對于廣泛的中國市場來說，物聯(lián)網(wǎng)將會是一次重大的機遇。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展及家庭人口結(jié)構(gòu)的變化，人們對生活工作環(huán)境的安全狀況、舒適條件及便捷程度的要求越來越高?，F(xiàn)有的智能家居已經(jīng)很難達到大眾對住所環(huán)境的信息自動化程度和便捷性的要求，智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用的一個全新領(lǐng)域。因此，如何研究設(shè)計出一個能夠滿足現(xiàn)代人們生活需求的智能家居系統(tǒng)是目前一個研究的熱點。

因為智能家居系統(tǒng)的存在，當用戶外出時，能夠通過手機、電腦等終端設(shè)備得到家居環(huán)境的信息，并能對家居設(shè)備實現(xiàn)控制。例如，家庭主人可以在上下班的路上利用手機通過短信息的方式打開或關(guān)閉臥室的空調(diào)以及衛(wèi)生間的熱水器，這樣回家時就有一個舒適的環(huán)境；用戶進入家門時，解除門禁報警監(jiān)測、可以通過智能家居控制器打開、關(guān)閉窗簾，打開臥室照明燈，或者睡覺前把家居環(huán)境調(diào)整為睡眠模式。的智能家庭技術(shù)應該包含較新的計算機通信、無線網(wǎng)絡(luò)、及嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)。它能將家庭照明系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)及家電控制系統(tǒng)融合在一起。這也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于智能家居領(lǐng)域的意義。

基于藍牙的智能家居控制系統(tǒng)融合了多種*的信息技術(shù)，本文將分別從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、藍牙通信技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)幾個方面對智能家居控制系統(tǒng)的技術(shù)進行了研究和分析。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是一個近年來提出的概念，是一種物體之間相互連接互聯(lián)網(wǎng)，一般指通過傳感器、射頻識別技術(shù)等信息傳感設(shè)備，實時的采集獲取物體的光、熱、聲、位置等數(shù)據(jù)信息，并通過各種方式把物體接入到互聯(lián)網(wǎng)中，以實現(xiàn)物體間的信息交互的目的，從而實現(xiàn)對物體的感知、監(jiān)控和管理等目標的一種網(wǎng)絡(luò)。其中涉及到的技術(shù)包括感知技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、信息安全技術(shù)等。

1.1傳感技術(shù)

(1)傳感器

傳感器技術(shù)與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)獲得信息數(shù)據(jù)的基本技術(shù)手段，是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本單元。傳感器能把某種形式的能量轉(zhuǎn)化成一種需要形式的能量，通常是將監(jiān)測目標的某個狀態(tài)信息通過一系列的處理，使之成為可以測量使用的電學量，之后將此電學量提取出來，轉(zhuǎn)換成電信號并發(fā)送到傳感器系統(tǒng)中。利用這些信息數(shù)據(jù)，傳感器系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)相結(jié)合成自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對被控目標的自動化控制。系統(tǒng)以計算機為核心，用戶可以通過計算機應用程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的自動控制。圖2-1給出了自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)的組成和數(shù)據(jù)信息的傳遞過程。其中監(jiān)測對象、傳感器、數(shù)據(jù)采集通道與數(shù)據(jù)顯示與處理模塊組成了傳感系統(tǒng)。

根據(jù)監(jiān)測對象的物理屬性不同，傳感器的分類有很多。智能家居系統(tǒng)中用到的傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、光強傳感器、紅外傳感器、煙感傳感器、門磁感應器等。

(2)傳感網(wǎng)絡(luò)

傳感器是傳感網(wǎng)絡(luò)的組成要素之一，傳感器采集的感知對象的數(shù)據(jù)信息，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)測者。傳感網(wǎng)絡(luò)能夠把邏輯信息及現(xiàn)實中的物體的物理屬性聯(lián)系在一起。這樣，我們就可以利用信息技術(shù)手段去感知世界，同時傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)功能也得到了豐富和擴展。

