智能家居”无线解决方案 毕业设计

1、摘摘 要要 目前，家庭自动化、智能家居的研究方兴未艾。如何选取合适技术，进行合理的方案 设计，进而组建一种符合我国国情的、具有自主产权的智能家居系统己成为当前智能家居 领域中极富挑战的课题，作为一种在2.4ghz频段上新发展起来的电缆置换、无线通信技术， 由于其所获支持的广泛性、全球统一的标准性、数据和语音传输方面的优越性、自动组网 能力强、低功耗、低成本和高安全性等诸多优点，目前得到人们的广泛认同。智能家居中 的无线联网己经成为蓝牙技术的一个重要应用领域。 设计一个系统，首先要解决系统核心技术问题，本文首先研究了智能家居的关键性技 术，以此为理论基础，对智能家居系统的组建方案进行了深入研究，

2、最后详细阐述了智能 家居无线网络系统的实现。 论文首先分析了智能家居的起源和研究现状，在对当前较为流行的多种可用于组建智 能家居的相关技术进行分析、论证、比较的基础上，选择蓝牙技术作为本文的核心研究技 术。接着对蓝牙技术进行深入的分析研究。论文最后设计了一个基于蓝牙技术的智能家居 无线方案，并给出主要设备的配置与选型。 关键词关键词: : 智能家居，无线网络，蓝牙 abstract nowadays，the study on home automation and smart home is more and more favored .that how to choose the right

3、 technology and method to design a system and suit the situation of our country has become an important task for the real of smart home .bluetooth technology, a new wireless technology in ism band, can replace the cable and freely transmit data and voice in short distance .because of widely supporti

4、ng ,open standard ,and low power and high security ,now the bluetooth has been accepted by more and more people .the application to smart home is one of the most important applications of bluetooth, and it drives bluetooths development. design of a system, we must first solve the problem of system c

5、ore technology, the paper initially on the intelligent home of the key technology, with this as the theoretical foundation of the smart home system set up programs conducted in-depth research, finally a detailed explanation of the smart home wireless network system is achieved. in this paper ,the fi

6、rst part is the analyzing of smart home, including their history, future .and all kinds of technology to constructer home network ,on this basis, we select the bluetooth as the core technology and then for in-depth analysis and study. final papers on the design of a bluetooth wireless smart home pro

7、gram , and gives major equipment configuration and selection. key words ：smart home ,wireless network, bluetooth 目目 录录 1 绪 论.1 1.1 概述.1 1.2 智能家居技术研究现状.2 1.3 选题背景与意义.3 1.4 智能家居系统的功能与关键技术.3 1.5 智能家居系统的构成.3 2 家庭网络技术选择.5 2.1 家庭网络与信息家电.5 2.1.1 家庭网络的定义和结构.5 2.1.2 信息家电的概念和特点.6 2.2 家庭内部联网技术.6 2.2.1 有线联网技术.7

8、 2.2.2 无线联网技术.8 2.2.3 无线联网技术比较.10 2.3 家庭联网技术的选择.11 3 蓝牙技术研究.13 3.1 蓝牙无线通信技术.13 3.1.1 蓝牙射频通信.13 3.1.2 蓝牙无线网络拓扑结构.15 3.1.3 蓝牙信道分配及多址方式.16 3.1.4 蓝牙无线连接的建立.17 3.2 蓝牙应用模式.19 3.2.1 替代电缆.19 3.2.2 无线联网.19 3.2.3 无线上网.20 3.3 蓝牙目前存在的问题.20 3.3.1 互操作问题.20 3.3.2 软件问题.21 3.3.3 数据传输速率问题.21 4 方案设计与设备选型.22 4.1 工程环境.2

9、2 4.2 系统功能要求.23 4.3 设备的选型.26 4.3.1 智能家居设备的选型原则.26 4.3.2 主要设备.26 4.3.3 设备清单.36 结论.37 参考文献.38 致谢.39 1 绪绪 论论 1.1 概述概述 伴随着数字化、网络化的进程，智能化的浪潮席卷了世界的每个角落，成为势不可挡 的历史趋势，在这种形式下智能家居技术就应运而生的。智能家居，或称智能住宅，源于 英文smart home，它依靠3c技术(computer technology，communications technology和 control technology)，并结合信息家电的发展， 为用户提供了一

10、种更加安全、舒适、方便、 快捷的智能化和信息化生活空间。其内涵就是:在具有个性化的住宅家庭中，将多个网络 信息、多样化的自动控制及节能环保等功能，整合到一体化的家庭智能信息管理与自动化 控制平台上1。 智能家居系统就是将家庭内部与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置，通 过家庭内部联网技术连接到一个家庭智能化系统上，进行集中的监视、控制或家庭事务性 管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。上述所有功能都是通过家庭中央控 制器控制实现的。家庭中央控制器具有家庭总线系统，通过家庭总线系统提供的各种服务 功能，智能家居系统能和住宅以外的外部世界相连接。所以说，家庭中央控制器是智能家 居

