蓝牙( Bluetooth)技术是由爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔5家公司于1998年联合宣布共同开发的一种短距离无线通信技术。 一、蓝牙技术定义。 蓝牙是一种支持设备之间进行短距离无线通信的技术,它能在包括移动电话、掌上电脑、无线耳机、笔记本电脑、智能汽车、相关外设等众多设备之间进行无线信息交互。利用蓝牙技术能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够简化设备与因特网( Internet)之间的通信,使数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4 GHZ ISM(即工业、科学、医学)频段,采用时分双工传输方案实现全双工传输。 二、蓝牙系统组成。 蓝牙系统一般由无线单元、链路控制(固件)单元、链路管理(软件)单元和软件(协议栈)单元四个功能单元组成,如图3-2所示。
(1)无线单元：蓝牙要求其无线单元体积小、质量轻。蓝牙系统的无线发射功率符合FCC(美国联邦通信委员会)关于ISM波段的要求。由于采用扩频技术,发射功率可增加到100MW。系统的最大跳频为1600跳/s,在2.4~2.48GHz之间,采用79个1MHz带宽的频点。系统的设计通信距离为0.1~10m,如果增加发射功率,距离可以达到100m。
(2)链路控制(固件)单元：蓝牙中使用了3个IC分别作为链路控制器、基带处理器以及射频传输/接收器,此外还使用了3~5个单独调谐元件。链路控制器负责处理基带协议和其他的底层连接规程,支持同步面向连接(SCO)和异步无连接(ACL)两种方式。
(3)链路管理(软件)单元：链路管理(软件)单元携带了链路的数据设备、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。链路管理(软件)单元可以发现其他远端链路管理并通过键路管理协议与之通信。链路管理(软件)单元提供的服务主要有发送和接收数据、请求名称、地址查询、鉴权、建立连接、链路模式协商和建立以及决定帧的类型等。
(4)软件(协议栈)单元：软件(协议栈)单元是一个独立的操作系统,不与任何操作系统捆绑,它必须符合已经制定好的蓝牙规范。链路协议分为4层——核心协议层、电缆替代层、电话控制协议层和采纳的其他协议层。软件(协议栈)单元主要实现的功能有配置及诊断、蓝牙设备的发现、电缆仿真、与外围设备的通信、音频通信及呼叫控制等。
在蓝牙协议栈中,还有一个主机控制接口(HCI)和音频( Audio)接口。
HCI是到基带控制器、链路管理器以及访问硬件状态和控制寄存器的命令接口。
利用音频接口,可以在一个或多个蓝牙设备之间传递音频数据,该接口与基带直接相连。
三、蓝牙技术特点。
蓝牙技术具有以下特点。
①全球范围适用。蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段,全球大多数国家ISM频段的范围是2.4~2.4835GHz,使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证,便可直接使用。
②通信距离为0.1~10m,发射功率100MW时可以达到100m。
③同时可传输语音和数据。蓝牙采用电路交换和分组交换技术,支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。蓝牙有两种链路类型,异步无连接(ACL)链路和同步面向连接(SCO)链路。
④可以建立临时性的对等连接。根据蓝牙设备在网络中的角色,可分为主设备和从设备。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备,几个蓝牙设备连接成一个皮网时,其中只有一个主设备,其余都是从设备。皮网是蓝牙最基本的种网络形式,最简单的皮网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。
⑤抗干扰能力强。工作在ISM频段的无线电设备有很多种,为了很好地抵抗来自这些设备的干扰,蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱。蓝牙设备在某个频点发送数据之后,再跳到另一频点发送,而频点的排列顺序是伪随机的,每秒钟频率改变1600次,每个频率持续625μs。
⑥蓝牙模块体积很小,便于集成。
⑦功耗低。蓝牙设备在通信连接状态下,有四种工作模式—激活模式、呼吸模式、保持模式和休眠模式。激活模式是正常的工作状态,另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。
⑧接口标准开放。蓝牙技术联盟(SG)为了推广蓝牙技术的应用,将蓝牙的技术标准全部公开,全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发,只要最终通过SG的蓝牙产品兼容性测试,就可以推向市场。
⑨成本低。随着市场需求的扩大,各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块,蓝牙产品价格逐渐下降。
四、蓝牙技术标准。
目前,蓝牙技术已经过8个版本的更新,分别为1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、4.1、4.2版本。
蓝牙1.1版本为最早期版本,传输速率约在748~810kbit/s,容易受到同频率产品的干扰,影响通信质量。
蓝牙1.2版本同样是只有748~810kbit/s的传输速率,但是增加了抗干扰跳频功能。
