基于藍(lán)牙技術(shù)的智能家居研究

摘 ?要：近年來(lái)信息技術(shù)在民用領(lǐng)域取得飛速發(fā)展，各種智能家居產(chǎn)品紛紛出現(xiàn)，為我們提供了舒適、便捷、健康、安全、低碳的生活。本文簡(jiǎn)要介紹了什么是藍(lán)牙技術(shù)以及它的技術(shù)特點(diǎn)，智能家居的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景，總結(jié)了藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)和不足。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙技術(shù);智能家居;自動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5;TN925 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jì)90年代開(kāi)始，伴隨著各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)不斷成熟運(yùn)用，人們的通訊方式變得越來(lái)越方便。藍(lán)牙作為其中一種極其優(yōu)秀的小范圍無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，因?yàn)槠渚哂腥蚪y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率快，安全性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越多的重視。未來(lái)在自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)支持下，智能家居功能將不斷完善，逐步取代傳統(tǒng)功能單一的家電設(shè)備，成為社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。而以藍(lán)牙技術(shù)為核心的無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)，則會(huì)成為智能家居設(shè)備互相連接的橋梁。

1 ?藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 ?技術(shù)原理

藍(lán)牙是一種開(kāi)放的無(wú)線(xiàn)電射頻技術(shù)，工作頻段選在的2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）頻段，這是一個(gè)開(kāi)放的頻段無(wú)須申請(qǐng)就可以使用。藍(lán)牙3.0將頻段劃分成79個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬1MHz，藍(lán)牙4.0則是把頻段劃分成40個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬2MHz，信道數(shù)量雖然少了，傳輸速率卻得到了成倍地增加。早期藍(lán)牙受發(fā)射功率影響有效通訊距離大約為10～100m，下一代藍(lán)牙5.0可以突破300m。

1.2 ?關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 ?跳頻技術(shù)

由于2.4GHz的ISM頻段是一個(gè)開(kāi)放的通用頻段，生活中使用這個(gè)頻段的設(shè)備非常普遍，因此，在傳輸過(guò)程中會(huì)遇到各種各樣的干擾源，例如：手機(jī)、微波爐、無(wú)線(xiàn)路由器等。為減少藍(lán)牙傳輸中的由于干擾造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，采用跳頻技術(shù)是一個(gè)有效的解決辦法。

跳頻技術(shù)是在每一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，藍(lán)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(gè)信道上收發(fā)一段數(shù)據(jù)，而后同時(shí)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)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(wú)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(cuò)誤，提高傳輸效率和穩(wěn)定性。

1.2.2 ?糾錯(cuò)技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)使用三種糾錯(cuò)方案：1/3前向糾錯(cuò)（FEC）、2/3前向糾錯(cuò)和自動(dòng)重發(fā)（ARQ）技術(shù)。前向糾錯(cuò)是使用糾錯(cuò)碼對(duì)信息進(jìn)行冗余編碼，接收方可以通過(guò)這些糾錯(cuò)碼糾正傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤，不需要反向請(qǐng)求數(shù)據(jù)重傳。加入了糾錯(cuò)碼后會(huì)增加信息長(zhǎng)度，占用額外的資源，但對(duì)應(yīng)保證通信的準(zhǔn)確性是必要的。通常在信道的噪聲干擾比較大時(shí)，藍(lán)牙系統(tǒng)會(huì)使用前向糾錯(cuò)方案，以降低干擾造成的影響，保證通信質(zhì)量。自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)是接收端進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤自動(dòng)請(qǐng)求發(fā)送端重發(fā)，直到接收到正確數(shù)據(jù)為止的差錯(cuò)控制技術(shù)。

1.2.3 ?一對(duì)多通信

藍(lán)牙技術(shù)除了支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，還支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，可以用來(lái)組建無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（WPAN）。利用藍(lán)牙連接的無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)由一個(gè)主控設(shè)備和若干個(gè)受控設(shè)備組成。主控設(shè)備在通信過(guò)程中負(fù)責(zé)運(yùn)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(cuò)，每次通信過(guò)程中所有設(shè)備都采用相同的跳轉(zhuǎn)規(guī)律。不同的無(wú)線(xiàn)個(gè)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(gè)不同的無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)同時(shí)存在，它們之間互相獨(dú)立，不會(huì)出現(xiàn)交叉?zhèn)鬏敗?/p>

