蓝牙技术在无线通信中的应用.docx

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蓝牙技术在无线通信中的应用

蓝牙技术在无线通信中的应用（智能化家居应用设计）

摘要

使用蓝牙技术的短距离无线通信功能，构建一个小型的微微网，将家居内部的所有电器组合在一起，通过主、从设备之间的短距离无线数据信息的传递，实现现代家居的智能化控制．系统采用了基于ROKIO1008蓝牙芯片与ATmega16单片机的系统集成、通过主控系统和接收机系统协同工作来具体实现。

介绍了基于蓝牙模块的智能家居系统的构成方案，给出了数据传输及蓝牙技术在信息家电系统中的应用方法．实现了家用设备控制自动化和网络化，水表、电表和煤气表的远程自动抄送以及家庭通讯与网络功能，具有很强的实用性和先进性。

关键词：

无线蓝牙，微微网，智能家居，无线通信，控制中心

TheDesignfortheApplicationofBluetooth—basedSmartHome

Abstract

Bymeansoftheshort–distancewirelesscommunicationsofthebluetoothtechnology,asmall–scaledPiconetcanbeconstructed,connectingalltheelectricappliancesinSmartHomes.Throughtheshort–distancedatamessagetransmissionbetweenthehostandtheequipments,modernhomescomeunderintelligentcontrol.Thissystem,whichisefficient,secureandreliable,worksbyemployingthesystemintegrationofROK101008bluetoothchipandATmega16MCU,andunderthejointoperationsbythemastercontrolsystemandthereceiversystem.Thispaperintroducesthestructureprojectofintelligenthousingsystembasedonbluetoothmodel，andpresentstheapplicationmethodsofnetworkdatatransferringandspectrum—spreadingtechnologyinhousinginformationelectronicsystem，whichrealizestheautomationandnetworkingofthecontroloverhousingelectricalapplications，theremoteautomaticreadingandsendingofwatermeter，electricitymeter，andgasmeter，andthefunctionofhomecommunicationandnetworkaswel1．

Keywords：

bluetooth，thePiconet，SmartHome，wirelesscommunication，monitorcentre

1绪论

1.1引言

近年来，随着人们生活水平的不断提高，家居面积也越来越大，特别是高档住宅小区的建设规模不断扩大，住宅内的家用电器种类以及照明装饰灯具也越来越多，控制这些设备的开关通常是安装在墙上固定位置，这给使用带来了诸多不便。

人们对工作、生活等环境的要求也越来越高．随着信息技术飞速发展，计算机技术、网络技术、自动控制技术、现代通信技术不断发展和融合给住宅小区和家庭智能化提供了现实的技术基础。

因此利用微电子技术实现智能化家居是当今控制系统没计中一个热门题。

目前家庭环境中应用比较广泛的技术主要有HomeRF，802．1lg，Wi—Fi以及无线蓝牙技术构建家庭局域网。

我们可以将家用电器如电视机、热水器和微波炉等和照明装饰灯具有效地组合在一个智能家庭网络中，从而实现家居的智能化。

由于有线通信接线过多、方式复杂，线路存在的隐患较多，而且综合度、智能度不高，因而无线蓝牙通信是近年来各通信行业所研究的重点。

蓝牙（Bluetooth）技术是一种近距离无线通信的标准，可以实现多种智能设备的无线互连，支持数据传输和语音通讯，已成为世界上人们普遍关注的热门通信技术。

蓝牙使用2．4GHzISM（工业、科学、医疗）全球通自由波段，最高数据传输速率1Mb/s，传输距离为10m，在增加发射功率的情况下可达到100m。

蓝牙技术与其它类似技术相比较，更具有低成本、低功耗、体积小、点对多点连接、语音与数据混合传输以及高抗干扰能力等优点。

蓝牙模块在通信、电子、家庭无线网和个人信息网等方面都有着较多的应用．随着无线蓝牙技术的进一步发展，产品规模的不断扩大、技术的日益成熟和价格的下降，蓝牙技术逐渐应用到工业领域和家庭中．由于无线蓝牙通信媒介特殊性和优势，它可以很好地灵活地应用于智能家居信息网络．在智能家居系统中的家电设备可以利用电话线或Internet对其进行远程遥控；用户或维修单位可以通过电话或Internet登录到家庭网点，并发出相应的运行或检测命令，该命令被网关接到后，通过无线蓝牙发送模块发送到无线蓝牙接收模块上．由于无线蓝牙通信技术可以有效地抑制干扰的噪声，在速度、抗干扰性、可靠性等方面具有较大优势．因此采用无线蓝牙技术实现智能住宅的水电费管理、通讯和安全保卫等系统的构造，具有广泛的应用空间。

