關于藍牙技術在智能家居應用中的分析與研究

任俊恒

摘要：藍牙是當今主流無線通信技術之一，在智能家居中具有一定的優勢，近年來已成為我國智能家居智能化發展領域中的重要技術內容，通過利用藍牙技術及網絡通信技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，本文將對相關內容進行分析和研究，以作參考。

關鍵詞：網絡信息化;藍牙技術;智能家居;自動控制;

一、智能家居藍牙原理及系統結構

近年來，隨著各自新技術在家居領域的不斷滲透，智能家居已成為現代家居的熱門話題，通過在家庭內部通過一定的傳輸介質將各種電氣設備和電氣子系統連接起來，采用統一的通信協議，對內實現資源共享，對外通過網關與外部網互連進行信息交換，為用戶提供設備監控、網絡傳輸、安全報警和總和信息服務的局域網絡。藍牙（Bluetooth）作為一種近距離無線通信技術的標準，將各種家用設備和家用監控系統，通過快速、安全、可靠的無線鏈路連接到一個家庭計算機上，再由該計算機將智能家居局域網與互連網和 P S T N 相連，組成智能家居控制網絡系統。其中藍牙主設備部分由藍牙模塊、MCU、外部RAM和家庭計算機等組成，如圖1所示。以MCU為中心，通過藍牙無線電通道與藍牙從設備相連。圖1中所示：

藍牙從設備由藍牙模塊，MCU和內嵌藍牙模塊的傳感器網絡和被控電器組成。傳感器網絡由紅外線傳感器或煙霧傳感器和三表傳感器構成，該網絡對各種火災、煤氣泄漏以及盜竊等災情信號實現現場采集。控制中心（也稱為上位機）負責各種不同類型子網之間的協議轉換， 完成智能家居網絡控制和 Internet 接入功能，藍牙設備之間進行數據通信是通過 H C I 分組來實現， H C I 分組有數據分組、 命令分組和事件分組。藍牙數據通信處理一般包括以下 6 個步驟， 藍牙模塊初始化、HCI 流量控制設置、查詢、建立連接、數據傳輸和斷開鏈接。如果發生火災、盜竊或煤氣泄漏等事件，則由藍牙模塊接收來自藍牙從設備的數據，由MCU對這些數據經過處理之后，通過無線連接，由智能監控系統通過PSTN（電話交換網）向主人報警或通過Internet向監控中心報警。

二、藍牙技術的特點及弊端問題

藍牙技術作為智能家居的一項重要技術，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠、速率快、技術成熟、使用廣泛等優勢，相比Wi-Fi、ZigBee技術，藍牙無疑是智能家居無線組網和自動化控制的最佳選擇。無線通信都會存在一些問題，藍牙作為開放的通信技術問題就顯得更加突出。例如：無線跳頻技術已不能阻止竊聽和截取;128位加密密鑰雖然不容易破解，但在使用過程中可以被篡改;2.4GHz的ISM頻段在工業、科研、醫療上有非常廣泛地運用，這些信號交叉在一起就不可避免的產生干擾，即使在安全機制的保障下不會導致數據傳輸錯誤，也會降低傳輸速率。同時，無線傳輸過程中會向四周發送無線電波，這就非常容易受到攻擊和監聽，使用安全機制是保護信息傳輸完整和不被截取的必要手段。跳頻技術有一定的安全性，但由于信道都是公開的，只要對所有信道進行監聽和干擾，就能阻礙接收方接收到正確的數據，所以還需要其他更為安全的措施。

三、藍牙技術的關鍵技術

3.1跳頻技術

為減少藍牙傳輸中的由于干擾造成的數據錯誤，采用跳頻技術是一個有效的解決辦法。跳頻技術是在每一次數據傳輸過程中，藍牙連接中的發送方和接收方都按照事先約定好的規律，先在某一個信道上收發一段數據，而后同時跳轉到另一個信道上，如此反復多次，直到傳輸完成。理論上講第三方干擾源不可能獲取通信雙方的跳轉規律，自然也就無法持續干擾，這是一種硬件加密方法，可以減少干擾造成的錯誤，提高傳輸效率和穩定性。