11、系统的核心。 智能家居中的信息传输技术，按传输介质的不同可分为有线技术和无线技术两大类， 其中无线技术是目前最热门的研究力向。在现代家庭中，弱电线缆越来越多，如电话线、 有线电视、宽带网络线、防盗报警信号线等，它们给家居空间带来线缆繁多、环境凌乱的 麻烦。因此，家庭弱电线缆需要进行统一、规范的管理。然而传统的家庭布线方式因为设 计成本高，施工不规范，维护和使用不方便等因素，己不能适应当前家居环境和家庭装修 的需要，更无法满足未来智能家居生活的更高要求。 蓝牙技术的出现，正好解决了这个问题，使智能家居设备的无线组网与控制成为可能。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范2，它以低成本近

12、距离的无线连接 为基础，可以为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。例如，把蓝牙技术引入到移 动电话和笔记本电脑中，就可以去掉移动电话与笔记木电脑之间令人烦恼的连接电缆而通 过无线方式使其建立通信。打印机、pda、台式电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所 有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分3。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在 的数字网络和外设提供通用接口，可以以组建一个小区域无线网络。 1.2 智能家居技术研究现状智能家居技术研究现状 自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和 东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居方案。在智能家居发展过

13、程中，美 国一直处于领先水平。近来， 以微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业， 先后挤身于智能家居的研究与开发中，例如:微软开发的“梦幻之家”、ibm公司开发的 “家庭主任”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”等。3com公司也一直在通过因特网向 用户宣传智能家居这一概念，并正在研发家用无线网关等网络产品。此外intel公司、托马 杜多媒体公司、日本松下电器公司、新加坡科技电子公司、韩国三星公司等知名企业也正 致力于智能家居系统的研发工作。 目前，无沦从技术还是标准的制定来看，发展基于网络的智能家居系统的时机己经成 熟。westlb panmure的一份市场调查研究报告指出:智能家居市场

14、具有巨大的潜力5，而 各类网关市场在中期范围将表现出十分突出的增长速度。根据idc的统计，截至2004年， 在美国家庭网络设备和与家居有关的网关市场规模已达57亿美元，美国的家庭网关已达 450万个3。 在国外各大企业研发智能家居产品的同时，国内厂商也已开始智能家居产品的研发和 生产，特别是一些大型it企业利用自身在资金与技术方面的优势，在低端产品市场上占据 了相当重要的地位。比如:清华同方e-home事业部、北京德达创先科技集团、南京普天楼 宇智能有限公司、中美科龙公司、上海五艾智能系统有限公司、深圳正星特科技有限公司 等都正加紧研发智能家居系统的相关产品。 从设计思想和技术角度分析，当前国

15、内的智能家居系统有两个研究方向:一是基于非 pc平台的智能家居系统； 二是基于pc平台的智能家居系统4。总体来说， 国内能家居 产品的研发从上世纪九十年代后期才起步，起步较晚，在整体水平上参差不齐，软件功能 较差，升级能力差，系统也不易维护；大都采用了有线通信技术，系统设计、布线成本较 高，基于无线通信技术的智能家居系统目前还出于试验阶段；很多厂商对产品的核心技术 不拥有自主知识产权。 1.3 选题背景与意义选题背景与意义 随着通信和网络技术的飞速发展，可以预见，不远的将来智能家居市场必将迎来它的 繁荣发展阶段。但是当前的智能家居产品大都基于有线通信技术，系统成本高，设计周期 长，维护不方便，

16、较难适应当前的发展形式， 同时智能家居技术在我国还是刚刚起步， 许多技术标准都还不统一，还有很多工作需要做。因此加强这方面的研究，如何选取合适 的技术，进行合理的方案设计，进而组建一种符合我国国情的、具有自主知识产权的智能 家居系统己成为当前智能家居领域中极富挑战的课题。本设计课题就是在这种背景下，经 导师细心指导后选定的。 1.4 智能家居系统的功能与关键技术智能家居系统的功能与关键技术 智能家居系统的主要功能有:将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭 安保装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，进行集中的或异地的监视、 控制或家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境

17、的和谐与协调。例如:信息家电 远程控制、家庭安防报警、家庭无线网络接入5等。 1.5 智能家居系统的构成智能家居系统的构成 如图 1.1所示，智能家居可以划分为以下子系统： 照明控制系统：提供灯光的调光、场景控制； 家居安防系统：通过各种传感器与安防模式，实现防盗、防灾与求助； 电器控制系统：包括红外家电控制、连接网络家电等功能； 环境控制系统：对窗帘、通风设备、采暖设备、空调器等进行统一管理； 互联网远程监控：经由网页浏览器，就可以远程控制家庭设备； 电话远程控制：通过电话、手机，甚至短信，随时随地控制家中设备； 网络视频监控：通过浏览器，在办公室就可以看到家中的情景； 智能化协同工作：设备

18、之间可以设计联动操作，实现协同工作效果； 室内无线遥控：通过无线射频、红外遥控等手段，对全家设备进行遥控。 图 1.1 智能家居的各个功能子系统 更进一步，智能家居还可理解成包含以下子系统的整合体： 家庭信息网络：包括局域网（以太网） 、无线局域网（802.11） ，可实现资源共享（包 括文件、应用程序、打印机等） ，分布式宽带互联网接入等功能，满足在家办公、网 络购物、娱乐的需求。 家庭多媒体网络：通过综合布线，把音视频分布到家中多个房间。例如，一台 dvd 播放机播出的高质量节目可在客厅和卧室的电视机上观看，还能支持视频点播、网络 游戏等等丰富应用； 与智能小区关联：家庭三表（煤气表、水表

