Стек протоколов Bluetooth

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5.

Интерфейс Bluetooth

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение интерфейса Bluetooth.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Bluetooth(от слов англ. blue — синий и tooth — зуб; произносится /bluːtuːθ/), блюту́с[1] — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wirelesspersonalareanetwork, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами, как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 м друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Работы по созданию Bluetooth начал производитель телекоммуникационного оборудования Ericsson в 1994 году как беспроводную альтернативу кабелям RS-232. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.

Спецификация Bluetooth была разработана группой BluetoothSpecialInterestGroup (Bluetooth SIG), которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования — 14 июня2002 года).

Класс	Максимальнаямощность, мВт	Максимальная мощность, дБм	Радиус действия, м
	2,5

Компания AIRcable выпустила Bluetooth-адаптер Host XR с радиусом действия около 30 км, требующий специальной антенны.

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, ScienceandMedicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. FrequencyHoppingSpreadSpectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорогое.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint».

Спецификации

Bluetooth 1.0

Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.

Bluetooth 1.1

В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).

Bluetooth 1.2

Главные улучшения включают следующее:

• Быстрое подключение и обнаружение.
• Адаптивная перестройка частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам.
• Более высокие, чем в 1.1, скорости передачи данных, практически до 1 Мбит/с.
• Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных.
• В HostControllerInterface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART.
• Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005.
• Введены режимы управления потоком данных (FlowControl) и повторной передачи (RetransmissionModes) для L2CAP.

Bluetooth 2.0 + EDR

Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радиотехнологий для передачи данных.

Стандартная (базовая) скорость передачи данных использует GFSK-модуляцию радиосигнала при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху — 2 и 3 Мбит/с соответственно.

Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR, есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере одно коммерческое устройство, HTC TyTNPocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях.

Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества:

• Увеличение скорости передачи в 3 раза (2,1 Мбит/с) в некоторых случаях.
• Уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания.
• Снижение потребления энергии благодаря уменьшению нагрузки.

Bluetooth 2.1

2007 год. Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология SniffSubrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3—10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии NearFieldCommunication.

Bluetooth 2.1 + EDR

В августе 2008 года Bluetooth SIG версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов, за которые оно выполняется.

Bluetooth 3.0 + HS

3.0+HS была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Alternate MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Для AMP были предусмотрены две технологии: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации.

Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие — по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть несовместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

Bluetooth 4.0

См. также: Bluetooth с низким энергопотреблением

Bluetooth SIG утвердил спецификацию Bluetooth 4.0 30 июня 2010 года. Bluetooth 4.0 включает в себя протоколы:

• Классический Bluetooth,
• Высокоскоростной Bluetooth
• Bluetooth с низким энергопотреблением.

Высокоскоростной Bluetooth основан на Wi-Fi, а Классический Bluetooth состоит из протоколов предыдущих спецификаций Bluetooth.

Частоты работы системы Bluetooth (мощность не более 0,0025 Вт).

Полоса частот: 2 402 000 000 - 2 480 000 000 Гц (2,402 ГГц - 2,48 ГГц)

Протокол Bluetooth с низким энергопотреблением предназначен, прежде всего, для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.). Низкое энергопотребление достигается за счёт использования особого алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8—27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.

Датчики температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т. д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные устройства контроля: мобильные телефоны, КПК, ПК и т. п.

Первый чип с поддержкой Bluetooth 3.0 и Bluetooth 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года. В настоящее время выпускается большое количество мобильных устройств с поддержкой этого стандарта.

Bluetooth 4.1

Вконце 2013 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представиласпецификацию Bluetooth 4.1. Одно из улучшений, реализованных в спецификации Bluetooth 4.1, касается совместной работы Bluetooth и мобильной связи четвёртого поколения LTE. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путём автоматического координирования передачи пакетов данных.

Bluetooth 4.2

3 декабря 2014 Bluetooth Special Interest Group (SIG) представиласпецификациюBluetooth4.2.. Основные улучшения — повышение конфиденциальности и увеличение скорости передачи данных.

Bluetooth 5.0

16 июня 2016 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представиласпецификацию Bluetooth 5.0. Изменения коснулись в основном режима с низким потреблением и высокоскоростного режима. Радиус действия увеличен в 4 раза, скорость увеличена в 2 раза.

Стек протоколов Bluetooth

Bluetooth имеет многоуровневую архитектуру, состоящую из основного протокола, протоколов замены кабеля, протоколов управления телефонией и заимствованных протоколов. Обязательными протоколами для всех стеков Bluetoothявляются: LMP, L2CAP и SDP. Кроме того, устройства, связывающиеся с Bluetooth обычно используют протоколы HCI и RFCOMM.

LMP

LinkManagementProtocol — используется для установления и управления радиосоединением между двумя устройствами. Реализуется контроллером Bluetooth.

HCI

Host/controllerinterface — определяет связь между стеком хоста (то есть компьютера или мобильного устройства) и контроллером Bluetooth.

