藍牙關(guān)鍵技術(shù)與智能家居

關(guān)鍵詞：藍牙技術(shù) 微微網(wǎng) 智能家居系統

1 概述

伴隨著(zhù)數字化和網(wǎng)絡(luò )化的進(jìn)程，智能化浪潮席卷了世界的每一個(gè)角落，成為勢不可擋的歷史大趨勢，其中正在興起的智能家居建設熱潮，就是在這種形勢下應運而生的。

但是現代家庭中，弱電線(xiàn)纜越來(lái)越多，如電話(huà)線(xiàn)、有線(xiàn)電視線(xiàn)、寬帶網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)、防盜報警信號線(xiàn)等，帶來(lái)線(xiàn)纜多、亂的麻煩，因此，家庭弱電系統需要進(jìn)行統一、規范的管理。然而，傳統家庭布線(xiàn)方式因為施工不規范、維護和使用方便等因素，已不能適應當前家庭裝修的需要，更無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)智能家居生活的更高要求。藍牙技術(shù)的出現，正發(fā)解決了這個(gè)問(wèn)題，使智能家居中的無(wú)線(xiàn)控制成為可能。

2 藍牙技術(shù)

2.1 藍牙簡(jiǎn)介

藍牙技術(shù)是Ericsson移動(dòng)通信公司在1994年開(kāi)始啟動(dòng)的，其目的是實(shí)現最高數據傳輸速率1Mb/s（有效傳輸速率為721kb/s）、最大傳輸距離為10m的無(wú)線(xiàn)通信。

“藍牙（Bluetooth）是一個(gè)開(kāi)放性的、短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，也是目前國際上最新的一種公開(kāi)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)規范。它可以在較小的范圍內，通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的方式、安全、低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，使得近距離內各種通信設備能夠實(shí)現無(wú)縫資源共享，也可以實(shí)現在各種數字設備之間的語(yǔ)音和數據通信。由于藍牙技術(shù)可以方便地嵌入到單一的CMOS芯片中，因此，特別選用于小型的移動(dòng)通信設備，使設備去掉了連接電纜的不便，通過(guò)無(wú)線(xiàn)建立通信。

藍牙技術(shù)工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段。從理論上講，以2.4GHz ISM頻段運行的技術(shù)能使用距30m以?xún)鹊脑O備互相連接，但實(shí)際上很難達到?，F階段，藍牙的發(fā)射范圍可達10m，可以同時(shí)實(shí)現8臺設備的相互聯(lián)通。當檢測到距離小于10m時(shí)，接收設備可動(dòng)態(tài)地調節功能；當業(yè)務(wù)量減小或停止時(shí)，藍牙設備即可進(jìn)入低功耗工作模式。

2.2 藍牙中的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 跳頻技術(shù)

藍牙工作的頻段是全球通用的2.4GHz ISM頻段。該頻段對所有無(wú)線(xiàn)電系統都開(kāi)放，因此，藍牙在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì )遇到不可預測的干擾源，例如手機、無(wú)繩電話(huà)、微波爐等。這使得藍牙系統的傳送錯誤率遠遠高于實(shí)際應用水平，為此，采用跳頻技術(shù)是避免干擾的一項有效措施。

所謂跳頻技術(shù)，就是將整個(gè)頻帶分成若干跳頻信道（Hop Channel）。在一次連接中，藍牙芯片所控制的收發(fā)器按照一定的碼序列，不斷地從一個(gè)信道跳轉到另一個(gè)信道；而接收方也是按照相同的跳轉規律進(jìn)行通信。這實(shí)際上屬于一種硬件加密手段，除非第三方掌握了接收雙方的切換信道干什么，否則，從理論上計野外法完整獲得信息的，而干擾源也是不可能按同樣的規律進(jìn)行干擾的。跳頻的瞬時(shí)帶寬很窄，但通過(guò)擴展頻譜技術(shù)，可以使這個(gè)窄帶寬被成倍地擴展成寬頻帶，使被干擾的可能性變得很小，由此就可以保證傳送的完整性和系統的穩定性。

2.2.2 糾錯技術(shù)

在藍牙技術(shù)中使用了三種糾錯方案：1/3比例前向糾錯碼（1/3FEC）、2/3比例前向糾錯碼（2/3FEC）和用于數據的自動(dòng)請求重發(fā)（ARQ）方式。

