摘  要： 針對藍牙技術(shù)在無線通信中的應(yīng)用需求，基于ARM9微處理器S3C2440的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了藍牙文件傳送方案。系統(tǒng)已經(jīng)通過板級驗證及實際應(yīng)用測試，完全實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計功能。
關(guān)鍵詞： 嵌入式； 藍牙； 單點傳送； 多點傳送

    藍牙是一種低成本、短距離無線通信技術(shù)，工作頻段使用全球統(tǒng)一開放的2.4 GHz的ISM頻段[1]，并將此頻段分為79個跳頻點，采用跳頻技術(shù)，增強了藍牙通信的可靠性。藍牙技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域中，如個人無線通信設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)通信以及各種傳宣系統(tǒng)[2]。
　利用藍牙技術(shù)實現(xiàn)不同類型的文件傳送是藍牙通信的重要應(yīng)用，而傳統(tǒng)的基于藍牙1.0規(guī)范的藍牙通信只支持單點傳輸，隨著藍牙技術(shù)的發(fā)展，藍牙2.0規(guī)范中增加了EDR(Enhance Data Rate)技術(shù)，提高了藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?，為藍牙多點通信提供了條件。本文依據(jù)藍牙2.0規(guī)范，結(jié)合TDD技術(shù)，在實現(xiàn)了單點文件傳送的基礎(chǔ)上，成功完成了嵌入式系統(tǒng)對遠程藍牙設(shè)備的多點文件傳送方案,并應(yīng)用個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)與PC機之間的網(wǎng)絡(luò)文件傳送，擴展了藍牙通信在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的應(yīng)用。藍牙文件傳送和網(wǎng)絡(luò)文件傳送功能為廣告產(chǎn)業(yè)及其他信息發(fā)布相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間，具有良好的市場前景。
1 方案設(shè)計概述
　方案設(shè)計以ARM嵌入式系統(tǒng)作為硬件實現(xiàn)平臺，并基于Linux操作系統(tǒng)，完成藍牙文件傳送方案。文件單點傳送方案依據(jù)對象交換協(xié)議OBEX（Object Exchange），利用藍牙官方協(xié)議棧BlueZ以及openobex上層應(yīng)用函數(shù)庫實現(xiàn)對象推送功能，從而完成對遠程設(shè)備的文件單點傳送。文件多點傳送方案將在底層應(yīng)用全雙工時分復(fù)用（TDD）技術(shù)以及EDR（Enhance Data Rate）技術(shù)實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)通道共享和寬帶、高吞吐量數(shù)據(jù)發(fā)送，在上層以文件單點傳送方案為基礎(chǔ)，輔以嵌入式技術(shù)建立并管理多個文件發(fā)送進程，完成文件向多個遠程設(shè)備的同時發(fā)送，加入了重發(fā)機制以保證文件多點傳送的可靠性。此外，基于個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)文件傳送功能，使用戶可在PC機端以FTP方式訪問并更新嵌入式系統(tǒng)中的文件。
2 方案硬件架構(gòu)
　本方案基于ARM硬件開發(fā)平臺，以SAMSUNG S3C2440作為核心處理器,并與64 MB SDRAM和64 MB Flash共同組成核心嵌入式系統(tǒng),運行ARM-Linux-2.6.12內(nèi)核操作系統(tǒng)，其中內(nèi)核配置藍牙子系統(tǒng)，可為USB藍牙適配器提供驅(qū)動。藍牙適配器作為系統(tǒng)的核心通信部件接至USB Device接口，并通過適配器完成文件傳送功能。同時本硬件系統(tǒng)易于功能擴展和系統(tǒng)移植，開發(fā)人員可通過USB Host接口將操作系統(tǒng)內(nèi)核以及上層應(yīng)用程序下載到SDRAM或燒寫至Flash中，并通過RS232串口對應(yīng)用程序進程調(diào)試。硬件整體架構(gòu)如圖1所示。

3 方案軟件框架
　軟件框架主要由藍牙核心協(xié)議、會話層協(xié)議以及上層應(yīng)用程序構(gòu)成，如圖2所示。其中藍牙核心協(xié)議包括：RF協(xié)議、基帶（Baseband）協(xié)議、LMP、L2CAP，主要完成藍牙數(shù)據(jù)由邏輯鏈路層到實際物理通道的控制和處理。

