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    蓝牙技能在智能家居中的应用作者: 李 岩 马 斌 陆 平   概括      随着电子信息技能和计算机网络技能的发展,实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。住宅智能化是人类住宅的又一场新的革命,它可以为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式,是未来居住模式的必然发展趋势。随之而来,智能家居系统也在逐步成为一个新兴的研讨领域。
  那么何谓“智能家居”呢?所谓的“智能家居” (Smart Home),又称智能住宅,通俗地说,它是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的舒适、平安、便利、环保的居住环境。
  在智能家居系统中,无线网络技能应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势,这不但仅因为无线网络能够提供更大的灵活性、流动性,省去了花在综合布线上的费用和精力,而且它更适合于家庭网络的通信特点,同时随着无线网络技能的进一步发展,也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。
  目前,无线网络技能主要可分为IrDA红外线技能、IEEE802.11b协议技能、Home RF协议和蓝牙技能。红外IrDA技能虽然实现成本很低,但必须直线视距连接,限制太大,并不符合我们常常意义上的家庭网络;802.11b的传输速率高、连接设备多,但其射频和基带协议更复杂,实现成本高,难以进入平民家庭,其功耗大、抗干扰性和平安性也不及蓝牙。Home RF抗干扰性和平安性也不及蓝牙且其无法用芯片或模块实现,成本比蓝牙高。蓝牙技能属于IEEE802.15协议,作为一种低功耗,低数据速率、低成本的技能,相当符合于家庭自动化、平安保障系统及进行低数据率传输的低成本设备之间使用。蓝牙技能是很适合信息家电发展的优选技能,很符合家居智能化的要求。
  蓝牙技能
  蓝牙技能是由蓝牙SIG(Special Interest Group)结合制定的近距离无线通讯技能标准,其目的是实现最高数据传输速率1 Mb/s(有效数据传输速率是721 kb/s)、最大传输距离为10米的无线通讯。1998年5月,爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔等五家著名厂商在结合开展短程无线通讯技能的标准化活动时提出了蓝牙技能(Bluetooth),其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技能。
  蓝牙技能具有以下几个特点:事务于2.4GHz的ISM频段,无需申请频率许可证:选取1600hop/s的快速跳频技能;选取正向纠错编码(FEC)技能;选取FM调制方式,设备大略;支持点到点、点到多点通讯;协议体系完备,充分支持现有高层协议;设备体积小,便于携带或移动,成本低廉。基于蓝牙技能的家居智能网络是用近距离的无线通讯技能取代线缆,构建智能化的无线家居网络。
  蓝牙选取快速跳频和时分多址等无线技能来代替电缆,提供了一种低成本、低功耗的无线接入方法。同时蓝牙大略可靠的实现特性为其系统的发展提供了有力的支撑。蓝牙的应用范围相当广泛,在信息家电、移动电话,嵌入式应用开发等诸多领域得到重视。未来的信息家电将以Internet和家庭网络为基础,以无线连接实现双向传输,是具有智能的3c(计算机、通讯、消费)相联合的信息产品。在智能家庭网络中,蓝牙技能应用前景十分辽阔。
  
  蓝牙技能在智能家居中的应用
  
  1、系统组成结构
  基于蓝牙技能的智能家居系统,其硬件组成主要包括蓝牙模块、MCU、传感器网络和家庭计算机。整体构成如图1所示。从机由蓝牙模块、MCU、传感器组以及外部RAM等组成。考虑到电话普及率高以及不同家庭的需要,系统能够通过电话线或互联网与外界连接。其中与互联网连接能够通过嵌入式Modem直接连接,也能够通过家庭计算机与互联网连接,后者能够由家庭计算机保存数据以及进行传感网络的数据融合处理。
  
  图1主机框图所示的蓝牙模块主要用于与抑制中心交换数据和管理蓝牙网络链路:紧急开关供主人在室内遇到紧急情况时使用;存储器用于存储各种数据。从机组组成蓝牙传感网络,使数据采集和家庭安防监控灵活方便,摆脱了布线系统的束缚。用户能够通过互联网或电话抑制家里电器的运作并获得其运作信息。
  
