蓝牙关键技术与智能家居

摘要：蓝牙技术是一种短距离的无线连接技术，智能家居系统是整个未来智能小区系统的重要组成部分。在分析蓝牙技术的基础上，探讨蓝牙技术在智能家居系统中的应用。 关键词：蓝牙技术 微微网 智能家居系统 1 概述 伴随着数字化和网络化的进程，智能化浪潮席卷了世界的每一个角落，成为势不可挡的历史大趋势，其中正在兴起的智能家居建设热潮，就是在这种形势下应运而生的。 但是现代家庭中，弱电线缆越来越多，如电话线、有线电视线、宽带网络线、防盗报警信号线等，带来线缆多、乱的麻烦，因此，家庭弱电系统需要进行统一、规范的管理。然而，传统家庭布线方式因为施工不规范、维护和使用方便等因素，已不能适应当前家庭装修的需要，更无法满足未来智能家居生活的更高要求。蓝牙技术的出现，正发解决了这个问题，使智能家居中的无线控制成为可能。 2 蓝牙技术 2.1 蓝牙简介 蓝牙技术是Ericsson移动通信公司在1994年开始启动的，其目的是实现最高数据传输速率1Mb/s（有效传输速率为721kb/s）、最大传输距离为10m的无线通信。 “蓝牙（Bluetooth）是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，也是目前国际上最新的一种公开的无线通信技术规范。它可以在较小的范围内，通过无线连接的方式、安全、低成本、低功耗的网络互联，使得近距离内各种通信设备能够实现无缝资源共享，也可以实现在各种数字设备之间的语音和数据通信。由于蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中，因此，特别选用于小型的移动通信设备，使设备去掉了连接电缆的不便，通过无线建立通信。 蓝牙技术工作在全球通用的2.4GHz ISM频段。从理论上讲，以2.4GHz ISM频段运行的技术能使用距30m以内的设备互相连接，但实际上很难达到。现阶段，蓝牙的发射范围可达10m，可以同时实现8台设备的相互联通。当检测到距离小于10m时，接收设备可动态地调节功能；当业务量减小或停止时，蓝牙设备即可进入低功耗工作模式。 2.2 蓝牙中的关键技术 2.2.1 跳频技术 蓝牙工作的频段是全球通用的2.4GHz ISM频段。该频段对所有无线电系统都开放，因此，蓝牙在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源，例如手机、无绳电话、微波炉等。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用水平，为此，采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。 所谓跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道（Hop Channel）。在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接收方也是按照相同的跳转规律进行通信。这实际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了接收双方的切换信道干什么，否则，从理论上计野外法完整获得信息的，而干扰源也是不可能按同样的规律进行干扰的。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍地扩展成宽频带，使被干扰的可能性变得很小，由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性。 2.2.2 纠错技术 在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码（1/3FEC）、2/3比例前向纠错码（2/3FEC）和用于数据的自动请求重发（ARQ）方式。 1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3比例前向纠错码是一种（15，10）精简的汉明码表示方法，用于部分分组。 使用ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端反回确认信息；否则，返回一个错误信息。 2.2.3 微微网 蓝牙支持点对点和点对多点的通信，其最基本的网络组成是微微网。微微网是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络，由一个主设备（Master）和若干个从设备（Slave）组成，且从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作，而从设备则受控于主设备。一个微微网可以是2台相连的设备，也可以是8台连在一起的设备，所有设备单元均采用同一跳频序列。主从设备的拓扑结构如图1所示。 蓝牙给每个微微网都提供了特定的跳转模式，因此，它允许大量的微微网同时存在。同一区域内，多个微微网互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。 