　會話層協(xié)議將建立對應(yīng)功能的模型描述，并定義相關(guān)操作方法，為上層應(yīng)用程序提供接口。其中RFCOMM協(xié)議提供對基于L2CAP協(xié)議的串口仿真,基于ETSI07.10，可支持在兩個藍牙設(shè)備之間同時保持高達60路的通信連接。其次，本方案利用服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)獲取周邊藍牙設(shè)備服務(wù)信息，并自動篩選出帶有對象推送服務(wù)的遠程設(shè)備作為發(fā)送目標，此協(xié)議由BlueZ所提供的接口函數(shù)實現(xiàn)。而OBEX作為實現(xiàn)文件傳送的核心協(xié)議，將為被傳送文件建立對象模型，并面向?qū)ο蠹皞魉瓦^程定義對應(yīng)操作方法，以實現(xiàn)文件傳送。PAN協(xié)議用于建立藍牙無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的訪問點，以完成與TCP/IP之間的無縫連接。
　上層應(yīng)用程序?qū)⒒趹?yīng)用層協(xié)議所提供的接口函數(shù)，主要依據(jù)對象交換協(xié)議(OBEX)實現(xiàn)對象推送（OBEX PUSH）功能，從而完成文件的單點傳送，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Linux多進程技術(shù)實現(xiàn)文件多點傳送。此外，利用BlueZ提供的PAN工具實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與PC機之間的組網(wǎng)，完成網(wǎng)絡(luò)文件傳送功能。
4 文件傳送功能實現(xiàn)
4.1 文件單點傳送實現(xiàn)
　文件單點傳送是多點傳送的基礎(chǔ)，也是本方案的核心技術(shù)，并基于對象交換協(xié)議（OBEX）。應(yīng)用于藍牙系統(tǒng)的對象交換協(xié)議其目標是完成兩藍牙設(shè)備間的數(shù)據(jù)對象通信，其典型應(yīng)用為實現(xiàn)對象推送功能。OBEX本身包括兩部分：數(shù)據(jù)對象模型和會話協(xié)議。對象模型包括將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對象的各種信息以及數(shù)據(jù)對象本身。該模型的建立完全基于各種標準的或者用戶自定義的可分析的信息頭（headers），信息頭由信息頭ID和信息頭的值兩部分構(gòu)成，ID描述了信息頭的內(nèi)容及格式，信息頭的值由一個字節(jié)或多個字節(jié)組成，描述了對象屬性的具體含義。OBEX會話層操作由請求-應(yīng)答成對組成，由客戶端發(fā)出請求，服務(wù)器做出應(yīng)答，客戶端必須等待服務(wù)器做出應(yīng)答后才能發(fā)起新的請求。
　本方案利用openobex應(yīng)用函數(shù)庫實現(xiàn)了系統(tǒng)對某一遠程設(shè)備的文件對象推送功能。openobex函數(shù)庫實現(xiàn)了OBEX協(xié)議的會話層操作及相應(yīng)對象模型描述。圖3顯示了完成對象推送功能的全過程。
　通過圖3所述過程，系統(tǒng)與目標設(shè)備可完成一次文件單點傳送。在實現(xiàn)文件多點傳送時，可循環(huán)調(diào)用此過程，完成文件傳輸。

4.2  文件多點傳送實現(xiàn)
   文件多點傳送基于單點傳送，并利用藍牙協(xié)議中的TDD技術(shù)和EDR技術(shù)實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)向多個藍牙設(shè)備節(jié)點并發(fā)傳送文件的功能。同時利用多進程技術(shù)，對多個發(fā)送進程進行合理管理，保證文件能高效及時地被發(fā)送到遠程設(shè)備中。其中采用TDD技術(shù)，使多臺設(shè)備能夠共享一個物理通道[4]，并將數(shù)據(jù)進行分組，按時分復(fù)用方式發(fā)送。而EDR技術(shù)增加了藍牙數(shù)據(jù)的傳輸帶寬和傳輸吞吐量，從而提高了文件多點傳送的帶寬和吞吐量。
　多點傳送流程如圖4所示。首先由文件發(fā)送父進程，根據(jù)查詢到的藍牙設(shè)備數(shù)目創(chuàng)建與之數(shù)目相等的文件發(fā)送子進程，每個文件發(fā)送子進程將獨立承擔向相應(yīng)藍牙設(shè)備發(fā)送文件的任務(wù)，使文件向多臺設(shè)備同時進行傳送。

