無線ＵＳＢ技術在智能家居中的應用

摘要：無線USB技術是近幾年發展起來的一種新型無線通訊技術，本文提出了采用無線USB技術的智能家居應用方案，并詳細介紹了系統的硬件結構和軟件結構。

關鍵詞：無線USB技術；智能家居

中圖分類號：TU855文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)17-21409-03

1 引言

隨著科學技術的發展和物質條件的改善，人們在不斷地追求高品質的生活。家居智能化是人類住宅的一場新的革命，它能夠為人類帶來更加輕松、便捷、舒適的現代生活，是未來居住模式的必然發展趨勢。所謂“智能家居（Smart Home）”是指是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通訊、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的舒適、安全、便利、環保的居住環境[1]。

在智能家居系統中，無線網絡技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢，這不僅僅因為無線網絡可以提供更大的靈活性、流動性，省去了花在綜合布線上的費用和精力，而且它更符合與家庭網絡的通訊特點，同時隨著無線網絡技術的進一步發展，也必將大大促進家庭智能化、網絡化的進程。

2 無線USB技術

眾所周知，基于IEEE 802.11標準的無線局域網技術（WLAN）已經成為當今最流行的無線技術之一。除此之外，IEEE 802委員會實際上還擁有802.15 無線傳輸標準，IEEE 802.15標準所針對的就是PC與外部設備或產品間的連接，稱為“無線個人網絡（WPAN，Wireless Personal Area Network）”。在該標準族中的802.15.1子協議是基于目前熱門的藍牙技術，有效范圍在10~100米，最快傳輸速度只有1Mbps；而802.15.3a子協議則使用超帶寬（Ultra Wideband ， UWB）無線通訊技術，它以電脈沖作為數據傳輸的載體，雖然有效范圍只有3~10米，但卻達到了480Mbps~1Gbps的超高速度，這正好是目前有線USB和IEEE1394的數據傳輸率。無線USB屬于無線個人網WPAN的應用范疇，功能與現有的USB總線相同，兩者在軟件層面上完全一致。無線USB的優點不僅在于“無線”，超帶寬技術（UWB）的運用還賦予了它諸多更新更強的優勢。

與目前熱門的藍牙（Blue Tooth）、紅外（Irda）、Wi-Fi等無線通信技術相比，無線USB技術的優勢在于同時具備高速率、多連接、低功耗、較高的安全性和較低的成本。

2.1 高速率

無線USB在數據傳輸上有著巨大的優勢。無線USB 1.0版的傳輸速率依距離不同而自動調整，3米之內的傳輸速率在480Mbps，在最遠的10米距離時傳輸速率也有110Mbps。而后續版本的無線USB標準能夠讓最高傳輸速率達到2000Mbps。

2.2 多連接

無線USB設備以點對點方式互相連接，還允許多個設備同時進行無線傳輸，它能以無線方式把多達127個設備連接到無線USB主機上，其中每個設備都有自己的時間段來傳輸數據。更為方便的是，與USB On-The-Go技術一樣，無線USB技術允許USB設備擁有一定的主機能力，無需PC主機即可相互連接。

2.3 低功耗

由于無線USB設備的傳輸距離被限制在10米之內，而且具有睡眠、監聽和喚醒三種工作狀態，所以無線USB設備有很多休眠時間，其平均發射功率相當低，僅在幾十到幾百微瓦之間。

2.4 安全性較高

為提高無線連接的安全性，無線USB設備在相互連接時會進行驗證，并在數據加密方面采用AES-128（Advanced Encryption Standard 高級加密標準）加密算法，因其工作范圍較小，數據傳輸時被監聽或竊取的可能性較小。

2.5 低成本

由于無線USB設備的發射功率很低，因此可以去掉一些電路（如功率放大器等）。而且由于其多連接的特性，不像有線USB設備那樣每個連接都需要一個獨立接口。因此，從整體來看將會節省大量的接口費用。

3 無線USB技術在智能家居中的應用

3.1 系統硬件組成結構

基于無線USB技術的智能家居系統，其硬件組成主要包括：嵌入式芯片、無線USB模塊、無線USB主機模塊、家庭網關、家用計算機、萬能遙控器和信息家電設備，總體構成如圖1所示。家庭網關管理著智能家居中的所有信息家電。它不僅將外部Internet網同家庭內部網絡隔離開來，而且提供一個對家庭網絡設備的管理接口，允許授權用戶進行遠程控制或本地控制。萬能遙控器是一個直接與用戶交互的前端可視嵌入式設備，采用C/S模式來操縱家庭網絡內所有的信息家電。而家用計算機則可以通過家庭網關連入外部Internet網絡進行網上沖浪，也可以采用B/S模式來操縱家庭網絡內所有的信息家電。

