Diseño y desarrollo de la solución de auriculares TWS

Con el advenimiento de la era de las comunicaciones móviles omnidireccionales, los productos Bluetooth livianos y compactos están ganando cada vez más aceptación. En los últimos años, los auriculares

Con el advenimiento de la era de las comunicaciones móviles omnidireccionales, los productos Bluetooth livianos y compactos están ganando cada vez más aceptación. En los últimos años, los auriculares Bluetooth TWS y los productos de puerta de enlace de audio se han desarrollado rápidamente y se han convertido en un punto brillante en el campo de Bluetooth. Los auriculares Bluetooth TWS y la puerta de enlace de audio pueden garantizar una conexión de voz rápida y estable dentro de los 10 m. La puerta de enlace de audio no es solo un terminal inalámbrico, sino que se conecta directamente a los auriculares Bluetooth TWS para realizar llamadas. Su función más importante es servir como punto de acceso de auriculares y ampliar la corta distancia de los módulos GSM, terminales de voz fijos y otros equipos.


Bluetooth es una tecnología de comunicación inalámbrica de frecuencia de radio de corto alcance de 214 GHz con una banda de frecuencia de trabajo que se puede utilizar libremente en todo el mundo. Utiliza conexiones inalámbricas de corto alcance y bajo costo para reemplazar las conexiones de cable, proporcionando así redes de datos existentes y pequeños periféricos. La interfaz proporciona una conexión unificada. Bluetooth HeadSet utiliza la tecnología Bluetooth para implementar la comunicación inalámbrica entre los auriculares Bluetooth TWS y las puertas de enlace de audio (como los teléfonos móviles), lo que proporciona respuesta de manos libres a las llamadas de teléfonos móviles. En el modelo de Bluetooth HeadSet, primero deben aclararse dos funciones: una es AG (AudioGateway), que actúa como una puerta de enlace de audio, que se puede utilizar como entrada de audio y salida de audio; la otra es HS (HeadSet), que es el auricular Bluetooth TWS. Un dispositivo que se utiliza como entrada y salida de audio remota por Bluetooth y proporciona algunos métodos de control remoto.


1. Proceso de desarrollo de auriculares TWS

En el desarrollo de los auriculares Bluetooth TWS (Bluetooth Headset, HS) y las puertas de enlace de audio (audiogateway, AG), adoptamos el programa de desarrollo Bluetooth totalmente integrado de British CSR Company y lo diseñamos con el chip Bluetooth BlueCore22External como núcleo. CSR proporciona a los desarrolladores varios perfiles básicos del firmware subyacente (fireware) para implementar las funciones de la pila de protocolos centrales de Bluetooth. El enfoque de nuestro trabajo se basa en el firmware del perfil de los auriculares y el uso de sus API de aplicaciones proporcionadas hacia arriba para escribir aplicaciones de auriculares y puertas de enlace de audio que sean adecuadas para las necesidades reales y cumplan con la especificación de Bluetooth, y combinarlas con entidades de hardware. Realice completamente todas las funciones de HS / AG. Para escribir programas integrados con Bluetooth en una PC, se requiere un entorno de compilación cruzada de Linux. El software correspondiente de depuración, emulación y descarga de Bluetooth se basa en el sistema operativo Windows. La solución a esta contradicción es utilizar el software Cygwin, que proporciona una biblioteca de sistema Unix basada en Win32API, que puede simular el entorno Linux que se ejecuta en la plataforma Windows. Ingrese el comando makebc02 en Cygwin, el programa de aplicación y el firmware correspondiente se compilarán en un archivo de descarga .xdv, y a través del puerto paralelo de la PC a la interfaz SPI del chip, finalmente todo el software se integrará en la memoria Flash del módulo Bluetooth.


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2. Desarrollo de hardware de auriculares Bluetooth TWS

El chip Bluetooth BlueCore22External de CSR es totalmente compatible con las especificaciones de Bluetooth V1.1 y V1.2, radiofrecuencia integrada, procesador de señal de banda base, microcontrolador y 32KBRAM, y se utiliza un 8MBFlash externo para almacenar la pila de protocolos Bluetooth y los programas de aplicación. La interfaz aérea del módulo Bluetooth proporciona PCM de ley A de 64 Kbps, PCM de ley μ y CVSD (modulación incremental de pendiente variable continua) 3 métodos de codificación de compresión, por lo que de acuerdo con el método de codificación seleccionado por el software, se debe utilizar el códec correspondiente con un rendimiento superior a 64 Kbps . Adoptamos un método de desarrollo totalmente integrado. Todas las pilas de software y aplicaciones Bluetooth se ejecutan en un solo chip, interactuando con los usuarios a través de botones y LED.


