良的节能和加密技术，提供稳定可靠的多点数据传输服务。

低功耗蓝牙通信蓝牙传输。

对ISM2.4GHz物理层的操作频率，1MB的物理层速率，5m～10m的连接距离，排除调频技术降低噪音和减少信号衰减的使用。

低功耗蓝牙或与频分多址FDMA和TDMA时分多址技术。

当排除FDMA技术的使用，系统的频段分为40个物理信道，在三频道播出，而剩下的37信道用于数据通道。

2.1.2拓扑结构

拓扑结构中，标准的蓝牙规范支持微微网和分散的模式，而低功耗蓝牙是一个星型拓扑结构。

如图2-2所示。

其中，A被称为多个外围设备可以与主设备进行通信；B，C和D被称为在同一时间，只有一个主设备从通信。

在数据包中的设备之间的主从通信中，在连接链路层被交换。

最多只能从设备和链路层连接一个连接，并通过主和从设备连接各链路层。

在主要设备可以连接设备的数量的标准上，标准蓝牙和低功耗蓝牙标准是不一样的。

蓝牙标准允许一个主设备和7个从设备之间的通信。

而低功耗蓝牙设备，可以掌握从许多设备之间的通信。

图2-2星形拓扑结构

2.1.3工作状态和工作角色

在低功耗蓝牙技术中，将该层分为不同的工作条件：

待机状态、广播状态、扫描状态、初始化和连接状态。

如图所示。

蓝牙设备在同一时间允许只有一个在美国。

在这种状态下，不可用于每个蓝牙设备，其中广播状态和扫描状态是不可缺少的。

待机模式不能接收和发送任何数据包，而当在其他状态可以返回到这个状态。

在广播信道中广播信道传输广播数据包，并侦听响应分组效应。

扫描状态用于监视广播信道分组。

初始化状态是从一个特定的监听设备发出的广播报文，并发起一个连接请求，作为响应的响应。

扫描状态、广播状态和初始化状态只能从待机状态输入。

在连接状态又分为两个主要设备的角色。

其中，当从初始化状态到连接状态和连接请求时，该设备就是主设备，当一层从广播连接状态到状态时，该设备就是从属设备。

2.2主机规范

2.2.1低功耗蓝牙传输分组

在每个分组中，分组头总是最早发送的。

分组头的功能是描述分组的类型，以及包含了很多的特定信息，一般有3中类型的分组：

面向连接数据分组；

属性协议分组；

应用适配层PAL协议分组。

分组格式如表2-1所示，第0B是分组头，1B是预留的有效载荷数据。

0

1B——30

分组头

有效载荷数据

表2-1PAL分组格式

分组头的分配如表2-2所示。

范围

用途

0x00——0x7F

面向连接数据

0x80——0xBF

属性协议消息

0xC0——0xFE

PAL协议命令和