【正文】 ................37 參考文獻 ........................................................................................................................................38 致謝 ................................................................................................................................................39 1 1 緒 論 概述 伴隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的進程，智能化的浪潮席卷了世界的 每 個角落，成為勢不可擋的歷史趨勢，在這種形式下智能家居技術(shù)就應運而生的。論文最后設(shè)計了一個基于藍牙技術(shù)的智能家居無線方案，并給出主要設(shè)備的配置與選型。 論文首先分析了智能家居的起源和研究現(xiàn)狀，在對當前較為流行 的多 種可用于組建智能家居的相關(guān)技術(shù)進行分析 、論證、比較的基礎(chǔ)上，選擇藍牙技術(shù)作為本文的核心研究技術(shù)。智能家居中的無線聯(lián)網(wǎng)己經(jīng)成為藍牙技術(shù)的一 個重 要應用領(lǐng)域。 摘 要 目前，家庭自動化、智能家居的研究方興未艾。如何選取合適 技 術(shù)，進行合理的方案設(shè)計，進而組建一種符合我國國情的、具有 自主產(chǎn)權(quán)的智能家居系統(tǒng)己成為當前智能家居領(lǐng)域中極富挑戰(zhàn)的課題 ，作為一種在 、無線通信技術(shù)，由于其所獲支持的廣泛性、全球統(tǒng)一的標準性、數(shù)據(jù)和語音傳輸 方 面 的優(yōu) 越性、自動組網(wǎng)能力強、低功耗、低成本和高安全性等諸多優(yōu)點 ， 目 前 得到人們的廣泛認同。 設(shè)計一個系統(tǒng)，首先要解決系統(tǒng)核心技術(shù)問題，本文首先研究了智 能家居的關(guān)鍵性技術(shù)，以此為理論基礎(chǔ)，對智能家居系統(tǒng)的組建方案進行了深入研究，最后詳細闡述了智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實現(xiàn)。接著對藍牙技術(shù)進行深入的分析研究。 關(guān)鍵詞 : 智能家居，無線網(wǎng)絡(luò)，藍牙 Abstract Nowadays， the study on home automation and smart home is more and more favored .That how to choose the right technology and method to design a system and suit the situation of our country has bee an important task for the real of smart home .Bluetooth technology, a new wireless technology in ISM band, can replace the cable and freely transmit data and voice in short distance .Because of widely supporting ,open standard ,and low power and high security ,now the Bluetooth has been accepted by more and more people .The application to smart home is one of the most important applications of Bluetooth, and it drives Bluetooth39。智能家居，或稱智能住宅，源于英文 Smart Home，它依靠 3C技術(shù) (Computer Technology， Communications Technology和Control Technology)，并結(jié)合信息家電的發(fā)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。 智能家居系統(tǒng)就是將家庭內(nèi)部與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上，進行集中的監(jiān)視、控制或家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。家庭中央控制器具有家庭總線系統(tǒng)，通過家庭總線系統(tǒng)提供的各種服務(wù)功能，智能家居系統(tǒng)能和住宅以外的外部世界相連接。 智能家居中的信息傳輸技術(shù)，按傳輸介質(zhì)的不同可分為有線技術(shù)和無線技術(shù)兩大類，其中無線技術(shù)是目前最熱門的研究力向。 因此，家庭弱電線纜需要進行統(tǒng)一、規(guī)范的管理。 藍牙技術(shù)的出現(xiàn)， 正 好解決了這個問題，使智能家居設(shè)備的無線組網(wǎng)與控制成為可能。例如，把藍牙技術(shù)引入到移動電話和筆記本電腦中，就可以去掉移 動電話與筆記木電腦之間令人煩惱的連接電纜而通過無線方式使其建立通信。除此之外，藍牙無線技術(shù)還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口，可以以組建一個小區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)。在智能家居發(fā)展過程中，美國一直處于領(lǐng)先水平。 3COM公司也一直在通過因特網(wǎng)向用戶宣傳智能家居這一概念，并正在研發(fā)家用無線網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。 目前，無淪從技術(shù)還是標準的制定來看，發(fā)展基于網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的時機己經(jīng)成熟 。根據(jù) IDC的統(tǒng)計， 截至 2021年，在美國家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和與家居有關(guān)的網(wǎng)關(guān)市場 規(guī)模已達 57億美元，美國的家庭網(wǎng)關(guān)已達 450萬個 [3]。