1.2.4 ?安全策略

無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中會(huì)向四周發(fā)送無(wú)線(xiàn)電波，這就非常容易受到攻擊和監(jiān)聽(tīng)，使用安全機(jī)制是保護(hù)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(kāi)的，只要對(duì)所有信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)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。在鏈路層，藍(lán)牙使用128位密鑰的加密技術(shù)，這樣就非常難以破解;在應(yīng)用層，所有連接都需要認(rèn)證和加密，在認(rèn)證、加密和授權(quán)完成之前不允許發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

1.3 ?藍(lán)牙技術(shù)存在的問(wèn)題

無(wú)線(xiàn)通信都會(huì)存在一些問(wèn)題，藍(lán)牙作為開(kāi)放的通信技術(shù)問(wèn)題就顯得更加突出。例如：無(wú)線(xiàn)跳頻技術(shù)已不能阻止竊聽(tīng)和截取;128位加密密鑰雖然不容易破解，但在使用過(guò)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(yùn)用，這些信號(hào)交叉在一起就不可避免的產(chǎn)生干擾，即使在安全機(jī)制的保障下不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，也會(huì)降低傳輸速率。

2 ?智能家居系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 ?智能家居的定義

智能家居是指在住宅內(nèi)部，把看似無(wú)關(guān)的生活設(shè)施（各類(lèi)家電設(shè)備、音視頻設(shè)備、安全防范設(shè)備、計(jì)量設(shè)備等）通過(guò)綜合布線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)集成為一體，通過(guò)高效的管理系統(tǒng)，構(gòu)建安全、便捷、舒適、環(huán)保的居住環(huán)境，因此又稱(chēng)智能住宅。

2.2 ?智能家居的結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含控制管理系統(tǒng)、綜合布線(xiàn)系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、照明及控制系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、音視頻多媒體系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)等。

控制管理系統(tǒng)是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收用戶(hù)的指令并下發(fā)給其他子系統(tǒng);家居布線(xiàn)系統(tǒng)包括電話(huà)線(xiàn)、有線(xiàn)電視、寬帶等，是系統(tǒng)的神經(jīng)，負(fù)責(zé)指令和數(shù)據(jù)的傳輸;聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)讓你不論在任何地方都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)遠(yuǎn)程控制家里的電器;照明及控制系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、音視頻多媒體系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)帶給你舒適、便捷、安全、環(huán)保的居住體驗(yàn)。

2.3 ?藍(lán)牙技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

藍(lán)牙模塊具有成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率快、性能相對(duì)可靠性等特點(diǎn)，使得社會(huì)上出現(xiàn)了各類(lèi)使用藍(lán)牙技術(shù)的智能家居設(shè)備，并開(kāi)始被人們所接受，這為其以后的發(fā)展打下了有利的基礎(chǔ)。

2.3.1 ?家庭環(huán)境控制

如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，人們生活水平不斷提升，居住環(huán)境因?yàn)橹苯雨P(guān)系到人們的身體健康，生活體驗(yàn)，乃至生命安全等，已得到全社會(huì)越來(lái)越多的關(guān)注。智能家居首要的作用就是實(shí)現(xiàn)對(duì)居住環(huán)境的控制，植入了藍(lán)牙芯片的環(huán)境監(jiān)控設(shè)備可以實(shí)時(shí)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(shí)自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)降溫;燃?xì)庑孤r(shí)第一時(shí)間自動(dòng)打開(kāi)窗戶(hù)通風(fēng)，并開(kāi)啟報(bào)警系統(tǒng)通知住宅內(nèi)的人員撤離。

2.3.2 ?家庭資源管理

家居管理控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)住宅內(nèi)是否有人，沒(méi)人的時(shí)候自動(dòng)關(guān)閉水、電、燃?xì)獾群哪茉O(shè)備，等人回來(lái)時(shí)再按需要開(kāi)啟，達(dá)到節(jié)省資源的目的。

2.3.3 ?家庭流量計(jì)費(fèi)

目前，雖然大多數(shù)計(jì)量系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表，其實(shí)原理都是通過(guò)232或485控制線(xiàn)把計(jì)量表連接至各個(gè)節(jié)點(diǎn)，再匯總到一起進(jìn)行統(tǒng)一管理。如果把藍(lán)牙芯片置入水表、電表、燃?xì)獗碇?，就可以去掉這條控制線(xiàn)，把原來(lái)的有線(xiàn)連接變成無(wú)線(xiàn)連接，從而消除由于線(xiàn)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。

