【正文】 ................37 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................38 致謝 ................................................................................................................................................39 1 1 緒 論 概述 伴隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程，智能化的浪潮席卷了世界的 每 個(gè)角落，成為勢(shì)不可擋的歷史趨勢(shì)，在這種形式下智能家居技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生的。論文最后設(shè)計(jì)了一個(gè)基于藍(lán)牙技術(shù)的智能家居無(wú)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(duì)當(dāng)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(jìn)行分析 、論證、比較的基礎(chǔ)上，選擇藍(lán)牙技術(shù)作為本文的核心研究技術(shù)。智能家居中的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)己經(jīng)成為藍(lán)牙技術(shù)的一 個(gè)重 要應(yīng)用領(lǐng)域。 摘 要 目前，家庭自動(dòng)化、智能家居的研究方興未艾。如何選取合適 技 術(shù)，進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)，進(jìn)而組建一種符合我國(guó)國(guó)情的、具有 自主產(chǎn)權(quán)的智能家居系統(tǒng)己成為當(dāng)前智能家居領(lǐng)域中極富挑戰(zhàn)的課題 ，作為一種在 、無(wú)線通信技術(shù)，由于其所獲支持的廣泛性、全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)性、數(shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸 方 面 的優(yōu) 越性、自動(dòng)組網(wǎng)能力強(qiáng)、低功耗、低成本和高安全性等諸多優(yōu)點(diǎn) ， 目 前 得到人們的廣泛認(rèn)同。 設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，首先要解決系統(tǒng)核心技術(shù)問(wèn)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(duì)智能家居系統(tǒng)的組建方案進(jìn)行了深入研究，最后詳細(xì)闡述了智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。接著對(duì)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行深入的分析研究。 關(guān)鍵詞 : 智能家居，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)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(chēng)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(hù)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(guò)家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上，進(jìn)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(guò)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(wú)線技術(shù)兩大類(lèi)，其中無(wú)線技術(shù)是目前最熱門(mén)的研究力向。 因此，家庭弱電線纜需要進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)范的管理。 藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)， 正 好解決了這個(gè)問(wèn)題，使智能家居設(shè)備的無(wú)線組網(wǎng)與控制成為可能。例如，把藍(lán)牙技術(shù)引入到移動(dòng)電話和筆記本電腦中，就可以去掉移 動(dòng)電話與筆記木電腦之間令人煩惱的連接電纜而通過(guò)無(wú)線方式使其建立通信。除此之外，藍(lán)牙無(wú)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(gè)小區(qū)域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。在智能家居發(fā)展過(guò)程中，美國(guó)一直處于領(lǐng)先水平。 3COM公司也一直在通過(guò)因特網(wǎng)向用戶(hù)宣傳智能家居這一概念，并正在研發(fā)家用無(wú)線網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。 目前，無(wú)淪從技術(shù)還是標(biāo)準(zhǔn)的制定來(lái)看，發(fā)展基于網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的時(shí)機(jī)己經(jīng)成熟 。根據(jù) IDC的統(tǒng)計(jì)， 截至 2021年，在美國(guó)家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和與家居有關(guān)的網(wǎng)關(guān)市場(chǎng) 規(guī)模已達(dá) 57億美元，美國(guó)的家庭網(wǎng)關(guān)已達(dá) 450萬(wàn)個(gè) [3]。比如 :清華同方 ehome事業(yè)部、北京德達(dá)創(chuàng)先科技集團(tuán)、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(lái)說(shuō)， 國(guó)內(nèi)能家居產(chǎn)品的研發(fā)從上世紀(jì)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(jí)能力差，系統(tǒng)也不易維護(hù) ；大都采用了有線通信技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布線成本 較高，基于無(wú)線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)目前還出于試驗(yàn)階段 ； 很多 廠 商對(duì)產(chǎn)品的核心技術(shù)不擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 。但是 當(dāng)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(jì)周期長(zhǎng)，維護(hù)不方便，較 難適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展形式， 同時(shí)智能家居技術(shù)在我國(guó)還是剛剛起步，許多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都還不統(tǒng)一，還有很多工作需要做。本設(shè)計(jì)課題就是在這種背景下，經(jīng)導(dǎo)師細(xì)心指導(dǎo)后選定的。 例如 :信息家電遠(yuǎn)程控制、家庭安防報(bào)警、家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入 [5]等。 4 圖 智能家居的各個(gè)功能子系統(tǒng) 更進(jìn)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(wú)線局域網(wǎng)（ ） ，可實(shí)現(xiàn)資源共享（包括文件、應(yīng)用程序、打印機(jī)等），分布式寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等功能，滿(mǎn)足在家辦公、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、娛樂(lè)的需求。例如，一臺(tái) DVD 播放機(jī)播出的高質(zhì)量節(jié)目可在客廳和臥室的電視機(jī)上觀看，還能支持視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)游戲等等豐富應(yīng)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(dòng)抄表、小區(qū)信息通告、小區(qū)安防聯(lián)網(wǎng)、可視對(duì)講、智能卡門(mén)禁系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、 VOD 點(diǎn)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(dāng)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(wú)線聯(lián)網(wǎng)兩大類(lèi)。 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(mǎn)足家庭內(nèi)部各種信息電子設(shè)備對(duì)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(tái)設(shè)備提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，顯然不是好的解決辦法。