19、、电表）的自动抄表、小区信息通告、小 区安防联网、可视对讲、智能卡门禁系统、远程教育、远程医疗、vod 点播等； 家庭内部联网技术是智能家居中的关键技术。家庭内部联网技术主要解决各种信息家 电之间的信息传输，它能把家庭外部连接传入的信息传输到相应的家电上去，同时可以把 家庭内部信息传输到外部连接上。当前家庭内部联网技术可以分为有线联网和无线联网两 大类。其中无线技术特别是蓝牙技术是当前研究的一个热点3。 2 家庭网络技术家庭网络技术选择选择 2.1 家庭网络与信息家电家庭网络与信息家电 2.1.1 家庭网络的定义和结构 为了满足家庭内部各种信息电子设备对网络资源的需求，需要为它们提供网络接口，

20、 但如果为每一台设备提供一个网络接口，显然不是好的解决办法。这不但增加了成本，带 来安装的麻烦，而且是对网络资源的浪费，因此需要将这些信息电子设备连成网络，让它 们共享一个网络接口，共用计算机平台，并且互相协同工作，形成家庭范围的小型网络。 归纳起来，家庭网络就是在小范围内(家庭、办公室)对信息设备和家电进行连接，利用数 字通信技术、嵌入式技术等，使这些设备之间可以共享资源，协同工作，可以随时随地为 家庭成员提供语音、家居自动化、音频视频服务以及数据传输等与家居生活紧密相关的服 务6。 从组成结构上划分，家庭网络可包括如下四个部分。 (1)宽带接入 它为家庭内部网络提供与外部网路的高速双向互连

21、，可以提供实时、可靠的数据传输 服务。目前可以选用的宽带接入技术有xdsl,hfc,ftth,isdn等。 (2)中央控制器(或家庭网关) 它是家庭网络的核心设备，不仅为家庭内部网络环境和外部网络环境提供了连接，还 提供了路由选择、内外部子网之间的协议转换等服务。 (3)信息家电网络 它是指家庭内部网络环境，将家庭内部的信息家电互连组网。对于消费用户而言该网 络应该是不可见、无需配置的。 (4)信息家电 信息家电是融合了计算机技术、数字通信技术的消费电子产品，是3c技术(computer technology, communication technology 和control technol

22、ogy)合一的产物，以利用信息家 电网络主动或被动交互信息来完成产品功能为主要特征，相互之间可以协同完成特定任务， 并且通过家庭中央控制器(或家庭网关)可以接入外部网络。家庭网络的结构如图2.1所示。 图 2.1 家庭网络总体结构 2.1.2 信息家电的概念和特点 信息家电(information appliance ,ia)是近年来提出的一个新概念7。它的含义是将计算 机技术和现代通信技术融入到传统的家用电器之中，使之智能化并具有网络信息终端的功 能，可以主动地发布、获取和处理相关信息，从而使传统家庭实现信息化、网络化，并与 现代信息社会“信息高速公路”通信网络紧密相连。随着技术的不断发展，

23、信息家电的概 念还在不断的扩大之中。目前来看，信息家电主要基于以下四类设备。 (1)高智能化信息家电，如家庭电脑，pda等； (2)视频音频设备，如电视、数码相机、数码摄像机、电话等； (3)家用电器设备，如空调、电冰箱、微波炉等； (4)移动通信设备，如手机、无绳电话等。 信息家电不同于传统的家用电器，而是有其独有的特点，这些特点可以归纳为“三化” ， 即网路化、智能化和自动化。 2.2 家庭内部联网技术家庭内部联网技术 家庭内部联网技术主要解决各种信息家电之间的信息传输， 它能把外部连接传入的 信息传输到相应的家电上去，同时可以把内部信息传输到外部连接上3。 国际上对家庭内部联网技术的研究

24、起源于20世纪70年代，主要集中在发达国家，如美 国、日本及欧洲的德国、英国和法国。我国对家庭内部联网技术的研究刚起步不久。然而 这些研究都是各自独立的进行，并且具有不同的目标和市场战略机制，目前家庭联网技术 还没形成统一的标准。因此，合理选择联网技术就显得非常关键6。当前家庭内部联网技 术可以分为有线和无线两大类。有线方案主要包括电话线连接、电力线连接、以太网等； 无线方案主要包括红外技术、ieee802.11b, homerf,蓝牙(bluetooth)等。 2.2.1 有线联网技术 (1) 电力线 采用电力线作为传输介质，一般使用窄带通讯方式和扩频通讯方式，在家庭网络中更 适合采用扩频通

25、讯方式。使用电力线的最大优点在于不用改动家庭布线，利用现有的插座 就可以实现家用电器的方便联网。但对于家庭中所使用的手持移动设备来说就无法采用电 力线连入家庭网络，它的缺点还在于传输速率仅有300kbps，不能满足数字视频和音频信 号的传输，保密性较差，而且没有统一的标准。目前国际上采用电力线作为联网介质推出 的解决方案有x-10, cebus等。推出的解决方案有x-10, cebus等。 (2) 电话线 近年来计算机厂商与消费电子厂商成立了一个名为homepna(家庭电话线网络联盟) 的组织来推广利用电话线联立家庭网络。它是通过在电话线上加载高频载波信号来实现信 息的传递，可同时满足xdsl