    當所有發(fā)送任務(wù)建立完畢后，文件發(fā)送父進程首先判斷所有文件發(fā)送子進程是否都已經(jīng)退出，若是則進入下一輪發(fā)送，否則將執(zhí)行阻塞操作，等待其他子進程退出。
　每個文件發(fā)送子進程又將創(chuàng)建對象推送子進程，該子進程調(diào)用對象推送功能，完成文件向某一設(shè)備的發(fā)送。在等待推送過程中，同時啟用重發(fā)機制，判斷子進程退出原因，若由于文件發(fā)送完畢或用戶拒絕接收而退出，則發(fā)送下一文件，若由于發(fā)生藍牙通道競爭致使建立連接失敗而退出，則向設(shè)備重新發(fā)起連接，重新發(fā)起連接次數(shù)不超過5次。
5 網(wǎng)絡(luò)文件傳送實現(xiàn)
　方案應(yīng)用個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）技術(shù)成功建立了嵌入式系統(tǒng)與PC機之間基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。PAN協(xié)議主要描述了藍牙網(wǎng)絡(luò)封裝協(xié)議(BNEP)的使用，并且提供了網(wǎng)絡(luò)訪問點(NAP)服務(wù)和組網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(GN)。BNEP 用于通過藍牙介質(zhì),傳輸通用聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。BNEP將在藍牙協(xié)議與Ethernet間建立訪問點作為網(wǎng)橋[5]，使用 BNEP 包頭取代Ethernet包頭，BNEP 包頭和Ethernet凈荷最終被 L2CAP 封裝，并通過藍牙介質(zhì)發(fā)送。
　在本方案中，采用網(wǎng)絡(luò)訪問點的方式進行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中PC機的角色為客戶端(PANU)，而嵌入式系統(tǒng)為NAP，充當服務(wù)器。首先使系統(tǒng)處于監(jiān)聽狀態(tài)，此時，利用PC機的藍牙軟件，查詢嵌入式系統(tǒng)的NAP服務(wù)，并向其發(fā)起組網(wǎng)連接請求，系統(tǒng)在監(jiān)聽到連接請求后做出回應(yīng)。當組網(wǎng)成功后，嵌入式系統(tǒng)將自動分配給PC機IP地址，同時設(shè)置自身IP，此時，只需將PC機的IP改為與嵌入式系統(tǒng)同一網(wǎng)段，PC機即可與系統(tǒng)在TCP/IP協(xié)議上通信，并通過FTP協(xié)議對嵌入式系統(tǒng)中的文件進行訪問和更新。
6 測試與分析
6.1  文件單點傳送測試
　以嵌入式系統(tǒng)作為發(fā)送端，將帶有對象推送協(xié)議的手機作為接收端，對某1臺手機進行5次文件發(fā)送，測試每次文件的傳送時間，并計算平均傳送速度，測試結(jié)果如表1。接收到的圖片均可在手機中正常顯示。結(jié)果表明，在傳送不同大小、不同格式圖片的情況下，系統(tǒng)單點傳送性能穩(wěn)定,最高速度可達19.7 kb/s,可滿足一般藍牙通信需求。

6.2  文件多點傳送測試
　此部分主要測試文件多點傳送情況下建立連接可靠性和文件傳送時間。首先通過對比加入重發(fā)機制前后的建立連接成功率，說明重發(fā)機制對提升多點傳送可靠性的重要作用。建立連接成功率計算方法如下：
   建立連接成功率=(成功連接次數(shù)/(每組發(fā)送文件數(shù)×設(shè)備總數(shù)))×100%
　測試未加入重發(fā)機制時，測試系統(tǒng)與遠程設(shè)備建立連接成功率。以手機作為接收終端，測試結(jié)果如圖5所示。

　測試結(jié)果顯示，建立連接成功率隨設(shè)備數(shù)目增多而遞減。當設(shè)備數(shù)為5時，建立連接成功率僅為53.33%，不能滿足實際需要。但加入重發(fā)機制后，所有情況下建立連接成功率均達到100%，建立連接的可靠性得到明顯改善，可以滿足實際應(yīng)用的需要。
　嵌入式系統(tǒng)向手機終端統(tǒng)一發(fā)送大小為200 KB的JPEG格式圖片，手機臺數(shù)由1臺逐步增加至5臺。測試結(jié)果如圖6所示。接收到圖片在5臺手機上均能正常顯示，說明多點傳送穩(wěn)定可靠，未丟失數(shù)據(jù)。隨著手機臺數(shù)的增多，發(fā)送時間增長，說明TDD技術(shù)對數(shù)據(jù)進行了合理分組，并以時分復(fù)用方式進行發(fā)送，傳輸穩(wěn)定可靠。在設(shè)備數(shù)增至5臺時，其平均傳送速度約為58.8 kb/s，較單播平均傳送速度有較大提高。

6.3 網(wǎng)絡(luò)文件傳送測試
    首先將嵌入式系統(tǒng)在piconet中設(shè)置為server，之后利用PC藍牙軟件向嵌入式系統(tǒng)發(fā)起連接，Windows任務(wù)欄中會出現(xiàn)正在連接的圖標提示，連接成功后，嵌入式系統(tǒng)為PC分配的IP地址是169.254.204.174；將此IP改為和系統(tǒng)預(yù)設(shè)IP(169.254.0.3)同一網(wǎng)段，改后IP是169.254.0.4。之后用普通FTP軟件登錄系統(tǒng)，即可訪問系統(tǒng)文件。更新了大小為6.36 MB的JPEG格式圖片文件，共用時92 s，平均傳送速度達71.5 kb/s，圖片可在系統(tǒng)中正常顯示，證明系統(tǒng)與PC機網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定，傳輸準確可靠。
　本方案成本低、可靠性高、實時性好、功能擴展靈活、可結(jié)合各種多媒體技術(shù)，應(yīng)用于各種市政及公共場所的宣傳系統(tǒng)，也可以用于商業(yè)廣告的發(fā)布，具有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1]     DUMBILL E, JEPSON B, WEEKS R. Linux unwired[M]. Sebastopol: O′Reilly Media, 2004.
[2]     吳帆. 基于藍牙的文件傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2007.
[3]    JOHNSON M K, TROAN E W. Linux application development[M]. Addison Wesley Professional, 2004.
[4]     Bluetooth SIG. Bluetooth specification version 2.0 + EDR [S].
[5]     MORROW R. Bluetooth Operation and use[M]. McGray-Hill, 2002.