基于蓝牙技术的智能家居研究

摘  要：近年来信息技术在民用领域取得飞速发展，各种智能家居产品纷纷出现，为我们提供了舒适、便捷、健康、安全、低碳的生活。本文简要介绍了什么是蓝牙技术以及它的技术特点，智能家居的组成结构、工作原理、发展现状和发展前景，总结了蓝牙技术应用在智能家居系统中的优势和不足。

关键词：蓝牙技术;智能家居;自动控制

中图分类号：TP273.5;TN925      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）13-0071-03

Research on Smart Home Based on Bluetooth Technology

LI Dong

（PCI-Suntek Technology Co.，Ltd.，Guangzhou  510653，China）

Abstract：In recent years，information technology has made rapid development in the civil field，and a variety of smart home products have emerged，providing us with a comfortable，convenient，healthy，safe and low-carbon life. This paper briefly introduces what Bluetooth technology is and its technical characteristics，the composition，working principle，current situation and development prospects of smart home，and summarizes the advantages and disadvantages of Bluetooth technology in smart home system.

Keywords：Bluetooth technology;smart home;auto-control

0  引  言

从上世纪90年代开始，伴随着各种无线通信技术不断成熟运用，人们的通讯方式变得越来越方便。蓝牙作为其中一种极其优秀的小范围无线通信技术，因为其具有全球统一的标准，传输速率快，安全性高等优点，得到了越来越多的重视。未来在自动控制、人工智能等技术支持下，智能家居功能将不断完善，逐步取代传统功能单一的家电设备，成为社会发展的趋势。而以蓝牙技术为核心的无线个域网，则会成为智能家居设备互相连接的桥梁。

1  蓝牙技术简介

1.1  技术原理

蓝牙是一种开放的无线电射频技术，工作频段选在的2.4GHz的ISM（工业、科学、医疗）频段，这是一个开放的频段无须申请就可以使用。蓝牙3.0将频段划分成79个信道，每个信道带宽1MHz，蓝牙4.0则是把频段划分成40个信道，每个信道带宽2MHz，信道数量虽然少了，传输速率却得到了成倍地增加。早期蓝牙受发射功率影响有效通讯距离大约为10～100m，下一代蓝牙5.0可以突破300m。

1.2  关键技术

1.2.1  跳频技术

由于2.4GHz的ISM频段是一个开放的通用频段，生活中使用这个频段的设备非常普遍，因此，在传输过程中会遇到各种各样的干扰源，例如：手机、微波炉、无线路由器等。为减少蓝牙传输中的由于干扰造成的数据错误，采用跳频技术是一个有效的解决办法。

跳频技术是在每一次数据传输过程中，蓝牙连接中的发送方和接收方都按照事先约定好的规律，先在某一个信道上收发一段数据，而后同时跳转到另一个信道上，如此反复多次，直到传输完成。理论上讲第三方干扰源不可能获取通信双方的跳转规律，自然也就无法持续干扰，这是一种硬件加密方法，可以减少干扰造成的错误，提高传输效率和稳定性。

1.2.2  纠错技术

蓝牙技术使用三种纠错方案：1/3前向纠错（FEC）、2/3前向纠错和自动重发（ARQ）技术。前向纠错是使用纠错码对信息进行冗余编码，接收方可以通过这些纠错码纠正传输过程中的错误，不需要反向请求数据重传。加入了纠错码后会增加信息长度，占用额外的資源，但对应保证通信的准确性是必要的。通常在信道的噪声干扰比较大时，蓝牙系统会使用前向纠错方案，以降低干扰造成的影响，保证通信质量。自动请求重发是接收端进行差错检测，发现错误自动请求发送端重发，直到接收到正确数据为止的差错控制技术。

1.2.3  一对多通信

蓝牙技术除了支持点对点通信，还支持点对多点通信，可以用来组建无线个域网（WPAN）。利用蓝牙连接的无线个域网由一个主控设备和若干个受控设备组成。主控设备在通信过程中负责运作通信协议，下发指令，管理和控制“从设备”，“从设备”接收指令并做出回应。为避免通信出错，每次通信过程中所有设备都采用相同的跳转规律。不同的无线个域网具备不同的跳转模式。因此在同一区域内，允许多个不同的无线个域网同时存在，它们之间互相独立，不会出现交叉传输。

1.2.4  安全策略

无线传输过程中会向四周发送无线电波，这就非常容易受到攻击和监听，使用安全机制是保护信息传输完整和不被截取的必要手段。跳频技术有一定的安全性，但由于信道都是公开的，只要对所有信道进行监听和干扰，就能阻碍接收方接收到正确的数据，所以还需要其他更为安全的措施。在链路层，蓝牙使用128位密钥的加密技术，这样就非常难以破解;在应用层，所有连接都需要认证和加密，在认证、加密和授权完成之前不允许发送和接收数据。

1.3  蓝牙技术存在的问题

无线通信都会存在一些问题，蓝牙作为开放的通信技术问题就显得更加突出。例如：无线跳频技术已不能阻止窃听和截取;128位加密密钥虽然不容易破解，但在使用过程中可以被篡改;2.4GHz的ISM频段在工业、科研、医疗上有非常广泛地运用，这些信号交叉在一起就不可避免的产生干扰，即使在安全机制的保障下不会导致数据传输错误，也会降低传输速率。