26、、电话业务、家庭内部数据传输，且互不干扰。通过系统的调 整和改善可以达到1mbit/s的传输速率。该方案采用802.3标准，支持qos机制， homepna在mac层制订了八种优先级，改进了冲突解决技术，可将语音等实时性数据的 延迟控制在10-20ms。利用家里墙壁上预留的电话插座，可以避免重新布线的烦恼，但是 家庭中不可能随处都安装有电话插座，当买来新家电时还是会面临重新布线的烦恼。 (3) 以太网 以太网(ethernet)是需要重新布线的组网技术。它必须采用专门铺设的线缆布网，数 据传输率相当高，可达到10mbit/s或100mbit/s，能够传输电话、数据、视频和家电控制信 息， 主要

27、用于基于个人电脑的有线局域网和高速因特网。它的优势在于技术己经十分成 熟，以太网的组网设备在市场上可以很容易买到。以太网本身的实现成木并不高，但专门 布线需要花费大量的费用。家庭中的用户可能更愿意使用家居己布好的电缆和电话线，而 不愿意另外重新安装，因此就目前来说,以太网可能是家庭网络发展初期的首选方案，但 不是家庭网络的最终选择方案。 (4) usb usb的出现是为了解决日益增加的pc外设与有限的主板插槽和端口间的矛盾。usb 有高速和低速两种运行方式，速率分别为12mbps和1.5mbps。并且所有的usb设备都支持 热拔插。usb共有四种传输模式:控制传输(control)、同步传输(

28、synchronization)、中断传 输(interrupt)、批量传输(bulk)。目前usb己经成为pc外设连接的一种标准接口，pc上一般 都安装了usb接口，usb外设也越来越多。但由于usb技术本身的制约，一个usb拓扑结 构中只能有一个主设备，两个主usb设备之间无法直接通信，因此在家庭网络中usb主要 适合与pc相关的局部应用，比如低速或中速外设与pc的连接。 (5) ieee1394 ieee1394是目前获得众多家电企业、计算机企业支持的家庭娱乐电器联网方案。它是 由苹果电脑公司提出的fire wire标准衍变而来，也称ilink或“火线”。ieee1394是一项具 有视频

29、数据传输速度的串行接口标准，它的定位目标是消费电子和高速计算机外设。 ieee1394也支持外设的热插拔，同时可为外设提供电源。目前它的传输速率可达 40ombps。由于ieee1394的数据传输速率在现有的有线互连标准中是最高的，所以特别适 用于家庭中视频设备和音频设备的互连。但它的缺点是成本比较高。 2.2.2 无线联网技术 家庭环境不可能像企业环境那样布置大量的电缆连线，因此可以说无线技术是一种非 常理想的家庭内部联网技术。采用无线通信技术可以免去在家庭内部布线的烦恼，无法重 新布线的旧住宅用户可以同新住宅用户一样享受到家庭联网的便利，同时对家庭用户来说， 新增的家电设备也可以很方便的加

30、入家庭网络之中，从而解决了移动设备的联网问题。目 前，关于家庭无线联网的技术已有一些产品和标准。 (1) 红外技术 红外技术是由irda (infrared data association，红外线数据标准协会)提出并推行的。 这种通信方式采用850nm的红外线来传输数据。采用该技术的设备，无需专门申请特定频 率的使用执照，并且体积小、功耗低。红外技术的传输速率可达16mb/s，特别适合于传输 容量较大的数据文件和多媒体信息流8。红外技术只能实现点对点的连接，这虽然会使数 据传输受到干扰较少，但却无法灵活地构成网络。另外红外技术必须在视线可达的范围内 定向传输，中间不能有任何阻挡，并容易受到光

31、线干扰，同时要求通信设备的位置现对固 定，无法用于移动设备。 (2) ieee802.1l b ieee802.11是企业无线局域网的技术标准，由ieee主持制订。ieee802.11包括了 ieee802.11a和ieee802.11b两个标准。ieee802.11b也被称为wi-fi，全名为wireless fidelity。 ieee802.1lb运行在2. 4ghz的ism频段， 其物理层支持5. 5mb/s和11mb/s两个速 率，并支持数据和图像业务。它支持异步传输，不支持同步传输，因此对语音通信这类业 务，ieee802.11b无法很好地支持。同时它的设备较昂贵，点对点连接不经济

32、，不太适合 小型设备。 (3) homerf homerf(家庭无线电射频)是专门为家庭无线局域网而设计的开发性工业标准。 homerf产品使用的是共享无线局域网技术(swap) 9。它采用每秒50跳的跳频扩谱方式、 时分多址(tdma)和载波监听多重访问/冲突避免(csma/ca)等技术，通过家庭中的一台 主机在移动数据和语音设备之间实现通信。采用2fsk调制方式时，homerf的传输速率为 1mbit/s,采用4fsk调制方式时传输速率为2mbit/s。同时，homerf提供了与tcp/ip良好的 集成，支持广播、多播和48位ip地址。但是homerf最大的缺点是开放性不好，它的技术 规范