傳感網(wǎng)絡(luò)一般由傳感器節(jié)點、管理節(jié)點以及匯集點三個部分組成。圖2-2展示了傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。在被測對象的監(jiān)測范圍內(nèi)隨機部署足夠的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點能夠自組織的方式構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。被測對象的信息數(shù)據(jù)通過傳感器節(jié)點沿著其它傳感器節(jié)點進行傳遞，經(jīng)過一系列的多跳后傳送到匯集節(jié)點，之后通過GPS或Internet傳遞至傳感網(wǎng)絡(luò)的管理節(jié)點。最后，我們能夠通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行人為的管理及配置，同時可以收集信息數(shù)據(jù)并實施監(jiān)測。

其中，傳感器節(jié)點一般可分為四部分，它們是：電源供應模塊、傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。整個傳感器節(jié)點的電源都依靠電源供應模塊；傳感器模塊主要功能是實現(xiàn)被測目標的信息數(shù)據(jù)的采集和交換；處理器模塊一般包含處理器、存儲設(shè)備和操作系統(tǒng)等，它負責對傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息的存儲和處理，實現(xiàn)對整個節(jié)點的控制；通信模塊的功能是實現(xiàn)該節(jié)點與其它節(jié)點間的數(shù)據(jù)信息和控制信息的傳遞。

較早時期人們提出的傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)原始模型參考了OSI模型和TCP/IP模型等傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應用層五層模型和傳統(tǒng)的計算機互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議結(jié)構(gòu)相對應。同時增加了三個管理平臺：任務管理平臺、移動管理平臺和能量管理平臺。各傳感器節(jié)點在管理平臺的統(tǒng)一控制下能夠保持較高的工作效率，并且可以實現(xiàn)多任務以及資源共享。圖2-4(a)展示了較早時期的傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)原始模型。

之后又對原始的傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧做出了改進，改進后的傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖2-4(b)所示。圖中所示的右邊融入了原始參考模型的各層協(xié)議中的部分功能，可以用來管理和優(yōu)化整個協(xié)議工作流程；剩余部分相對獨立于協(xié)議棧的外層，通過其中的配置和管理接口實現(xiàn)對相應的機制進行管理和配置，比如安全性管理。與原始模型相比，拓撲控制能夠優(yōu)化路由以及介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議的協(xié)議過程，提供基礎(chǔ)信息的支持，降低整個傳感網(wǎng)的能量消耗，它通過物理層或鏈路層實現(xiàn)拓撲生成。QoS管理主要為各層提供服務管理工作，如設(shè)計優(yōu)先級機制、實現(xiàn)隊列管理或設(shè)計帶寬預留機制等。時間同步和定位子層是整個協(xié)議棧中具有非常重要的作用：時間同步協(xié)同和定位通過該子層利用數(shù)據(jù)傳輸通道完成，同時各層傳感網(wǎng)協(xié)議信息上的支持又依賴于該子層。網(wǎng)絡(luò)管理負責協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議模塊的工作，它需要嵌入各層協(xié)議的接口，以保證收集各協(xié)議模塊運行狀態(tài)信息和流量信息。

1.2通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

家居內(nèi)部監(jiān)測范圍的通信網(wǎng)和外部通信網(wǎng)組成了物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)按通信方式分為有線方式和無線通信方式兩種。常用的有線的方式有HSE、LonWorks、X-10和CEBus等。

HSE的通信通信協(xié)議棧基于TCP/IP協(xié)議，具有較好的開放性。LonWorks采用了ISO/OSI模型中的全部七層協(xié)議，其設(shè)計方法借鑒了面向?qū)ο蠓椒ǎ@就可以將網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)置簡化成對參數(shù)的設(shè)置。X-10是一種電力載波通信技術(shù)，具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和兼容性。CEBus采用了擴頻技術(shù)，在北美和歐洲應用比較廣泛。有線的通信方式的優(yōu)點是通信速率比較高、工作穩(wěn)定，但同時存在著安裝成本高，需要通信介質(zhì)、互相兼容性差等缺點。