本文主要讨论如何利用无线蓝牙技术构建一个小型的微微网，将家居内部的所有电器组合在一起，实现智能化家居管理。

1.2蓝牙技术的简介及其在无线通信中的现状及发展

1．2.1蓝牙的起源

蓝牙技术基本上是一个无线传输的技术，不需要透过实际线路。

可以传输可观的资料量，这种无线传输可传达数十至数百公尺内的距离。

另外可传输的装置不限于手机．只要装配有蓝牙收发模块的装置都可以使用蓝牙传输。

蓝牙是由瑞典爱立信等5家公司开展标准化活动而提出的近距离无线（2.4GHz）数据通信技术，现在正进入实用阶段。

1998年5月，爱立信、IBM、Intel、诺基亚、东芝等5家公司开始进行近距离无线通信技术的标准化活动。

其目标是实现最高数据传输速度1Mb/s（有效传输速度为721kb/s）、最大传输距离达10米，用户不必经过允许便可利用2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频带，在其上设立79个带宽为1MHz的信道，用每秒钟切换1600次的频率、滚齿（hobbing）方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。

这也就是蓝牙技术的由来和特点。

使用蓝牙技术进行通信的设备，分为决定频率滚齿模式的“主叫方”和它的通信对手“受取方”。

主叫方可同时与7台受取方通信。

因此可以把主叫方连同7台受取方共8台设备连接成名为Piconet（锯齿网）的子网。

Piconet内的受取方可以同时作为两个以上Piconet的受取方。

1999年7月，蓝牙公布了正式规格BluetoothVersion1.0。

遵从这一规格的移动电话和笔记本电脑将于1999年底或2000年初上市。

声称要把蓝牙技术产品化的企业正与日俱增，目前蓝牙标准化团体“BluetoothSIG（特别兴趣组合）”的成员企业数已增加到800家以上。

为了使蓝牙得到普及，使用蓝牙技术的厂家关心两个问题，一是使收发设备低价格化，二是国家对可利用频率带宽的规定。

这两个问题是推广蓝牙的关键。

由于采用了低的数据传输速度和传输距离，因此蓝牙相应设备可以实现低价格化、低耗电化。

每个模块刚推出时估计为20～30美元，随着大量生产和采用高频CMOS技术，2001年其价格可降到每个5美元。

关于频率带宽的规定，各国政府也在积极进行放宽对2.4GHz频带使用的限制。

1.2.2蓝牙技术的简介

蓝牙（Bluetooth）是一个开放性的、短距离无线通信技术标准。

它可以用来在较短距离内取代目前多种线缆连接方案，穿透墙壁等障碍，通过统一的短距离无线链路，在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。

蓝牙技术规范包括协议和应用规范两个部分。

整个蓝牙协议体系结构可分为4层，即核心协议层、线缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层。

蓝牙涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括无线通信与网络技术，软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验证、形式化描述和一致性与互联测试技术，嵌入式实时操作系统，跨平台开发和用户界面图形化技术，软硬件接口技术以及高集成、低功耗芯片技术。

蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成：

天线单元、链路控制（硬件）单元、链路管理（软件）单元、软件（协议栈）单元。

蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝牙设备。

一旦找到，相互之间便开始通信。

目前，蓝牙的研制者主要寻求其ASIC的解决方案，包括射频和基带部分。

现在已有多种将基带ASIC电路和射频ASIC电路做成一个电路模块的方案，预计很快将会进入批量生产的阶段。

蓝牙系统的通信协议大部分可用软件来实现，加载到FlashRAM中即可进行工作。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它是低成本、短距离的无线个人网络传输（wirelessPersonalAreaNetwork）应用，其主要目标是提供一个全世界通行的无限传输环境，通过无线电波来实现所有移动设备之间的信息传输服务。

这些移动设备包括手机、笔记本电脑、PDA、数字相机、打印机等等。

具体地说，蓝牙的目标是提供一种通用的无线接口标准，用微波取代传统网络中错综复杂的电缆，在蓝牙设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本低功耗的数据和话音通信。

