BLE技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用淺析

韓 丹 周祖榮

（青島科技大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266061）

0 引言

家居智能化系統(tǒng)，即智能家居系統(tǒng)的定義最早可以追溯到20世紀(jì)70年代的美國(guó)，在其后傳播到歐洲、日本等國(guó)，發(fā)展良好。而在我國(guó)，智能家居卻出現(xiàn)的比美國(guó)晚了20年。雖然這一概念推廣較晚，但是發(fā)展非常迅速，至今建成了相當(dāng)規(guī)模的智能化小區(qū)及自動(dòng)化住宅。智能家居是將通信技術(shù)、電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合并發(fā)展的產(chǎn)物。它可以自動(dòng)的控制和管理設(shè)備，同時(shí)也對(duì)家庭環(huán)境的安全進(jìn)行監(jiān)控，它可以為居民提供一個(gè)安全、舒適、高效、便利的生活和學(xué)習(xí)工作環(huán)境。通過(guò)無(wú)線或有線方式，以及遠(yuǎn)程或集中管理、監(jiān)控、維護(hù)家庭居住環(huán)境的協(xié)調(diào)并控制家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中的各種家庭通信和信息設(shè)備。與普通家具相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，還對(duì)周邊居住環(huán)境具有一定的認(rèn)知能力，從而進(jìn)一步優(yōu)化居民的生活質(zhì)量。

許多國(guó)家先后提出了不同的智能家居解決方案。現(xiàn)階段，智能化家居系統(tǒng)擁有的功能更加卓越和貼心。

1 藍(lán)牙技術(shù)

隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，信息化技術(shù)逐步的完善，各種通信手段日益增多。我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的藍(lán)牙就是一個(gè)實(shí)用的例子。所謂藍(lán)牙技術(shù)實(shí)際上是一種短距離無(wú)線電技術(shù)，利用藍(lán)牙技術(shù)能夠有效的簡(jiǎn)化掌上電腦、筆記本電腦和移動(dòng)電話手機(jī)等移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信開(kāi)拓道路。說(shuō)的通俗一點(diǎn)，就是藍(lán)牙技術(shù)使得現(xiàn)代一些方便攜帶的移動(dòng)通信設(shè)備和電腦設(shè)備，不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線上因特網(wǎng)，其實(shí)際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車等信息家電，組成一個(gè)巨大的通信網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙技術(shù)屬于一種短距離、低成本的無(wú)線連接技術(shù)，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)拈_(kāi)放性方案。

2 BLE(Bluetooth Low Energy)技術(shù)

藍(lán)牙4.0協(xié)議是2010年6月由SIG（Special Interest Group）發(fā)布的最新標(biāo)準(zhǔn)，其中包含傳統(tǒng)的Bluetooth（藍(lán)牙）、Bluetooth+HS(高速藍(lán))和Bluetooth Low Energy（低功耗藍(lán)牙簡(jiǎn)稱BLE）。

2.1 BLE技術(shù)簡(jiǎn)介

低功耗藍(lán)牙的最大特點(diǎn)是功耗低，因此，它可以利用一節(jié)紐扣電池便可以使用幾個(gè)月甚至幾年，正是因?yàn)檫@一特性，使得它被廣泛應(yīng)用于：藍(lán)牙健康檢測(cè)儀（包括藍(lán)牙血壓計(jì)、藍(lán)牙血糖儀等）、藍(lán)牙運(yùn)動(dòng)器材等。它分為dual-mode雙模設(shè)備和single-mode單模設(shè)備。dualmode雙模設(shè)備簡(jiǎn)單說(shuō)就是向下兼容，而single-mode單模設(shè)備僅僅支持BLE。

2.2 BLE 協(xié)議棧簡(jiǎn)介

BLE協(xié)議棧如圖1所示：

PHY物理層在2.4GHz的ISM頻率段中跳頻識(shí)別。

LL鏈路層：用來(lái)控制設(shè)備的狀態(tài)。

BLE設(shè)備可能的五種狀態(tài)：standby就緒，advertising廣播，scanning搜索，initiating初始化和connected連接。廣播（advertising）設(shè)備發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，使得搜索設(shè)備可以接收到并發(fā)現(xiàn)設(shè)備。初始者（initiator）就是一個(gè)對(duì)廣播者回復(fù)連接請(qǐng)求的設(shè)備，收到廣播信號(hào)后將連接請(qǐng)求反饋到廣播者，如果廣播者接受請(qǐng)求，廣播者與初始者就會(huì)進(jìn)入連接（connected）狀態(tài)。每一個(gè)處于連接狀態(tài)的設(shè)備會(huì)有一個(gè)角色：主機(jī)（master）和從機(jī)（slave）。初始化這個(gè)連接的為主機(jī)，接受這個(gè)連接請(qǐng)求的為從機(jī)。

HCI（Human-computer Interaction 人機(jī)交互）層為主機(jī)（host）和控制器（controller）之間通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信提供了一些方法。實(shí)現(xiàn)這一層可以通過(guò)一個(gè)軟件API或者是硬件接口UART，SPI和USB。L2CAP為上層數(shù)據(jù)提供打包服務(wù)。

