基于藍牙技術的智能家居研究

摘 ?要：近年來信息技術在民用領域取得飛速發展，各種智能家居產品紛紛出現，為我們提供了舒適、便捷、健康、安全、低碳的生活。本文簡要介紹了什么是藍牙技術以及它的技術特點，智能家居的組成結構、工作原理、發展現狀和發展前景，總結了藍牙技術應用在智能家居系統中的優勢和不足。

關鍵詞：藍牙技術;智能家居;自動控制

中圖分類號：TP273.5;TN925 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）13-0071-03

Research on Smart Home Based on Bluetooth Technology

LI Dong

（PCI-Suntek Technology Co.，Ltd.，Guangzhou ?510653，China）

Abstract：In recent years，information technology has made rapid development in the civil field，and a variety of smart home products have emerged，providing us with a comfortable，convenient，healthy，safe and low-carbon life. This paper briefly introduces what Bluetooth technology is and its technical characteristics，the composition，working principle，current situation and development prospects of smart home，and summarizes the advantages and disadvantages of Bluetooth technology in smart home system.

Keywords：Bluetooth technology;smart home;auto-control

0 ?引 ?言

從上世紀90年代開始，伴隨著各種無線通信技術不斷成熟運用，人們的通訊方式變得越來越方便。藍牙作為其中一種極其優秀的小范圍無線通信技術，因為其具有全球統一的標準，傳輸速率快，安全性高等優點，得到了越來越多的重視。未來在自動控制、人工智能等技術支持下，智能家居功能將不斷完善，逐步取代傳統功能單一的家電設備，成為社會發展的趨勢。而以藍牙技術為核心的無線個域網，則會成為智能家居設備互相連接的橋梁。

1 ?藍牙技術簡介

1.1 ?技術原理

藍牙是一種開放的無線電射頻技術，工作頻段選在的2.4GHz的ISM（工業、科學、醫療）頻段，這是一個開放的頻段無須申請就可以使用。藍牙3.0將頻段劃分成79個信道，每個信道帶寬1MHz，藍牙4.0則是把頻段劃分成40個信道，每個信道帶寬2MHz，信道數量雖然少了，傳輸速率卻得到了成倍地增加。早期藍牙受發射功率影響有效通訊距離大約為10～100m，下一代藍牙5.0可以突破300m。

1.2 ?關鍵技術

1.2.1 ?跳頻技術

由于2.4GHz的ISM頻段是一個開放的通用頻段，生活中使用這個頻段的設備非常普遍，因此，在傳輸過程中會遇到各種各樣的干擾源，例如：手機、微波爐、無線路由器等。為減少藍牙傳輸中的由于干擾造成的數據錯誤，采用跳頻技術是一個有效的解決辦法。

跳頻技術是在每一次數據傳輸過程中，藍牙連接中的發送方和接收方都按照事先約定好的規律，先在某一個信道上收發一段數據，而后同時跳轉到另一個信道上，如此反復多次，直到傳輸完成。理論上講第三方干擾源不可能獲取通信雙方的跳轉規律，自然也就無法持續干擾，這是一種硬件加密方法，可以減少干擾造成的錯誤，提高傳輸效率和穩定性。

1.2.2 ?糾錯技術

藍牙技術使用三種糾錯方案：1/3前向糾錯（FEC）、2/3前向糾錯和自動重發（ARQ）技術。前向糾錯是使用糾錯碼對信息進行冗余編碼，接收方可以通過這些糾錯碼糾正傳輸過程中的錯誤，不需要反向請求數據重傳。加入了糾錯碼后會增加信息長度，占用額外的資源，但對應保證通信的準確性是必要的。通常在信道的噪聲干擾比較大時，藍牙系統會使用前向糾錯方案，以降低干擾造成的影響，保證通信質量。自動請求重發是接收端進行差錯檢測，發現錯誤自動請求發送端重發，直到接收到正確數據為止的差錯控制技術。