L2CAP

logicalLinkControlandAdaptationProtocol — используется для мультиплексирования локальных соединений между двумя устройствами, использующими различные протоколы более высокого уровня. Позволяет фрагментировать и пересобирать пакеты.

SDP

Service DiscoveryProtocol — позволяет обнаруживать услуги, предоставляемые другими устройствами, и определять их параметры.

RFCOMM

RadioFrequencyCommunications — протокол замены кабеля, создаёт виртуальный последовательный поток данных и эмулирует управляющие сигналы RS-232.

BNEP

BluetoothNetworkEncapsulationProtocol — используется для передачи данных из других стеков протоколов через канал L2CAP. Применяется для передачи IP-пакетов в профиле PersonalAreaNetworking.

AVCTP

Audio/VideoControlTransportProtocol — используется в профиле Audio/Video Remote Control для передачи команд по каналу L2CAP.

AVDTP

Audio/VideoDistributionTransportProtocol — используется в профиле AdvancedAudioDistribution для передачи стереозвука по каналу L2CAP.

TCS

TelephonyControlProtocol — Binary — протокол, определяющий сигналы управления вызовом для установления голосовых соединений и соединений для передачи данных между устройствами Bluetooth. Используется только в профиле CordlessTelephony.

Заимствованныепротоколывключаютвсебя: Point-to-PointProtocol (PPP), TCP/IP, UDP, ObjectExchangeProtocol (OBEX), WirelessApplicationEnvironment (WAE), WirelessApplicationProtocol (WAP).

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Лабораторный стенд состоит из персонального компьютера с установленными драйверами для Bluetooth-адаптера, Bluetooth адаптера для ПК, Arduino-basedустройства с Bluetooth-адаптером HC-06.

Адаптер HC-06 построен на чипе CSR BC417, который поддерживает радиосигнал по протоколу Bluetooth со скоростью до 3 Мбит/сек. На самой плате находится антенна из дорожки в виде змейки, обеспечивающая дальность связи до 10 метров. Главным преимуществом можно назвать устойчивость к широкополосным помехам, а значит несколько устройств могут общаться между собой, не мешая друг другу.

Программное обеспечение Arduinoв рамках данной работы не создавалось, использовалось разработанное А.С.Бессоновым ПО, реализованное в фреймфоркеArduinoSketch.

Подключение HC-06 к Arduinoосуществляется следующим образом

Arduino	Bluetooth
Pin 1 (TX)	RXD
Pin 0 (RX)	TXD
GND	GND
5V	VCC

Интерфейс HC-06 для Arduinoпредставляет собой эмуляцию порта RS232, который открывается из ПО Arduinoи далее производится асинхронное чтение-запись. Пример кода, реализующего асинхронное чтение через Bluetooth:

intval;

int LED = 13;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

pinMode(LED, OUTPUT);

digitalWrite(LED, HIGH);

}

void loop()

{

if (Serial.available())

{

val = Serial.read();

// При символе "1" включаем светодиод

if (val == '1')

{

digitalWrite(LED, HIGH);

}

// При символе "0" выключаем светодиод

if ( val == '0')

{

digitalWrite(LED, LOW);

}

}

}

Фотография Arduino-based устройства:

Передача данных от устройства осуществляется периодически с частотой 2 Гц в виде ASCIIстроки вида <номер датчика>:<температура>C. Строка заканчивается символами CRLF.

Выбор канала датчика осуществляется либо кнопкой устройства, либо по команде с устройства управления передачей ASCII-цифры ‘1’, '2’, '3' или ‘4’ с символами CRLFпосле нее.

Реализовано программное обеспечение на Labview, обеспечивающее ввод данных с Arduino-based устройства, реализующего периодический опрос цифрового и аналогового датчиков температуры и передачу информации в виде ASCII-строки клиентскому устройству. Программное обеспечение обеспечивает передачу управляющих сигналов на устройство, предназначенных для выбора канала датчика температуры.

 

 

Программное обеспечение было сохранено для дальнейшего использования в составе учебно-модельной библиотеки Bluetooth.llbпод именем SimpleBluetoothClientforArduino:

 

Результаты выполнения программы приведены на картинках ниже:

 

 

 

 

ВЫВОДЫ

 

Реализовано программное обеспечение на Labview, обеспечивающее ввод данных с Arduino-based устройства, реализующего периодический опрос цифрового и аналогового датчиков температуры и передачу информации в виде ASCII-строки клиентскому устройству. Программное обеспечение обеспечивает передачу управляющих сигналов на устройство, предназначенных для выбора канала датчика температуры. Показана работоспособность интерфейса Bluetoothдля передачи данных в двунаправленном режиме. Подтверждена необходимость ввода специального PIN-кода для инициации соединения между клиентом и сервером (Arduino-based). Установлено, что PIN-код по умолчанию действительно 1234, что нивелирует безопасность соединения при отсутствии дополнительной конфигурации интерфейсного устройства.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

1. Джордейн P. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и АТ: Пер. с англ./Предисл. Н. В. Гайского. -М.: финансы и статистика, 1992.