2.3.4 ?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(yàn)。這就提出了一個(gè)很高的安全要求：既要保證居民的人身和財(cái)產(chǎn)的安全，又要保障家居設(shè)備的完好。為了達(dá)到這種安全要求，需要配置相關(guān)的安防設(shè)備和處置措施，例如：電子門(mén)禁、語(yǔ)音對(duì)講、防盜報(bào)警、視頻監(jiān)控、消防系統(tǒng)，如果這些設(shè)備都支持藍(lán)牙聯(lián)網(wǎng)，有人非法闖入時(shí)，智能家居控制管理系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別闖入者的身份，推送視頻監(jiān)控給住宅的主人，啟動(dòng)報(bào)警裝置對(duì)闖入者進(jìn)行恐嚇，保存監(jiān)控錄像作為證據(jù);發(fā)生火災(zāi)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)消防系統(tǒng)滅火，報(bào)警通知住宅內(nèi)的人員撤離;而在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，控制管理系統(tǒng)也能及時(shí)檢測(cè)到，然后通知主人進(jìn)行維修或更換。

2.4 ?智能家居的現(xiàn)狀

智能家居從上世紀(jì)90年代開(kāi)始出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)緩慢發(fā)展，自2014年以后進(jìn)入爆發(fā)發(fā)展期，各大廠(chǎng)商密集布局智能家居，紛紛推出自己的產(chǎn)品，在為人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也出現(xiàn)了不少的問(wèn)題：一是各個(gè)廠(chǎng)商技術(shù)水平高低不同，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品也參差不齊;二是不同廠(chǎng)家之間的產(chǎn)品兼容性和互聯(lián)互通性不夠完善;三是操作復(fù)雜，對(duì)于沒(méi)有專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人，尤其是老人和小孩來(lái)說(shuō)，使用起來(lái)很不方便;四是價(jià)格較高，難以引起普通民眾的關(guān)注。

由于這些問(wèn)題，智能家居尚未得到普及應(yīng)用和消費(fèi)者的認(rèn)可，目前比較受歡迎的只有安防系統(tǒng)，而在智能家電、家庭網(wǎng)絡(luò)、家庭自動(dòng)化方面，距離普及仍有一定的距離。

3 ?結(jié) ?論

隨著人們生活水平的不斷提高和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居已經(jīng)成為未來(lái)居民生活的發(fā)展方向。隨著市場(chǎng)的不斷深入發(fā)展，政府將制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決目前產(chǎn)品雜亂和不兼容的問(wèn)題;受惠于人工智能的發(fā)展，未來(lái)智能家居產(chǎn)品使用會(huì)越來(lái)越簡(jiǎn)單和人性化;形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈以后，制造成本和價(jià)格也會(huì)降低。這些問(wèn)題的解決，將會(huì)給智能家居帶來(lái)巨大的市場(chǎng)空間，相信不久的將來(lái)，智能家居行業(yè)將成為主流行業(yè)之一，帶給人們舒服、高效、安全、便捷、環(huán)保的生活。

藍(lán)牙技術(shù)作為智能家居的一項(xiàng)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(shì)，相比Wi-Fi、ZigBee技術(shù)，藍(lán)牙無(wú)疑是智能家居無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)和自動(dòng)化控制的最佳選擇。

不過(guò)，藍(lán)牙技術(shù)在應(yīng)用上也有一些問(wèn)題需要解決，如傳輸過(guò)程中容易受墻壁，家具的阻擋;組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不夠大。不過(guò)這些問(wèn)題并不會(huì)阻礙智能家居的發(fā)展，反而會(huì)促使人們不斷深入的研究。相信在不久的將來(lái)，藍(lán)牙智能家居系統(tǒng)必將是家庭生活的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 傅劍虹，汪敏，朱俊.基于藍(lán)牙技術(shù)家庭網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)現(xiàn) [J].計(jì)算機(jī)工程，2004（3）：125-126+135.

[2] 李元建.藍(lán)牙與智能家居 [J].電子技術(shù)，2007（2）：5-7.

[3] 陳良銀，李志蜀，劉軼，等.智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（1）：108-111.

[4] GilHeld，赫爾德.無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：藍(lán)牙、WAP和WLAN [M].北京：人民郵電出版社，2001.

作者簡(jiǎn)介：李東（1985.04-），男，漢族，湖南永州人，本科，研究方向：信息工程、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。