李建高，李樹明

（南京郵電大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210003）

我國(guó)智能家居行業(yè)在飛速發(fā)展，然而受高成本的限制，智能家居很難進(jìn)入普通家庭。傳統(tǒng)的智能家居都有專門的遙控器，而且不同的設(shè)備需要配備不同的遙控器，同時(shí)信息不能實(shí)時(shí)反饋給用戶。本文介紹的系統(tǒng)采用智能手機(jī)自帶的藍(lán)牙，解決了這些問題。藍(lán)牙技術(shù)的控制方法類似于現(xiàn)時(shí)紅外線遙控器與電器之間的指令關(guān)系，區(qū)別在于相應(yīng)產(chǎn)品需植入藍(lán)牙晶片，使用2.402～2.480 GHz免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無線電頻段。為避免此頻段電子裝置眾多的相互干擾，因而輔以每秒1 600次高難度跳頻以及加密、保密技術(shù)，傳輸速率在432 Kb/s～721 Kb/s不等，未來的版本將達(dá)2 Mb/s。植入了藍(lán)牙芯片的手機(jī)、電腦等，在10m的范圍內(nèi)，可作為無線話音及數(shù)據(jù)信息的傳送，配合專用的擴(kuò)大器，收發(fā)范圍可遠(yuǎn)達(dá)100m。結(jié)合了電路交換與分組交換的特點(diǎn)，可以進(jìn)行異步數(shù)據(jù)通信，可以支持多達(dá)3個(gè)同時(shí)進(jìn)行的同步話音信道，還可以使用一個(gè)信道同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音。最主要的是幾乎所有手機(jī)都配備藍(lán)牙功能，帶寬完全可滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，傳輸距離也足夠家居環(huán)境的使用。藍(lán)牙在局域型的信息采集與控制系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

1 基于藍(lán)牙的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。藍(lán)牙工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/s，時(shí)分雙工方案被用來實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸，使用IEEE802.15協(xié)議。

每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備被分配一個(gè)唯一48 bit的藍(lán)牙設(shè)備地址[1]，它支持兩種操作模式：主設(shè)備和從設(shè)備。其中主設(shè)備負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘同步信號(hào)和調(diào)頻序列，從設(shè)備接收主設(shè)備的同步控制和調(diào)頻控制。藍(lán)牙支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，最基本的組網(wǎng)方式是微微網(wǎng)。如圖1所示，同一個(gè)微微網(wǎng)中的所有設(shè)備都跟隨主設(shè)備的調(diào)頻序列。在圖1中，（a）是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接；（b）是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接。本文中使用的是圖1（b）的連接方式[2]。

1.2 遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于藍(lán)牙與智能手機(jī)的遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng)主要由各個(gè)房間的有相應(yīng)數(shù)據(jù)采集功能的藍(lán)牙無線傳感器節(jié)點(diǎn)、放置在家庭中心位置的具有數(shù)據(jù)處理能力的中心節(jié)點(diǎn)（具有藍(lán)牙功能的收發(fā)器）、一款智能手機(jī)以及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器終端組成[2]。各無線傳感器通過藍(lán)牙將采集的數(shù)據(jù)傳送至中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端，手機(jī)端安裝有專門的接收軟件，可以接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。同時(shí)服務(wù)器對(duì)手機(jī)發(fā)送指令，手機(jī)可以對(duì)下位機(jī)發(fā)送指令，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)控制。圖2反映了體系的完整結(jié)構(gòu)。

圖1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的微微網(wǎng)

圖2 遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 下位機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布置

不同的房間放置不同的傳感器，如廚房放置一氧化碳傳感器、溫度傳感器，臥室放置溫濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器。這些傳感器節(jié)點(diǎn)離中心節(jié)點(diǎn)的的距離一般都不會(huì)超過10 m，這已經(jīng)足夠覆蓋一般家庭所有房間。

2.2 下位機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊處于等待連接狀態(tài)，當(dāng)手機(jī)第一次發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí)需要輸入藍(lán)牙內(nèi)置的密碼，以后再連接時(shí)則不需要輸入密碼，除非密碼改變。匹配成功后建立連接，藍(lán)牙模塊充當(dāng)手機(jī)和微控制器（單片機(jī)）的通信信道，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和微控制器的雙向連接。用戶通過手機(jī)經(jīng)藍(lán)牙向單片機(jī)發(fā)送命令，單片機(jī)接收到命令后，控制相應(yīng)的執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)控制功能。例如：制作以52單片機(jī)為主控制器的學(xué)習(xí)型遙控器，經(jīng)藍(lán)牙模塊與手機(jī)建立，用戶便可以實(shí)現(xiàn)電視換臺(tái)、控制音量等操作。同時(shí)微控制器還能將相關(guān)傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給手機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。如：溫度傳感器和煙霧傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)超標(biāo)后，將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給手機(jī)，通知用戶火警[3]。

