基于蓝牙模块的智能家居网络.docx

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基于蓝牙模块的智能家居网络

基于蓝牙模块的智能家居网络

摘要

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们越来越注重自己生活环境的舒适、安全与便利。

近年来兴起的智能家居系统满足了人们的这种需求，它有效地在家居环境中组建家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，对家电设备进行集中或异地的智能化控制与管理，并且能够与外界进行信息交流。

蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，可提供低功耗、短距离的无线空中接口，在各种固定与移动设备之间实现无线通信。

在移动通信、无线数据采集、无线遥控与遥测、计算机网络及自动控制等多种领域，蓝牙技术都有着广泛的应用。

应用设计的蓝牙软硬件接口，本文开发了一个基于蓝牙模块的智能家居控制系统，在该系统中，上位机端通过USB控制蓝牙适配器，其发送的控制指令由下位机端蓝牙模块接收后传给单片机，并在单片机端编写了一个基本的蓝牙及模拟家电控制程序，从而实现了PC与模拟家电的无线控制功能。

本文提供的蓝牙软硬件接口方案及数据传输模块，不仅可以用来进一步开发蓝牙高层协议，而且还可作为通用的接口函数和模块应用到多种无线场合。

关键字：

蓝牙技术；智能家居；蓝牙模块

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,andtheimprovementofpeople’slivingstandards,peoplearepayingmoreandmoreattentiontothecomfortablity,safetyandconvenienceoftheirlivingenvironment.Theemergenceofsmarthomesysteminrecentyears,justmeetstheneedsofpeople.Iteffectivelyconstitutesappliancesintoahomeinformationnetworkandmakesallkindsofappliancescombinedintoanorganicwhole.Itcanintelligentlycontrolapplianceslocallyorremotely,andexchangeinformationwiththeoutsideworld.

AsagloballyopenwirelessdataandspeechcommunicationspecificationBluetoo—thtechnologycanprovidelow-power、shortdistancewirelessairinterfaceandimplementwirelesscommunicationbetweenvariousfixedandmobileequipments．Bluetoothtechnologyhasawiderangeofapplicationsinmobilecommunications，wirelessdatacollections，wirelessremotecontrolandsensingComputernetworkandautomaticcontrolandotherareas．

Usingthebluetoothhardwareandsoftwareinterfacedesigned，ThispaperdevelopedansmarthomefurnishingcontrolsystembasedonBluetoothmodule．Inthesystem，ThePCsideiscontrolledbyUSBbluetoothadapter．It’scontrolinstructionisreceivedbythelowerendofBluetoothmodulewhichsentittothemicrocontroller.AbasicbluetoothandhomeappliancecontrolsimulationprogramwaspreparedintheMCU.So,thesystemcanrealizewirelesscontrolfunctionofPCandsimulationofelectricalappliances.Andthen，datacanbetransmittedbetweenthetwoparts．Afterthat，afurtherdevelopmentwhichisfiletransmissionisimplemented．

Keywords:

Bluetoothtechnology;smarthome;Bluetoothmoudule

前言

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们越来越注重自己生活环境的舒适、安全与便利。

近年来兴起的智能家居系统满足了人们的这种需求，它有效地在家居环境中组建家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，对家电设备进行集中或异地的智能化控制与管理，并且能够与外界进行信息交流。

首先，在研究蓝牙SPP应用模型和我国《家庭控制子网通信协议规范》的基础上，经过比较当前各种家庭内部组网技术的优劣，选择了基于蓝牙协议的家庭控制子网的实现方案。

该方案使用蓝牙SPP模型来承载通用设备控制协议，降低了家庭控制子网组网过程中的难度，符合实际应用场景。

其次，研究并提出了智能家居系统实现过程中处于核心地位的智能家居控制器的软硬件设计方案。

在硬件方面，选用Samsung公司具有较高性价比的ARM9芯片S3C2410作为其CPU，完成了智能家居控制器的电源、显示、输入、存储以及无线蓝牙和GPRS的模块的电路设计；在软件方面，成功地将U-boot、嵌入式Linux内核和蓝牙协议栈BlueZ移植到了智能家居控制器目标板上，并在Linux内核中为系统各个硬件模块添加了相应的驱动程序。

