蓝牙技术在物联网智能家居中的应用

蓝牙技术在物联网智能家居中的应用摘要智能家居作为家庭信息化的实现方式，已成为社会信息化发展的重要组成部分。从个人、公共服务以及政府需求来看，凸显出发展智能家居产业的迫切性。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口，对智能家居产业的发展具有重大意义。本文简要介绍了智能家居的由来、系统构成、控制功能和发展前景，以及蓝牙技术的由来、技术特点、系统组成和应用范围。提出了目前基于蓝牙技术的智能家居系统的缺点和不足。关键词智能家居；物联网；蓝牙技术；BluetoothTechnologyintheApplicationofThingsNetworkingIntelligentHouseholdAbstractIntelligenthouseholdasfamilyinformationrealization,hasbecomethedevelopmentofsocialinformatizationisanimportantpartof.Fromindividual,publicservicesandthegovernmentneedstosee,highlightstheurgencyofthedevelopmentofintelligenthouseholdindustry.Inthecountrytopromoteindustrializationandinformationofthefusionoftwomineralizationbackground,thethingnetworkingwillbeintelligenthouseholdindustryintheprocessofthedevelopmentofamorerealisticbreakthrough,theintelligenthouseholdindustrydevelopmentisofgreatsignificance.Thispaperbrieflyintroducestheoriginofthesmarthome,systemstructure,controlfunctionanddevelopmentprospects,andtheoriginofthebluetoothtechnology,technicalcharacteristics,systemcompositionandapplicationrange.Atpresentareputforwardbasedonthebluetoothtechnologyofintelligenthomesystemsshortcomingsandtheinsufficiency.KeywordsIntelligenthousehold；TheInternetofthings；Bluetoothtechnology；引言自上世纪90年代后期以来,各种短距离的无线通信技术标准纷纷涌现,其中蓝牙技术作为一种很有竞争力的小范围无线通信协议，以其全球统一的标准性、数据和语音传输方面的优越性、低功耗、低成本和高安全性等特点，目前得到越来越广泛的应用。随着网络技术和自动化技术的普及，零散的、功能单一的家电设备会被逐步淘汰，智能家庭网络、智能家居必将成为我国今后发展的主流。由于目前蓝牙技术在我们的日常生活中最为常见，在今后的智能家庭中采用蓝牙无疑给客户带来巨大方便。可以说蓝牙是智能家庭网络的理想选择。因此,对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究具有极大的理论和实际应用价值。智能家居中的无线联网与通信已成为蓝牙技术的一个重要应用领域。1.蓝牙技术综述1.1蓝牙技术的定义“蓝牙”[6]是一种开放型的技术规范，它可以在世界上任何地方实现短距离的无线语音和数据通信。所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。1.2蓝牙技术的特点蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2．4GHz的ISM(I业、科学、医学)频段，这样用户不必经过申请便可以在2400～2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。调制方式为BT=0．5的GFSK，调制指数为0．28～0．35。蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，100mW(20dBm)，2．5mW(4dBm)，lmw(0dBm)，在4~20dBm范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10～100m。另外，由于蓝牙的数据传输率为1Mb/S，采用数据包的形式按时隙传送每时隙0．625s。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，蓝牙技术支持一个异步数据通道或一个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据和同步语音通道。每一个语音通道支持64KB／S的同步语音，异步通道支持最大速率为721KB／S，反向应答速度为57．6KB／s的非对称连接，或者一是速率为432．6KB／S的对称连接。所以蓝牙技术采用的是TMDA结构。1.3蓝牙中的关键技术

1.3.1跳频技术蓝牙工作的频段是全球通用的2.4GHzISM频段。该频段对所有无线电系统都开放，因此，蓝牙在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源，例如手机、无绳电话、微波炉等。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用水平，为此，采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。所谓跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道（HopChannel）。在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接收方也是按照相同的跳转规律进行通信。这实际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了接收双方的切换信道干什么，否则，从理论上计野外法完整获得信息的，而干扰源也是不可能按同样的规律进行干扰的。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍地扩展成宽频带，使被干扰的可能性变得很小，由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性。

