藍(lán)牙關(guān)鍵技術(shù)與智能家居
關(guān)鍵詞:藍(lán)牙技術(shù) 微微網(wǎng) 智能家居系統(tǒng)
1 概述
伴隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)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(shè)熱潮,就是在這種形勢下應(yīng)運而生的。
但是現(xiàn)代家庭中,弱電線纜越來越多,如電話線、有線電視線、寬帶網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)需要進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)范的管理。然而,傳統(tǒng)家庭布線方式因為施工不規(guī)范、維護(hù)和使用方便等因素,已不能適應(yīng)當(dāng)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(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn),正發(fā)解決了這個問題,使智能家居中的無線控制成為可能。
2 藍(lán)牙技術(shù)
2.1 藍(lán)牙簡介
藍(lán)牙技術(shù)是Ericsson移動通信公司在1994年開始啟動的,其目的是實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)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(lán)牙(Bluetooth)是一個開放性的、短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),也是目前國際上最新的一種公開的無線通信技術(shù)規(guī)范。它可以在較小的范圍內(nèi),通過無線連接的方式、安全、低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),使得近距離內(nèi)各種通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無縫資源共享,也可以實現(xiàn)在各種數(shù)字設(shè)備之間的語音和數(shù)據(jù)通信。由于藍(lán)牙技術(shù)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(shè)備,使設(shè)備去掉了連接電纜的不便,通過無線建立通信。
藍(lán)牙技術(shù)工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段。從理論上講,以2.4GHz ISM頻段運行的技術(shù)能使用距30m以內(nèi)的設(shè)備互相連接,但實際上很難達(dá)到?,F(xiàn)階段,藍(lán)牙的發(fā)射范圍可達(dá)10m,可以同時實現(xiàn)8臺設(shè)備的相互聯(lián)通。當(dāng)檢測到距離小于10m時,接收設(shè)備可動態(tài)地調(diào)節(jié)功能;當(dāng)業(yè)務(wù)量減小或停止時,藍(lán)牙設(shè)備即可進(jìn)入低功耗工作模式。
2.2 藍(lán)牙中的關(guān)鍵技術(shù)
2.2.1 跳頻技術(shù)
藍(lán)牙工作的頻段是全球通用的2.4GHz ISM頻段。該頻段對所有無線電系統(tǒng)都開放,因此,藍(lán)牙在使用過程中經(jīng)常會遇到不可預(yù)測的干擾源,例如手機(jī)、無繩電話、微波爐等。這使得藍(lán)牙系統(tǒng)的傳送錯誤率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際應(yīng)用水平,為此,采用跳頻技術(shù)是避免干擾的一項有效措施。
所謂跳頻技術(shù),就是將整個頻帶分成若干跳頻信道(Hop Channel)。在一次連接中,藍(lán)牙芯片所控制的收發(fā)器按照一定的碼序列,不斷地從一個信道跳轉(zhuǎn)到另一個信道;而接收方也是按照相同的跳轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)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(guī)律進(jìn)行干擾的。跳頻的瞬時帶寬很窄,但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù),可以使這個窄帶寬被成倍地擴(kuò)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(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.2.2 糾錯技術(shù)
在藍(lán)牙技術(shù)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(shù)據(jù)的自動請求重發(fā)(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(fù)碼,實現(xiàn)時對每位信息重復(fù)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(shù)據(jù)必須在下一個時隙得到確認(rèn)(或超時)信息。只有數(shù)據(jù)在接收端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測,被認(rèn)為無錯后,才向發(fā)送端反回確認(rèn)信息;否則,返回一個錯誤信息。
2.2.3 微微網(wǎng)
藍(lán)牙支持點對點和點對多點的通信,其最基本的網(wǎng)絡(luò)組成是微微網(wǎng)。微微網(wǎng)是通過藍(lán)牙技術(shù)連接起來的一種微型網(wǎng)絡(luò),由一個主設(shè)備(Master)和若干個從設(shè)備(Slave)組成,且從設(shè)備最多為7臺。主設(shè)備負(fù)責(zé)通信協(xié)議的動作,而從設(shè)備則受控于主設(shè)備。一個微微網(wǎng)可以是2臺相連的設(shè)備,也可以是8臺連在一起的設(shè)備,所有設(shè)備單元均采用同一跳頻序列。主從設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
藍(lán)牙給每個微微網(wǎng)都提供了特定的跳轉(zhuǎn)模式,因此,它允許大量的微微網(wǎng)同時存在。同一區(qū)域內(nèi),多個微微網(wǎng)互聯(lián)形成了分散網(wǎng)。不同的微微網(wǎng)信道有不同的主單元,因而存在不同的跳轉(zhuǎn)模式。
2.2.4 安全性
藍(lán)牙技術(shù)的無線傳輸特性使它非常容易受到攻擊,因此,安全機(jī)制在藍(lán)牙技術(shù)中顯得尤為重要。雖然藍(lán)牙系統(tǒng)所采用的跳頻技術(shù)已經(jīng)提供了一定的安全保障,但藍(lán)牙技術(shù)仍然需要在應(yīng)用層和鏈路層上提供安全措施。該措施將用于對等環(huán)境,即藍(lán)牙系統(tǒng)每個單元中設(shè)備的匹配和加密規(guī)則都將以同樣的方法實現(xiàn)。在鏈路層,藍(lán)牙的使用四個參數(shù)來保證系統(tǒng)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(shè)備產(chǎn)生的一個128位隨機(jī)數(shù)RAND。
