藍牙技術與智能家居研究論文

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1概述

伴隨著數字化和網絡化的進程，智能化浪潮席卷了世界的每一個角落，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，弱電線纜越來越多，如電話線、有線電視線、寬帶網絡線、防盜報警信號線等，帶來線纜多、亂的麻煩，因此，家庭弱電系統需要進行統一、規范的管理。然而，傳統家庭布線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，更無法滿足未來智能家居生活的更高要求。藍牙技術的出現，正發解決了這個問題，使智能家居中的無線控制成為可能。

2藍牙技術

2.1藍牙簡介

藍牙技術是Ericsson移動通信公司在1994年開始啟動的，其目的是實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的無線通信。

“藍牙（Bluetooth）是一個開放性的、短距離無線通信技術標準，也是目前國際上最新的一種公開的無線通信技術規范。它可以在較小的范圍內，通過無線連接的方式、安全、低成本、低功耗的網絡互聯，使得近距離內各種通信設備能夠實現無縫資源共享，也可以實現在各種數字設備之間的語音和數據通信。由于藍牙技術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通信設備，使設備去掉了連接電纜的不便，通過無線建立通信。

藍牙技術工作在全球通用的2.4GHzISM頻段。從理論上講，以2.4GHzISM頻段運行的技術能使用距30m以內的設備互相連接，但實際上很難達到?，F階段，藍牙的發射范圍可達10m，可以同時實現8臺設備的相互聯通。當檢測到距離小于10m時，接收設備可動態地調節功能；當業務量減小或停止時，藍牙設備即可進入低功耗工作模式。

2.2藍牙中的關鍵技術

2.2.1跳頻技術

藍牙工作的頻段是全球通用的2.4GHzISM頻段。該頻段對所有無線電系統都開放，因此，藍牙在使用過程中經常會遇到不可預測的干擾源，例如手機、無繩電話、微波爐等。這使得藍牙系統的傳送錯誤率遠遠高于實際應用水平，為此，采用跳頻技術是避免干擾的一項有效措施。

所謂跳頻技術，就是將整個頻帶分成若干跳頻信道（HopChannel）。在一次連接中，藍牙芯片所控制的收發器按照一定的碼序列，不斷地從一個信道跳轉到另一個信道；而接收方也是按照相同的跳轉規律進行通信。這實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行干擾的。跳頻的瞬時帶寬很窄，但通過擴展頻譜技術，可以使這個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

在藍牙技術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）和用于數據的自動請求重發（ARQ）方式。

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

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

2.2.3微微網

藍牙支持點對點和點對多點的通信，其最基本的網絡組成是微微網。微微網是通過藍牙技術連接起來的一種微型網絡，由一個主設備（Master）和若干個從設備（Slave）組成，且從設備最多為7臺。主設備負責通信協議的動作，而從設備則受控于主設備。一個微微網可以是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。

藍牙給每個微微網都提供了特定的跳轉模式，因此，它允許大量的微微網同時存在。同一區域內，多個微微網互聯形成了分散網。不同的微微網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

藍牙技術的無線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中顯得尤為重要。雖然藍牙系統所采用的跳頻技術已經提供了一定的安全保障，但藍牙技術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境，即藍牙系統每個單元中設備的匹配和加密規則都將以同樣的方法實現。在鏈路層，藍牙的使用四個參數來保證系統的安全性：每個用戶唯一的48位地址、用戶的128位驗證密鑰、用戶的8～128位加密密鑰、設備產生的一個128位隨機數RAND。

藍牙的低層安全是通過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，是藍牙系統中的關鍵部分，它允許用戶為個人的藍牙設備建立一個信任域。校驗器發送一個LMP-au-randPDU分組給請求者，該PDU（協議數據單元）分組含有一個隨機數。請求者根據獲取的分組計算出應答值，然后將應發回給校驗器，驗證應答值是否正確。

當兩臺設備無共用鏈接字時，則基于個人識別碼PIN和隨機數創建初始化字Kinit，這一過程為匹配。Kinit字在校驗器向請求者發出LMP-in-rand時創建，然后進行鑒權，共計算過程基于Kinit字，而不是鏈接字。通過鑒權后，鏈接字即被創建。

加密被用來保護連接中的個人信息，密鑰由程序的高層來管理。網絡傳送協議和應用程序，可以為用戶提供一個較強的安全機制，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，來決定什么時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（ComputerTechnology、Communicati

onTechnology和ControlTechnology），并結合信息家電的發展，為用戶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“在具有個性化的住宅家庭中，將多元網絡信息、多樣化的自動化控制以及節能環保等功能，整合到一體化的家庭智能信息管理與自動化監控平臺上”。

智能家居是將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術連接到一個家庭智能化系統上，進行集中的或異地的監視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環境的和諧與協調。這些功能都是通過家庭控制器來實現的。家庭控制器具有家庭總線系統，通過家庭總線系統提供各種服務功能，能和住宅以外的外部世界相連接。所以說，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，可以分為電話線、電源線、雙絞線、電纜和無線技術，其中無線方式是目前最熱門的發展方向。

4藍牙技術在智能家居系統中的應用

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

（1）家庭環境控制

智能家居的一個重要功能就是對居住環境的控制，即自動或遠程控制家庭的溫度、濕度、光照、空氣質量和熱水器等。如今，環境問題已經成為一個直接關系到人們身體健康，乃至生命安全的至關重要的問題，家庭環境也不容忽視。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、燃氣和供暖的定時開關等。可以自動關燈和關閉電器，節省開支；家中沒有人時，可以調節供暖的溫度；在電費較低的時段開啟電器。

（3）家庭流量計費

目前，大多數遠傳計量系統采用如下方式：在各個房間內的遠傳表，通過專用的布線系統連接至各個節點流量控制器，再匯總到物業管理中心進行上位管理。在智能家居系統中如果采用了藍牙技術，就會出現新的三表遠傳流量計費系統的局面。

通過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控制器之間的連線，使每個計量末端采用無線方式，降低系統由于線路損壞而帶來的系統故障，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舒適、安全、方便和高效率的生活環境。這就需要一個安全的家庭體系，其中既包括人身和家庭財產的安全，也包括家庭設備的安全。為了實現這種安全體系，需要配備相關的防衛措施，例如電子門禁、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、若報警，可按預先設置的若干個電話號碼，自動拔通進行報警，并報出家中具體是哪個系統報警了。

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

藍牙技術應用在智能家居中，具有高可靠性、低復雜度、低功耗、低成本的優點，但仍然有一些問題需要解決，如相鄰設備之間為防止信息誤傳和被截取，必須要用戶提前設置對應頻段；藍牙芯片的價格較高；藍牙模塊較難生產等。但相信，隨著藍牙網絡家電產品和網絡設備的出現，家居智能化的進一步普及，這些問題將逐漸被解決，而藍牙智能家居系統也將給未來的家庭生活帶來巨大的革命。