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(gè)角落，成為勢(shì)不可擋的歷史大趨勢(shì)，其中正在興起的智能家居建設(shè)熱潮，就是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。

但是現(xiàn)代家庭中，弱電線纜越來(lái)越多，如電話線、有線電視線、寬帶網(wǎng)絡(luò)線、防盜報(bào)警信號(hào)線等，帶來(lái)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?yàn)槭┕げ灰?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(wú)法滿足未來(lái)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(gè)問(wèn)題，使智能家居中的無(wú)線控制成為可能。

2 藍(lán)牙技術(shù)

2.1 藍(lán)牙簡(jiǎn)介

藍(lán)牙技術(shù)是Ericsson移動(dòng)通信公司在1994年開(kāi)始啟動(dòng)的，其目的是實(shí)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(wú)線通信。

“藍(lán)牙（Bluetooth）是一個(gè)開(kāi)放性的、短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是目前國(guó)際上最新的一種公開(kāi)的無(wú)線通信技術(shù)規(guī)范。它可以在較小的范圍內(nèi)，通過(guò)無(wú)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(wú)縫資源共享，也可以實(shí)現(xiàn)在各種數(shù)字設(shè)備之間的語(yǔ)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(dòng)通信設(shè)備，使設(shè)備去掉了連接電纜的不便，通過(guò)無(wú)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(yùn)行的技術(shù)能使用距30m以內(nèi)的設(shè)備互相連接，但實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)8臺(tái)設(shè)備的相互聯(lián)通。當(dāng)檢測(cè)到距離小于10m時(shí)，接收設(shè)備可動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)功能；當(dāng)業(yè)務(wù)量減小或停止時(shí)，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(duì)所有無(wú)線電系統(tǒng)都開(kāi)放，因此，藍(lán)牙在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到不可預(yù)測(cè)的干擾源，例如手機(jī)、無(wú)繩電話、微波爐等。這使得藍(lán)牙系統(tǒng)的傳送錯(cuò)誤率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際應(yīng)用水平，為此，采用跳頻技術(shù)是避免干擾的一項(xiàng)有效措施。

所謂跳頻技術(shù)，就是將整個(gè)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(gè)信道跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)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(shí)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(jì)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(shí)帶寬很窄，但通過(guò)擴(kuò)展頻譜技術(shù)，可以使這個(gè)窄帶寬被成倍地?cái)U(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(cuò)技術(shù)

在藍(lán)牙技術(shù)中使用了三種糾錯(cuò)方案：1/3比例前向糾錯(cuò)碼（1/3FEC）、2/3比例前向糾錯(cuò)碼（2/3FEC）和用于數(shù)據(jù)的自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（ARQ）方式。

1/3比例前向糾錯(cuò)碼是一種較簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)碼方式，屬于重復(fù)碼，實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)每位信息重復(fù)三次。2/3比例前向糾錯(cuò)碼是一種（15，10）精簡(jiǎn)的漢明碼表示方法，用于部分分組。

使用ARQ方式，在一個(gè)時(shí)隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個(gè)時(shí)隙得到確認(rèn)（或超時(shí)）信息。只有數(shù)據(jù)在接收端通過(guò)了報(bào)頭錯(cuò)誤檢測(cè)和循環(huán)冗余檢測(cè)，被認(rèn)為無(wú)錯(cuò)后，才向發(fā)送端反回確認(rèn)信息；否則，返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。

2.2.3 微微網(wǎng)

藍(lán)牙支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(guò)藍(lán)牙技術(shù)連接起來(lái)的一種微型網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)主設(shè)備（Master）和若干個(gè)從設(shè)備（Slave）組成，且從設(shè)備最多為7臺(tái)。主設(shè)備負(fù)責(zé)通信協(xié)議的動(dòng)作，而從設(shè)備則受控于主設(shè)備。一個(gè)微微網(wǎng)可以是2臺(tái)相連的設(shè)備，也可以是8臺(tái)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(gè)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(shí)存在。同一區(qū)域內(nèi)，多個(gè)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(wú)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(duì)等環(huán)境，即藍(lán)牙系統(tǒng)每個(gè)單元中設(shè)備的匹配和加密規(guī)則都將以同樣的方法實(shí)現(xiàn)。在鏈路層，藍(lán)牙的使用四個(gè)參數(shù)來(lái)保證系統(tǒng)的安全性：每個(gè)用戶唯一的48位地址、用戶的128位驗(yàn)證密鑰、用戶的8～128位加密密鑰、設(shè)備產(chǎn)生的一個(gè)128位隨機(jī)數(shù)RAND。