33、没有对外公布，而且其技术本身还存在抗干扰性差等缺点，这些都对homerf未来的 发展造成了不利影响。 (4) bluetooth 蓝牙(bluetooth)技术是一项开放性的全球统一的短距离无线通信协议标准，其目的是 取代现有的各种电子设备(如pc、打印机、传真机、移动电话和个人数字助理pda 等)上 的有线接口。在技术上，蓝牙采用调频扩谱(fhss)和时分多址(tdma)等先进技术来建立 各种信息系统间的信息传输。它的传输速率为1mbit/s。蓝牙采用了1600次/s的快速跳频， 因而具有很强的抗干扰性。另外，蓝牙的功耗小、成本低、体积小(27mm13mm2mm) ， 可用于多种设备和场合。

34、 fcc（federal communications commission 联邦通讯委员会）规定，在ism频段中不 采用扩频技术的无线通信设备的最大发射功率不能超过0dbm(即1mw),要获得更高的发射 功率，必须采用扩频技术。采用扩频技术后，发射功率可增加到20dbm(即100mw),使传 输距离可达到100m。按照蓝牙规范中最大发射功率的不同，可把蓝牙设备分为3个功率等 级，见表 2.1。其中，传输功率最小的第二类等级是蓝牙设备制造商最常采用的方案。对 于一类设备必须强制地要求其具有功率控制能力，而对于二、三类设备的功率控制则是可 以选择的，不做强制要求。 表表 2.12.1蓝牙的输出功

35、率等级蓝牙的输出功率等级 功率等级最大输出功率最小输出功率最大传输距离功率控制要求 1100mw(20dbm)1mw (0dbm)100m+420dbm(强制) -304dbm(可选) 22.5mw(4dbm)0.25mw (-6dbm)_-304dbm(可选) 31mw(0dbm)_10m-304dbm(可选) 实际的功率控制是通过接收机随时监测它自身的接收信号强度指示器 （rssi，received signal strength indication）实现的。接收机如果发现rssi的值高于标准 值，它就发送一个链路管理协议（lmp）命令给发射机，要求发射机将发射功率降低到允 许值。如果发

36、现rssi值太低，接收机会要求增加发射功率。蓝牙规范要求发射功率的控制 精度在28db之间，形成一个单调系列，rssi在-60db量的指示准确度为+4db，最小操作 范围为20+6db,起点为-60db。本系统中采用的蓝牙设备是二类功率等级的，既能达到传 输功率的要求，并且也不会造成电磁波污染，对居住环境没有影响。 2.2.3 无线联网技术比较 表 2.2给出了蓝牙(bluetooth)和红外技术、ieee802.11b, homerf在技术规格、成本 和实现功能等方面的比较数据。 表表 2.22.2 无线通信技术比较无线通信技术比较 性能红外通信homerfieee802.11bblueto

37、oth 工作频率（ghz）3.531052.42.42.4 数据速率峰值（mbps）160.8 - 1.6110.72 调制方式pwmfhss(50跳/s)ofdmfhss(1600跳/s) 传输距离（m）1-35010-100 连接拓扑对等对等或主从中心对基站对等或主从 实时性无有无有 方向性有无无无 系统成本低中高低 传输类型数据数据、语音数据数据、语音 应用领域pc外设pc外设、移动终端ip数据传输pc外设、移动便携式终端 通过蓝牙和红外技术的比较，可见蓝牙相对于红外无线通信技术在很多方面都占有优 势。红外技术的各种技术因素限制了它的进一步发展，相比之下，蓝牙技术以其独特的优 势更适合家

38、庭环境的应用。 ieee802.11b, homerf和蓝牙技术都是利用微波的无线通信技术。通过表 2.2中的比 较可以看出这三种通信技术的应用领域各有优势和不足。 不同的无线通信技术之间的区别主要在于通信距离和数据传输速率。ieee802.11b和 homerf技术日前普遍被认为是无线局域网(wlan)的代表，它的无线连接距离在50-100m 左右，传输速率也远比现在的广域网(wan)高。蓝牙技术则被认为是构造个人区域网 (pan)的首选技术，它的无线连接距离为10m左右，加射频功率放大器后可达100m，传输 速率介于wan和wlan之间。 2.3 家庭联网技术的选择家庭联网技术的选择 对于

39、上节提到的各种无线联网技术，从它们各自不同的技术特点考虑，ieee802.1lb 技术对于解决办公室局域网和校园网中用户与终端设备的无线接入更为适用。虽然它的数 据传输速率相对较高，但是它的设备比较昂贵，不适合普通家庭用户使用。homerf技术 虽然是为家庭用户设计的无线局域网技术，但是它主要用于基于电脑的家庭局域网，并且 价格也比较高，这对于没有电脑的用户显然没有太大的优势。比起ieee802.11 b和 homerf， 蓝牙技术更加适合应用在基于家用电器设备的家庭局域网。在家庭局域网中使 用蓝牙技术的优势主要体现在以下几个方面: (1) 蓝牙适用于在短距离(大约10m)范围内替代电缆，如果