無線通信在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域主要應用在感知監(jiān)測范圍的通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍一般不超過200米。短距離無線通信按照通信速率應該劃分為低速短距離通信及高速短距離通信兩種。低速無線通信傳輸距離傳輸速率一般在1Mb/s以下，而通信距離不大于100米，常用的有ZigBee和藍牙等；高速無線通信的通信速率的門檻值一般為100Mb/s，而通信距離一般不超過10米，超寬帶技術(shù)是一種常見的高速無線通信。短距離通信技術(shù)的工作頻率一般在科學、醫(yī)療、工業(yè)應用等領(lǐng)域的免費頻段上。目前常用的短距離無線通信技術(shù)有ZigBee、藍牙2.0技術(shù)、WLAN和超寬帶通信技術(shù)等。

ZigBee：技術(shù)依據(jù)IEEE802.15.4標準，是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標準無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠使數(shù)量眾多的微傳感器之間通信在相互協(xié)同的狀態(tài)下工作。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)支持網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)、星形拓撲結(jié)構(gòu)和簇-樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。ZigBee的特點顯著：能耗低、網(wǎng)絡(luò)能夠自組織、有較好的自愈功能、網(wǎng)絡(luò)容量高、設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快、傳輸速率低。

藍牙2.0：藍牙是一種低成本的短距離無線連接的開放性技術(shù)標準，工作在統(tǒng)一的免費2.4GHz頻段。多個藍牙設(shè)備采用主從結(jié)構(gòu)可以組成微微網(wǎng)，多個微微網(wǎng)又可以組成散射網(wǎng)。藍牙2.0技術(shù)具有較強的防力、糾錯檢錯技術(shù)可以用簡單的電路實現(xiàn)，使得設(shè)備成本低廉等特點。

WLAN：WLAN是IEEE802.11工作組在20世紀末開始定制的一種無線局域網(wǎng)標準。WLAN典型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有分布對等式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基礎(chǔ)式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兩種。WLAN的802.11a標準工作在5GHz頻段，支持傳輸速率為54Mbps；802.11b和802.11g標準工作在2.4GHz頻段，支持傳輸速率分別為11Mbps和54Mbps。

超寬帶：超寬帶技術(shù)能夠在極低的功率(約20mW)和極寬的頻譜范圍(7.5GHz)內(nèi)以較大的速率(可達500Mb/s以上)進行信息通信的技術(shù)。它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、傳輸速率高、定位精準及穿透性等特點。

1.3控制技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)是集合了多種技術(shù)的復雜網(wǎng)絡(luò)，包括嵌入式控制器技術(shù)、執(zhí)行單元設(shè)計技術(shù)、多傳感器采集與多源信息融合技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)可以分為間接網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)和直接網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)的抽象表示如圖2-5所示。圖中物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)部分負責控制信息、狀態(tài)反饋信息及質(zhì)量信息的傳輸。圖中的主控設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備和傳感器共享整個物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

用戶也可以利用移動通信網(wǎng)絡(luò)和Web動態(tài)服務遠程控制被控設(shè)備和執(zhí)行單元。

二、無線藍牙技術(shù)

2.1傳統(tǒng)藍牙

藍牙是以低成本為基礎(chǔ)的短距離無線通信技術(shù)，是一種無線信息數(shù)據(jù)和話音通信服務的統(tǒng)一規(guī)范，其標準具有開放性。各種搭載藍牙模塊的信息終端設(shè)備能夠以較低的成本實現(xiàn)通過無線的方式完成互相通信和操作的目的。藍牙小組（SIG）負責開發(fā)了藍牙協(xié)議標準版本802.15.1。它的工作頻段為公共通用的2.4GHz ISM頻段，提供了10米的傳輸距離和1Mb/s的傳輸速率。2005年藍牙小組發(fā)布了藍牙通信標準V2.0版本和EDR（更高的數(shù)據(jù)通信速率），新的規(guī)范將傳輸速率提高到為10Mb/s，傳輸距離可達100米。同時，由于新的規(guī)范使藍牙的通信功耗降低，這樣就延長了藍牙終端的移動電源的工作時間。