最后，对蓝牙模块进行了测试，实现了蓝牙的点对点通信，并且为系统开发了部分常用的界面。

对研究工作做了总结，列出了所实现的研究成果以及有待实现的智能家居控制系统的功能。

第一章绪论

1.1课题研究背景

智能家居，或称智能住宅，在英文中常用SmartHome、Intelligenthome，与此含义相近的还有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElectronicHome、E-home）、数字家园（Digitalfamily）、网络家居（NetworkHome），智能建筑（IntelligentBuilding）。

智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

智能家居是在家庭产品自动化、智能化的基础上，通过网络按拟人化的要求而实现的。

智能家居可以定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、无线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起。

与普通家居相比，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通。

智能家居强调人的主观能动性，要求重视人与居住环境的协调，能够随心所欲地控制室内居住环境。

1.2智能家居的发展状况

智能家居从上世纪八十年代兴起于日本和欧美，九十年代末引入中国，目前美国有7000万家庭依靠智能家庭网络设备生活。

近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业先后进入智能家庭网络的研究及开发领域，分辨开发了“梦幻之家”、“家庭主任”、“居所之门”等家庭智能设备，3COM公司研发出家用无线网关等网络产品，并与Microsoft联手开发通用式即插即用的家庭网络系统。

该系统方便地连接家电与网络，可以高速传输文字、语音、视听等咨询。

这套产品也适用于小型办公室。

国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产，一大批大型IT企业利用自身在资金与技术等方面的优势，在低端市场上已占据了相当重要的地位。

清华同方在智能化家庭网络领域与建设部智能化专家委员会共同设立了智能住宅开放实验室，还取得了著名综合布线厂商西蒙、百通全线产品在中国的总代理资格。

北京德达创先科技集团先后开发了LDM-2000,智能家居控制器、HomeNet网络化综合管理系统，并开通了中国智能建筑服务网络提供智能化建筑的在线咨询与在线技术支持该网站已成为国内建筑化领域的权威网站。

1.3未来智能家居的发展趋势

如何使家居环境变得便利、舒适、人性化、智能化，真正提高人们的生活品质，才是智能家居系统的发展方向，其发展趋势主要有以下几个方面：

（1）向个性化方向发展人们可以根据自己的需要和喜好，选择不同的功能，智能家居发展将不断满足人们要求个性化的需求。

（2）向系统高度集成化方向发展信息家电控制功能、呼叫对讲功能、自动化管理功能、安防监控功能、设备自检功能等多种功能将被集成在一起，统一调度，从而降低成本。

随着科学技术的不断发展，系统的集成度将越来越高。

（3）向网络化方向发展网络化是计算机、通讯、电子和物联网等多种技术发展的必然趋势，也是智能家居智能化的一个重要体现。

（4）向绿色环保方向发展环保是全球的要求，智能家居如何利用现有技术减少功耗、降低对社区和家庭的环境污染，提高生活环境的质量，是智能化的一个重要目标。

1.4研究的目的和意义

随着经济的发展和后PC、物联网时代的到来，人们对自身居住环境的要求在不断地提高，智能化家居将逐渐成为中国家居市场的主流。

目前，在上海、北京、广州、深圳等经济比较发达的地区都已经建立了一批智能型住宅小区，并且正飞速地向其他地区辐射。

智能家居将大大改变人们的日常生活和工作方式，带动传统家电制造业、房屋智能化装修、社区信息服务、以及房地产业等相关产业的蓬勃发展。

家居智能化、建筑信息化以及相关技术产品正在得到飞速地发展，智能化家居将很快将会走入人们的生活。

建设部已将智能化住宅小区列为国家重点发展方向，智能化小区包括了智能家居的设计，智能家居建设是智能小区建设的一部分。

目前，国家已经投入了大量的财力和人力在设计和开发符合中国国情的智能家居，因此嵌入式智能家居项目的应用前景非常广阔的。

但是，由于智能家居市场的发展还处于初级阶段，智能家居的中的信息设备之间的通信还不是很规范。

为此早在2005年，国家已经制定出了《家庭网络系统体系结构及参考模型家庭控制子网通信协议规范》、《家庭控制子网通信协议规范》等规范来推动和管理中国智能家居市场的健康地发展。