歸納起來(lái)，家庭網(wǎng)絡(luò)就是在小范圍內(nèi) (家庭、辦公室 )對(duì)信息設(shè)備和家電進(jìn)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(shí)隨地為家庭成員提供語(yǔ)音、家居自動(dòng)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(shí)時(shí)、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(duì)于消費(fèi)用戶(hù)而言該網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)該是不可見(jiàn)、無(wú)需配置的。家庭網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖 。它的含義是 將計(jì)算機(jī)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(dòng)地發(fā)布、獲取和處理相關(guān)信息，從而使傳統(tǒng)家庭實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化，并與現(xiàn)代信息社會(huì)“信息高速公路”通信網(wǎng)絡(luò)緊密相連。目前來(lái)看，信息家電主要基于以下四類(lèi)設(shè)備。 信息家電不同于傳統(tǒng)的家用電器，而是有其獨(dú)有的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可以歸納為“三化”， 即網(wǎng)路化、智能化和自動(dòng)化。 國(guó)際上對(duì)家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究起源于 20世紀(jì) 70年代，主要集中在發(fā)達(dá)國(guó)家 ， 如美 7 國(guó)、日本及歐洲的德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)。然 而這些研究都是各自獨(dú)立的進(jìn)行，并且具有不同的目標(biāo)和市場(chǎng) 戰(zhàn)略機(jī)制， 目前家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒(méi)形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以分為有線和無(wú)線兩大類(lèi)。 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(kuò)頻通訊方式，在家庭網(wǎng)絡(luò)中更適合采用擴(kuò)頻通訊方式。但對(duì)于家庭中所使用的手持移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)就無(wú)法采用電力線連入家庭網(wǎng)絡(luò)，它的缺點(diǎn)還在于傳輸速率僅有 300Kbps，不能滿(mǎn)足數(shù)字視頻和音頻信號(hào)的傳輸，保密性較差，而且沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。推出的解決方案有 X10, CEBUS等。它是通過(guò)在電話線上加載高頻載波信號(hào)來(lái)實(shí) 現(xiàn)信息的傳遞， 可同時(shí)滿(mǎn)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(jī)制， HomePNA在 MAC層制訂了八種優(yōu)先級(jí)，改進(jìn)了沖突解決技術(shù)，可將語(yǔ)音等實(shí)時(shí)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(shì)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(chǎng)上可以很容易買(mǎi)到。家庭中的用戶(hù)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(lái)說(shuō) ,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(yùn)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(gè) USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中只能有一個(gè)主設(shè)備，兩個(gè)主 USB設(shè)備之間無(wú)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(yīng)用， 比如低速或中速外設(shè)與 PC的連接。它是由蘋(píng)果電腦公司提出的 Fire wire標(biāo)準(zhǔn)衍變而來(lái)，也稱(chēng) iLink或“火線”。IEEE1394也支持外設(shè)的熱插拔，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(wú)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(shuō)無(wú)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(wú)線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)已有一些產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)。這種通信方式采 用 850nm的紅外線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。紅外技術(shù)的傳輸速率可達(dá) 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(dá) 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(shí)要求通信設(shè)備的位置現(xiàn)對(duì)固定，無(wú)法用于移動(dòng)設(shè)備。 。 2. 4GHz的 ISM頻段， 其物理層支持 5. 5Mb/s和 11Mb/s兩個(gè) 速率，并支持?jǐn)?shù)據(jù)和圖像業(yè)務(wù)。同時(shí)它的設(shè)備較昂貴，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接不經(jīng)濟(jì)，不太適合小型設(shè)備。HomeRF產(chǎn)品使用的是共享無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù) (SWAP) [9]。采用 2FSK調(diào)制方式時(shí) ， HomeRF的傳輸速率為1Mbit/s,采用 4FSK調(diào)制方式時(shí)傳輸速率為 2Mbit/s。但是 HomeRF最大的缺點(diǎn)是開(kāi)放性不好，它的技術(shù)規(guī)范沒(méi)有對(duì)外公布，而且其技 術(shù)本身還存在抗干 擾性差等缺點(diǎn)，這些都對(duì) HomeRF未來(lái)的發(fā)展造成了不利影響。在技術(shù)上，藍(lán)牙采用調(diào)頻擴(kuò)譜 (FHSS)和時(shí)分多址 (TDMA)等先進(jìn)技術(shù)來(lái)建立各種信息系統(tǒng)間的信息傳輸。藍(lán)牙采用 了 1600次 /s的快速跳頻， 因 而具有很強(qiáng)的抗干擾性。 FCC（ Federal Communications Commission 聯(lián)邦通訊委員會(huì) ） 規(guī)定，在 ISM頻段中不采用擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線通信設(shè)備的最大發(fā)射功率不能超過(guò) 0dBm(即 1mW),要獲得更高的發(fā)射功率，必須采用擴(kuò)頻技術(shù)。按照藍(lán)牙規(guī)范中最大發(fā)射功率的不同，可把藍(lán)牙設(shè)備分為 3個(gè)功率 等級(jí)，見(jiàn)表 。對(duì)于一類(lèi)設(shè)備必須強(qiáng)制地要求其具有功率控制能力，而對(duì)于二、三類(lèi)設(shè)備的功率控制則是可以選擇的，不做強(qiáng)制要求。接收機(jī)如果發(fā)現(xiàn) RSSI的值高于標(biāo)準(zhǔn)值，它就發(fā)送一個(gè)鏈路管理協(xié)議 （ LMP）命令給發(fā)射機(jī)，要求發(fā)射機(jī)將發(fā)射功率降低到允許值。藍(lán)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(gè)單調(diào)系列， RSSI在 60dB量的指示準(zhǔn)確度為 +4dB，最小操作范圍為 20+6dB,起點(diǎn) 為60dB。 無(wú)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(shí)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(jìn)一步發(fā)展，相比之下，藍(lán)牙技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)更適合家庭環(huán)境的應(yīng)用。通過(guò)表 可以看出這三種通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域各有優(yōu)勢(shì)和不足。 HomeRF技術(shù)日前普遍被認(rèn)為是無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN)的代表 ，它 的無(wú)線連接距離在 50100m 左右，傳