3.2糾錯技術

通常在信道的噪聲干擾比較大時，藍牙系統會使用前向糾錯方案，以降低干擾造成的影響，保證通信質量。自動請求重發是接收端進行差錯檢測，發現錯誤自動請求發送端重發，直到接收到正確數據為止的差錯控制技術。藍牙技術使用三種糾錯方案：1/3前向糾錯（FEC）、2/3前向糾錯和自動重發（ARQ）技術。前向糾錯是使用糾錯碼對信息進行冗余編碼，接收方可以通過這些糾錯碼糾正傳輸過程中的錯誤，不需要反向請求數據重傳。加入了糾錯碼后會增加信息長度，占用額外的資源，但對應保證通信的準確性是必要的。

3.3一對多通信

藍牙技術除了支持點對點通信，還支持點對多點通信，可以用來組建無線個域網（WPAN）。利用藍牙連接的無線個域網由一個主控設備和若干個受控設備組成。主控設備在通信過程中負責運作通信協議，下發指令，管理和控制“從設備”，“從設備”接收指令并做出回應。為避免通信出錯，每次通信過程中所有設備都采用相同的跳轉規律。不同的無線個域網具備不同的跳轉模式。因此在同一區域內，允許多個不同的無線個域網同時存在，它們之間互相獨立，不會出現交叉傳輸。

四、藍牙技術在智能家居中的應用

4.1家庭環境控制和資源管理

智能家居首要的作用就是實現對居住環境的控制，植入了藍牙芯片的環境監控設備可以實時采集住宅內的溫度、濕度、空氣質量等參數上傳給控制管理系統，溫度升高時自動開啟空調降溫;燃氣泄漏時第一時間自動打開窗戶通風，并開啟報警系統通知住宅內的人員撤離。家居管理控制系統自動檢測住宅內是否有人，沒人的時候自動關閉水、電、燃氣等耗能設備，等人回來時再按需要開啟，達到節省資源的目的。

4.2家庭流量計費

雖然目前大多數計量系統都實現了遠程抄表，其實原理都是通過232或485控制線把計量表連接至各個節點，再匯總到一起進行統一管理。如果把藍牙芯片置入水表、電表、燃氣表中，就可以去掉這條控制線，把原來的有線連接變成無線連接，從而消除由于線路損壞而造成的故障，降低排查和維修的成本，提高可靠性和穩定性。

4.3安防系統

智能家居的目標是帶給人們舒適、安全、高效、低碳、環保的居住體驗，既要保證居民的人身和財產的安全，又要保障家居設備的完好。因此需要配置相關的安防設備和處置措施，例如：電子門禁、語音對講、防盜報警、視頻監控、消防系統，如果這些設備都支持藍牙聯網，有人非法闖入時，智能家居控制管理系統能自動識別闖入者的身份，推送視頻監控給住宅的主人，啟動報警裝置對闖入者進行恐嚇，保存監控錄像作為證據;發生火災時自動啟動消防系統滅火，報警通知住宅內的人員撤離;而在設備發生故障時，控制管理系統也能及時檢測到，然后通知主人進行維修或更換。

五、結束語

隨著當前我國信息技術水平的全面發展，網絡和信息家電也開始出現在人們日常的生活中，為人們提供了一個更加舒適、方便、高效的生活環境。智能家居系統的完善不僅能為廣大人民群眾提供便利的生活，同時也將對廣大家庭生活方式的變革產生極大的影響。而以藍牙技術為核心的無線個域網，則會成為智能家居設備互相連接的橋梁，未來智能家居產品使用會越來越簡單和人性化。

參考文獻：

[1]大數據時代的智能家居產品設計研究[D].張睿.安徽工程大學 2017

[2]智能家居信息安全關鍵技術的研究[D].李翔.長安大學 2018

[3]基于藍牙技術家庭網絡的研究和實現[J].傅劍虹，汪敏，朱俊.計算機工程.2018（03）

（作者單位：深圳智明創展電子有限公司）