藍(lán)牙的低層安全是通過(guò)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(jìng)爭(zhēng)-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(gè)人的藍(lán)牙設(shè)備建立一個(gè)信任域。校驗(yàn)器發(fā)送一個(gè)LMP-au-rand PDU分組給請(qǐng)求者，該P(yáng)DU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）分組含有一個(gè)隨機(jī)數(shù)。請(qǐng)求者根據(jù)獲取的分組計(jì)算出應(yīng)答值，然后將應(yīng)發(fā)回給校驗(yàn)器，驗(yàn)證應(yīng)答值是否正確。

當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備無(wú)共用鏈接字時(shí)，則基于個(gè)人識(shí)別碼PIN和隨機(jī)數(shù)創(chuàng)建初始化字Kinit，這一過(guò)程為匹配。Kinit字在校驗(yàn)器向請(qǐng)求者發(fā)出LMP-in-rand時(shí)創(chuàng)建，然后進(jìn)行鑒權(quán)，共計(jì)算過(guò)程基于Kinit字，而不是鏈接字。通過(guò)鑒權(quán)后，鏈接字即被創(chuàng)建。

加密被用來(lái)保護(hù)連接中的個(gè)人信息，密鑰由程序的高層來(lái)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(gè)較強(qiáng)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(yùn)行在藍(lán)牙設(shè)備上的具體應(yīng)用，來(lái)決定什么時(shí)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(guó)。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(gè)性化的住宅家庭中，將多元網(wǎng)絡(luò)信息、多樣化的自動(dòng)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(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)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(guò)家庭總線技術(shù)連接到一個(gè)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(guò)家庭控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。家庭控制器具有家庭總線系統(tǒng)，通過(guò)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(shuō)，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(wú)線技術(shù)，其中無(wú)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(diǎn)，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(gè)重要功能就是對(duì)居住環(huán)境的控制，即自動(dòng)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(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)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(wèn)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(shí)開(kāi)關(guān)等?？梢宰詣?dòng)關(guān)燈和關(guān)閉電器，節(jié)省開(kāi)支；家中沒(méi)有人時(shí)，可以調(diào)節(jié)供暖的溫度；在電費(fèi)較低的時(shí)段開(kāi)啟電器。

（3）家庭流量計(jì)費(fèi)

目前，大多數(shù)遠(yuǎn)傳計(jì)量系統(tǒng)采用如下方式：在各個(gè)房間內(nèi)的遠(yuǎn)傳表，通過(guò)專用的布線系統(tǒng)連接至各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)新的三表遠(yuǎn)傳流量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的局面。

通過(guò)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(diǎn)控制器之間的連線，使每個(gè)計(jì)量末端采用無(wú)線方式，降低系統(tǒng)由于線路損壞而帶來(lái)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(gè)舒適、安全、方便和高效率的生活環(huán)境。這就需要一個(gè)安全的家庭體系，其中既包括人身和家庭財(cái)產(chǎn)的安全，也包括家庭設(shè)備的安全。為了實(shí)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(duì)講系統(tǒng)、電子防盜系統(tǒng)、玻璃破檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、室內(nèi)跑水檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)、室內(nèi)有毒/害氣體的檢測(cè)等。

報(bào)警控制器連接至社警鈴、報(bào)警指示燈、電話、若報(bào)警，可按預(yù)先設(shè)置的若干個(gè)電話號(hào)碼，自動(dòng)拔通進(jìn)行報(bào)警，并報(bào)出家中具體是哪個(gè)系統(tǒng)報(bào)警了。

目前在我國(guó)，安防系統(tǒng)是一般智能家居的主要控制內(nèi)容。

結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)，但仍然有一些問(wèn)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(duì)應(yīng)頻段；藍(lán)牙芯片的價(jià)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(wèn)題將逐漸被解決，而藍(lán)牙智能家居系統(tǒng)也將給未來(lái)的家庭生活帶來(lái)巨大的革命。