關(guān)于藍牙技術(shù)在智能家居應(yīng)用中的分析與研究

任俊恒

摘要：藍牙是當(dāng)今主流無線通信技術(shù)之一，在智能家居中具有一定的優(yōu)勢，近年來已成為我國智能家居智能化發(fā)展領(lǐng)域中的重要技術(shù)內(nèi)容，通過利用藍牙技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，本文將對相關(guān)內(nèi)容進行分析和研究，以作參考。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)信息化;藍牙技術(shù);智能家居;自動控制;

一、智能家居藍牙原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

近年來，隨著各自新技術(shù)在家居領(lǐng)域的不斷滲透，智能家居已成為現(xiàn)代家居的熱門話題，通過在家庭內(nèi)部通過一定的傳輸介質(zhì)將各種電氣設(shè)備和電氣子系統(tǒng)連接起來，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，對內(nèi)實現(xiàn)資源共享，對外通過網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)互連進行信息交換，為用戶提供設(shè)備監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)傳輸、安全報警和總和信息服務(wù)的局域網(wǎng)絡(luò)。藍牙（Bluetooth）作為一種近距離無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，將各種家用設(shè)備和家用監(jiān)控系統(tǒng)，通過快速、安全、可靠的無線鏈路連接到一個家庭計算機上，再由該計算機將智能家居局域網(wǎng)與互連網(wǎng)和 P S T N 相連，組成智能家居控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中藍牙主設(shè)備部分由藍牙模塊、MCU、外部RAM和家庭計算機等組成，如圖1所示。以MCU為中心，通過藍牙無線電通道與藍牙從設(shè)備相連。圖1中所示：

藍牙從設(shè)備由藍牙模塊，MCU和內(nèi)嵌藍牙模塊的傳感器網(wǎng)絡(luò)和被控電器組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)由紅外線傳感器或煙霧傳感器和三表傳感器構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)對各種火災(zāi)、煤氣泄漏以及盜竊等災(zāi)情信號實現(xiàn)現(xiàn)場采集。控制中心（也稱為上位機）負(fù)責(zé)各種不同類型子網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換， 完成智能家居網(wǎng)絡(luò)控制和 Internet 接入功能，藍牙設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)通信是通過 H C I 分組來實現(xiàn)， H C I 分組有數(shù)據(jù)分組、 命令分組和事件分組。藍牙數(shù)據(jù)通信處理一般包括以下 6 個步驟， 藍牙模塊初始化、HCI 流量控制設(shè)置、查詢、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和斷開鏈接。如果發(fā)生火災(zāi)、盜竊或煤氣泄漏等事件，則由藍牙模塊接收來自藍牙從設(shè)備的數(shù)據(jù)，由MCU對這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后，通過無線連接，由智能監(jiān)控系統(tǒng)通過PSTN（電話交換網(wǎng)）向主人報警或通過Internet向監(jiān)控中心報警。

二、藍牙技術(shù)的特點及弊端問題

藍牙技術(shù)作為智能家居的一項重要技術(shù)，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、速率快、技術(shù)成熟、使用廣泛等優(yōu)勢，相比Wi-Fi、ZigBee技術(shù)，藍牙無疑是智能家居無線組網(wǎng)和自動化控制的最佳選擇。無線通信都會存在一些問題，藍牙作為開放的通信技術(shù)問題就顯得更加突出。例如：無線跳頻技術(shù)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(yè)、科研、醫(yī)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(chǎn)生干擾，即使在安全機制的保障下不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，也會降低傳輸速率。同時，無線傳輸過程中會向四周發(fā)送無線電波，這就非常容易受到攻擊和監(jiān)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(shù)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(jiān)聽和干擾，就能阻礙接收方接收到正確的數(shù)據(jù)，所以還需要其他更為安全的措施。

三、藍牙技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1跳頻技術(shù)

為減少藍牙傳輸中的由于干擾造成的數(shù)據(jù)錯誤，采用跳頻技術(shù)是一個有效的解決辦法。跳頻技術(shù)是在每一次數(shù)據(jù)傳輸過程中，藍牙連接中的發(fā)送方和接收方都按照事先約定好的規(guī)律，先在某一個信道上收發(fā)一段數(shù)據(jù)，而后同時跳轉(zhuǎn)到另一個信道上，如此反復(fù)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(zhuǎn)規(guī)律，自然也就無法持續(xù)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(wěn)定性。

3.2糾錯技術(shù)