En tercer lugar, la arquitectura del software de auriculares Bluetooth TWS

La arquitectura del protocolo Bluetooth adopta un enfoque en capas, incluido el protocolo central de Bluetooth y algunos protocolos dedicados. El perfil de auricular define el protocolo de especificación de Bluetooth utilizado en las aplicaciones HS y AG e indica algunos mensajes y procedimientos en la especificación de Bluetooth, que pueden considerarse como la sección longitudinal de la pila de protocolos. Los auriculares mono y la puerta de enlace de audio son totalmente compatibles con el perfil de auriculares en la especificación de Bluetooth, y sus sistemas de software son básicamente los mismos, pero los programas en la capa de aplicación son diferentes.


Entre ellos, la banda base, la gestión de enlaces (LMP), el protocolo de adaptación y control de enlaces lógicos (L2CAP) y el protocolo de búsqueda de servicios (SDP) son las partes centrales de la pila de Bluetooth, que completan el salto de frecuencia, el desmontaje de la trama de datos y el filtrado del flujo de datos y Funciones como transmisión, control de enlaces, calidad de servicio (QoS), multiplexación de protocolos y descubrimiento de servicios. El Protocolo de emulación de cable serie (FCCOMM) proporciona capacidades de sustitución de cable y proporciona servicios para servicios avanzados que utilizan líneas serie como mecanismos de transmisión.


La banda base Bluetooth admite conexiones ACL (asíncrona sin conexión) y SCO (conexión síncrona orientada a 2) en el mismo enlace de radiofrecuencia. ACL se utiliza para la transmisión de datos asíncrona y SCO es adecuada para la voz síncrona. Entre HS y AG, el programa de aplicación se basa en la conexión RFCOMM basada en ACL para enviar y recibir comandos AT, realizar respuesta a llamadas, intercambiar MIC, parámetros de ganancia de volumen del altavoz y otras operaciones de control. El flujo de voz basado en SCO se envía directamente a la transmisión de banda base por la capa superior, que también es la clave para garantizar el procesamiento de voz en tiempo real.


De acuerdo con la regulación de perfiles, tanto HS como AG pueden iniciar el establecimiento de ACL. Una vez que la ACL se ha establecido con éxito, la SCO se puede establecer cuando se desee. Puede ser que el AG inicie el SCO por iniciativa propia, o después de recibir el AT + AKPD (que indica que la tecla TALK del auricular está activada) del HS, el AG responde para establecer el SCO, pero en esencia, solo el AG tiene el derecho de decidir finalmente cuándo generar el SCO. Del mismo modo, la eliminación de ACL y SCO también es responsabilidad del AG.


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En cuarto lugar, la implementación de software del proceso de construcción de enlaces Bluetooth.

El programa de aplicación bluetooth se ejecuta en la máquina virtual en el chip, adopta el modo de unidad de mensaje (mensaje). El planificador (planificador) es responsable de recopilar eventos de mensajes e iniciar la función de tarea correspondiente.


4.1 Inicialización (inicialización)


Primero inicialice la función de biblioteca de auriculares, registre el servicio de auriculares correspondiente con SDP y configure el tipo de dispositivo (clase de dispositivo). Si hay un dispositivo que ya ha sido emparejado, la aplicación envía un mensaje CM_ADD_SM_DEVICE_REQ para registrarlo como un dispositivo confiable en el administrador de enlaces, lo que simplifica los pasos de autenticación de ambas partes y acelera el establecimiento del enlace.


4.2 Emparejamiento


La solicitud de emparejamiento CM_PAIR_REQ pone el dispositivo en modo de emparejamiento y luego puede consultar la dirección Bluetooth de la otra parte e intercambiar el número de identificación personal (PIN) para la autenticación. La autenticación es exitosa solo si los códigos PIN ingresados por los dispositivos en ambos extremos son consistentes. Finalmente, la clave de enlace (linkkey) utilizada para la comunicación se genera en base al código PIN, la dirección de Bluetooth y el número aleatorio, y se llama a la función PsStore () para almacenarla en el Flash nuevamente. Se usa al conectarse.