下位機(jī)模塊原理如圖3所示，模塊分別為控制開關(guān)、藍(lán)牙模塊、紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊。開關(guān)可以控制各種家電的開關(guān)，藍(lán)牙模塊用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，紅外發(fā)射器負(fù)責(zé)控制紅外遙控的家電，紅外接收模塊可以復(fù)制遙控器的發(fā)送紅外的頻率，以實(shí)系統(tǒng)現(xiàn)通用性。

圖3 下位機(jī)模塊原理圖

3 手機(jī)端軟件的設(shè)計(jì)

3.1 手機(jī)和藍(lán)牙設(shè)備的通信

采用Java語(yǔ)言開發(fā)Adroid2.2版本以上的手機(jī)應(yīng)用程序，該版本支持藍(lán)牙通信。首先通過SDK提供的BluetoothAdapter類的startDiscovery（ ）方法，掃描出附近與傳感器相連的藍(lán)牙設(shè)備并返回其物理地址，以列表形式展現(xiàn)；然后通過ListView的點(diǎn)擊事件確定與哪臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行連接，當(dāng)選中一個(gè)物理地址之后，便會(huì)調(diào)用BluetoothSocket類的connect方法，使手機(jī)和該藍(lán)牙設(shè)備建立基于TCP/IP協(xié)議的SOCKET連接。重點(diǎn)代碼[4]如下：

其中，dvcAddr為所要連接的藍(lán)牙設(shè)備的物理地址，mBTDevice利用通用唯一識(shí)別碼（dvcUUID）來創(chuàng)建一個(gè)BluetoothSocket對(duì)象，該對(duì)象利用connect方法與藍(lán)牙設(shè)備建立連接。

建立連接之后，利用OutputStream對(duì)象的write方法可以向藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)控制。并通過操作輸入輸出流進(jìn)行交互（包括手機(jī)對(duì)藍(lán)牙設(shè)備信息的采集以及對(duì)其操作指令的傳達(dá)）。重點(diǎn)代碼如下：

上述代碼以控制燈泡的開關(guān)為例，當(dāng)字符為非0時(shí)（代碼中為2），打開開關(guān)；當(dāng)字符為0時(shí)，關(guān)閉開關(guān)。

3.2 手機(jī)和服務(wù)器交互

在手機(jī)端以提供一個(gè)上傳界面的方式，顯示從藍(lán)牙設(shè)備接收的數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)擊事件，與上傳服務(wù)器建立SOCKET連接，并發(fā)送之前從藍(lán)牙設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)。服務(wù)器在接收到數(shù)據(jù)之后會(huì)發(fā)送相應(yīng)的反饋信息給手機(jī)端，再通過手機(jī)和藍(lán)牙設(shè)備的交互通道，給予藍(lán)牙設(shè)備相應(yīng)的操作指令。重點(diǎn)代碼如下：

其中，192.168.0.101是所要連接的服務(wù)器的IP地址，54322是端口號(hào)。通過輸出流對(duì)象out的 println方法，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過BufferReader對(duì)象br讀取從服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)。

手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 手機(jī)端軟件框架圖

4 服務(wù)器端軟件的設(shè)計(jì)

服務(wù)器端是一個(gè)基于Java的圖形用戶界面（GUI），主要是實(shí)現(xiàn)顯示接收到的數(shù)據(jù)以及與手機(jī)進(jìn)行通信，可以接收手機(jī)上傳簡(jiǎn)單的數(shù)字信息、圖片、視頻文件等，同時(shí)服務(wù)器可以控制手機(jī)，當(dāng)終端管理員需要遠(yuǎn)程采取相關(guān)操作時(shí)，可直接通過控制手機(jī)來控制家里的一切。

本文提出了基于藍(lán)牙與智能手機(jī)的遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng)，分析研究了藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)了無線終端的設(shè)計(jì)，以及傳感器終端的接口電路設(shè)計(jì)，給出了手機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)的流程圖，最后簡(jiǎn)單介紹了服務(wù)器端的功能。憑借藍(lán)牙的低功耗及傳輸穩(wěn)定、3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍極廣且傳輸速度快等特點(diǎn)，該系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性，可以廣泛應(yīng)用于野外勘探、醫(yī)療器械和智能家居等多個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

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