藍(lán)牙的低層安全是通過基帶和鏈路管理中的鑒權(quán)、匹配和加密完成的。
鑒權(quán)基于“競爭-應(yīng)答”算法,是藍(lán)牙系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,它允許用戶為個人的藍(lán)牙設(shè)備建立一個信任域。校驗器發(fā)送一個LMP-au-rand PDU分組給請求者,該PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)分組含有一個隨機(jī)數(shù)。請求者根據(jù)獲取的分組計算出應(yīng)答值,然后將應(yīng)發(fā)回給校驗器,驗證應(yīng)答值是否正確。
當(dāng)兩臺設(shè)備無共用鏈接字時,則基于個人識別碼PIN和隨機(jī)數(shù)創(chuàng)建初始化字Kinit,這一過程為匹配。Kinit字在校驗器向請求者發(fā)出LMP-in-rand時創(chuàng)建,然后進(jìn)行鑒權(quán),共計算過程基于Kinit字,而不是鏈接字。通過鑒權(quán)后,鏈接字即被創(chuàng)建。
加密被用來保護(hù)連接中的個人信息,密鑰由程序的高層來管理。網(wǎng)絡(luò)傳送協(xié)議和應(yīng)用程序,可以為用戶提供一個較強的安全機(jī)制,需要注意的是,加密字節(jié)全不同于鑒權(quán)字。鑒權(quán)字具有靜態(tài)性,而一旦建立加密字,就由運行在藍(lán)牙設(shè)備上的具體應(yīng)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(tǒng)
智能家居的概念起源于美國。它依靠3C技術(shù)(Computer Technology、Communication 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。其內(nèi)涵就是“在具有個性化的住宅家庭中,將多元網(wǎng)絡(luò)信息、多樣化的自動化控制以及節(jié)能環(huán)保等功能,整合到一體化的家庭智能信息管理與自動化監(jiān)控平臺上”。
智能家居是將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置,通過家庭總線技術(shù)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上,進(jìn)行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(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)。這些功能都是通過家庭控制器來實現(xiàn)的。家庭控制器具有家庭總線系統(tǒng),通過家庭總線系統(tǒng)提供各種服務(wù)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(zhì),可以分為電話線、電源線、雙絞線、電纜和無線技術(shù),其中無線方式是目前最熱門的發(fā)展方向。
4 藍(lán)牙技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用
正是由于藍(lán)牙技術(shù)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(lán)牙技術(shù)的智能家居系統(tǒng)能為人們所接受。
(1)家庭環(huán)境控制
智能家居的一個重要功能就是對居住環(huán)境的控制,即自動或遠(yuǎn)程控制家庭的溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量和熱水器等。如今,環(huán)境問題已經(jīng)成為一個直接關(guān)系到人們身體健康,乃至生命安全的至關(guān)重要的問題,家庭環(huán)境也不容忽視。智能家居系統(tǒng),可以改善人們的生存條件,也可以提高家庭的生活質(zhì)量。
(2)能源監(jiān)視與管理
主要是指家庭中的水、電、燃?xì)夂凸┡亩〞r開關(guān)等??梢宰詣雨P(guān)燈和關(guān)閉電器,節(jié)省開支;家中沒有人時,可以調(diào)節(jié)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(shù)遠(yuǎn)傳計量系統(tǒng)采用如下方式:在各個房間內(nèi)的遠(yuǎn)傳表,通過專用的布線系統(tǒng)連接至各個節(jié)點流量控制器,再匯總到物業(yè)管理中心進(jìn)行上位管理。在智能家居系統(tǒng)中如果采用了藍(lán)牙技術(shù),就會出現(xiàn)新的三表遠(yuǎn)傳流量計費系統(tǒng)的局面。
通過在支持藍(lán)牙的微芯片中置入相應(yīng)程序,并置入流量表中,可以去掉流量表與節(jié)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(tǒng)由于線路損壞而帶來的系統(tǒng)故障,提高了系統(tǒng)的可靠性。
(4)安防系統(tǒng)
智能家居的基本目標(biāo)為人們提供一個舒適、安全、方便和高效率的生活環(huán)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(chǎn)的安全,也包括家庭設(shè)備的安全。為了實現(xiàn)這種安全體系,需要配備相關(guān)的防衛(wèi)措施,例如電子門禁、對講系統(tǒng)、電子防盜系統(tǒng)、玻璃破檢測報警系統(tǒng)、室內(nèi)跑水檢測與報警系統(tǒng)、室內(nèi)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(yù)先設(shè)置的若干個電話號碼,自動拔通進(jìn)行報警,并報出家中具體是哪個系統(tǒng)報警了。
目前在我國,安防系統(tǒng)是一般智能家居的主要控制內(nèi)容。
結(jié)語
藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在智能家居中,具有高可靠性、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的優(yōu)點,但仍然有一些問題需要解決,如相鄰設(shè)備之間為防止信息誤傳和被截取,必須要用戶提前設(shè)置對應(yīng)頻段;藍(lán)牙芯片的價格較高;藍(lán)牙模塊較難生產(chǎn)等。但相信,隨著藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的出現(xiàn),家居智能化的進(jìn)一步普及,這些問題將逐漸被解決,而藍(lán)牙智能家居系統(tǒng)也將給未來的家庭生活帶來巨大的革命。
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