蓝牙2.0版本是1.2版本的改良升级版,传输速率约在1.8~2.1Mbit/s,开始支持双工模式,既可以进行语音通信,也同时可以传输图片。
蓝牙2.1版本主要是将待机时间提高了2倍以上,技术标准没有根本性变化。
蓝牙3.0版本是一种全新的交替射频技术,允许蓝牙协议栈针对不同任务动态地选择正确射频。在传输速率上,蓝牙3.0是蓝牙2.0的8倍,可以轻松用于录像机至高清电视、PC至PMP(便携式媒体播放器)、笔记本电脑至打印机之间的资料传输,但是需要双方都达到此标准才能实现功能。
蓝牙4.0版本于2010年7月7日发布,该版本的最大意义在于低功耗,同时加强不同OEM厂商之间的设备兼容性,并且降低延迟,理论最高传输速率为24Mbit/s,有效覆盖范围扩大到100m(之前的版本为10m)。该标准芯片被大量的手机、平板电脑所采用。
蓝牙4.1版本于2013年12月6日发布,该版本提升了连接速度并且更加智能化,比如减少了设备之间重新连接的时间,意味着如果用户走出了蓝牙4.1的信号范围并且断开连接的时间不是很长,当用户再次回到信号范围之后设备将自动连接,反应时间要比蓝牙4.0更短。蓝牙4.1提高了传输效率,如果用户连接的设备非常多,比如连接多部可穿戴设备,彼此之间的信息都能即时发送到接收设备上。为了应对逐渐兴起的可穿戴设备,蓝牙必须能够支持同时连接多部设备。
蓝牙4.2版本于2014年12月4日发布,它改善了数据传输速率和隐私保护程度,并且接入蓝牙的设备可直接通过Pv6和6 LOWPAN接入互联网。蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备必须经过用户许可,否则蓝牙信号将无法连接和追踪用户设备。速度方面变得更加快速,两部蓝牙设备之间的数据传输速率提高了2.5倍,因为蓝牙智能数据包的容量提高,其可容纳的数据量相当于此前的10倍左右。
蓝牙标准的每一次升级,都会提升蓝牙产品的整体效能,例如有更广泛的配对范围、更高的传输速率、更加节能、直接接人互联网等。
五、蓝牙技术应用。
蓝牙技术的实质是建立通用的无线接口及其控制软件的开放标准,使计算机和通信进一步结合,使不同厂家生产的便携式设备在没有电缆或电线连接的情况下,能在短距离内互联。
蓝牙技术主要有三方面的应用,即外围设备互联,个人局域网(PAM),语音/数据接入。外围设备互联是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机;个人局域网主要用于个人网络和信息的共享;语音/数据接入是将一台计算机通过安全的无线链路连接到广域网。
蓝牙技术在汽车上的应用主要有车载蓝牙电话、车载蓝牙音响、车载蓝牙导航、蓝牙汽车防盗、蓝牙后视镜、利用蓝牙技术对汽车进行解锁等。
(1)车载蓝牙电话：车载蓝牙电话是专为行车安全和舒适性而设计的。其功能主要有:自动辨识移动电话,不需要电缆或电话托架便可与手机联机;使用者不需要触碰手机(双手保持在转向盘上)便可控制手机,用语音指令控制接听或拨打电话。使用者可以通过车上的音响或蓝牙无线耳麦进行通话。若选择通过车上的音响进行通话,当有来电或拨打电话时,车上音响会自动静音,通过音响的扬声器/麦克风进行话音传输。若选择蓝牙无线耳麦进行通话,只要耳麦处于开机状态,当有来电时按下接听按钮就可以实现通话。
(2)车载蓝牙音响：车载蓝牙音响基于稳定的、高度通用的蓝牙无线技术为基础的无线有源音箱,蓝牙音响内设锂电池,可以随时充电。车载蓝牙音响的使用方式就是将手机和音响进行蓝牙配对即可,方便快捷。在开车的时候,可以通过蓝牙接手机,播放手机的歌曲,同时,还可以作为手机的音响,接打电话;想户外听歌的时候,可以插卡播放,充当一个便携式音响。
(3)车载蓝牙导航：具备蓝牙功能的车载GPS,能为驾驶员提供定位导航的同时,还能作为蓝牙耳机,实现免提接听,极大地方便驾驶员,也大大加强驾驶员行车途中接打电话的安全性;还可以传送图片和文件,充分支持用户的各种需求。
(4)蓝牙汽车防盜：把驾驶员的蓝牙手机当作汽车的第二把锁,如果蓝牙手机不在车内,一旦汽车被启动,系统就会认定汽车被盗,从而开启报警装置。
(5)蓝牙后视镜：汽车后视镜通过蓝牙与手机相连,手机来电时,后视镜显示来电号码,如图3-3所示。除此以外,该后视镜还集成了免提电话功能,可以通过汽车供电,同时也包含一个内置的电池进行供电。
(6)利用蓝牙技术对汽车进行解锁汽车虚拟钥匙技术能够通过蓝牙连接让汽车与智能手机/智能手表互联,实现汽车解锁及获取汽车信息,如图3-4所示。当驾驶员靠近时(几米范围内),手机APP通过蓝牙与汽车连接,能够实现汽车解锁及获取汽车信息。
当驾驶员远离汽车时,可以采用手机APP通过移动网络获取车辆信息,如胎压、预估续航里程、车辆位置、离车辆保养剩余里程等,如图3-5所示。软件会提示虚拟钥匙超出范围,此时手机APP无法对汽车解锁。
手机APP虚拟钥匙共享功能可自动识别手机通讯录中安装了相同APP的人。
车主可以通过简单操作把汽车虚拟钥匙转交给相应的联系人,甚至可以选择虚拟钥匙的有效时间,让虚拟钥匙在有效时间内才能使用,过期的虚拟钥匙将无法对汽车进行任何操作,如图3-6所示。
汽车虚拟钥匙技术的共享功能使借车过程极大的简化,只要双方手机中都安装了相同的手机AP就能够实现虚拟钥匙的移交,给用户带来了极大的便利。
蓝牙这种短距离通信技术从一定程度上又拉近了人与车的距离,只有携带虚拟钥匙的人靠近车辆时才能对汽车进行解锁操作,一定程度上增强了该技术的安全性。
智能蓝牙连接技术将在车辆与可穿戴技术连接的实现过程中发挥至关重要的作用,包括实现监测驾驶员疲劳驾驶、血液中酒精含量以及血糖水平等生物计量指标的连接。智能手表、血压计、脉搏监测仪、酒精监測仪或者血糖监测仪等将成为与车辆连接的可穿藏设备。
随着蓝牙技术的不断发展,蓝牙技术在汽车上的应用会越来越多。