2  智能家居系统简介

2.1  智能家居的定义

智能家居是指在住宅内部，把看似无关的生活设施（各类家电设备、音视频设备、安全防范设备、计量设备等）通过综合布线、网络通信、自动控制、人工智能等技术集成为一体，通过高效的管理系统，构建安全、便捷、舒适、环保的居住环境，因此又称智能住宅。

2.2  智能家居的结构

智能家居系统的结构包含控制管理系统、综合布线系统、联网系统、照明及控制系统、安全防范系统、音视频多媒体系统、环境控制系统等。

控制管理系统是整个智能家居系统的大脑，负责接收用户的指令并下发给其他子系统;家居布线系统包括电话线、有线电视、宽带等，是系统的神经，负责指令和数据的传输;联网系统让你不论在任何地方都可以通过互联网随时远程控制家里的电器;照明及控制系统、安防系统、音视频多媒体系统、环境控制系统则负责带给你舒适、便捷、安全、环保的居住体验。

2.3  蓝牙技术在智能家居中的应用

蓝牙模块具有成本低、数据传输速率快、性能相对可靠性等特点，使得社会上出现了各类使用蓝牙技术的智能家居设备，并开始被人们所接受，这为其以后的发展打下了有利的基础。

2.3.1  家庭环境控制

如今社会经济持续发展，人们生活水平不断提升，居住环境因为直接关系到人们的身体健康，生活体验，乃至生命安全等，已得到全社会越来越多的关注。智能家居首要的作用就是实现对居住环境的控制，植入了蓝牙芯片的环境监控设备可以实时采集住宅内的温度、湿度、空气质量等参数上传给控制管理系统，温度升高时自动开启空调降温;燃气泄漏时第一时间自动打开窗户通风，并开启报警系统通知住宅内的人员撤离。

2.3.2  家庭资源管理

家居管理控制系统自动检测住宅内是否有人，没人的时候自动关闭水、电、燃气等耗能设备，等人回来时再按需要开启，达到节省资源的目的。

2.3.3  家庭流量计费

目前，虽然大多数计量系统都实现了远程抄表，其实原理都是通过232或485控制线把计量表连接至各个节点，再汇总到一起进行统一管理。如果把蓝牙芯片置入水表、电表、燃气表中，就可以去掉这条控制线，把原来的有线连接变成无线连接，从而消除由于线路损坏而造成的故障，降低排查和维修的成本，提高可靠性和稳定性。

2.3.4  安防系统

智能家居的目标是带给人们舒适、安全、高效、低碳、环保的居住体验。这就提出了一个很高的安全要求：既要保证居民的人身和财产的安全，又要保障家居设备的完好。为了达到这种安全要求，需要配置相关的安防设备和处置措施，例如：电子门禁、语音对讲、防盗报警、视频监控、消防系统，如果这些设备都支持蓝牙联网，有人非法闯入时，智能家居控制管理系统能自动识别闯入者的身份，推送视频监控给住宅的主人，启动报警装置对闯入者进行恐吓，保存监控录像作为证据;发生火灾时自动启动消防系统灭火，报警通知住宅内的人员撤离;而在设备发生故障时，控制管理系统也能及时检测到，然后通知主人进行维修或更换。

2.4  智能家居的现状

智能家居从上世纪90年代开始出现，经过缓慢发展，自2014年以后进入爆发发展期，各大厂商密集布局智能家居，纷纷推出自己的产品，在为人们生活带来便利的同时，也出现了不少的问题：一是各个厂商技术水平高低不同，生产出来的产品也参差不齐;二是不同厂家之间的产品兼容性和互联互通性不够完善;三是操作复杂，对于没有专业知识的人，尤其是老人和小孩来说，使用起来很不方便;四是价格较高，难以引起普通民众的关注。

由于这些问题，智能家居尚未得到普及应用和消费者的认可，目前比较受欢迎的只有安防系统，而在智能家电、家庭网络、家庭自动化方面，距离普及仍有一定的距离。

3  结  论

随着人们生活水平的不断提高和信息技术的飞速发展，智能家居已经成为未来居民生活的发展方向。随着市场的不断深入发展，政府将制定统一的技术标准，解决目前产品杂乱和不兼容的问题;受惠于人工智能的发展，未来智能家居产品使用会越来越简单和人性化;形成完整的产业链以后，制造成本和價格也会降低。这些问题的解决，将会给智能家居带来巨大的市场空间，相信不久的将来，智能家居行业将成为主流行业之一，带给人们舒服、高效、安全、便捷、环保的生活。

蓝牙技术作为智能家居的一项重要技术，具有体积小、功耗低、传输距离远、速率快、技术成熟、使用广泛等优势，相比Wi-Fi、ZigBee技术，蓝牙无疑是智能家居无线组网和自动化控制的最佳选择。

不过，蓝牙技术在应用上也有一些问题需要解决，如传输过程中容易受墙壁，家具的阻挡;组网节点不够大。不过这些问题并不会阻碍智能家居的发展，反而会促使人们不断深入的研究。相信在不久的将来，蓝牙智能家居系统必将是家庭生活的发展趋势。

参考文献：

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[4] GilHeld，赫尔德.无线数据传输网络：蓝牙、WAP和WLAN [M].北京：人民邮电出版社，2001.

作者简介：李东（1985.04-），男，汉族，湖南永州人，本科，研究方向：信息工程、计算机系统。