1.3.2纠错技术在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码（1/3FEC）、2/3比例前向纠错码（2/3FEC）和用于数据的自动请求重发（ARQ）方式。1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3比例前向纠错码是一种（15，10）精简的汉明码表示方法，用于部分分组。使用ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端反回确认信息；否则，返回一个错误信息。1.3.3微微网蓝牙支持点对点和点对多点的通信，其最基本的网络组成是微微网。微微网是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络，由一个主设备(MASTER)和若干个从设备（SLAVE)组成，且从设备最多为7台。主设备负责通信协议的运作，而从设备则受控于主设备。 一个微微网可以是2台相连的设备，也可以是8台连在一起的设备，所有设备单元均采用同一跳频序列。蓝牙给每个微微网都提供了特定的跳转模式。因此，它允许大量的微微网同时存在。在同一区域内，多个微微网互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。1.3.4安全性蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此，安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用中的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要在应用层和链路层上提供安全措施。该措施将用于对等环境。即蓝牙系统每个单元中设备的匹配和加密规则都将以同样的方法实现。在链路层，蓝牙使用四个参数来保证系统的安全性：每个用户的48位地址，用户的128位验证密钥，用户的8-128位加密密钥，设备产生的一个128位随机数RAND.1.4蓝牙技术存在的问题任何科学技术的发展总是从不完善向完善发展的，与其他通信技术一样，蓝牙技术也是一个开放的技术，必然存在一些问题，如保密安全问题，2．4GHISM频段使用的电磁兼容与频率共用问题，互操作性与兼容性问题，价格、可靠性等综合吸引力问题等。例如：蓝牙技术刚开始发展的时候，对保密安全问题考虑不周全，虽采用了无线跳频技术，但窃听者和截取者来说这不是一个技术障碍。蓝牙网络是一个开放式网络，提供128bit的芯片作为设备的健全鉴权号，但在通讯中可以被篡改和冒用。2.物联网的概述2.1物联网概念物联网的英文名称为“TheInternetofThings”，简称：IOT。从字面上解释，物联网就是“物物相连的互联网”。可以从两方面去理解：其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络，物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义，有一个较为普遍认同的定义是物联网通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。2.2物联网相关技术物联网技术不是对现有技术的颠覆性革命，而是通过对现有技术的综合运用。物联网技术融合现有技术实现全新的通信模式转变，同时，通过融合也必定会对现有技术提出改进和提升的要求，催生出一些新的技术。在通信业界，物联网通常被公认为有3个层次从下到上依次是感知层、传送层和应用层。如果拿人来比喻的话，感知层就像皮肤和五官，用来识别物体，采集信息；传送层则是神经系统，将信息传递到大脑进行处理；应用层类似人们从事的各种复杂的事情，完成各种不同的应用。物联网涉及的关键技术非常多，从传感器技术到通信网络技术，从嵌入式微处理节点到计算机软件系统，包含了自动控制、通信、计算机等不同领域，是跨学科的综合应用。(1)感知层物联网的感知层主要完成信息的采集、转换和收集。感知层包含两个部分：传感器(或控制器)、短距离传输网络。传感器(或控制器)用来进行数据采集及实现控制，短距离传输网络将传感器收集的数据发送到网关或将应用平台控制指令发送到控制器。感知层的关键技术主要为传感器技术和短距离传输网络技术，例如射频标识(RFID)标签与用来识别RFID信息的扫描仪、视频采集的摄像头和各种传感器中的传感与控制技术、短距离无线通信技术(包括由短距离传输技术组成的无线传感网技术)。在实现这些技术的过程中，又涉及到芯片研发、通信协议研究、RFID材料研究、智能节点供电等细分领域。传送层物联网的传送层主要完成信息传递和处理，传送层包括两个部分：接入单元、接入网络。接入单元是连接感知层的网桥，它汇聚从感知层获得的数据，并将数据发送到接入网络。接入网络即现有的通信网络，包括移动通信网、有线电话网、有线宽带网等。通过接入网络，人们将数据最终传入互联网。传送层是基于现有通信网和互联网建立起来的层。传送层的关键技术既包含了现有的通信技术，如移动通信技术、有线宽带技术、公共交换电话网(PSTN)技术、Wi-Fi通信技术等，也包含了终端技术，如实现传感网与通信网结合的网桥设备、为各种行业终端提供通信能力的通信模块等。(3)应用层物联网的应用层主要完成数据的管理和数据的处理，并将这些数据与各行业应用的结合。应用层包括两部分：物联网中间件、物联网应用。物联网中间件是一种独立的系统软件或服务程序。中间件将许多可以公用的能力进行统一封装，提供给丰富多样的物联网应用。统一封装的能力包括通信的管理能力、设备的控制能力、定位能力等。应用层主要基于软件技术和计算机技术实现。应用层的关键技术主要是基于软件的各种数据处理技术，此外云计算技术作为海量数据的存储、分析平台，也将是物联网应用层的重要组成部分。应用是物联网发展的目的。各种行业和家庭应用的开发是物联网普及的源动力，将给整个物联网产业链带来巨大利润。3.智能家居系统研究综述3.1智能家居的定义又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElecctronicHome、E-home）、数字家园（DigitalFamily）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（IntelligentHome/Building），在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。3.2智能家居的系统构成智能家居系统[4]包含的主要子系统有：家居布线系统、家庭网络系统、智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭影院与智能家居-单户系统图多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。其中，智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统为可选系统。3.3蓝牙技术在智能家居中的应用正是由于蓝牙技术的低成本、低功耗、高速率、高可靠性和兼容性等特点，使得基于蓝牙技术的智能家居系统[5]能为人们所接受。

