蓝牙技术结合在智能家居中的应用

[摘 要]：蓝牙技术是一种短程无线数据与语音通信技术，具有使用方便、可靠性高、低成本、低功耗的特性，非常适合在智能家居中组建小型无线网络.在分析蓝牙技术的基础上，提出了采用蓝牙技术的智能家居应用方案，详细介绍了系统的硬件结构及软件设计.    [关键词]：蓝牙技术；智能家居
  1 概述
    随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势.住宅智能化是人类住宅的又一场新的革命，它能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势．随之而来，智能家居系统也在逐渐成为一个新兴的研究领域。
    那么何谓“智能家居”呢？所谓的“智能家居”（Smart Home），又称智能住宅，通俗地说，它是以住宅为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的舒适、安全、便利、环保的居住环境。
    在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且它更符合于家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。
    目前，无线网络技术主要可分为IrDA红外线技术、IEEE802.11b协议技术、Home RF协议和蓝牙技术．红外IrDA技术虽然实现成本很低，但必须直线视距连接，限制太大，并不适合我们通常意义上的家庭网络；802.11b的传输速率高、连接设备多，但其射频和基带协议更复杂，实现成本高，难以进入平民家庭，其功耗大、抗干扰性和安全性也不及蓝牙。Home RF抗干扰性和安全性也不及蓝牙且其无法用芯片或模块实现，成本比蓝牙高．蓝牙技术属于IEEE802.15协议，作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术，非常适合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据率传输的低成本设备之间，蓝牙技术是很符合信息家电发展的优选技术，很适合家居智能化的要求，必将在未来的智能家居中获得广泛应用。
    2 蓝牙技术
    蓝牙技术是由蓝牙SIG(Special Interest Group)联合制定的近距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率1Mb/s(有效数据传输速率是721kb/s)、最大传输距离为10米的无线通信．1998年5月,爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔等五家著名厂商在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术(Bluetooth)，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。
    蓝牙技术具有以下几个特点：工作于2.4GHz的ISM频段，无需申请频率许可证；采用1600hop/s的快速跳频技术；采用正向纠错编码(FEC)技术；采用FM调制方式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议；设备体积小,便于携带或移动,成本低廉．基于蓝牙技术的家居智能网络是用近距离的无线通信技术取代线缆，构建智能化的无线家居网络。
    蓝牙采用快速跳频和时分多址等无线技术来代替电缆，提供了一种低成本、低功耗的无线接入方法．同时蓝牙简单可靠的实现特性为其系统的发展提供了有力的支撑．蓝牙的应用范围非常广泛，在信息家电、移动电话、嵌入式应用开发等诸多领域得到重视．未来的信息家电将以Internet和家庭网络为基础，以无线连接实现双向传输，是具有智能的3C（计算机、通信、消费）相结合的信息产品．在智能家庭网络中，蓝牙技术应用前景十分广阔。
    3 蓝牙技术在智能家居中的应用
    3.1系统组成结构
    基于蓝牙技术的智能家居系统，其硬件组成主要包括蓝牙模块、MCU、传感器网络和家庭计算机.从机由蓝牙模块、MCU、传感器组以及外部RAM等组成．考虑到电话普及率高以及不同家庭的需要，系统可以通过电话线或互联网与外界连接．其中与互联网连接可以通过嵌入式Modem直接连接，也可以通过家庭计算机与互联网连接，后者可以由家庭计算机保存数据以及进行传感网络的数据融合处理．所示的蓝牙模块主要用于与控制中心交换数据和管理蓝牙网络链路；紧急开关供主人在室内遇到紧急情况时使用；存储器用于存储各种数据．从机组组成蓝牙传感网络，使数据采集和家庭安防监控灵活方便，摆脱了布线系统的束缚．用户可以通过互联网或电话控制家里电器的运作并获得其运作信息。
3.2软件设计

    为了避免同频干扰的问题，系统采用时分TDMA（Time Division Multiple Access）复用技术，把系统主机与任意一台从机之间的通信采用时分的方式分开，主机通过扫描的方式与各从机进行点对点通信。
    （1）无线通信数据帧格式
    无线通信协议的首要任务就是能够识别噪声和有效数据．本系统的通信方式主要是蓝牙模块之间的无线通信和主机与PC机之间的串行通信格式．图2所示是系统的无线通信数据格式．是主机发送命令时的数据帧格式．通常连接传感器的从机处于“待命”状态，当接收到引导字时，各从机都准备分析地址信息，若接收的地址信息与本机地址相符，则执行命令字，否则继续待命．在系统调试中发现0xFF后跟0XAA在噪声中出现的概率很小,所以，我们在传输协议的数据包前加“0xFF＋0xAA”的引导字．接收协议约定只接收以0xFF后跟0xAA开始的数据包．是主接收“三表”数据时的数据帧格式．需要抄表时，主机向从机发出“数据传输”命令和相应地址，从机受命后上传实时数据和本机地址，主机经校验后，若收到的上传地址与下传地址相符，则本次访问成功，所传数据有效并加以保存．数据包字节包括数据包的类型和长度．是主机接收告警信息时的数据帧格式．告警信息可以由控制中心通过公用电话网或互联网向设定的对象报警，并保存本次报警类型和地址．
    （2）软件结构
    主机不仅负责各种不同类型子网之间的协议转换，而且还要完成家居智能控制和互联网接入功能．它通过多种途径（互联网、有线电话、手机等）从多样的外部网络接收通信信号，实现远程信息交互。
    初始化阶段，模块先发送HCI命令，实现蓝牙设备的复位、启动、地址查询、自动巡检和跳频算法等初始化操作，与主机建立蓝牙物理链路和L2CAP链路．蓝牙设备之间的无线数据通信通过HCI分组来实现．初始化程序还要通过MCU对蓝牙设备发送命令分组．MCU每发送一个HCI命令分组后，都要接收从蓝牙设备返回的事件分组、判断命令、分析命令执行情况，直到完成初始化操作。