面向對象的藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )

2004年7月B版

摘  要： 本文分析了分布式藍牙家居網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，提出了建立面向對象的藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )的解決方案，針對該方案建立了面向對象的藍牙通信模型，并對其在智能家居網(wǎng)絡(luò )中的應用進(jìn)行了分析，展望了面向對象的藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞： 藍牙技術(shù)；智能家居；分布式控制；面向對象；協(xié)議；模型

引言

　　隨著(zhù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，人們對家居環(huán)境的舒適程度和智能化程度要求也越來(lái)越高，智能網(wǎng)絡(luò )不可阻擋的進(jìn)入了家庭。近幾年，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )研究在全世界范圍內的興起，對無(wú)線(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò )的研究已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。智能家居網(wǎng)絡(luò )是指在家庭內部通過(guò)一定的傳輸介質(zhì)將各種電氣設備和電氣子系統連接起來(lái)，采用統一的通信協(xié)議，對內實(shí)現資源共享，對外通過(guò)網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)互連進(jìn)行信息交換的局域網(wǎng)。

　　藍牙技術(shù)是由藍牙SIG(Special Interest Group)聯(lián)合制定的近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，其目的是實(shí)現最高數據傳輸速率1Mb/s(有效數據傳輸速率是721kb/s)、最大傳輸距離為10米(增加功率后可傳輸100米)的無(wú)線(xiàn)通信。1998年5月,愛(ài)立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾等五家著(zhù)名廠(chǎng)商在聯(lián)合開(kāi)展短程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的標準化活動(dòng)時(shí)提出了藍牙技術(shù)(Bluetooth)，其宗旨是提供一種短距離、低成本的無(wú)線(xiàn)傳輸應用技術(shù)。藍牙技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：工作于2.4GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué)頻段)頻段，無(wú)需申請頻率許可證；采用1600hop/s的快速跳頻技術(shù)；采用正向糾錯編碼(FEC)技術(shù)；采用FM調制方式，設備簡(jiǎn)單；支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)通信；協(xié)議體系完備，充分支持現有高層協(xié)議；設備體積小,便于攜帶或移動(dòng),成本低廉?；谒{牙技術(shù)的家居智能網(wǎng)絡(luò )是用近距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)取代線(xiàn)纜，構建智能化的無(wú)線(xiàn)家居網(wǎng)絡(luò )。本文針對分布式藍牙智能家居網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，研究了面向對象的信息處理技術(shù)應用于分布式藍牙智能家居網(wǎng)絡(luò )技術(shù)問(wèn)題，構建了藍牙通信控制器的面向對象的通信模型，并對該模型進(jìn)行了應用研究。

　　藍牙家居網(wǎng)絡(luò )使藍牙網(wǎng)絡(luò )家電、藍牙通信控制器和其它嵌入藍牙模塊的設備，利用無(wú)線(xiàn)方式連在一起,使之相互通信；同時(shí)，利用具有路由功能的藍牙家庭網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò )相連,構成家庭式網(wǎng)絡(luò )系統或家庭局域網(wǎng)，提供集中的或異地的音頻、視頻通信、計算機控制和管理等，使信息在家庭內以及與外部之間充分流通和共享。藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )是沿用工業(yè)控制方案，將控制功能下放到相當于工業(yè)控制中下位機的藍牙通信控制器上，實(shí)現分散控制、集中管理的模式，其體系結構如圖1所示。

　　藍牙家庭網(wǎng)關(guān)：對下連接家庭藍牙通信控制器，并通過(guò)線(xiàn)纜和局域網(wǎng)、電話(huà)網(wǎng)連接，將家居網(wǎng)信息通過(guò)INTERNET和電話(huà)上傳管理中心和戶(hù)主。

　　藍牙通信控制器：與藍牙設備通信，監控設備狀態(tài)，并與其它藍牙通信控制器交流協(xié)調，對其下位設備進(jìn)行控制。執行網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令，并將藍牙設備相關(guān)信息上傳。

　　藍牙設備：藍牙設備是指內嵌藍牙模塊的家居設備，如藍牙空調等。它們和藍牙通信控制器進(jìn)行信息交流并接受其控制，也可以和其它藍牙設備通信。

　　盡管分布式系統有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )中由于藍牙技術(shù)和信息處理技術(shù)的局限，其缺點(diǎn)也是不可忽視的。其表現如下：由于每臺藍牙設備最多同時(shí)只能和7臺設備保持連接，而藍牙通信控制器需要和較多的設備交互，如果想和更多的設備協(xié)調，需要工作模式的轉換，影響處理效率，甚至導致通信失??；由于同一設備可能接受很多信息，如果微處理器對信息采用排隊處理，時(shí)間延遲將增加；在藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )中，藍牙通信控制器之間、藍牙通信控制器和藍牙設備之間、藍牙設備都有信息傳遞，造成串擾，同時(shí)通信路數越多，串擾越大，通信距離和傳輸速率都隨之降低。藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )系統的通信機制和信息處理機制是影響系統性能的重要因素，因此，本文提出將面向對象技術(shù)應用于藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )系統方案，有助于解決上述問(wèn)題，提高系統效能。