因此，其载频选用在全球都可用的2.45GHz工业、科学、医学（ISM）频带。

蓝牙技术不但传输量每秒钟可1MB，同时可以设定加密保护，每分钟变换频率一千六百次，因而很难被接收，也不受电磁波干扰。

蓝牙比一般传统式红外线传输更快，且不用点对点的成一直线，即可有高效的无线传输效果。

这就是蓝牙科技在传输方面的好处，它能够允许两个装置，在不排成一直线的状态下，还能够以无线的方式传送数据。

不像红外线传输，你必须对准两个传输端IZl成一直线才有办法传送数据。

蓝牙传输甚至无视干墙壁、IZl袋或公事包的存在而可以顺利进行。

而且蓝牙的数据传输速度比红外线传输还要快，每秒钟高达1MB。

蓝牙无线装置最终的目的是在整合一个通行于全世界的短距离无线电联结，其应用范围横跨了通信、计算机周边、信息家电、消费电子、网络、汽车等不同的领域。

支持蓝牙规格的业者包括世界级科技大厂，如易利信、诺基亚、摩托罗拉、IBM、英特尔、朗讯、微软、东芝、3Com等，Putscher表示，在这些世界级大厂的全力支持下，蓝牙传输技术正逐渐串起办公室内的种种设备。

关于蓝牙技术，它当然有它显著的优势：

（1）全球可用

Bluetooth无线技术规格供我们全球的成员公司免费使用。

许多行业的制造商都积极地在其产品中实施此技术，以减少使用零乱的电线，实现无缝连接、流传输立体声，传输数据或进行语音通信。

Bluetooth技术在2.4GHz波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学（ISM）无线电波段。

正因如此，使用Bluetooth技术不需要支付任何费用。

但您必须向手机提供商注册使用GSM或CDMA，除了设备费用外，您不需要为使用Bluetooth技术再支付任何费用。

（2）设备范围

Bluetooth技术得到了空前广泛的应用，集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备，使用该技术的用户从消费者、工业市场到企业等等，不一而足。

低功耗，小体积以及低成本的芯片解决方案使得Bluetooth技术甚至可以应用于极微小的设备中。

请在Bluetooth产品目录和组件产品列表中查看我们的成员提供的各类产品大全。

（3）易于使用

　Bluetooth技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。

您不需要电缆即可实现连接。

新用户使用亦不费力，您只需拥有Bluetooth品牌产品，检查可用的配置文件，将其连接至使用同一配置文件的另一Bluetooth设备即可。

后续的PIN码流程就如同您在ATM机器上操作一样简单。

外出时，您可以随身带上您的个人局域网（PAN），甚至可以与其它网络连接。

（4）全球通用的规格

　Bluetooth无线技术是当今市场上支持范围最广泛，功能最丰富且安全的无线标准。

全球范围内的资格认证程序可以测试成员的产品是否符合标准。

自1999年发布Bluetooth规格以来，总共有超过4000家公司成为Bluetooth特别兴趣小组（SIG）的成员。

同时，市场上Bluetooth产品的数量也成倍的迅速增长。

产品数量已连续四年成倍增长，安装的基站数量在2005年底也可能达到5亿个。

从蓝牙创立至今以来有许多技术版本：

①截止2009年4月，蓝牙共有五个版本V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0。

②以通讯距离来在不同版本可再分为ClassA

（1）/ClassB

（2）。

③版本的区别

1.1为最早期版本，传输率约在748～810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。

1.2同样是只有748～810kb/s的传输率，但在加上了（改善Software）抗干扰跳频功能。

④通讯距离版本

ClassA是用在大功率/远距离的蓝牙产品上，但因成本高和耗电量大，不适合作个人通讯产品之用（手机/蓝牙耳机/蓝牙Dongle等等），故多用在部份商业特殊用途上，通讯距离大约在80～100M距离之间。

ClassB是目前最流行的制式，通讯距离大约在8～30M之间，似乎产品的设计而定，多用于手机内/蓝牙耳机/蓝牙Dongle的个人通讯产品上，耗电量和体积较细，方便携带。

⑤无论1.1/1.2版本的蓝牙产品，本身基本是可以支持Stereo音效的传输要求，但只能够作（单工）方式工作，加上音带频率响应不太足够，并未算是最好之Stereo传输工具。

⑥版本2.0是1.2的改良提升版，传输率约在1.8M/s～2.1M/s，可以有（双工）的工作方式。

即一面作语音通讯，同时亦可以传输档案/高质素图片，台湾有部份蓝牙Dongle已经有在市面发售，但在手机内有支持蓝牙2.0版本则是很少。

蓝牙耳机能够真正使用的亦不多，部份蓝牙产品自称是2.0版本，但仍然要利用外加配件才能达到。

故相信最快也要到今年9～11月底才成气候，2.0版本当然也支持Stereo运作。

⑦稍后蓝牙2.0版本的芯片，是有机会加入了Stereo译码芯片，则连A2DP（AdvancedAudioDistributionProfile）也可以不需要了。

⑧2009年4月21日，蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）正式颁布了新一代标准规范"BluetoothCoreSpecificationVersion3.0HighSpeed"（蓝牙核心规范3.0版高速）。