1/3比例前向糾錯碼是一種較簡(jiǎn)單的糾錯碼方式，屬于重復碼，實(shí)現時(shí)對每位信息重復三次。2/3比例前向糾錯碼是一種（15，10）精簡(jiǎn)的漢明碼表示方法，用于部分分組。

使用ARQ方式，在一個(gè)時(shí)隙中傳送的數據必須在下一個(gè)時(shí)隙得到確認（或超時(shí)）信息。只有數據在接收端通過(guò)了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測，被認為無(wú)錯后，才向發(fā)送端反回確認信息；否則，返回一個(gè)錯誤信息。

2.2.3 微微網(wǎng)

藍牙支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，其最基本的網(wǎng)絡(luò )組成是微微網(wǎng)。微微網(wǎng)是通過(guò)藍牙技術(shù)連接起來(lái)的一種微型網(wǎng)絡(luò )，由一個(gè)主設備（Master）和若干個(gè)從設備（Slave）組成，且從設備最多為7臺。主設備負責通信協(xié)議的動(dòng)作，而從設備則受控于主設備。一個(gè)微微網(wǎng)可以是2臺相連的設備，也可以是8臺連在一起的設備，所有設備單元均采用同一跳頻序列。主從設備的拓撲結構如圖1所示。

藍牙給每個(gè)微微網(wǎng)都提供了特定的跳轉模式，因此，它允許大量的微微網(wǎng)同時(shí)存在。同一區域內，多個(gè)微微網(wǎng)互聯(lián)形成了分散網(wǎng)。不同的微微網(wǎng)信道有不同的主單元，因而存在不同的跳轉模式。

2.2.4 安全性

藍牙技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳輸特性使它非常容易受到攻擊，因此，安全機制在藍牙技術(shù)中顯得尤為重要。雖然藍牙系統所采用的跳頻技術(shù)已經(jīng)提供了一定的安全保障，但藍牙技術(shù)仍然需要在應用層和鏈路層上提供安全措施。該措施將用于對等環(huán)境，即藍牙系統每個(gè)單元中設備的匹配和加密規則都將以同樣的方法實(shí)現。在鏈路層，藍牙的使用四個(gè)參數來(lái)保證系統的安全性：每個(gè)用戶(hù)唯一的48位地址、用戶(hù)的128位驗證密鑰、用戶(hù)的8～128位加密密鑰、設備產(chǎn)生的一個(gè)128位隨機數RAND。

藍牙的低層安全是通過(guò)基帶和鏈路管理中的鑒權、匹配和加密完成的。

鑒權基于“競爭-應答”算法，是藍牙系統中的關(guān)鍵部分，它允許用戶(hù)為個(gè)人的藍牙設備建立一個(gè)信任域。校驗器發(fā)送一個(gè)LMP-au-rand PDU分組給請求者，該PDU（協(xié)議數據單元）分組含有一個(gè)隨機數。請求者根據獲取的分組計算出應答值，然后將應發(fā)回給校驗器，驗證應答值是否正確。

當兩臺設備無(wú)共用鏈接字時(shí)，則基于個(gè)人識別碼PIN和隨機數創(chuàng )建初始化字Kinit，這一過(guò)程為匹配。Kinit字在校驗器向請求者發(fā)出LMP-in-rand時(shí)創(chuàng )建，然后進(jìn)行鑒權，共計算過(guò)程基于Kinit字，而不是鏈接字。通過(guò)鑒權后，鏈接字即被創(chuàng )建。

加密被用來(lái)保護連接中的個(gè)人信息，密鑰由程序的高層來(lái)管理。網(wǎng)絡(luò )傳送協(xié)議和應用程序，可以為用戶(hù)提供一個(gè)較強的安全機制，需要注意的是，加密字節全不同于鑒權字。鑒權字具有靜態(tài)性，而一旦建立加密字，就由運行在藍牙設備上的具體應用，來(lái)決定什么時(shí)候和是否需要修改加密字。

3 智能家居系統

智能家居的概念起源于美國。它依靠3C技術(shù)（Computer Technology、Communication Technology和Control Technology），并結合信息家電的發(fā)展，為用戶(hù)提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷的智能化和信息化生活空間。其內涵就是“在具有個(gè)性化的住宅家庭中，將多元網(wǎng)絡(luò )信息、多樣化的自動(dòng)化控制以及節能環(huán)保等功能，整合到一體化的家庭智能信息管理與自動(dòng)化監控平臺上”。