  2、软件设计
  为了避免同频干扰的问题,系统选取时分TDMA(Time Division MuItiple Access)复用技能,把系统主机与任意一台从机之间的通讯选取时分的方式分开,主机通过扫描的方式与各从机进行点对点通讯。
  (1)无线通讯数据帧格式
  无线通讯协议的首要任务便是可以识别噪声和有效数据。本系统的通讯方式主要是蓝牙模块之间的无线通讯和主机与Pc机之间的串行通讯格式。图2所示的是系统的无线通讯数据格式。
  其中图2(a)是主机发送下令时的数据帧格式。常常连接传感器的从机处于“待命”状态,当接收到指引字时,各从机都筹备分析地址信息,若接收的地址信息与本机地址相符,则执行下令字,否则继续待命。在系统调试中发现OxFF后跟0XAA在噪声中出现的几率很小,所以,我们在传输协议的数据包前加“OxFF+0xAA”的指引字。接收协议约定只接收以OxFF后跟0xAA起初的数据包。
  
  图2(b)是主接收“三表”数据时的数据帧格式。需要抄表时,主机向从机发出“数据传输”下令和相应地址,从机受命后上传实时数据和本机地址,主机经校验后,若收到的上传地址与下传地址相符,则本次访问成功,所传数据有效并加以保存。数据包字节包括数据包的类型和长度。
  图2(c)是主机接收告警信息时的数据帧格式。告警信息能够由抑制中心通过公用电话网或互联网向设定的对象报警,并保存本次报警类型和地址。图2(d)和图2(e)分辨是蓝牙通讯中主机抑制器接口HCl的两种数据包的格式。
  (2)软件结构
  图3所示为主机主程序流程图。主机不但负责各种不同类型子网之间的协议转换,而且还要完成家居智能抑制和互联网接,入功能 它通过多种途径(互联网、有线电话、手机等)从多样的外部网络接收通讯信号 实现远程信息交互。
  
  图4为从机蓝牙数据处理程序流程图。初始化阶段,模块先发送HCI下令,实现蓝牙设备的复位、启动、地址查询、自动巡检和跳频算法等初始化操作,与主机建立蓝牙物理链路和L2CAP链路。蓝牙设备之间的无线数据通讯通过HCI分组来实现。初始化程序还要通过MCU对蓝牙设备发送下令分组。MCU每发送一个HCI下令分组后,都要接收从蓝牙设备返回的事件分组、判断下令、分析下令执行情况,直到完成初始化操作。
  
  图5所示是蓝牙ACL(AsynchronousConnection-less Link,异步非连接链路)通讯流程图。复位操作后使蓝牙主抑制器HCI、链路管理器和射频局部复位;读数据操作是读取发往HCI数据分组的最大长度和允许的数量;由定时抑制确定对蓝牙设备是否周期性寻呼扫描其他蓝牙设备或查询请求;数据流量抑制实现开启/关闭主机MCU到HCI方向的流量抑制。
  
  (3)数据包处理程序
  由于传感网络中除数字(开关)量传感器外,还有模拟量传感器,所以,数据在传送之前需要进行相应处理。需要将主要数据分割成一定格式的数据,并增加诸如纠错等一些额外的信息(开销比特),这个过程叫打包。解包是将有效的数据从噪声和随机数据中区别出来的过程。解包程序的好坏直接影响到系统识别有效数据的能力。解包程序应能有效地鉴别准确数据,降低误码率,提高系统通讯速率。数据发送、接收程序流程图如图6所示。
  
  (4)数据融合处理
  由于本系统监控中心通过蓝牙模块与无线传感网络相连接,需要处理的数据有上传的抄表数据、告警数据和下传的抑制下令。为了提高数据的正确度,降低误报率,本系统对所得数据进行分布式数据融合处理。
  对“三表”数据,各单传感器通过信号处理电路后,由Mcu先对所测数据进行预处理,然后将处理结果送到抑制中心存储,由家庭计算机进行融合运算。由于数据较为大略,因而选取传统的“近邻法(NN)”进行处理。当从机发现所测数据出现急剧变化时,则向主机发出提示信息,证明可能出现了漏电、漏水或煤气泄漏等现象,由主机“判决”并向主人发出提示信息。
  对平安防卫性传感器(如人体热释电传感器、红外传感器、门磁开关以及煤气、烟雾传感器等)所得数据,则由从机选取“门限法(GT)”进行融合预处理,然后由主机进行决策级融合处理,若判定为告警数据,则通过有线电话(也可通过移动电话)或互联网向所设定对象发出报警信息。
  
  结束语
  
  本文提出了一种基于蓝牙技能的智能家居的设计方案,利用该解决方案能够使数据采集和家庭安防监控灵活方便,摆脱了布线系统的束缚,同时蓝牙的跳频技能大大提高了系统的抗干扰能力。然而,目前蓝牙技能应用还存在不足,比如信道兼容性、可靠性和平安性欠缺,无法实现真正的“漫游”。只是,随着蓝牙技能的发展,组建家庭无线近距离网会越来越经济实用。
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