智能家居控制器是智能家居的核心器件，人们只需一个控制器就可以控制家中的所有电器设备。

本文主要研究了智能家居网络的组建，智能家居控制器的设计，这是智能家居实现过程中的重要内容，具有广泛的现实意义，为将来的智能家居提供了一种可行的设计方案。

1.5课题研究的内容

主要通过使各种各样的智能家电都遵守蓝牙协议构建家庭控制子网，在完成智能家居控制器硬件与软件设计的基础上，将控制器应用到了网络化的智能家居系统中。

课题研究主要内容具体如下：

（1）通信协议的选择分析家庭内部网络的体系结构，对当前智能家居组网协议进行研究和比较，选定了一个符合家庭内部组网具体要求的通信协议。

（2）智能家居控制器硬件的设计首先，根据对智能家居控制器的具体要求例如功耗、成本、体积等，为其选择一个性价比比较高的CPU；然后，分别对其余各个功能模块进行硬件电路的设计与调试。

（3）智能家居控制器软件的设计。

给出软件流程框图，包括运行在单片机和PC机上程序，本论文中均采用C语言进行编写

第二章蓝牙技术介绍

2.1蓝牙系统组成

典型的蓝牙系统可分为5个单元，即无线射频单元、链路控制单元、链路管理单元、蓝牙协议软件单元和主机应用软件单元。

（1）无线射频单元

蓝牙是以无线LAN的IEEE802．11标准技术为基础的，使用2．4GHzISM全球通自由波段。

蓝牙天线属于微带天线，空中接口建立在天线电平为0dBm基础上，遵从FCC（FederalCommunicationsCommission，美国联邦通信委员会．）有关OdBm电平的ISM频段的标准。

由于采用扩频技术，发射功率可以达到100mW。

系统最大跳频速率为1600跳／秒，在2．402GHz和2．480GHz之间，采用79个间隔为1MHz的频点来实现【31。

系统设计通信距离为10cm～10m，如增大发射功率，其距离可长达100m。

（2）链路控制单元

蓝牙的链路控制单元，又称基带单元，包括3个集成芯片：

连接控制器、基带处理器以及射频传输／接收器，此外还使用了3—5个单独调谐元件。

综述链路控制单元描述了基带链路控制器的数字信号处理规范。

基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。

链路控制单元的主要功能包括：

建立物理链路及网络连接，包括面向连接的同步链路SCO（SynchronousConnectionOriented）链路、异步链路ACL（AsynchronousConnectionless）链路及匹克网；差错控制；在物理层提供验证和加密，其中验证基于“请求．响应”运算法则实现，为用户建立一个个人的信任域，而加密则用来保护连接中的个人信息。

（3）链路管理单元

链路管理器LM（LinkManager）软件模块设计了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。

链路管理器能够发现其它蓝牙设备的链路管理器，并通过链路管理协议LMP（LinkMallagerProtoc01）建立通信联系。

链路管理器提供诸如发送和接收数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、设备模式的切换等功能。

2.2蓝牙协议栈

蓝牙协议栈体系结构为分层结构，具体如图2．1所示。

图2.1蓝牙协议栈体系结构

蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作15J。

互操

作的远端设备需要使用相同的协议栈，不同的应用需要不同的协议栈。

并不是任何应用都必须使用全部协议，而是可以只使用其中的一层或多层。

但是，所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。

2.3蓝牙控制器接口（HCI）分析

2.3.1HCI概述

主机控制器接口（HCI）处于蓝牙协议栈的中间层，它提供了蓝牙主机访问蓝牙主机控制器的基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件的统一接口。

蓝牙主机控制器（BluctoothHostController）是蓝牙芯片的主要组成部分，其内部硬件结构如图2．2所示。

链路控制器提供了蓝牙基带功能以及物理层协议的硬件和软件实现；CPU核提供了链路管理器和链路控制器的固件部分的运行环境，使得主机控制器可独立于主机进行查询和过滤呼叫请求。