藍牙的工作模式包括兩種：主設(shè)備工作模式和從設(shè)備工作模式。工作在主設(shè)備模式下的藍牙設(shè)備負責制定調(diào)頻序列和主從設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸速率和時間，而從設(shè)備要與主設(shè)備保持同步。一個主設(shè)備可以同時和多個從設(shè)備協(xié)同工作。在組網(wǎng)方式上，傳統(tǒng)藍牙支持微微網(wǎng)和散射網(wǎng)兩種模式，多個微微網(wǎng)之間可以通過節(jié)點橋接的方式組成散射網(wǎng)。

藍牙協(xié)議棧是藍牙規(guī)范的核心部分。按照藍牙協(xié)議的實現(xiàn)方式，藍牙標準包含硬件和軟件兩部分。一般硬件標準的射頻及無線電協(xié)議、基帶及鏈路控制協(xié)議與鏈路管理協(xié)議制作在一個芯片上；主機接口控制協(xié)議存在硬件和軟件中，負責兩部分之間的通信。

2.2低功耗藍牙

藍牙技術(shù)小組于2010年正式發(fā)布藍牙規(guī)格4.0版本，集成了IEEE802.15.1傳統(tǒng)藍牙、802.11物理層和MAC層和Wibree技術(shù)。由于加入了Wibree低功耗傳輸技術(shù)，使得低功耗成為藍牙4.0的一個的特征，超低的待機和運行電量消耗保證了一顆紐扣電池能夠使設(shè)備工作2~3年。除此之外，藍牙4.0支持跨供應商的互操作、100m以上超長通信距離、AES-128加密、3ms低延遲、低成本等特色。低功耗藍牙不僅適用于WPAN領(lǐng)域，也可以應用于心率監(jiān)測器、智能儀表、計步器、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等多種領(lǐng)域，使得藍牙技術(shù)的應用范圍得到很大的擴展

藍牙4.0的低能耗協(xié)議與之前的藍牙協(xié)議底層基本相同，只是針對傳感器網(wǎng)絡(luò)應用推出了通用屬性剖面（GATT）和屬性協(xié)議（ATT）。

物理層（PHY）采用GFSK調(diào)制方式，提供了3個固定廣播信道，將發(fā)現(xiàn)設(shè)備和建立設(shè)備時間壓縮到3ms左右。

鏈路層（LL）的作用是執(zhí)行基帶協(xié)議的底層數(shù)據(jù)包管理協(xié)議，鏈路層設(shè)備有待機、發(fā)起、連接、廣播和掃描五種工作狀態(tài)。

主機控制接口（HCI）為上層的軟件部分提供應用程序接口，同時為下層硬件電路提供硬件控制接口，實現(xiàn)主機與控制層的數(shù)據(jù)通信。

邏輯鏈路與適配協(xié)議層（L2CAP）為上層提供數(shù)據(jù)封裝，提供P2P的邏輯數(shù)據(jù)通信。

安全管理層（SM）制定配對及秘鑰發(fā)放辦法，保證了鏈接及數(shù)據(jù)交換的安全性。

屬性協(xié)議層（ATT）負責數(shù)據(jù)信息校驗。

通用管理層（GAP）提供了通用的應用程序接口以及管理底層協(xié)議，例如鏈路層設(shè)備五種工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換等。