2.2.4 安全性 蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此，安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但蓝牙技术仍然需要在应用层和链路层上提供安全措施。该措施将用于对等环境，即蓝牙系统每个单元中设备的匹配和加密规则都将以同样的方法实现。在链路层，蓝牙的使用四个参数来保证系统的安全性：每个用户唯一的48位地址、用户的128位验证密钥、用户的8～128位加密密钥、设备产生的一个128位随机数RAND。 蓝牙的低层安全是通过基带和链路管理中的鉴权、匹配和加密完成的。 鉴权基于“竞争-应答”算法，是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域。校验器发送一个LMP-au-rand PDU分组给请求者，该PDU（协议数据单元）分组含有一个随机数。请求者根据获取的分组计算出应答值，然后将应发回给校验器，验证应答值是否正确。 当两台设备无共用链接字时，则基于个人识别码PIN和随机数创建初始化字Kinit，这一过程为匹配。Kinit字在校验器向请求者发出LMP-in-rand时创建，然后进行鉴权，共计算过程基于Kinit字，而不是链接字。通过鉴权后，链接字即被创建。 加密被用来保护连接中的个人信息，密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序，可以为用户提供一个较强的安全机制，需要注意的是，加密字节全不同于鉴权字。鉴权字具有静态性，而一旦建立加密字，就由运行在蓝牙设备上的具体应用，来决定什么时候和是否需要修改加密字。 3 智能家居系统 智能家居的概念起源于美国。它依靠3C技术（Computer Technology、Communication Technology和Control Technology），并结合信息家电的发展，为用户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷的智能化和信息化生活空间。其内涵就是“在具有个性化的住宅家庭中，将多元网络信息、多样化的自动化控制以及节能环保等功能，整合到一体化的家庭智能信息管理与自动化监控平台上”。 智能家居是将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。这些功能都是通过家庭控制器来实现的。家庭控制器具有家庭总线系统，通过家庭总线系统提供各种服务功能，能和住宅以外的外部世界相连接。所以说，家庭控制器是智能住宅的核心。 智能家居中的信息传输介质，可以分为电话线、电源线、双绞线、电缆和无线技术，其中无线方式是目前最热门的发展方向。 4 蓝牙技术在智能家居系统中的应用 正是由于蓝牙技术的低成本、低功耗、高速率、高可靠性和兼容性等特点，使得基于蓝牙技术的智能家居系统能为人们所接受。 （1）家庭环境控制 智能家居的一个重要功能就是对居住环境的控制，即自动或远程控制家庭的温度、湿度、光照、空气质量和热水器等。如今，环境问题已经成为一个直接关系到人们身体健康，乃至生命安全的至关重要的问题，家庭环境也不容忽视。智能家居系统，可以改善人们的生存条件，也可以提高家庭的生活质量。 （2）能源监视与管理 主要是指家庭中的水、电、燃气和供暖的定时开关等。可以自动关灯和关闭电器，节省开支；家中没有人时，可以调节供暖的温度；在电费较低的时段开启电器。 （3）家庭流量计费 目前，大多数远传计量系统采用如下方式：在各个房间内的远传表，通过专用的布线系统连接至各个节点流量控制器，再汇总到物业管理中心进行上位管理。在智能家居系统中如果采用了蓝牙技术，就会出现新的三表远传流量计费系统的局面。 通过在支持蓝牙的微芯片中置入相应程序，并置入流量表中，可以去掉流量表与节点控制器之间的连线，使每个计量末端采用无线方式，降低系统由于线路损坏而带来的系统故障，提高了系统的可靠性。 （4）安防系统 智能家居的基本目标为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境。这就需要一个安全的家庭体系，其中既包括人身和家庭财产的安全，也包括家庭设备的安全。为了实现这种安全体系，需要配备相关的防卫措施，例如电子门禁、对讲系统、电子防盗系统、玻璃破检测报警系统、室内跑水检测与报警系统、室内有毒/害气体的检测等。 报警控制器连接至社警铃、报警指示灯、电话、若报警，可按预先设置的若干个电话号码，自动拔通进行报警，并报出家中具体是哪个系统报警了。 目前在我国，安防系统是一般智能家居的主要控制内容。 结语 蓝牙技术应用在智能家居中，具有高可靠性、低复杂度、低功耗、低成本的优点，但仍然有一些问题需要解决，如相邻设备之间为防止信息误传和被截取，必须要用户提前设置对应频段；蓝牙芯片的价格较高；蓝牙模块较难生产等。但相信，随着蓝牙网络家电产品和网络设备的出现，家居智能化的进一步普及，这些问题将逐渐被解决，而蓝牙智能家居系统也将给未来的家庭生活带来巨大的革命。