40、增大发射功率，它的传输 距离可达100m，而家庭中各个家电之间的相隔距离一般不会超过此距离。 (2) 蓝牙的传输速率虽然不高，但对于家庭网络中各种家电间中等速率的数据传输， 完全可以满足； (3) 相对于其它无线组网技术而言，蓝牙的抗干扰能力更强，它的快速跳频使系统更 加稳定，它的前向纠错能力可以限制噪声的影响，这样家庭中的各种蓝牙家电可 以互不干扰地正常工作； (4) 蓝牙系统具有连接的普遍性、标准的开放性以及很强的扩展性，可以满足家庭网 络中更多的需要； (5) 蓝牙芯片的成本相对较低，而且还有进一步下降的趋势， 因而可以大大降低网络 家电的成本； (6) 中国无线电管理委员会已对蓝牙技术

41、开放了相应的频段，为大面积的推广应用提 供了前提和条件。 3 蓝牙技术研究蓝牙技术研究 蓝牙是一种短距离的无线通信技术标准的代称10，其实质就是要建立通用的无线电空 中接口及其控制软件的公开标准。蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备(如信息 家电、pc、拨号网络、打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等)，通过无线方式将 它们连成一个微微网(piconet)，多个微微网之间也可以互连形成分布式网络(scatternet)， 从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范， 是一种低成本、短距离的无线连接技术。其无线收发器是很小的一块芯片， 大约有 9mmx9

42、mm，可方便地嵌入到便携式设备中，从而增加设备的通信选择性。蓝牙技术实现 了设备的无连接工作， 提供了接入数据网的功能，并且具有外围设备接口，可以组成一 个特定的小网络。 蓝牙技术的特点包括:采用跳频技术，抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，减少 同频干扰，保证传输的可靠性；采用前向纠错(fec)编码技术，减少远距离传输时的随机 噪声影响；使用2.4ghz的ism频段，无需申请许可证；采用fm调制方式，降低设备的复 杂性。该技术的传输速率设计为1mhz，以时分方式进行全双工通信，其基带协议是电路 交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，也可 扩展到5个时隙。蓝

43、牙技术支持一个异步数据通道，或三个并发的同步话音通道，或一个 同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64kbps的同步话音；异步通道 支持最大速率721kbps、反向应答速率为57.6kbps的非对称连接，或者是432.6kbps的对称连 接。 3.1 蓝牙无线通信技术蓝牙无线通信技术 3.1.1 蓝牙射频通信 蓝牙无线通信使用无线射频(radio frequency, rf )技术，通过无线电波实现空中传输， 与无线电广播或电视广播的基本工作方式相类似。 (1) rf技术 rf技术使用接收机和发射机，它们分别调谐在一个给定频段的无线电波上进行发射 或接收。发射机功率和接收机灵敏

44、度决定了它们之间的通信距离。rf技术中使用的无线 电波通常(有一定的限制条件下)可以穿透多种物体(虽然在很多情况下，无线电波也可以 衍射或绕过物体)。由于rf技术具有的这种能够穿过诸如衣服、身体、墙壁、门窗之类物 体的特性，因此在发射机和接收机之间不必存在一条“可视通路”。 rf技术使用调频产生一定频谱宽度的无线电波，对信息进行编码，接收机通过调整 到相应的频率珍听这样的无线电波。由于可以使用的射频空间非常有限，所以大多数国家 都对射频空间的使用进行了规划，这包括划分频段、在发射功率受到一定限制的条件下采 用发放频段使用许可证制度。 (2) 2.4ghz频段的射频通信 蓝牙采用的是2.4ghz

45、 ism(industrial. scientific and medical，即工业、科学、医学)频 带，ism频带是对所有无线电系统都开放的频带，无需申请许可证。正因为频带是开放的， 因此在2.4ghz频带上通信必然会存在许多干扰源。其他一些rf通信技术也使用这个频段， 如homerf、无线局域网的802.11标准，微波炉也工作在这个频率范围内。蓝牙无线通信 的设计目标是在极低的发射功率下实现最大的频带利用率，并使rf干扰和干扰产生的影 响最小。 (3) 蓝牙中的跳频扩谱技术 为了减少同频干扰，保证传输的可靠性， 蓝牙采用了跳频扩谱技术(frequency hopping spread s

46、pectrum, fhss)。蓝牙的无线收发器以2.4ghz为中心频率，以伪随机方式 （如果一个序列，一方面它是可以预先确定的，并且是可以重复地生产和复制的；一方面 它又具有某种随机序列的随机特性即统计特性，我们便称这种序列为伪随机序列） ，在总 计79个频率上进行跳转，每个频率信道的带宽为1mhz,蓝牙采用快速跳频，跳频速率通常 为1600次/s。 跳频技术是扩展频谱通信技术中的一种11，是用一定码序列进行选择的多频率频移键 控，也就是用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。发端信息码序列 与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器，其输出的频率根据码字的改变 而改变，