1.2.3 ?一對多通信

藍牙技術除了支持點對點通信，還支持點對多點通信，可以用來組建無線個域網（WPAN）。利用藍牙連接的無線個域網由一個主控設備和若干個受控設備組成。主控設備在通信過程中負責運作通信協議，下發指令，管理和控制“從設備”，“從設備”接收指令并做出回應。為避免通信出錯，每次通信過程中所有設備都采用相同的跳轉規律。不同的無線個域網具備不同的跳轉模式。因此在同一區域內，允許多個不同的無線個域網同時存在，它們之間互相獨立，不會出現交叉傳輸。

1.2.4 ?安全策略

無線傳輸過程中會向四周發送無線電波，這就非常容易受到攻擊和監聽，使用安全機制是保護信息傳輸完整和不被截取的必要手段。跳頻技術有一定的安全性，但由于信道都是公開的，只要對所有信道進行監聽和干擾，就能阻礙接收方接收到正確的數據，所以還需要其他更為安全的措施。在鏈路層，藍牙使用128位密鑰的加密技術，這樣就非常難以破解;在應用層，所有連接都需要認證和加密，在認證、加密和授權完成之前不允許發送和接收數據。

1.3 ?藍牙技術存在的問題

無線通信都會存在一些問題，藍牙作為開放的通信技術問題就顯得更加突出。例如：無線跳頻技術已不能阻止竊聽和截取;128位加密密鑰雖然不容易破解，但在使用過程中可以被篡改;2.4GHz的ISM頻段在工業、科研、醫療上有非常廣泛地運用，這些信號交叉在一起就不可避免的產生干擾，即使在安全機制的保障下不會導致數據傳輸錯誤，也會降低傳輸速率。

2 ?智能家居系統簡介

2.1 ?智能家居的定義

智能家居是指在住宅內部，把看似無關的生活設施（各類家電設備、音視頻設備、安全防范設備、計量設備等）通過綜合布線、網絡通信、自動控制、人工智能等技術集成為一體，通過高效的管理系統，構建安全、便捷、舒適、環保的居住環境，因此又稱智能住宅。

2.2 ?智能家居的結構

智能家居系統的結構包含控制管理系統、綜合布線系統、聯網系統、照明及控制系統、安全防范系統、音視頻多媒體系統、環境控制系統等。

控制管理系統是整個智能家居系統的大腦，負責接收用戶的指令并下發給其他子系統;家居布線系統包括電話線、有線電視、寬帶等，是系統的神經，負責指令和數據的傳輸;聯網系統讓你不論在任何地方都可以通過互聯網隨時遠程控制家里的電器;照明及控制系統、安防系統、音視頻多媒體系統、環境控制系統則負責帶給你舒適、便捷、安全、環保的居住體驗。

2.3 ?藍牙技術在智能家居中的應用

藍牙模塊具有成本低、數據傳輸速率快、性能相對可靠性等特點，使得社會上出現了各類使用藍牙技術的智能家居設備，并開始被人們所接受，這為其以后的發展打下了有利的基礎。

2.3.1 ?家庭環境控制

如今社會經濟持續發展，人們生活水平不斷提升，居住環境因為直接關系到人們的身體健康，生活體驗，乃至生命安全等，已得到全社會越來越多的關注。智能家居首要的作用就是實現對居住環境的控制，植入了藍牙芯片的環境監控設備可以實時采集住宅內的溫度、濕度、空氣質量等參數上傳給控制管理系統，溫度升高時自動開啟空調降溫;燃氣泄漏時第一時間自動打開窗戶通風，并開啟報警系統通知住宅內的人員撤離。