面向對象技術(shù)

　　面向對象技術(shù)是一種面向數據流，并集模塊化、數據抽象、信息隱藏和消息傳遞等諸多優(yōu)點(diǎn)于一體，既適合于系統分析又適合于程序設計的工程技術(shù)。近幾年來(lái),面向對象技術(shù)無(wú)論是在理論上還是實(shí)踐上都在飛速地發(fā)展。面向對象技術(shù)中最重要的就是“對象”的概念。這種“對象”具有一定的屬性和方法,這里的屬性指對象本身的各種特性參數。一個(gè)具體的對象可以有許多的屬性和方法,面向對象技術(shù)的重要特點(diǎn)就是對象的封裝性,對于外界而言,并不需要知道對象有哪些屬性,也不需要知道對象本身的方法是如何實(shí)現的,而只需要調用對象所提供的方法來(lái)完成特定的功能。面向對象技術(shù)有以下的優(yōu)點(diǎn):維護簡(jiǎn)單，模塊化是面向對象編程中的一個(gè)特征，實(shí)體被表示為類(lèi)和同一名字空間中具有相同功能的類(lèi),可以在名字空間中添加一個(gè)類(lèi)而不會(huì )影響該名字空間的其它成員；可擴充性，面向對象編程從本質(zhì)上支持擴充性，如果有一個(gè)具有某種功能的類(lèi),就可以很快地擴充這個(gè)類(lèi),創(chuàng )建一個(gè)具有擴充的功能的類(lèi)；代碼重用，由于功能是被封裝在類(lèi)中的,并且類(lèi)是作為一個(gè)獨立實(shí)體而存在的,提供一個(gè)類(lèi)庫就比較簡(jiǎn)單了。

　　藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )中，信息交互和控制中心是藍牙通信控制器。將面向對象技術(shù)應用于藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )，就是在設計藍牙通信控制器時(shí)，將程序中的對象與外部的應用對象實(shí)體相對應，通過(guò)建立程序對象與外部世界對象之間的對應關(guān)系以及程序中的函數與外部世界的過(guò)程之間的對應關(guān)系，可以為開(kāi)發(fā)者提供方便的開(kāi)發(fā)途徑。面向對象技術(shù)與分布式家居網(wǎng)絡(luò )系統的結合點(diǎn)就是端口對象通信模型。

　　在端口對象通信機制里，其通信的基本單位是端口對象PO(Port Object)。一個(gè)典型的PO對象如圖2所示。

　　端口是端口對象之間信息交流的通道,按其功能可以分為三種類(lèi)型: 即變量輸入輸出端口,它是端口對象間交換操作所需數據信息的接口；參數輸入輸出端口，它是端口對象間交換參數配置的接口，是系統動(dòng)態(tài)重構的基礎。消息輸入輸出端口，它是一個(gè)特殊的端口，是端口對象之間相互調用有關(guān)操作的接口。端口對象在本質(zhì)上是一個(gè)消息處理機，它對由消息輸入端口輸入的消息作出響應，即調用相關(guān)操作，同時(shí)又可通過(guò)消息輸出端口輸出相應的消息以調用其它端口對象的操作。一個(gè)端口對象有多個(gè)內部狀態(tài)和操作，其操作的調用遵循消息驅動(dòng)的原則。但相對于其它對象而言，只有其外部端口是可見(jiàn)的。每個(gè)端口對象均屬于某一個(gè)特定的端口對象類(lèi)，該類(lèi)中所有對象均具有相同的內部運行框架。端口對象支持繼承機制，即子類(lèi)可以繼承父類(lèi)的所有屬性和操作，同時(shí)還可以有自己特有的屬性和操作。

　　在藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )中，藍牙通信控制器是具有藍牙功能的處理器，它采用單任務(wù)多線(xiàn)程并發(fā)執行模型，即單個(gè)應用程序可以劃分為幾個(gè)獨立的任務(wù)，每個(gè)處理器上分配一個(gè)任務(wù)，但每個(gè)任務(wù)可以按照需要創(chuàng )建多個(gè)線(xiàn)程，分布在多個(gè)處理器上的多個(gè)線(xiàn)程相互作用，共同完成某一應用。線(xiàn)程之間通過(guò)共享對象進(jìn)行通信。共享對象可以被任意藍牙通信控制器上的線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)，對該對象的訪(fǎng)問(wèn)(不包括對該對象的本地訪(fǎng)問(wèn))稱(chēng)為模塊間連接；而模型中的局部對象只能由本地藍牙通信控制器上的線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)，對局部對象的訪(fǎng)問(wèn)(包括對共享對象的本地訪(fǎng)問(wèn))稱(chēng)為模塊內連接。只有發(fā)生模塊間連接時(shí)，藍牙通信控制器之間才相互通信，從而減小了空中通信量。對于模塊內連接，由于各模塊支持并行處理，大大增加了處理效率。

　　藍牙通信控制器是藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )的核心，針對上述端口對象通信模型，通過(guò)藍牙通信控制器來(lái)實(shí)現通信。藍牙通信控制器之間通信模型如圖3所示。