47、从而形成了频率的跳变。 跳频实际就是频分扩谱， 这项技术将整个频段划分成不同的频点或信道，一个单独 的消息分组在一个选定的信道上传送，然后再选择一个新的信道传送下一个分组，重复这 个过程，这样就可以将消息扩展到整个可用的频段上。每一次的跳变都与其建立的频率跳 变式样相对应。显然这个消息的接收机必须了解跳频式样，才能调谐到正确的信道上连续 地接收每个分组并组装成一条完整的信息。这个过程就是跳频扩频谱。采用这项技术可以 使干扰减到最小，同时还能够提供一定级别的通信保密性，使只有知道跳频式样的接收器 才能接收并组装所有的消息分组。 3.1.2 蓝牙无线网络拓扑结构 蓝牙无线网络支持点对点和点对多点的

48、连接。它的基本单元是微微网(piconet)，也称 作匹克网，就是采用无线方式将若干蓝牙设备连接起来。一组相互独立、以特定的方式连 接在一起的微微网可构成分布式网络(scatternet)，形成灵活多重微微网的拓扑结构，如图 3-1所示。 a)单个从设备构成的网络点对点) b)多个从设各构成的微微网(点对多点) c)多个微微网构成的分布式网络 图 3.1 利用蓝牙技术构成的不同类型的网络 一个微微网最多可同时支持8个设备，其中一个为主设备(master),其余为从设备 (slave)，从设备可以通过主设备和外界通信。蓝牙无线网络中所有设备的地位平等，主 动发起链接的设备是主设备，被动链接的设备

49、是从设备，任何一个设备都能成为主设备， 并且主从设备可以交换。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，而从设备单元一 般是受控同步的设备单元，并接受主设备单元的控制。各微微网通过使用不同的跳频序列 来区分。如果同一区域中有多个微微网共存，一个蓝牙设备可以利用时分复用工作在多个 网络中，它可以在多个网络中作为从设备，甚至可以在一个网络中作为主设备， 同时在 多个网络中作为从设备。 3.1.3 蓝牙信道分配及多址方式 蓝牙射频频段最低频率2.402ghz，最高频率为2.48ghz。蓝牙每个频道带宽为 1mhz，相邻频道中心频率间隔为1mhz。为了减少带外的辐射和干扰，保留的上、下保护 频带分别为

50、2mhz和3.5mhz。 蓝牙采用跳频/时分双工(frequency hopping/time division duplexing，fh/tdd)的信 道分配方式，如图 3.2 所示。蓝牙采用时分双工传输方案，使用一个天线利用不同的时 间间隔发送和接收信号，且在发送和接收信息中通过不断改变传输方向来共用一个信道， 实现全双工传输。蓝牙微微网主设备在与多个从设备进行通信时，它的收发频率是随时间 而跳变的，蓝牙的跳频速率为1600次/s，每个频率持续625us，称为一个时隙(time slot)。 主设备总是在奇数时隙发送数据，从设备总是在偶数时隙发送数据。 图 3.2 fh/tdd的信道分配方

51、式 蓝牙的物理信道是由伪随机序列控制的79个跳频频点构成的，即不同的跳频序列代表 着不同的信道。蓝牙射频系统在2402-2480mhz的频率范围内，共有79个跳频频点，可以 表示为f (i) =2402+k (i)mhz, k=0,l,2,，78, f (i)的跳变规律。图 3.3中标出了三个跳频序 列k(i)，在不同的时刻i,这三个序列对应着不同的跳频频点，也就是说它们对应着不同的 蓝牙跳频信道。 蓝牙采用码分多址(code division multiple access, cdma)的多址方式。一个微微网内 有一个主设备和多个从设备，主设备最多只能同时与7个从设备进行正常的数据通信，这

52、些从设备称为激活从设备。主设备给每一个激活从设备分配一个三位的激活成员地址 (active member address，am-addr)，取值范围(001)b到(111)b, (000)b为广播地址， 蓝牙主设备通过am-addr进行多个从设备寻址。 图 3.3 蓝牙信道跳频图案 3.1.4 蓝牙无线连接的建立 蓝牙设备在没有开始工作之前都处于就绪(standby)状态。在此状态下，未被连接的 设备定期的监听消息。监听分为两种类型:寻呼监听(page scan)和查询监听(inquiry scan)。 在寻呼监听的过程中，主设备用寻呼队列来监听。寻呼队列包含了设备所有可能的32 个跳频频段，

53、主设备每隔1.28秒在一个不同的频段发送从设备的设备接收码(device access code, dac)。从设备在每个11.25ms(监听窗口)内监听它的设备接收码。它的监听在一个 跳频频段上完成，这个跳频频段由从设备中的硬件来决定。如果在某个时刻主设备收到了 从设备的一个响应，就进入寻呼响应子状态，在此状态下主从设备交换数据。 寻呼监听是在设备地址已知的情况下采用的。如果地址未知，就采用查询监听。它与 寻呼监听的过程类似，但在查询监听过程中，唯一的信息交换是主设备获得从设备的地址， 当完成一次成功的查询监听后，主设备将进入寻呼监听过程来建立一个连接。 一个成功的监听过程完成后， 会出现四

54、种可能的连接状态:激活(active)、保持(hold)、 探测(sniff)和休眠(park)。在激活方式下，可以进行数据交换。当一台蓝牙设备活跃在一 个频段上时，它会被分配一个三个比特位的激活成员地址(am -addr)。因为有三个比特， 所以在一个微微网中任一时刻最多可以有7个从设备被激活(全零的地址被保留)。其余的 三个状态都是节能方式。保持方式使设备保持自己的am-addr，并有时间完成监听等其 他任务。探测方式减少了设备监听活动的次数，使设备的功耗降低，但保持自己的am- addr。休眠方式使设备放弃自己的am-addr，而被分配一个8比特位的休眠成员地址 (pm-addr)。如图