4.3 Conexión


Cualquiera de los dos extremos puede solicitar establecer una conexión RFCOMM como maestro o esclavo. Vale la pena señalar que solo AG puede emitir CM_SCO_CONNECT_REQ para solicitar el establecimiento de una conexión SCO. Si ambas partes obtienen el estado correcto, el enlace de voz está conectado.


Cinco, el esquema de diseño principal del sistema de auriculares Bluetooth TWS

Los módulos funcionales básicos del sistema Bluetooth se muestran en la Figura 1. Sus módulos funcionales incluyen unidad de antena, controlador de enlace, gestión de enlace y funciones de software.


图1 蓝牙系统的基本功能模块

5.1 Especificaciones técnicas inalámbricas


La antena Bluetooth es una antena de microbanda, y la interfaz inalámbrica Bluetooth está diseñada en base a una potencia de transmisión inalámbrica convencional de 0dBm, que cumple con las regulaciones de banda de frecuencia ISM de la Comisión de Comunicaciones de Estados Unidos (FCC). La aplicación de tecnología de espectro ensanchado permite aumentar la potencia a 100 dBm, lo que puede satisfacer las necesidades de diferentes países. En Japón, España y Francia, debido a la banda de frecuencia relativamente estrecha especificada por las regulaciones locales, se puede realizar mediante conversión de software interno.


5.2 Especificaciones técnicas de la banda base Bluetooth


La banda base describe la parte de procesamiento de señales digitales del dispositivo, a saber, el controlador de enlace Bluetooth, que completa el protocolo de banda base y otros procedimientos de enlace subyacentes. Incluyen principalmente los siguientes aspectos:


(1) El establecimiento de la conexión de red; (2) Tipo de enlace y tipo de paquete: el tipo de enlace determina qué modo de paquete se puede utilizar en un enlace específico, y la tecnología de banda base Bluetooth admite dos tipos de enlace: orientado a la conexión síncrona Tipo SCO (utilizado principalmente para voz) y ACL de tipo sin conexión asíncrona (utilizado principalmente para paquetes de datos). (3) Corrección de errores: el controlador de banda base adopta tres métodos de corrección de errores: codificación de corrección de errores de avance de velocidad 1ö3 (FEC), codificación de corrección de errores de avance de velocidad 2ö3 (FEC) y retransmisión automática de datos (ACL). (4) Autenticación y cifrado: la parte de banda base de Bluetooth proporciona a los usuarios mecanismos de protección y confidencialidad de la información en la capa física. La autenticación se basa en el algoritmo de "solicitud de respuesta". La autenticación es una parte clave del sistema Bluetooth, ya que permite a los usuarios establecer un dominio de confianza para los dispositivos Bluetooth personales, como permitir que solo la computadora portátil del propietario se comunique a través del teléfono móvil del propietario. El cifrado se utiliza para proteger la información personal conectada. La clave es administrada por el nivel superior del programa. Los protocolos y aplicaciones de transferencia de red pueden proporcionar a los usuarios un sólido mecanismo de seguridad.


6. Estructura de la pila de protocolos del modelo de aplicación HeadSet

La pila de protocolos de Bluetooth utiliza una estructura en capas, como se muestra en la Figura 2.


图2 蓝牙协议栈

Las funciones de cada capa se presentan brevemente de la siguiente manera:


La banda base es la capa física de Bluetooth. Es principalmente responsable de la codificación y decodificación del canal físico, el control de tiempo de la capa inferior y la gestión de enlaces durante la transmisión de un solo paquete. El campo de dirección y el campo de control se agregan a los datos de carga originales. Y realice la detección o corrección de errores.


La capa LC (LinkControl) es responsable de responder a los comandos LM de la capa superior (como ejecutar comandos LM para establecer enlaces de transmisión de paquetes de datos y mantener enlaces) durante un lote de paquetes de datos.


La capa LM (LinkManager) es el protocolo de la capa de administración de enlaces de la pila de protocolos Bluetooth. Es responsable de traducir los comandos HCI de la capa superior en operaciones que la banda base puede aceptar, establecer enlaces ACL (datos) y SCO (voz) y hacer que los dispositivos Bluetooth entren en un estado de ahorro de energía. Modo de trabajo, etc.