通用屬性剖面（GATT）功能是實現(xiàn)兩個設(shè)備數(shù)據(jù)交換，使得其中某個設(shè)備能夠以“屬性"形式向其他設(shè)備提供它的數(shù)據(jù)信息。其中，提供數(shù)據(jù)信息的一端為服務端，另外一端為客戶端。數(shù)據(jù)信息校驗由屬性協(xié)議層負責。

三、嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)可以理解為對體積、功能、成本及穩(wěn)定可靠性等有特別需求的微小型計算機系統(tǒng)，其技術(shù)組成還是廣義上的計算機技術(shù)，一般包括嵌入式處理器、與其相應的外圍電路、嵌入式操作系統(tǒng)及配套的應用程序等。嵌入式系統(tǒng)在我們?nèi)粘Ｉ钪袘脧V泛，如智能手機、平板電腦、信息家電設(shè)備、健康醫(yī)療等；其在工業(yè)控制、軍事應用上也比較廣泛。

3.1 ARM處理器技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師們常用的嵌入式處理器有PowerPC、MIPS處理器、Intel Atom處理器、ARM處理器以及Xilinx公司的FPGA等。其中，ARM處理器采用精簡指令集（RISC）架構(gòu)，以其高效率、低功耗、適用范圍廣、成本低等優(yōu)點得到廣大嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的青睞。

3.2 Android操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式軟件系統(tǒng)的重要組成，整個嵌入式系統(tǒng)的軟硬件資源管理和分配、系統(tǒng)任務調(diào)度、控制管理系統(tǒng)并發(fā)活動都依賴于嵌入式操作系統(tǒng)。因此，嵌入式操作系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了嵌入式產(chǎn)品的性能及用戶體驗。目前，在應用各種應用領(lǐng)域主流的嵌入式操作系統(tǒng)有：Microsoft公司的WinCE、Wind River System公司的VxWorks、Embedded Linux、Google公司的Android以及開源的μC/OS-Ⅱ等。

Google的Android目前廣泛的應用于智能手機產(chǎn)品中，但Android不僅僅適用于智能手機，它可以延伸到各種移動設(shè)備和PC中。Android基于開源的Linux系統(tǒng)開發(fā)，在底層使用了C語言，保證了硬件訪問速度；應用層采用了功能強大且方便開發(fā)人員的Java語言，這使得Android贏得了眾多的和愛好者。Android的設(shè)計策略利用了平臺整合思想，其平臺包括底層Linux系統(tǒng)、中間件以及上層的Java應用程序。

應用程序：應用程序都是Java語言開發(fā)，包括適合智能手機的SMS應用程序、管理、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器等。

應用程序框架：使組件軟件的重用得到簡化，某個應用程序發(fā)布的功能塊可以被任何其它的應用程序復用，這些組件可以被用戶替代。主要的組件和服務包括：視圖（Views）、活動類管理器（Activity Manager）、內(nèi)容提供者（ContentProviders）、資源管理器（Resource Manager）、通知管理器（Notification Manager）。

Android程序庫：通過Android應用程序框架為開發(fā)人員提供服務，包括的核心庫有：系統(tǒng)C庫、媒體庫、SQLite等。

Android運行庫：提供了Java核心庫的多數(shù)功能，包括Dalvik虛擬機。

Linux內(nèi)核：Android系統(tǒng)服務的核心部分都源自Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核，比如進程管理、內(nèi)存管理及驅(qū)動模型等。

總結(jié)

本文主要針對無線智能家居中的關(guān)鍵技術(shù)做了研究和分析。首先研究了智能家居架構(gòu)中用到的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括傳感器技術(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其中重點分析了傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。之后對藍牙技術(shù)進行了分析，包括低功耗藍牙協(xié)議棧傳統(tǒng)藍牙技術(shù)和的低功耗藍牙技術(shù)，同時對二者的技術(shù)和性能進行了對比。最后分析了智能家居控制器設(shè)計用到的嵌入式技術(shù)，包括ARM嵌入式處理器技術(shù)、Android操作系統(tǒng)的簡介及平臺架構(gòu)。

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