图2.2蓝牙主机控制器内部硬件结构图

硬件方面，主机控制器集成了无线电收发器、基带控制器、Flash存储器等部分，其中基带控制器大多是以ARM为基础的芯片，通过接口控制无线电收发器，提供物理接H（USB／UART／PCM等）。

蓝牙模块通过这些接口与主机上对应的接口相连接，构成蓝牙系统的硬件连接。

HCI就是基于这些物理接口定义相应的传输层实现主机与主机控制器间的数据交换。

两个蓝牙设备通过HCI层进行数据传输的过程如图2.3所示。

图2.3蓝牙设备通过HCI层数据传输过程

2.3.2HCI传输层

HCI传输层是指在蓝牙主机与主机控制器间相连的物理接口，它介于主机控制器驱动程序和主机控制器之间，主要目的是实现传输的透明性，即从蓝牙模块外看HCI看到的是HCI传输层，物理总线是屏蔽的，从而使得HCI固件能在不影响传输层的情况下升级。

2.3.3HCI分组格式

HCI提供了蓝牙主机与蓝牙主机控制器交换信息的接口，这些信息以分组的形式进行交互。

主机可以向主机控制器发送HCI指令分组、ACL数据分组和SCO数据分组；主机控制器可以向主机返回HCI事件分组、ACL数据分组和SCO数据分组。

如图2.4所示即为各HCl分组的流向示意图。

图2.4HCl分组流向示意

（1）HCI指令分组

HCI指令分组用于从主机向主机控制器发送指令。

HCI指令分组的格式如表2.1所示。

表2.1HCI指令分组格式

HCI指令分组由操作码，参数长度和指令参数列表组成。

（2）HCI事件分组

主机向主机控制器发送指令分组以后，主机控制器就会返回相应的事件分组，其中携带有指令的执行情况以及相关联的信息。

主机必须具有接收255字节的HCI事件分组的能力，其中还不包括HCI事件分组头。

HCI事件分组的格式如表2.4所示。

表2.2HCI事件分组格式

HCI事件分组由事件码、参数长度和事件参数列表组成事件码（EventCode）大小为1字节，用于唯一地标识事件的类型，取值范围为0x00-0xff。

参数长度以字节度量。

事件参数列表存放了与相对应的指令关联的返回事件参数，大小一般为8的倍数。

（3）HCI数据分组

HCI数据分组用于在主机和主机控制器之间交换数据。

HCI数据分组分为ACL数据分组和SCO数据分组两类，各自有不同的格式，在此只讨论ACL数据分组格式。

HCIACL数据分组用于在主机与主机控制器间进行异步链路的数据交换，它的分组格式如表2.5所示。

表2.3HCIACL数据分组格式

第三章设计方案及模块介绍

3.1蓝牙家居控制系统组成结构

基于蓝牙技术的智能家居系统，其硬件组成主要包括蓝牙模块、MCU、PC及受控设备等组成。

总体构成如图3.1所示。

结构框图中前半部分为中心控制部分，主要由PC机、蓝牙无线收发模块组成；后半部分为多个受控单元，主要由受控电器、单片机、蓝牙模块组成。

 在受控单元中，蓝牙模块和单片机之间通过串口输入HCI指令实行数据通信。

其工作过程是：

PC机发送一条控制命令，通过串口发送给蓝牙模块，并由蓝牙模块发送出去，这条指令被多个蓝牙模块接收后由单片机进行识别，并作出相应的动作，最终完成对家电的控制。

图3.1.家居控制系统总体设计框图

在本设计中作为通信部分的蓝牙模块均采用的是ROK101008，单片机选用性价比较高的C8051F120.