ME (ManagementEntity) es una entidad de gestión cuya función es descubrir dispositivos remotos y establecer conexiones con ellos, y proporcionar interfaces API para la capa de aplicación y otras capas del sistema que necesitan administrar la piconet Bluetooth.


SE (SecurityManager) y ME trabajan juntos para permitir que las aplicaciones establezcan la autenticación y el cifrado. La autenticación y el cifrado reales se realizan mediante hardware.


El Protocolo de control de enlace lógico (L2CAP) utiliza el concepto de canal para establecer diferentes rutas entre diferentes aplicaciones de dispositivos Bluetooth, pero solo admite enlaces ACL. La función principal es proporcionar multiplexación de protocolo para la capa de aplicación de alto nivel, permitiéndoles compartir el enlace de datos de bajo nivel. También realiza la agrupación y reensamblaje de grandes paquetes de datos que exceden el soporte de la capa inferior, al tiempo que proporciona una gestión de calidad del servicio de la capa superior.


El protocolo de búsqueda empresarial (SDP) es una parte extremadamente importante, ya que proporciona una forma para que los clientes de SDP soliciten información de servicio del servidor de SDP. El servidor mantiene una lista de registros de servicios, que describe las características del servicio relacionadas con el servidor. El cliente puede solicitar información de servicio, negocios y características comerciales del registro del servidor enviando una solicitud SDP y establecer una conexión entre dos o más dispositivos Bluetooth después de realizar la consulta.


RFCOMM proporciona emulación de puerto serie, y la capa inferior de Bluetooth es responsable de proporcionar métodos de conexión inalámbrica. Sin embargo, muchas aplicaciones tradicionales se han desarrollado basándose en métodos cableados. Si Bluetooth no puede resolver el problema de adaptarse a los protocolos tradicionales, será difícil convertirse en un Un estándar ampliamente utilizado. Por esta razón, Bluetooth ha desarrollado un protocolo de adaptación como RFCOMM para soportar aplicaciones tradicionales.


Capa de control HeadSet: Implementa principalmente las funciones definidas por HeadSet Profile, tales como control de volumen del MIC (micrófono) de la puerta de enlace de audio, control de volumen del SPK (altavoz), establecimiento y liberación de enlaces SCO y transferencia de audio.


Capa de aplicación de puerto de audio: son algunas funciones específicas de la aplicación. Las características de la aplicación que debe implementar la capa de aplicación de auriculares son:


(1) El enlace de audio se puede establecer al recibir una llamada del AG y el enlace de audio se puede desconectar después de la llamada. (2) Se puede iniciar una llamada a una parte remota y el enlace de audio también se puede desconectar después de la llamada. (3) Transferencia de enlace de audio. (4) Control de volumen del AG remoto.

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Siete, el establecimiento de la cadena Bluetooth HeadSet

Cuando la puerta de enlace de audio Bluetooth AG recibe una llamada e inicia un enlace con el HS, para que la comunicación de voz de la capa de aplicación sea confiable, la pila de protocolos Bluetooth necesita establecer un enlace de comunicación confiable. Según el funcionamiento de la pila de protocolos Bluetooth, la construcción de la cadena de abajo hacia arriba generalmente pasa por los siguientes procesos:


(1) Establecer una ACL o enlace en la capa de banda base; (2) Establecer un enlace en la capa L2CAP; (3) Llevar a cabo el proceso de consulta SDP; (4) Establecer un enlace en la capa RFCOMM; (5) Una vez establecido el enlace RFCOMM, conecte Transmitir algunos comandos AT de la capa de control HeadSet a través del canal RFCOMM; (6) Establecer un enlace SCO; (7) Realizar comunicación de audio entre Bluetooth HS y AG de acuerdo con la acción de la capa de aplicación. La discusión detallada del proceso de construcción de una pila de protocolos Bluetooth es la siguiente.