智能家居是將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設備、家用電器和家庭保安裝置，通過(guò)家庭總線(xiàn)技術(shù)連接到一個(gè)家庭智能化系統上，進(jìn)行集中的或異地的監視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調。這些功能都是通過(guò)家庭控制器來(lái)實(shí)現的。家庭控制器具有家庭總線(xiàn)系統，通過(guò)家庭總線(xiàn)系統提供各種服務(wù)功能，能和住宅以外的外部世界相連接。所以說(shuō)，家庭控制器是智能住宅的核心。

智能家居中的信息傳輸介質(zhì)，可以分為電話(huà)線(xiàn)、電源線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、電纜和無(wú)線(xiàn)技術(shù)，其中無(wú)線(xiàn)方式是目前最熱門(mén)的發(fā)展方向。

4 藍牙技術(shù)在智能家居系統中的應用

正是由于藍牙技術(shù)的低成本、低功耗、高速率、高可靠性和兼容性等特點(diǎn)，使得基于藍牙技術(shù)的智能家居系統能為人們所接受。

（1）家庭環(huán)境控制

智能家居的一個(gè)重要功能就是對居住環(huán)境的控制，即自動(dòng)或遠程控制家庭的溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量和熱水器等。如今，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)直接關(guān)系到人們身體健康，乃至生命安全的至關(guān)重要的問(wèn)題，家庭環(huán)境也不容忽視。智能家居系統，可以改善人們的生存條件，也可以提高家庭的生活質(zhì)量。

（2）能源監視與管理

主要是指家庭中的水、電、燃氣和供暖的定時(shí)開(kāi)關(guān)等?？梢宰詣?dòng)關(guān)燈和關(guān)閉電器，節省開(kāi)支；家中沒(méi)有人時(shí)，可以調節供暖的溫度；在電費較低的時(shí)段開(kāi)啟電器。

（3）家庭流量計費

目前，大多數遠傳計量系統采用如下方式：在各個(gè)房間內的遠傳表，通過(guò)專(zhuān)用的布線(xiàn)系統連接至各個(gè)節點(diǎn)流量控制器，再匯總到物業(yè)管理中心進(jìn)行上位管理。在智能家居系統中如果采用了藍牙技術(shù)，就會(huì )出現新的三表遠傳流量計費系統的局面。

通過(guò)在支持藍牙的微芯片中置入相應程序，并置入流量表中，可以去掉流量表與節點(diǎn)控制器之間的連線(xiàn)，使每個(gè)計量末端采用無(wú)線(xiàn)方式，降低系統由于線(xiàn)路損壞而帶來(lái)的系統故障，提高了系統的可靠性。

（4）安防系統

智能家居的基本目標為人們提供一個(gè)舒適、安全、方便和高效率的生活環(huán)境。這就需要一個(gè)安全的家庭體系，其中既包括人身和家庭財產(chǎn)的安全，也包括家庭設備的安全。為了實(shí)現這種安全體系，需要配備相關(guān)的防衛措施，例如電子門(mén)禁、對講系統、電子防盜系統、玻璃破檢測報警系統、室內跑水檢測與報警系統、室內有毒/害氣體的檢測等。

報警控制器連接至社警鈴、報警指示燈、電話(huà)、若報警，可按預先設置的若干個(gè)電話(huà)號碼，自動(dòng)拔通進(jìn)行報警，并報出家中具體是哪個(gè)系統報警了。

目前在我國，安防系統是一般智能家居的主要控制內容。

結語(yǔ)

藍牙技術(shù)應用在智能家居中，具有高可靠性、低復雜度、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)，但仍然有一些問(wèn)題需要解決，如相鄰設備之間為防止信息誤傳和被截取，必須要用戶(hù)提前設置對應頻段；藍牙芯片的價(jià)格較高；藍牙模塊較難生產(chǎn)等。但相信，隨著(zhù)藍牙網(wǎng)絡(luò )家電產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò )設備的出現，家居智能化的進(jìn)一步普及，這些問(wèn)題將逐漸被解決，而藍牙智能家居系統也將給未來(lái)的家庭生活帶來(lái)巨大的革命。