比如 :清華同方 ehome事業(yè)部、北京德達創(chuàng)先科技集團、南京普天樓宇智能有限公司、中美科龍公司、上海五艾智能系統(tǒng)有限公司、深圳正星特科技有限公司等都正加緊研發(fā)智能家居系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品?？傮w來說， 國內(nèi)能家居產(chǎn)品的研發(fā)從上世紀九十年代后期才起步， 起步較晚，在整體水平上參差不齊，軟件功能較差，升級能力差，系統(tǒng)也不易維護 ；大都采用了有線通信技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計、布線成本 較高，基于無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)目前還出于試驗階段 ； 很多 廠 商對產(chǎn)品的核心技術(shù)不擁有自主知識產(chǎn)權(quán) 。但是 當前的智能家居產(chǎn)品大都基于有線通信技術(shù)，系統(tǒng)成本高，設(shè)計周期長，維護不方便，較 難適應當前的發(fā)展形式， 同時智能家居技術(shù)在我國還是剛剛起步，許多技術(shù)標準都還不統(tǒng)一，還有很多工作需要做。本設(shè)計課題就是在這種背景下，經(jīng)導師細心指導后選定的。 例如 :信息家電遠程控制、家庭安防報警、家庭無線網(wǎng)絡(luò)接入 [5]等。 4 圖 智能家居的各個功能子系統(tǒng) 更進一步，智能家居還可理解成包含以下子系統(tǒng)的整合體 ： ? 家庭信息網(wǎng)絡(luò)：包括局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）、 無線局域網(wǎng)（ ） ，可實現(xiàn)資源共享（包括文件、應用程序、打印機等），分布式寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等功能，滿足在家辦公、網(wǎng)絡(luò)購物、娛樂的需求。例如，一臺 DVD 播放機播出的高質(zhì)量節(jié)目可在客廳和臥室的電視機上觀看，還能支持視頻點播、網(wǎng)絡(luò)游戲等等豐富應用； ? 與智能小區(qū)關(guān) 聯(lián)：家庭三表（煤氣表、水表、電表）的自動抄表、小區(qū)信息通告、小區(qū)安防聯(lián)網(wǎng)、可視對講、智能卡門禁系統(tǒng)、遠程教育、遠程醫(yī)療、 VOD 點播等； 家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智能家居中的關(guān)鍵技術(shù)。當前家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以分為有線聯(lián)網(wǎng)和無線聯(lián)網(wǎng)兩大類。 5 2 家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 選擇 家庭網(wǎng)絡(luò)與信息家電 家庭網(wǎng)絡(luò)的定義和結(jié)構(gòu) 為了滿足家庭內(nèi)部各種信息電子設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)資源的需求，需要為它們提供網(wǎng)絡(luò)接口，但如果為每一臺設(shè)備提供一個網(wǎng)絡(luò)接口，顯然不是好的解決辦法。歸納起來，家庭網(wǎng)絡(luò)就是在小范圍內(nèi) (家庭、辦公室 )對信息設(shè)備和家電進行連接，利 用數(shù)字通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)等，使這些設(shè) 備 之間可以共享資源，協(xié)同工作，可以隨時隨地為家庭成員提供語音、家居自動化、音頻視頻服務(wù)以 及數(shù)據(jù)傳輸?shù)扰c家居生活緊密相關(guān)的服務(wù) [6]。 (1)寬帶接入 它為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)提供與外部網(wǎng)路的高速雙向互連，可以提供實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。 (2)中央控制器 (或家庭網(wǎng)關(guān) ) 它是家庭網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，不僅為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和外部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了連接，還提供了路由選擇、內(nèi)外部子網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換等服務(wù)。對于消費用戶而言該網(wǎng)絡(luò) 應該是不可見、無需配置的。家庭網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖 。它的含義是 將計算機技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)融入到傳統(tǒng)的家用電器之中，使之智能化并具 有網(wǎng)絡(luò)信息終端的功能，可以主動地發(fā)布、獲取和處理相關(guān)信息，從而使傳統(tǒng)家庭實現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化，并與現(xiàn)代信息社會“信息高速公路”通信網(wǎng)絡(luò)緊密相連。目前來看，信息家電主要基于以下四類設(shè)備。 信息家電不同于傳統(tǒng)的家用電器，而是有其獨有的特點，這些特點可以歸納為“三化”， 即網(wǎng)路化、智能化和自動化。 國際上對家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究起源于 20世紀 70年代，主要集中在發(fā)達國家 ， 如美 7 國、日本及歐洲的德國、英國和法國。然 而這些研究都是各自獨立的進行，并且具有不同的目標和市場 戰(zhàn)略機制， 目前家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒形成統(tǒng)一的標準。