3.2主要硬件模块介绍

3.2.1爱立信蓝牙模块ROK101008简介

爱立信ROK101008是爱立信（Ericsson）公司出品的适用于短距离通信的无线／基带模块，它集成度高、功耗小、完全兼容蓝牙1．0B协议规范，可嵌入到任何需要蓝牙功能的设备中。

它同时支持数据和语音的传输，输出功率满足Class2的要求。

它提供有UART、PCM接口，可方便地实现与主机之间的通信。

它在UART接口上的最高传输速率为460Kb／s，缺省波特率是57．6Kb／s，可支持的波特率为300、600，900，1200、2400，4800，9600、19200，38400157600，115200、230400，60800bit／s，并有一个128字节的FIFO队列111】。

它采用压缩结构（3．3×1．7X0．365cm），金表层覆盖，外观图如图3.2所示。

图3.2爱立信ROK101008蓝牙模块外观图

ROK101008的系统结构图如图3.3所示。

处于模块底层的是无线层（Radio）和基带）县（Baseband），以硬件的形式存在；处于模块中上层的，是链路管理器（LM）和HCI，以固件的形式存在。

图3.3爱立信ROK101008蓝牙模块系统结构图

ROK101008由基带控制器（Baseband）、快闪式存储器（FlashMemory）、无线电收发器（PBA31301／2）、电压调节器（VoltageRegulation）、13MHz晶振（13MHzCrystal）共5部分组成，其内部结构框图如图3.4所示。

图3.4爱立信ROK101008蓝牙模块内部结构框图

①基带控$1J-器（Baseband）：

是一个以ARM7一Thumb为基础的的芯片，通过接口控制无线电收发器的运行。

ROK101008的基带控制器提供UART和PCM两种接口。

②快闪式存储器r（FlashMemory）：

闪存和基带控制器同时使用。

③无线电收发器（PBA31301／2）：

PBA31301／2是短距离微波无线电收发器，其天线滤波器、RX和TX不平衡变压器都集成在电路中，可作为嵌入式结构应用。

④电压调节器：

（VoltageRegulation）：

Vcc典型值是3．3V，产生两个可调电压。

⑤13MHz晶振（13MHzCrystal）：

晶振提供频率为13MHz的内置时钟。

爱立信ROK101008蓝牙模块芯片详细的引脚封装如图3.5所示。

图3.5爱立信监牙模块ROK101008芯片引脚封装图

引脚号排列按照从左向右依次为A、B、C、R、T，其中每个字母代表一列，每列又按从下到上依次为1、2、3、4、5、6。

常用的部分引脚的说明如表3.1所示：

表3.1爱立信ROK101008蓝牙模块芯片部分引脚说明

3.2.2蓝牙适配器模块

  蓝牙适配器图片

蓝牙（Bluetooth）是无线网络传输技术的一种，原本是用来取代红外的。

与红外技术相比，蓝牙无需对准就能传输数据，传输距离小于10米（红外的传输距离在几米以内）。

而在信号放大器的帮助下，通讯距离甚至可达100米左右。

蓝牙技术非常适合耗电量低的数码设备相互分享数据，如手机、掌上电脑等。

蓝牙规范中广为应用的成熟版本为1.1、2.0、3.0、4.0，带宽约1M-24Mbps（USB1.1接口的带宽为12Mbps，USB2.0接口的带宽为480Mbps，局域网带宽为10Mbps/100Mbps/1000Mbps，火线IEEE1394带宽为400Mbps。

所以说，蓝牙非常适合于传送小的文件（10MB以下的图片、铃声、电子书、文稿等等），方便与速度兼得。

目前最新版本是2.1+EDR版本。

第四章系统硬件设计

4.1下位机模块设计

4.1.1单片机C8051F120简介

微控制器（MCu）是蓝牙应用系统的核心，它的选择将直接影响到系统的性能。

C8051F120是Cygnal公司的一种与8051兼容的高速SOC单片机，它具有高速CIP．51内核、灵活的I／O交叉开关、先进的时钟系统、JTAG系统调试接口以及多源复位系统。

它性能卓越，内核采用流水线结构，速度可达100MIPS，比普通的51快40倍，而且在资源丰富、体积小、功耗低、集成度高且调试方便。

下面列出了它的一些主要特性：

●高速、流水线结构的8051兼容的CIP．51内核；

●真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；

●2周期的16×16的乘法和累加引擎；

●8448（8K+256）字节的片内RAM；

●可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；

●硬件实现的SPI、SMBus／12C和两个UART串行接El[10l；

●5个通用的16位定时器；

●具有6个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列；

●FLASH存储器具有在系统中重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新固件；

●片内JTAG调试电路允许非侵入式（不占用片内资源）、