1.2.3蓝牙的发展现状

目前国际市场上比较活跃的蓝牙设备生产商有四家，分别是Jabra、i-Tech、Plantronics以及OMIZ。

在这些厂商中JabraHi—Tech早就进入了中国市场，大家应该都比较熟悉，这两家厂商的产品也主要以蓝牙耳机、蓝牙音箱等免提音频设备为主。

而Plantronics同样也是专注在耳麦领域的厂商，至于最后一家OMIZ则是一家全方位的蓝牙设备制造商。

虽然这个品牌我们之前听到的可能并不多，但是他们的产品可能我们的一些消费者已经非常熟悉。

因为很多著名厂商的蓝牙耳机、蓝牙适配器、PDA折叠蓝牙键盘以及蓝牙鼠标等产品都是OMIZ的贴牌产品。

如今OMIZ这位我们最熟悉的陌生人即将要以自己的品牌进入中国市场，无疑是给中国蓝牙产品的市场注入了新的活力。

信息时代最大的特点便是更加方便快速的信息传播，正是基于这一点技术人员也在努力开发更加出色的信息数据传输方式。

蓝牙，对于手机乃至整个IT业而言已经不仅仅是一项简单的技术，而是一种概念。

当蓝牙联盟信誓旦旦地对未来前景作着美好的憧憬时，整个业界都为之震动。

抛开传统连线的束缚，彻底地享受无拘无束的乐趣，蓝牙给予我们的承诺足以让人精神振奋。

蓝牙技术推向市场以来，技术已日臻成熟，其应用前景十分广阔，并在移动通信，汽车，笔记本电脑，PDA，家庭娱乐等广泛的领域获得众多厂商和用户的追捧。

新的蓝牙标准2．0版拟支持高速10Mbit／s以上速率，以适应未来愈来愈多宽带多媒体业务需求。

通过蓝牙产品，蓝牙的应用也随之不断拓展，从手机、笔记本、耳机等这样的手持终端扩展到各行各业，如汽车、医疗、工业控制、办公应用、电子商务等等，所涉及的技术、功能、市场等要求越来越高，产业链也日益复杂，有望成为电子消费类产品的一个新的增长点，因而日益为人们所关注和重视。

但其还存在一些问题，如：

降低成本；要安全、稳定、可靠地进行工作等。

一旦上述问题被解决，蓝牙将迅速改变人们的生活与工作方式，并大大提高人们的生活质量。

列举其中的一些新应用如下：

（1）开拓无线连接的新用途：

现在许多手表厂家、游戏厂家都加入了蓝牙SIG，表明了他们都要采用蓝牙技术。

日本卡西欧公司便声称，他们的数码相机、手表等许多产品，今后都将使用蓝牙技术；在第三代移动通信中显身手：

日本将在2001年3月开始第三代移动通信（WCDMA）服务，NTT正在研究在用于这一服务的移动电话中使用蓝牙技术。

1999年5月，在东京举行的“99商品展览会”上，厂家展出了WCDMA移动电话的各种型号样机，其中许多型号的接收部分同手持部分相互分开，人们猜想这也许就是要用于使用蓝牙技术的无线通信。

蓝牙也将用在笔记本电脑上：

综合爱立信、Intel、Dataquest、VLSITechnology等公布的资料，我们预计到2002年时，使用蓝牙技术的移动电话将达到2.5亿台，使用蓝牙技术的PCMCIA卡和Modem等外围设备将达到1.5亿台，使用蓝牙技术的个人机将达到2500万台；半导体厂家加入有利于降价：

除了机器厂家外，半导体厂家也在加入这一领域，这将有助于使收发模块降低价格。

大厂家的加入，将使移动电话采用的LSI实现通用化和单芯片化；加快蓝牙普及的一个重要因素是现在已有的红外通信技术IrDA（红外数据联盟），蓝牙无疑要尽量沿用IrDA的软件资源：

蓝牙SIG已经发表了采用IrDA的对象交换协议（OBEX）。

采用OBEX的应用软件可以不关心机器和方式的不同，因而各种各样的对象都可以进行交换。

现在业界正在讨论蓝牙同IrDA上层协议通用化的问题。

例如当双方对话层协议采用IrDA制定的OBEX时，便可共享同样的应用软件。

此外，在蓝牙的网络层和传输层RFComm也可以使用IrDA的用以转送图像文档的协议IrTranP。

日本卡西欧已在1999年3月于德国举行的“CeBIT99”展览会上，进行了使用IrTranP转送图像文档的表演，结合使用TrTranP和蓝牙技术，人们便可在移动电话和数码相机之间进行图像文档的转送。