2.3.2 ?家庭資源管理

家居管理控制系統自動檢測住宅內是否有人，沒人的時候自動關閉水、電、燃氣等耗能設備，等人回來時再按需要開啟，達到節省資源的目的。

2.3.3 ?家庭流量計費

目前，雖然大多數計量系統都實現了遠程抄表，其實原理都是通過232或485控制線把計量表連接至各個節點，再匯總到一起進行統一管理。如果把藍牙芯片置入水表、電表、燃氣表中，就可以去掉這條控制線，把原來的有線連接變成無線連接，從而消除由于線路損壞而造成的故障，降低排查和維修的成本，提高可靠性和穩定性。

2.3.4 ?安防系統

智能家居的目標是帶給人們舒適、安全、高效、低碳、環保的居住體驗。這就提出了一個很高的安全要求：既要保證居民的人身和財產的安全，又要保障家居設備的完好。為了達到這種安全要求，需要配置相關的安防設備和處置措施，例如：電子門禁、語音對講、防盜報警、視頻監控、消防系統，如果這些設備都支持藍牙聯網，有人非法闖入時，智能家居控制管理系統能自動識別闖入者的身份，推送視頻監控給住宅的主人，啟動報警裝置對闖入者進行恐嚇，保存監控錄像作為證據;發生火災時自動啟動消防系統滅火，報警通知住宅內的人員撤離;而在設備發生故障時，控制管理系統也能及時檢測到，然后通知主人進行維修或更換。

2.4 ?智能家居的現狀

智能家居從上世紀90年代開始出現，經過緩慢發展，自2014年以后進入爆發發展期，各大廠商密集布局智能家居，紛紛推出自己的產品，在為人們生活帶來便利的同時，也出現了不少的問題：一是各個廠商技術水平高低不同，生產出來的產品也參差不齊;二是不同廠家之間的產品兼容性和互聯互通性不夠完善;三是操作復雜，對于沒有專業知識的人，尤其是老人和小孩來說，使用起來很不方便;四是價格較高，難以引起普通民眾的關注。

由于這些問題，智能家居尚未得到普及應用和消費者的認可，目前比較受歡迎的只有安防系統，而在智能家電、家庭網絡、家庭自動化方面，距離普及仍有一定的距離。

3 ?結 ?論

隨著人們生活水平的不斷提高和信息技術的飛速發展，智能家居已經成為未來居民生活的發展方向。隨著市場的不斷深入發展，政府將制定統一的技術標準，解決目前產品雜亂和不兼容的問題;受惠于人工智能的發展，未來智能家居產品使用會越來越簡單和人性化;形成完整的產業鏈以后，制造成本和價格也會降低。這些問題的解決，將會給智能家居帶來巨大的市場空間，相信不久的將來，智能家居行業將成為主流行業之一，帶給人們舒服、高效、安全、便捷、環保的生活。

藍牙技術作為智能家居的一項重要技術，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠、速率快、技術成熟、使用廣泛等優勢，相比Wi-Fi、ZigBee技術，藍牙無疑是智能家居無線組網和自動化控制的最佳選擇。

不過，藍牙技術在應用上也有一些問題需要解決，如傳輸過程中容易受墻壁，家具的阻擋;組網節點不夠大。不過這些問題并不會阻礙智能家居的發展，反而會促使人們不斷深入的研究。相信在不久的將來，藍牙智能家居系統必將是家庭生活的發展趨勢。

參考文獻：

[1] 傅劍虹，汪敏，朱俊.基于藍牙技術家庭網絡的研究和實現 [J].計算機工程，2004（3）：125-126+135.

[2] 李元建.藍牙與智能家居 [J].電子技術，2007（2）：5-7.

[3] 陳良銀，李志蜀，劉軼，等.智能家居系統的設計與實現 [J].新疆大學學報（自然科學版），2005（1）：108-111.

[4] GilHeld，赫爾德.無線數據傳輸網絡：藍牙、WAP和WLAN [M].北京：人民郵電出版社，2001.

作者簡介：李東（1985.04-），男，漢族，湖南永州人，本科，研究方向：信息工程、計算機系統。