（1）家庭环境控制智能家居的一个重要功能就是对居住环境的控制，即自动或远程控制家庭的温度、湿度、光照、空气质量和热水器等。如今，环境问题已经成为一个直接关系到人们身体健康，乃至生命安全的至关重要的问题，家庭环境也不容忽视。智能家居系统，可以改善人们的生存条件，也可以提高家庭的生活质量。能源监视与管理主要是指家庭中的水、电、燃气和供暖的定时开关等。可以自动关灯和关闭电器，节省开支；家中没有人时，可以调节供暖的温度；在电费较低的时段开启电器。（3）家庭流量计费目前，大多数远传计量系统采用如下方式：在各个房间内的远传表，通过专用的布线系统连接至各个节点流量控制器，再汇总到物业管理中心进行上位管理。在智能家居系统中如果采用了蓝牙技术，就会出现新的三表远传流量计费系统的局面。通过在支持蓝牙的微芯片中置入相应程序，并置入流量表中，可以去掉流量表与节点控制器之间的连线，使每个计量末端采用无线方式，降低系统由于线路损坏而带来的系统故障，提高了系统的可靠性。

（4）安防系统智能家居的基本目标为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境。这就需要一个安全的家庭体系，其中既包括人身和家庭财产的安全，也包括家庭设备的安全。为了实现这种安全体系，需要配备相关的防卫措施，例如电子门禁、对讲系统、电子防盗系统、玻璃破检测报警系统、室内跑水检测与报警系统、室内有毒/害气体的检测等。报警控制器连接至社警铃、报警指示灯、电话、若报警，可按预先设置的若干个电话号码，自动拔通进行报警，并报出家中具体是哪个系统报警了。

3.4智能家居的前景智能家居在中国乃至世界都有广阔的前景，就目前的发展趋势分析，预计今后两年内全世界将有近1亿的家庭构建家庭网络。美国一家权威市场调查机构预计，到2004年，建设网络化家庭所带来的市场总值将高达4500亿美元，其中3700亿美元是智能信息家电硬件产品的价值，其余是软件和技术支持服务的费用。国家建设部计划到2010年，60%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。尽管智能家居在国内是一个新兴的行业，但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。自智能家居走进中国以来，在短短四年的时间里，智能家居生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业，其行业发展之迅速是目前国内任何其它行业所无法比拟的。从目前的发展趋势来看，在未来的至少20年时间里，智能家居行业将成为中国的主流行业之一，其市场的发展前景是非常广阔的。3.5国内智能家居系统的功能状况

智能家居系统可以有多种分类形式，依据其体系结构为特征进行划分，比较常见。目前国内市场上多数存在以下几类不同结构形式的系统类型：

（1）拼凑型（功能间无关联的孤立）控制系统各个功能子系统独立设计、自主工作。例如安防系统、灯光系统。各子系统相互之间互不相连，不能交换数据；

（2）主机式集中控制系统：

在住宅内安装一台“智能控制中心”，它可以是一台普通计算机、嵌入式或者单片计算机系统。

一般采用星形拓扑结构，从控制中心引出多种控制与数据线，连接到住宅中所有需要实施控制或者获取数据的监控节点，现场设备与中央控制单元，使用标准模拟信号

(4～20mA、0～5V等)传输现场信息。每个监控节点不安排任何数据处理能力，只是单纯地完成对继电开关控制（例如控制灯光或电源），或者采集无源的数据（例如门磁开关信号）。系统的逻辑关系固定在主控制器上，有的可以通过软件修改。添加新设备需修改主控制器。

（3）分级集中控制系统

是前一类型的扩展，同样也采用在住宅内安装一台“智能控制中心”，星形拓扑结构。如果现场采集量较大，通常在中央控制单元和现场设备之间加入现场级的控制单元

(PLC，单片机等

)，现场控制单元与中央控制单元之间使用

RS-232。3.6目前智能家居系统的缺点国内智能家居系统[1]的显著缺点是：各子系统不能相互协调，统一控制，网络的潜能与优势未能开发。智能家居没有一个统一的通讯总线，各模块之间相对独立，如家庭影音系统和家庭灯光控制系统无法互相通讯，无法实现现今智能家居系统的“情景模式”功能。这是将原有各独立系统简单堆砌在一起的方式，严格意义上讲，不符合智能家居系统的含义。仍然属于相对独立的智能家居系统。智能家居应是一个多功能的技术系统，众多的功能子系统间还要具有协同配合的能力。这些系统包括：照明控制、电器控制、环境监测、视频监控、设施监控、家庭娱乐、背景音乐、通讯设施、门禁管理、健康监测、家居采购、花园自控、宠物监护、信息安全等等。4.结语随着智能家居热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活