　　面向對象的藍牙通信控制器主要由3層組成：硬件層，協(xié)議層，應用層。硬件層主要完成一些依賴(lài)于硬件的功能，包括無(wú)線(xiàn)信號收發(fā)、編解碼等功能。端口對象通信機制將系統的硬件細節與上層的核心部分相隔離，當系統底層的硬件發(fā)生變化的時(shí)候，只需更改底層的硬件驅動(dòng)，增強了系統的可移植性。協(xié)議層遵循藍牙核心協(xié)議和藍牙分布式智能家居網(wǎng)絡(luò )所對應的協(xié)議子集(包括OBEX等)參考模型標準。應用層是實(shí)現分布式的關(guān)鍵?；诙丝趯ο蟮耐ㄐ艡C制在該層實(shí)現。

　　應用層主要由端口對象管理器、對象列表、過(guò)程接口、本地過(guò)程調用和遠程過(guò)程調用模塊組成。其結構如圖4所示。端口對象管理器的任務(wù)是完成對端口對象的創(chuàng )建、刪除、定位等管理工作，并為系統提供名字服務(wù)。過(guò)程接口是用戶(hù)過(guò)程與應用層的接口，無(wú)論用戶(hù)的過(guò)程調用是遠程的或是本地的，對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是相同的。對調用的區分由過(guò)程接口來(lái)完成。它首先訪(fǎng)問(wèn)對象列表判斷調用的類(lèi)型，再將該過(guò)程調用送到不同的過(guò)程調用模塊去處理。本地過(guò)程調用模塊處理模塊內連接，它直接將本地調用轉由本地執行并返回結果；只有那些模塊間連接才由遠程調用模塊負責。遠程調用模塊負責將消息包裝，與協(xié)議層進(jìn)行通信。

　　在藍牙通信控制器中，每個(gè)端口對象都有自己的名字和身份識別碼(ID號)，通過(guò)名字或ID都可以查詢(xún)到該端口對象的相應信息。在系統初始化的時(shí)候，在每個(gè)藍牙通信控制器上都由端口對象管理器建立端口對象列表，該列表包括局部對象列表和共享對象列表。對象列表保存了所有對象的名字和ID號的映射關(guān)系及其狀態(tài)。對象的狀態(tài)由系統動(dòng)態(tài)更新。為了維護數據的一致性，在共享對象創(chuàng )建、刪除和更新時(shí)，藍牙通信控制器必須廣播該消息，以使共享對象表保持一致。在藍牙通信控制器中，無(wú)論是本地對象還是遠程對象，都通過(guò)統一的過(guò)程接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。過(guò)程接口通過(guò)查找對象表可以得到對象的ID號，通過(guò)ID號可以定位該對象的位置。若該對象位于本地，則過(guò)程接口將該進(jìn)程傳至本地過(guò)程調用模塊，由該模塊直接調用相應過(guò)程，并將結果通過(guò)過(guò)程接口返回用戶(hù)調用。若該對象為遠程對象，過(guò)程接口將該進(jìn)程傳至遠程過(guò)程調用模塊，由遠程過(guò)程調用模塊將相關(guān)參數包裝，發(fā)送到遠程藍牙通信控制器，然后掛起等待遠程藍牙通信控制器的應答；遠程藍牙通信控制器在接收到請求后，通過(guò)協(xié)議層將消息上傳至位于遠程藍牙通信控制器內的遠程過(guò)程調用模塊，將消息解包后，由遠程模塊的過(guò)程接口調用位于遠程模塊上的本地過(guò)程，處理完成后再將結果打包后回傳給請求結點(diǎn)。請求結點(diǎn)在收到消息后，返回給調用進(jìn)程就可以結束掛起狀態(tài)，繼續執行了。在運行過(guò)程中，對象的狀態(tài)需動(dòng)態(tài)更新，這樣雖然會(huì )增加額外的通信開(kāi)銷(xiāo)，但是在共享對象狀態(tài)需要頻繁訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，系統只需訪(fǎng)問(wèn)本地對象列表中的共享對象狀態(tài)即可，無(wú)需發(fā)起通信過(guò)程。

結語(yǔ)

　　自上世紀末藍牙技術(shù)面世以來(lái)，藍牙技術(shù)的研究和藍牙產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)引起了全世界的關(guān)注。將藍牙技術(shù)應用于智能家居網(wǎng)絡(luò )的研究也日漸興起，由于家居設備安裝的隨機性，分布式藍牙家居網(wǎng)絡(luò )解決了藍牙家居設備上網(wǎng)的“即插即用”問(wèn)題。然而，由于藍牙技術(shù)和分布式處理的一些固有特性，影響了分布式藍牙智能家居網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸、處理速率和安全性。本文針對這些問(wèn)題，將面向對象技術(shù)應用于分布式藍牙智能家居網(wǎng)絡(luò )的核心—藍牙通信控制器，建立了通信及處理機制模型，分析表明該方案解決了分布式藍牙智能家居網(wǎng)絡(luò )的處理速率和安全問(wèn)題，這將有助于推進(jìn)分布式藍牙智能家居網(wǎng)絡(luò )的進(jìn)一步發(fā)展?！?/P>

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