7.1 Establecimiento de ACL, el enlace a la capa de banda base


Cuando el AG recibe una llamada, primero establece un enlace ACL con el HS. El HS y el AG necesitan estar pre-enlazados o reactivar al HS que originalmente estaba en estado inactivo. Esto se hace a través del proceso de búsqueda. Cuando se usa el proceso de búsqueda para establecer la ACL, el AG se define como el rol de Maestro, por lo que el AG primero inicia una consulta y obtiene la dirección Bluetooth del HS consultando al AG. Luego, el AG inicia un proceso de búsqueda para el HS consultado bajo el control de la capa de aplicación Cuando recibe la respuesta devuelta por el HS, el enlace ACL entre el AG y el HS se ha establecido con éxito.


Una vez que se establece el enlace ACL, se puede utilizar para transmitir señales de llamada. El envío de la señal de llamada se completa con el comando AT RING. La señal de llamada también se puede enviar a través del enlace SCO.


7.2 Establecer un enlace a la capa L2CAP


Una vez que la ACL esté conectada, cree el enlace L2CAP. AG envía primero una señalización de solicitud de enlace en el canal de señalización, solicitando el establecimiento de L2CAP con la etiqueta de canal 0x0040 (0x0001 ~ 0x003F está reservado para el protocolo y no se puede asignar dinámicamente, 0x0040 ~ 0xFFFF se puede asignar libremente), el PSM (Protocolo de multiplexación de servicios) de este canal Use) signo 0001, cuando la otra parte devuelve una señal de respuesta de enlace, indica que se ha establecido el canal 0x0040. Luego configure este canal Después de configurar el canal, puede usar este canal L2CAP con un CID de 0x0040 para la consulta SDP.


7.3 Proceso de consulta SDP


Utilice el canal L2CAP con CID de 0x0040 para realizar el proceso de consulta SDP. Primero, el AG envía un paquete de consulta SDP en este canal L2CAP y el paquete de consulta SDP preguntará si el servidor SDP HS tiene el servicio requerido. Si la consulta tiene éxito, cree otro enlace L2CAP etiquetado como 0x0041 en el enlace ACL El PSM de este canal es 0003, que se utiliza para transmitir flujos de datos RFCOMM. Al mismo tiempo, desconecte el enlace L2CAP etiquetado como 0x0040 utilizado para la consulta SDP.


7.4 Establecer un enlace en la capa RFCOMM


Una vez establecido el canal L2CAP con CID de 0x0041, sigue el proceso de establecimiento del enlace RFCOMM, como se muestra en la Figura 3. Primero, se establece el canal de control. El iniciador del establecimiento de enlace AG envía una trama SABM en el canal, que requiere el establecimiento del Canal 0 en la capa RFCOMM. Si el respondedor HS desea establecer un enlace, devuelve una trama UA, indicando que el canal RFCOMM del Canal 0 ha sido establecido. . Este canal es un canal de control, utilizado para transmitir tramas UIH que transportan mensajes y comandos de control. Si el HS que responde no desea establecer un enlace, devuelve una trama DM.


En segundo lugar, se establece el canal de datos. Primero, se negocian los parámetros del canal de transmisión de datos. Los parámetros PN del comando de negociación incluyen la prioridad del canal a establecer Canal1, la longitud máxima de trama, etc.Después de que las dos partes negocian, se establece el canal de transmisión de datos Canal1.

图3 RFCOMM的建链过程

Una vez construido el canal de datos de la capa RFCOMM, se transmiten los comandos de control de la capa de control HeadSet. Es decir, use tramas UIH para transmitir comandos como AT + CKPD = 200 en el canal de transmisión de datos Canal 1. Después de recibir la respuesta OK de la otra parte, puede comenzar a establecer el enlace SCO.


7.5 Establecer enlace SCO


Durante la inicialización, HCI envía un comando WRITE_VOICE_SETTING para establecer el estado del audio. Cuando recibe una solicitud de AG para establecer un enlace SCO, si HS lo permite, envía un comando HCI recibido. Una vez completado el comando, el enlace SCO que transmite la señal de audio se Una vez construido, puede iniciar la comunicación de voz en este momento.