當前家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以分為有線和無線兩大類。 有線聯(lián)網(wǎng)技術(shù) (1) 電力線 采用電力線作為傳輸介質(zhì)，一般使用窄帶通訊方式和擴頻通訊方式，在家庭網(wǎng)絡(luò)中更適合采用擴頻通訊方式。但對于家庭中所使用的手持移動設(shè)備來說就無法采用電力線連入家庭網(wǎng)絡(luò)，它的缺點還在于傳輸速率僅有 300Kbps，不能滿足數(shù)字視頻和音頻信號的傳輸，保密性較差，而且沒有統(tǒng)一的標準。推出的解決方案有 X10, CEBUS等。它是通過在電話線上加載高頻載波信號來實 現(xiàn)信息的傳遞， 可同時滿足 XDSL、電話業(yè)務(wù)、家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，且互不干擾。該方案采用 ，支持 QoS機制， HomePNA在 MAC層制訂了八種優(yōu)先級，改進了沖突解決技術(shù)，可將語音等實時性數(shù)據(jù)的延遲控制在1020ms。 (3) 以太網(wǎng) 以太網(wǎng) (Ether)是需要重新布線的組網(wǎng)技術(shù)。它的優(yōu)勢在于技術(shù)己經(jīng)十分成熟，以 8 太網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)備在市場上可以很容易買到。家庭中的用戶可能更愿意使用 家居己布好的電纜和電話線，而不愿意另外重新安裝，因此就目前來說 ,以太網(wǎng)可能是家庭網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期的首選方案，但不是家庭網(wǎng)絡(luò)的最終選擇方案。 USB有高速和低速兩種運行方式，速率分別為 12Mbps和 。 USB共有四種傳輸模式 :控制傳輸 (Control)、同步傳輸 (Synchronization)、中斷傳輸(Interrupt)、 批量傳輸 (Bulk)。但由于 USB技術(shù)本身的制約，一個 USB拓撲結(jié)構(gòu)中只能有一個主設(shè)備，兩個主 USB設(shè)備之間無法直接通信，因此在家庭網(wǎng)絡(luò)中 USB主要適合與 PC相關(guān)的 局部應用， 比如低速或中速外設(shè)與 PC的連接。它是由蘋果電腦公司提出的 Fire wire標準衍變而來，也稱 iLink或“火線”。IEEE1394也支持外設(shè)的熱插拔，同時可為外設(shè)提供電源。由于 IEEE1394的數(shù)據(jù)傳輸速率在現(xiàn)有的有線互連標準中是最高的，所以特別適用于家庭中視頻 設(shè)備和音頻設(shè)備的互連。 無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 家庭環(huán)境不可能像企業(yè)環(huán)境那樣布置大量的電纜連線，因此可以說無線技術(shù)是一種非常理想的家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。目前，關(guān)于家庭無線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)已有一些產(chǎn)品和標準。這種通信方式采 用 850nm的紅外線來傳輸數(shù)據(jù)。紅外技術(shù)的傳輸速率可達 16Mb/s，特別適合于傳輸容量較大的數(shù)據(jù)文件和多媒體信息流 [8]。另外 紅外技術(shù)必須在視線可達 的范圍內(nèi)定向傳輸，中間不能有任何阻擋，并容易受 到光線干擾，同時要求通信設(shè)備的位置現(xiàn)對固定，無法用于移動設(shè)備。 。 2. 4GHz的 ISM頻段， 其物理層支持 5. 5Mb/s和 11Mb/s兩個 速率，并支持數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務(wù)。同時它的設(shè)備較昂貴，點對點連接不經(jīng)濟，不太適合小型設(shè)備。HomeRF產(chǎn)品使用的是共享無線局域網(wǎng)技術(shù) (SWAP) [9]。采用 2FSK調(diào)制方式時 ， HomeRF的傳輸速率為1Mbit/s,采用 4FSK調(diào)制方式時傳輸速率為 2Mbit/s。但是 HomeRF最大的缺點是開放性不好，它的技術(shù)規(guī)范沒有對外公布，而且其技 術(shù)本身還存在抗干 擾性差等缺點，這些都對 HomeRF未來的發(fā)展造成了不利影響。在技術(shù)上，藍牙采用調(diào)頻擴譜 (FHSS)和時分多址 (TDMA)等先進技術(shù)來建立各種信息系統(tǒng)間的信息傳輸。藍牙采用 了 1600次 /s的快速跳頻， 因 而具有很強的抗干擾性。 FCC（ Federal Communications Commission 聯(lián)邦通訊委員會 ） 規(guī)定，在 ISM頻段中不采用擴頻技術(shù)的無線通信設(shè)備的最大發(fā)射功率不能超過 0dBm(即 1mW),要獲得更高的發(fā)射功率，必須采用擴頻技術(shù)。按照藍牙規(guī)范中最大發(fā)射功率的不同，可把藍牙設(shè)備分為 3個功率 等級，見表 。對于一類設(shè)備必須強制地要求其具有功率控制能力，而對于二、三類設(shè)備的功率控制則是可以選擇的，不做強制要求。接收機如果發(fā)現(xiàn) RSSI的值高于標準值，它就發(fā)送一個鏈路管理協(xié)議 （ LMP）命令給發(fā)射機，要求發(fā)射機將發(fā)射功率降低到允許值。藍牙規(guī)范要求發(fā)射功率的控制精度在 2～ 8dB之間，形成一個單調(diào)系列， RSSI在 60dB量的指示準確度為 +4dB，最小操作范圍為 20+6dB,起點 為60dB。 無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)比較 11 表 (Bluetooth)和紅外技術(shù)、 , HomeRF在技術(shù)規(guī)格、成本和實現(xiàn)功能等方面的比較數(shù)據(jù)。紅外技術(shù) 的各種技術(shù)因素限制了它的進一步發(fā)展，相比之下，藍牙技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢更適合家庭環(huán)境的應用。通過表 可以看出這三種通信技術(shù)的應用領(lǐng)域各有優(yōu)勢和不足。 HomeRF技術(shù)日前普遍被認為是無線局域網(wǎng) (WLAN)的代表 ，它 的無線連接距離在 50100m 左右，傳