3.2 系統的拓撲結構

無線USB系統由一個USB主機、多個USB設備和USB互連機制共同構成。USB互連機制是USB主機與USB設備之間進行連接和通信時使用的一系列策略的總稱，通過對互連的請求進行調度以支持同步數據傳輸，從而降低由仲裁所帶來的額外負荷。這些設備與主機之間的關系被稱為群，它們是通過點對點來傳輸的。

在基于無線USB技術的智能家居系統中，其家庭網關承擔著USB主機的角色，位于中心的無線USB主機負責初始化所有連接設備的傳輸速率，并且分配給響應的通訊通道和帶寬；而系統其他部分則作為USB設備。系統的網絡拓撲結構如圖2所示。

3.3 系統的軟件結構

3.3.1 家庭網關

家庭網關是整個系統的中樞，其上運行著物理硬件接口驅動（包括無線USB主機模塊驅動）、嵌入式操作系統、嵌入式數據庫、網關應用程序和用戶認證器，管理著系統中所有的信息家電。其中，嵌入式數據庫用于存儲所有信息家電的信息及注冊用戶的相關信息；網關應用程序具有協議轉換、通信管理、命令轉發、數據庫存取等功能；而用戶認證器則用于用戶登陸認證及權限管理。家庭網關的主程序流程如圖3所示。

3.3.2 信息家電

信息家電（InformationAppliance）是一種操作簡便、實用性強、帶有PC主要功能的家電產品，是利用計算機、電信和電子技術與傳統家電相結合的創新產品，是為滿足現代家庭需要而設計的新型家用電器.一般來說，其軟件層次結構由物理硬件接口驅動（包括無線USB模塊驅動）和嵌入式控制應用程序兩部分組成。

3.3.3 萬能遙控器

與傳統遙控器只能遙控一個傳統家電不同，在系統中，只需一個萬能遙控器就足以操縱所有的信息家電，并使他們有效地協同工作。

從技術上來說，萬能遙控器是一個嵌入式設備，其軟件層次是由物理硬件接口驅動（包括無線USB驅動）、嵌入式操作系統與應用程序三部分所組成.但由于萬能遙控器主要的工作是與用戶的界面交互，因此在嵌入式操作系統層與應用程序層之間還需要一個適用于嵌入式系統的圖形系統（例如：MiniGUI）。如圖4所示。

3.3.4 智能家居中的無線USB模塊

作為無線USB主機的家庭網關與其他具備無線USB模塊的設備之間的交互分為相聯、通信和斷開三個階段。家庭網關中無線USB主機模塊的數據處理程序流程如圖5所示。

其中，相聯過程包含識別、認證和授權三個子階段。首先，無線USB主機通過128位連接主機識別符（CHID），無線USB設備通過128位連接設備識別符（CDID）進行自我識別，此時，主機采用的是獨特的CHID-CDID對。然后，在認證階段進行判斷是否首次相聯，若是，主機利用Deffie-Hellman公開密鑰協議將CHID-CDID對、128位聯接密鑰，傳輸至設備。當主機和設備再次連接之時，主機和設備將使用聯接密鑰，啟動一個四路應答交換過程，彼此進行識別認證；在四路應答交換階段，也是相互授權的過程，主機和設備會生成對話密鑰（SK）用于以后的數據交換。而在完成相聯之后，主機和設備就能夠通過對話密鑰與AES-128位加密引擎進行安全通信。最后，在主機和設備通信完畢后，由設備發送斷開設備請求，由主機斷開設備與主機的連接。

4 結束語

本文提出了一種基于無線USB技術的智能家居的應用方案，利用該方案可以使數據通訊和家庭監控靈活方便，擺脫了布線系統的束縛，同時無線USB采用跳時擴頻信號，與IEEE 802.11和藍牙相比，在同等速率下，無線USB具有更強的抗干擾性。相信在不久的將來，無線USB技術一定會為我們帶來更加舒適便捷的生活。

參考文獻：

[1] 張金家.智能家居集成技術平臺系統分析[J].智能建筑與城市信息，2003(12):23-25.

[2] 黃勇，邵飛，顧娟.無線USB標準簡介[J]. 信息技術與標準化，2005(7):25-28.

[3] 黃濤，褚淑杰.基于紅外通信的智能家居系統[J].微計算機信息，2005(1):141-143.

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