通常在信道的噪聲干擾比較大時，藍牙系統(tǒng)會使用前向糾錯方案，以降低干擾造成的影響，保證通信質(zhì)量。自動請求重發(fā)是接收端進行差錯檢測，發(fā)現(xiàn)錯誤自動請求發(fā)送端重發(fā)，直到接收到正確數(shù)據(jù)為止的差錯控制技術(shù)。藍牙技術(shù)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(fā)（ARQ）技術(shù)。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(shù)據(jù)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(yīng)保證通信的準(zhǔn)確性是必要的。

3.3一對多通信

藍牙技術(shù)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(wǎng)（WPAN）。利用藍牙連接的無線個域網(wǎng)由一個主控設(shè)備和若干個受控設(shè)備組成。主控設(shè)備在通信過程中負(fù)責(zé)運作通信協(xié)議，下發(fā)指令，管理和控制“從設(shè)備”，“從設(shè)備”接收指令并做出回應(yīng)。為避免通信出錯，每次通信過程中所有設(shè)備都采用相同的跳轉(zhuǎn)規(guī)律。不同的無線個域網(wǎng)具備不同的跳轉(zhuǎn)模式。因此在同一區(qū)域內(nèi)，允許多個不同的無線個域網(wǎng)同時存在，它們之間互相獨立，不會出現(xiàn)交叉?zhèn)鬏敗?/p>

四、藍牙技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

4.1家庭環(huán)境控制和資源管理

智能家居首要的作用就是實現(xiàn)對居住環(huán)境的控制，植入了藍牙芯片的環(huán)境監(jiān)控設(shè)備可以實時采集住宅內(nèi)的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等參數(shù)上傳給控制管理系統(tǒng)，溫度升高時自動開啟空調(diào)降溫;燃?xì)庑孤r第一時間自動打開窗戶通風(fēng)，并開啟報警系統(tǒng)通知住宅內(nèi)的人員撤離。家居管理控制系統(tǒng)自動檢測住宅內(nèi)是否有人，沒人的時候自動關(guān)閉水、電、燃?xì)獾群哪茉O(shè)備，等人回來時再按需要開啟，達到節(jié)省資源的目的。

4.2家庭流量計費

雖然目前大多數(shù)計量系統(tǒng)都實現(xiàn)了遠(yuǎn)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(jié)點，再匯總到一起進行統(tǒng)一管理。如果把藍牙芯片置入水表、電表、燃?xì)獗碇校涂梢匀サ暨@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(wěn)定性。

4.3安防系統(tǒng)

智能家居的目標(biāo)是帶給人們舒適、安全、高效、低碳、環(huán)保的居住體驗，既要保證居民的人身和財產(chǎn)的安全，又要保障家居設(shè)備的完好。因此需要配置相關(guān)的安防設(shè)備和處置措施，例如：電子門禁、語音對講、防盜報警、視頻監(jiān)控、消防系統(tǒng)，如果這些設(shè)備都支持藍牙聯(lián)網(wǎng)，有人非法闖入時，智能家居控制管理系統(tǒng)能自動識別闖入者的身份，推送視頻監(jiān)控給住宅的主人，啟動報警裝置對闖入者進行恐嚇，保存監(jiān)控錄像作為證據(jù);發(fā)生火災(zāi)時自動啟動消防系統(tǒng)滅火，報警通知住宅內(nèi)的人員撤離;而在設(shè)備發(fā)生故障時，控制管理系統(tǒng)也能及時檢測到，然后通知主人進行維修或更換。

五、結(jié)束語

隨著當(dāng)前我國信息技術(shù)水平的全面發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)和信息家電也開始出現(xiàn)在人們?nèi)粘５纳钪校瑸槿藗兲峁┝艘粋€更加舒適、方便、高效的生活環(huán)境。智能家居系統(tǒng)的完善不僅能為廣大人民群眾提供便利的生活，同時也將對廣大家庭生活方式的變革產(chǎn)生極大的影響。而以藍牙技術(shù)為核心的無線個域網(wǎng)，則會成為智能家居設(shè)備互相連接的橋梁，未來智能家居產(chǎn)品使用會越來越簡單和人性化。

參考文獻：

[1]大數(shù)據(jù)時代的智能家居產(chǎn)品設(shè)計研究[D].張睿.安徽工程大學(xué) 2017

[2]智能家居信息安全關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].李翔.長安大學(xué) 2018

[3]基于藍牙技術(shù)家庭網(wǎng)絡(luò)的研究和實現(xiàn)[J].傅劍虹，汪敏，朱俊.計算機工程.2018（03）

（作者單位：深圳智明創(chuàng)展電子有限公司）