蓝牙技术在智能家居中的应用研究

蓝牙技术在智能家居中的应用研究 摘要:本文简要介绍了蓝牙技术的由来、技术特点、系统组成和应用范围,以及智能家居的由来、系统构成、控制功能和发展前景。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;蓝牙技术;远程控制 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,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”是一种开放型的技术,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 蓝牙的起源 瑞典爱立信公司早在1994年就已进行研发。1998年2月,5个跨国大公司,包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及Intel组成了一个特殊兴趣小组(SIG),他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术,即现在的蓝牙。 1.3蓝牙技术的特点 1.3.1 特性 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),l mw(0dB m),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。 1.3.2 TMDA结构 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0.625 s。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。 1.3.3 使用跳频技术 跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对于单时隙包,蓝牙的跳频速率为1600跳/秒;对于多时隙包,跳频速率有所降低;但在建链时则提高为3200跳/秒。 1.3.4 蓝牙设备的组网 蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接,在任意一个有效通讯范围内,所有的设备都是平等的,并且遵循相同的工作方式。 1.3.5 软件的层次结构 和许多通讯系统一样,蓝牙的通讯协议采用层次式结构,其程序写在一个9ram×9ram的微芯片中。其底层为各类应用所通用,高层则视具体应用而有所不同,大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式,前者通过主机控制接口HCI(Host Con—trol Interface)实现高、低层的连接。后者则不需要HCI。层次结构使其设备具有最大的通用性和灵活性。 1.4 蓝牙系统的组成 蓝牙系统一般由无线单元、链路控制(硬件)单元、链路管理(软件)单元和蓝牙软件协议栈)单元等四个功能单元组成。 1.4.1 天线单元 蓝牙技术的天线部分体积十分小巧、重量轻,属于微带大线。蓝牙空中接口建立在0dBm(1mW)的基础上,最大可达20dBm(100mWl,遵循VCC(美国联邦通信委员会)有关电平为0dBm的ISM频段的标准。 1.4.2 链路控制(硬件)单元 目前蓝牙产品的链路控制硬件单元包括3个集成器件:连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器,此外还使用了3~5个单独调谐件。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合,采用时分双工实现全双工传输。 1.4.3 链路管理(软件)单元 链路管理(LM)软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。LM能够发现其它远端LM并通过LMP(链路管理协议)与之通信。 1.4.4 软件(协议栈)单元 蓝牙规范接口可以直接集成到笔记本电脑上,或者通过PC卡或USB接口连接,或者直接集成到蜂窝电话中或通过附加设备连接。蓝牙的软件(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,它符合己经制定好的蓝牙规范。适用于集中不同商用操作系统(Windows,unix,PocketPC)的蓝牙技术规范正在完善中。 1.5 蓝牙技术的应用 蓝牙能够使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和互联网等现有网络增添新功能,使各类计算机、传真机、打印机设备增添无线传输和组网功能。下面介绍几种主要应用领域。 (1)通讯 第一代蓝牙产品主要集中在语音通信方面。如:移动电话使用的无线耳机。第二代产品是带有嵌入式蓝牙技术模块的数据通信产品,它们能够在单个设备之间,如:膝上计算机与PDA间传送数据或文件。 (2)计算机 蓝牙技术将广泛应用于计算机。无需安装费用,无需下载软盘驱动器,移动电话就能与计算机进行无线连接,这是计算机时代的梦想。无线操作的便携硬盘是蓝牙技术在计算机方面应用的一个很好的例子。 (3)家庭 在家庭应用方面,可用蓝牙技术实现“三”自动抄录和远程传输。嵌入了蓝牙芯片的数字移动电话具备一机三用和耳机无线连接功能。嵌入了蓝牙芯片的“信息家电”,也具有了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,使得个人家庭与现代信息社会的信息高速公路通信网紧密相连。 (4)办公商务 在办公自动化和电子商务方面,蓝牙设备将消除桌面上错综复杂的连线,将出现无线鼠标和键盘,通过无线接人局域网,实现文件、调制解调器、打印机和服务器的共享。 (5)军事应用 由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点,它的典型应用蓝牙网络已被军事通信专家看好,用来发展相l应的通信装备。建立在网络基础上的“蓝牙”单兵数字化装备,无需在任何电子设备问布设专用线缆和连接器,通过“蓝牙”遥控装备就可以形成一点到多点的连接,进行微微网网内设备通信。 1.6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,2.4GH ISM 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.智能家居系统研究综述 2.1 智能家居的定义 又称智能住宅,在国外常用Smart Home表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化(Home Automation)、电子家庭(Elecctronic Home、E-home)、数字家园(Digital Family)、家庭网络(Home Net/Networks for Home)、网络家居(Network Home)、智能家庭/建筑(Intelligent Home/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。 2.2 智能家居的起源 20 世纪 80 年代初,随着大量采用电子技术的家用电器面市,住宅电子化(HE,Home Electronics)出现。80年代中期,将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后,形成了住宅自动化概念(HA,Home Automation )。80 年代末,由于通信与信息技术的发展,出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统,这在美国称为 Smart Home,也就是现在智能家居的原型。 2.3 智能家居的系统构成 智能家居系统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。 2.4 智能家居控制功能 控制功能包括:遥控功能;集中控制功能;网络开关的网络功能;网络开关的本地功能;电话远程控制功能;网络型空调及红外线控制;网络型窗帘控制;可编程定时控制;多功能遥控器;无线感应探头;全宅音响系统。 智能家居是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统,有机地结合在一起,通过统筹管理,让家居生活更加舒适、安全、有效。 2.5 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。 2.6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。 2.7目前智能家居系统的缺点 国内智能家居系统的显著缺点是: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。 3. 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、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用,智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向。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。目前的智能家居系统只能称为准智能家居系统,真正的智能家居系统还需要我们继续加强研究。 参考文献 【1】傅剑虹,汪敏,朱俊.基于蓝牙技术家庭网络的研究和实现【1】. 计算机工程, 2004年2月:21—24 【2】叶朝辉,智能家庭网络研究综述,计算机应用研究,2001:16—20 【3】马兴,基于HCI协议层的蓝牙技术应用开发,重庆邮电学院学报,2002(7):24—29 【4】黄丽,《面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践》合肥工业大学硕士论文,2003年3月: 27-37 【5】李元建.蓝牙与智能家居[J】.电子技术,2007,(O2). 【6】宣惠冬.TCL智能家居解决方案【J】.IB智能建筑与城市信息,2005,(04). 【7】Steven.如何DIY 智能家居?[J].电脑知识与技术,2006,(03). 【8】陈良银,李志蜀,刘轶,汪洁.智能家居系统的设计与实现【J】.新疆大学学报(自然科学版),2005,(0I). 【9】瘦客,李郁,姬东琪,尹琳琳,柴利增.智能家居体验【J】.多媒体世界,2006,(11). 【10】李元健.蓝牙与智能家居【J】.电子技术.2007,25-7. 【11】符鹤,周忠华,彭志超.蓝牙技术的原理及应用【J】.微型电脑应用.2006第22卷第7期,60-61. 【12】焦聘武.前景诱人的蓝牙技术及其在远程、移动、教育网络中的应用展望【J】.电化教育研究.2006年第9期,41-43.