8. Diseño de máquina de estado de la capa de aplicación Bluetooth

Una vez establecido el enlace de comunicación de la pila de protocolos, se puede llevar a cabo la comunicación de la capa de aplicación. La capa de aplicación tiene una máquina de estado principal en ejecución, como se muestra en la Figura 4. De acuerdo con las acciones del usuario y los comandos enviados por el AG, el proceso de aplicación del HS se ejecutará entre estados. Puede haber un enlace ACL entre HS y AG en el estado inactivo, pero no se establece ningún canal RFCOMM y no hay enlace SCO para señales de audio. Cuando el AG responde a eventos internos o solicitudes de usuario, inicia una solicitud de establecimiento de enlace. Cuando HS recibe la solicitud para establecer un enlace, HS y AG comienzan a construir enlaces ACL, L2CAP y RFCOMM. Una vez establecido el canal RFCOMM, el AG envía uno o más Un comando de instrucción de timbre AT + RING informa a los usuarios de HS que ha llegado el enlace de audio para las llamadas entrantes. En este momento, el estado cambiará al estado de llamada entrante.

图4 应用层主状态机运行

Estado de timbre de llamada entrante En este momento, la puerta de enlace de audio AG ha establecido el canal ACL y RFCOMM con HS, y HS ha recibido la señal de llamada, que indica que la puerta de enlace de audio requiere el establecimiento del enlace SCO. Si el usuario no responde al timbre, la puerta de enlace de audio El canal RFCOMM terminará y el estado volverá al estado inactivo. Si el usuario presiona el botón Bluetooth en el HS, significa que el usuario acepta la solicitud del enlace de audio de la llamada entrante. En este momento, el HS enviará el comando de control AT AT + CKPD al AG. El enlace SCO se establecerá entre los dos y el estado se transferirá al estado del enlace.


Estado de la llamada Cuando el usuario del HS presiona el botón Bluetooth en el HS, el usuario envía una solicitud para llamar a la puerta de enlace de audio. En este momento, el HS primero establecerá un enlace ACL y luego hará una consulta SDP a la puerta de enlace de audio. Si la consulta SDP tiene éxito, el HS abre el canal RFCOMM vinculado al AG y envía el comando AT + CKPD para solicitar el establecimiento del enlace de audio SCO. Cuando se establece el enlace SCO, el estado cambiará al estado conectado. Si el enlace SCO no se establece, el estado cambiará al estado inactivo.


Estado del enlace En el estado del enlace, se han establecido ACL, L2CAP, RFCOMM, se ha ejecutado la consulta SDP y la llamada de audio está lista. Si el usuario habla con el HS, la voz se transmitirá al AG a través del enlace SCO y la voz se transmitirá al otro extremo a través del AG.


Estado de desconexión del enlace La desconexión del enlace se puede completar con el botón Bluetooth en el HS, o se puede activar por eventos internos del AG o la intervención del usuario. Independientemente de la causa, es esencialmente el resultado de la liberación del enlace AG. Si HS envía una solicitud para desconectar el enlace y envía un comando AT + CKPD a la puerta de enlace de audio para solicitar que se desconecte, entonces la puerta de enlace de audio desconecta el enlace SCO y el canal RFCOMM. Cuando RFCOMM está desconectado, el estado pasará al estado inactivo. El enlace ACL puede estar desconectado o enlazado.


Nueve, la realización de Bluetooth HeadSet

Tomemos como ejemplo la solución Bluetooth de Motorola, que tiene mucha experiencia en tecnología avanzada de radiofrecuencia. La solución Bluetooth de Motorola puede usar UART, RS232, USB o SPI para conectarse al procesador principal, y el procesador principal puede manejar funciones como la pila en el protocolo Bluetooth y la interfaz del controlador principal a través de estas interfaces; y esta solución Bluetooth es responsable de ejecutar lo siguiente Las funciones restantes de la pila (interfaz del controlador principal, protocolo del programa de gestión de enlaces, banda base y radiofrecuencia). Y adopta el núcleo del procesador MCORETM de 32 bits Reduced Instruction Set Computing (SISC) de Motorola, que contiene un conjunto altamente flexible de dispositivos periféricos, adecuado para una variedad de diferentes aplicaciones Bluetooth integradas.


para resumir


En los últimos años, el rápido desarrollo de las comunicaciones móviles, los ordenadores portátiles e Internet ha aumentado la demanda de diversas transmisiones de datos e información distintas de las comunicaciones telefónicas. La tecnología "Bluetooth" conecta varias computadoras portátiles y teléfonos móviles con circuitos inalámbricos, de modo que las computadoras y las comunicaciones estén más estrechamente integradas, de modo que las personas puedan intercambiar y transmitir datos en cualquier momento y lugar.