数码相机中的图像经由公共移动电话网送到移动电话上，再通过IrDA在笔记本式机的屏幕上显示出来，整个过程用了40秒，主要时间是用在公共移动电话网上进行数据通信。

这种方法下层分别使用蓝牙和IrDA，上层沿用现有的IrDA协议。

2）蓝牙发展趋势可以概括以下几点：

第一，小型企业吸引资金，投资者寻找有发展前途的小型企业，目的是共同在技术上找到突破点，使价格降下来。

第二，解决蓝牙的互操作性问题，目前的产品一致性测试都已经没问题，但是无法互通，蓝牙只有成为无线通信的世界语才有意义，目前的2164个成员就显得单薄。

第三，对国内的企业来说，关键的是要找到开发应用的目标，有针对地开发出创新的应用产品，避免与国外企业的冲突。

第四，考虑蓝牙与其他技术的共存性，蓝牙只是WPAN中重要的技术，有起局限性，WPAN网的实现需要几种技术的结合完成，大的公司往往不仅参与一个标准、一项技术的开发，比如英特尔，既参加蓝牙，又参加IEEE802，HOMERF等。

第五，从技术上讲，蓝牙要向单芯片方向发展，目前已经有所突破。

第六，蓝牙与其他相同标准的干扰的解决、蓝牙的耗电、蓝牙的体积等等方面有所突破。

我国的产业界和有识之士应当在蓝牙发展中勇当先锋，敢于创新，因为我们经过多年的经济持续稳定地增长，有了相当的物质和人才基础，应该在蓝牙的发展中有所作为。

1.2.4课题研究的重要意义

随着国民经济和科学技术快速发展，人们对工作、生活等环境的要求也越来越高。

随着信息技术飞速发展，计算机技术、网络技术、自动控制技术、现代通信技术不断发展和融合给住宅小区和家庭智能化提供了现实的技术基础。

因此，网络信息化社区和家居智能化将成为今后我国住宅建设的趋势。

由于有线通信接线过多、方式复杂，线路存在的隐患较多，而且综合度、智能度不高，因而无线蓝牙通信是近年来各通信行业所研究的重点。

蓝牙模块在通信、电子、家庭无线网和个人信息网等方面都有着较多的应用。

随着无线蓝牙技术的进一步发展，产品规模的不断扩大、技术的13益成熟和价格的下降，蓝牙技术逐渐应用到工业领域和家庭中。

由于无线蓝牙通信媒介特殊性和优势，它可以很好地灵活地应用于智能家居信息网络。

在智能家居系统中的家电设备可以利用电话线或Internet对其进行远程遥控；用户或维修单位可以通过电话或Internet登录到家庭网点，并发出相应的运行或检测命令，该命令被网关接到后，通过无线蓝牙发送模块发送到无线蓝牙接受模块上。

由于无线蓝牙通信技术可以有效地抑制干扰的噪声，在速度、抗干扰性、可靠性等方面具有较大优势。

因此采用无线蓝牙技术实现智能住宅的水电费管理、通讯和安全保卫等系统的构造，具有广泛的应用空间。

在智能化家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以通过更大的灵活性，流动性，省去了话在综合布线上的费用和精力么热切他更符合于家庭网络的通讯特点，听说随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。

2总体方案设计

2.1需求分析

 随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。

住宅智能化是人类住宅的又一场新的革命，它能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。

随之而来，智能家居系统也在逐渐成为一个新兴的研究领域。

那么何谓“智能家居”呢？

所谓的“智能家居”（smarthome），又称智能住宅，通俗地说，它是以住宅为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的舒适、安全、便利、环保的居住环境。

2.1.1项目背景

 目前，无线网络技术主要可分为irda红外线技术、ieee802.11b协议技术、homerf协议和蓝牙技术。

红外irda技术虽然实现成本很低，但必须直线视距连接，限制太大，并不适合们通常意义上的家庭网络；802.11b的传输速率高、连接设备多，但其射频和基带协议更复杂，实现成本高，难以进入平民家庭，其功耗大、抗干扰性和安全性也不及蓝牙。

homerf抗干扰性和安全性也不及蓝牙且其无法用芯片或模块实现，成本比蓝牙高。

蓝牙技术属于ieee802.15协议，作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术，非常适合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据率