55、 3.4表示了蓝牙无线连接的建立过程。 图 3.4 蓝牙无线连接的建立过程 控制一台蓝牙空调设备，在没有开始工作之前空调都处于就绪(standby)状态。在此 状态下，遥控器定期的去监听消息。(如果地址已知就用寻呼监听，未知就先查询监听， 得到地址都再查询监听)。监听得到响应后，就可以控制空调的运行，同时空调的状态信 息也可以反馈给遥控器。 3.2 蓝牙应用模式蓝牙应用模式 蓝牙技术的出现将有力地推动通信、计算机和信息家电的结合， 以及移动通信网、 互联网、家庭或企业的局域网之间的结合。它适时地满足了普通消费者对无线网络和信息 家电的需求，市场潜力不可估量。 根据蓝牙的现实发展状况，当前蓝牙的

56、应用主要包括替代电缆、无线联网和无线上网 三个方面。随着未来蓝牙的不断发展，蓝牙的应用不再仅仅局限于给现有产品追加功能， 还可以扩展到信息家电、汽车、航空、家电、医疗、交通等各行各业。 3.2.1 替代电缆 无论是在办公室， 在实验室， 还是在家庭中，计算机及其外部设备的应用越来越普 及，它们之间的信息传递传统上必然要通过连接电缆，这就给使用者带来很大的不便。利 用蓝牙技术，电脑配件(键盘、鼠标、耳机、传声器、游戏操纵杆等)、电脑输入输出设备 (打印机、扫描仪、外置调制解调器、移动硬盘、zip驱动器等)和电脑多媒体组件(耳机、 传声器、摄像头、扬声器、超低音音箱、数码相机等)均可以采用无线方式

57、接入电脑主机， 使得除了电源线之外再无其他的连线。 另外，蓝牙在数字化家用电器中的应用将是没有穷尽的。微型化、低功耗和低成本的 特性给蓝牙在人们日常生活中的应用开拓了近乎无限的空间。 3.2.2 无线联网 无线网络具有常规有线网络无可比拟的优点，这些优点主要体现在应用场合的可移动 性和组网的低成本方面。 采用蓝牙构成无线网络，就是将个人周边的信息电器(如笔记本电脑、移动电话、 pda、耳机等)通过无线的方式连接起来，形成一种围绕个人领域的网络，一个人区域网 (personal area network, pan)，使得在其范围之内的各种信息化的移动便携设备都能实现 无缝的资源共享。 pan概念

58、的首次提出是在1998年，这是与广域网、局域网相并列但范围更小的网络。 在一个通信距离为10m左右的个人区域网中，无线连接无疑最为简单。目前普遍认为蓝牙 是构造pan的首选技术。蓝牙技术还可以实现无线接入服务，其自动、实时和便捷的程度 更是难以想象。例如，夜里回家时房门会自动打开，廊灯也亮了，房间空调会按照主人事 先的设定自动打开进行调温；到了办公室放下公文包，pda会自动将事先准备好的日程表、 待处理的文件和刚收到的电子邮件传入台式电脑中等等。 3.2.3 无线上网 蓝牙技术使得“随时、随地、随意”上网的梦想成为现实。这种被称为“三随”的因 特网网桥是蓝牙推荐的应用模式之一。利用蓝牙设备进行

59、远距离信息传输，可以通过接入 因特网来实现，但这并不是唯一的方式。蓝牙传送远程信息至少可以利用三种不同的方式:一 是直接接入移动通信网，这时蓝牙设备等同于移动电话；二是就近无线接入因特网(不通 过手机)，通过ip电话的形式进行语音传送；三是接入固定市话网，显然这一种方式最为 经济。后两种方式需要附近布有蓝牙接入点(也称蓝牙网关)。 如今利用手机上网已经不是什么新鲜事了。但是单用手机上网会给使用者带来许多的 不便。目前使用最多的是用手机与笔记本电脑配合来实施上网。具体做法是:用可以无线 上网的手机和internet相连，在手机和笔记本电脑间通过蓝牙无线连接，这样就可以在手机 和笔记本的协同配合下

60、使上网更加得心应手。 蓝牙本身无需基站，但是如果所需连接的设备超过了7个，而且传输的距离超过了蓝 牙规定的l0m或l00m，就有必要建立一个蓝牙基站作为中继环节或者控制中枢。这样的基 站通常叫做蓝牙接入点(ap)。配备蓝牙等无线接入服务的设施通常被称为“热点(hot spot)。通过这种设备，持有蓝牙手机或蓝牙pda的用户可以跳过电信运营商建立的移动 通信网，通过离他们最近的接入点就可以接入因特网或固定市话网，享受上网服务。蓝牙 接入点包括了三种应用方案:单接入点应用方案、局域网应用方案和广域网应用方案。 3.3 蓝牙目前存在的问题蓝牙目前存在的问题 目前蓝牙技术存在的问题主要包括互操作性、软