SM：此層包含了建立連接和KEY的方法。

GAP：此層直接與profile層和app層進(jìn)行交互，提供設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和連接相關(guān)的服務(wù)和初始化安全服務(wù)。

ATT協(xié)議作用是讓一個(gè)設(shè)備去顯示數(shù)據(jù)，其他設(shè)備對(duì)應(yīng)的稱之為“Attribute屬性”，在ATT中，顯示這些屬性的設(shè)備被稱為服務(wù)端(server),同等的另一個(gè)設(shè)備稱之為客戶端（client）。這類似于LL層的master和slave，但是和ATT層的這兩個(gè)狀態(tài)沒(méi)有關(guān)聯(lián)。

GATT層：此層可以看作一個(gè)服務(wù)框架，ATT應(yīng)用的子程序在這里被定義，profile的結(jié)構(gòu)在這里聲明。在BLE協(xié)議棧中，由profile或者是相關(guān)服務(wù)所使用的所有類型的數(shù)據(jù)都稱為字符（characteristic）。由于相互連接的兩臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換都需經(jīng)過(guò)GATT子程序處理，所以應(yīng)用（app）和profile會(huì)直接使用GATT。

開(kāi)發(fā)BLE應(yīng)用（app），只需操作GAP和GATT兩層就夠了，其中GATT用來(lái)數(shù)據(jù)傳送，GAP用來(lái)建立連接。

2.3 TICC2541BLE 芯片系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)以上所述的BLE通用協(xié)議棧的概述，不同公司所生產(chǎn)的不同芯片、模組所使用的系統(tǒng)架構(gòu)略有區(qū)別，目的為了減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率。開(kāi)發(fā)人員在熟悉其系統(tǒng)架構(gòu)后，僅需將開(kāi)發(fā)的應(yīng)用在其系統(tǒng)上進(jìn)行部署就可使用，從而提高了了應(yīng)用的邏輯性。

HAL硬件抽象層是用來(lái)抽象硬件資源，并通知給軟件。它的作用類似于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的硬件資源的h頭文件。當(dāng)新的硬件平臺(tái)完成后，只是修改HAL，無(wú)法修改HAL之上的堆棧協(xié)議。從而實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的低耦合，因此該軟件無(wú)需更改或很少修改便可應(yīng)用到其他硬件，如此方便了硬件改造、升級(jí)和遷移后軟件的移植。

OSAL是其調(diào)度核心，其中BLE協(xié)議棧、profile定義、所有的應(yīng)用都圍繞它來(lái)實(shí)現(xiàn)。OSAL并非和傳統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)相同，它其實(shí)是一個(gè)允許軟件建立和執(zhí)行事件的程序循環(huán)。

3 智能家居控制中心

本課題設(shè)計(jì)的新型智能家居控制中心是一款以ARM嵌入式微處理器為核心，通過(guò)建立手機(jī)BLE連接獲取控制信息，和家庭內(nèi)部智能家居進(jìn)行構(gòu)建不同種類的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的控制，可以分為室內(nèi)控制和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為硬件和軟件兩大部分：硬件部分包括以ARM微處理器作為智能家居系統(tǒng)的中央控制器、處理模塊和各種功能的實(shí)現(xiàn)模塊；軟件部分包括移植嵌入式μC/OSII操作系統(tǒng)和編寫(xiě)數(shù)據(jù)傳輸程序的應(yīng)用原件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

從總體結(jié)構(gòu)可以看出，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能為：在室內(nèi)時(shí)，用戶通過(guò)手機(jī)APP，利用手機(jī)中的BLE功能模塊與中央控制器的BLE模塊建立連接，發(fā)送控制智能家居的指令實(shí)現(xiàn)控制智能家居；在室外時(shí)，用戶通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)給與控制中心建立連接的手機(jī)發(fā)送控制智能家居的指令，收到指令后智能手機(jī)的APP解析并發(fā)送至中央控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的控制。ARM中央處理器收到BLE模塊轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的用戶指令后，解析請(qǐng)求發(fā)送給相應(yīng)的模塊芯片，各模塊芯片接收指令與相應(yīng)的智能家居建立無(wú)線通訊，完成控制過(guò)程。

4 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)前幾部分的詳細(xì)介紹，基于嵌入式系統(tǒng)智能家居控制中心就構(gòu)建完成了?，F(xiàn)將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各部分軟硬件進(jìn)行測(cè)試，以檢測(cè)用戶能否使用手機(jī)通過(guò)app建立BLE連接到附件從而達(dá)到控制智能家居系統(tǒng)的項(xiàng)目要求。整體平臺(tái)的完整實(shí)物圖如圖4所示。

我們用一部智能手機(jī)裝入已經(jīng)編寫(xiě)的APP，用海爾的智能燈433MHz和Zigbee兩盞進(jìn)行測(cè)試。手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙與其BLE模塊進(jìn)行通信，最終成功的控制了不同智能燈的開(kāi)關(guān)和亮滅，從而證明了系統(tǒng)的可行性和可靠性。

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