韓 丹 周祖榮

（青島科技大學信息科學技術學院，山東 青島 266061）

0 引言

家居智能化系統(tǒng)，即智能家居系統(tǒng)的定義最早可以追溯到20世紀70年代的美國，在其后傳播到歐洲、日本等國，發(fā)展良好。而在我國，智能家居卻出現(xiàn)的比美國晚了20年。雖然這一概念推廣較晚，但是發(fā)展非常迅速，至今建成了相當規(guī)模的智能化小區(qū)及自動化住宅。智能家居是將通信技術、電子技術和自動化技術相結合并發(fā)展的產(chǎn)物。它可以自動的控制和管理設備，同時也對家庭環(huán)境的安全進行監(jiān)控，它可以為居民提供一個安全、舒適、高效、便利的生活和學習工作環(huán)境。通過無線或有線方式，以及遠程或集中管理、監(jiān)控、維護家庭居住環(huán)境的協(xié)調并控制家庭自動化系統(tǒng)中的各種家庭通信和信息設備。與普通家具相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，還對周邊居住環(huán)境具有一定的認知能力，從而進一步優(yōu)化居民的生活質量。

許多國家先后提出了不同的智能家居解決方案。現(xiàn)階段，智能化家居系統(tǒng)擁有的功能更加卓越和貼心。

1 藍牙技術

隨著時代的發(fā)展和社會的進步，信息化技術逐步的完善，各種通信手段日益增多。我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷乃{牙就是一個實用的例子。所謂藍牙技術實際上是一種短距離無線電技術，利用藍牙技術能夠有效的簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話手機等移動通信終端設備之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設備與因特網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信開拓道路。說的通俗一點，就是藍牙技術使得現(xiàn)代一些方便攜帶的移動通信設備和電腦設備，不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng)，并且能夠實現(xiàn)無線上因特網(wǎng)，其實際應用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品和汽車等信息家電，組成一個巨大的通信網(wǎng)絡。藍牙技術屬于一種短距離、低成本的無線連接技術，是一種能夠實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性方案。

2 BLE(Bluetooth Low Energy)技術

藍牙4.0協(xié)議是2010年6月由SIG（Special Interest Group）發(fā)布的最新標準，其中包含傳統(tǒng)的Bluetooth（藍牙）、Bluetooth+HS(高速藍)和Bluetooth Low Energy（低功耗藍牙簡稱BLE）。

2.1 BLE技術簡介

低功耗藍牙的最大特點是功耗低，因此，它可以利用一節(jié)紐扣電池便可以使用幾個月甚至幾年，正是因為這一特性，使得它被廣泛應用于：藍牙健康檢測儀（包括藍牙血壓計、藍牙血糖儀等）、藍牙運動器材等。它分為dual-mode雙模設備和single-mode單模設備。dualmode雙模設備簡單說就是向下兼容，而single-mode單模設備僅僅支持BLE。

2.2 BLE 協(xié)議棧簡介

BLE協(xié)議棧如圖1所示：

PHY物理層在2.4GHz的ISM頻率段中跳頻識別。

LL鏈路層：用來控制設備的狀態(tài)。

BLE設備可能的五種狀態(tài)：standby就緒，advertising廣播，scanning搜索，initiating初始化和connected連接。廣播（advertising）設備發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，使得搜索設備可以接收到并發(fā)現(xiàn)設備。初始者（initiator）就是一個對廣播者回復連接請求的設備，收到廣播信號后將連接請求反饋到廣播者，如果廣播者接受請求，廣播者與初始者就會進入連接（connected）狀態(tài)。每一個處于連接狀態(tài)的設備會有一個角色：主機（master）和從機（slave）。初始化這個連接的為主機，接受這個連接請求的為從機。

HCI（Human-computer Interaction 人機交互）層為主機（host）和控制器（controller）之間通過一個標準接口進行通信提供了一些方法。實現(xiàn)這一層可以通過一個軟件API或者是硬件接口UART，SPI和USB。L2CAP為上層數(shù)據(jù)提供打包服務。

SM：此層包含了建立連接和KEY的方法。

GAP：此層直接與profile層和app層進行交互，提供設備的發(fā)現(xiàn)和連接相關的服務和初始化安全服務。

ATT協(xié)議作用是讓一個設備去顯示數(shù)據(jù)，其他設備對應的稱之為“Attribute屬性”，在ATT中，顯示這些屬性的設備被稱為服務端(server),同等的另一個設備稱之為客戶端（client）。這類似于LL層的master和slave，但是和ATT層的這兩個狀態(tài)沒有關聯(lián)。

GATT層：此層可以看作一個服務框架，ATT應用的子程序在這里被定義，profile的結構在這里聲明。在BLE協(xié)議棧中，由profile或者是相關服務所使用的所有類型的數(shù)據(jù)都稱為字符（characteristic）。由于相互連接的兩臺設備的數(shù)據(jù)交換都需經(jīng)過GATT子程序處理，所以應用（app）和profile會直接使用GATT。

開發(fā)BLE應用（app），只需操作GAP和GATT兩層就夠了，其中GATT用來數(shù)據(jù)傳送，GAP用來建立連接。

2.3 TICC2541BLE 芯片系統(tǒng)架構

針對以上所述的BLE通用協(xié)議棧的概述，不同公司所生產(chǎn)的不同芯片、模組所使用的系統(tǒng)架構略有區(qū)別，目的為了減少開發(fā)時間，提高開發(fā)效率。開發(fā)人員在熟悉其系統(tǒng)架構后，僅需將開發(fā)的應用在其系統(tǒng)上進行部署就可使用，從而提高了了應用的邏輯性。

HAL硬件抽象層是用來抽象硬件資源，并通知給軟件。它的作用類似于一個嵌入式系統(tǒng)設備驅動程序的硬件資源的h頭文件。當新的硬件平臺完成后，只是修改HAL，無法修改HAL之上的堆棧協(xié)議。從而實現(xiàn)軟件和硬件的低耦合，因此該軟件無需更改或很少修改便可應用到其他硬件，如此方便了硬件改造、升級和遷移后軟件的移植。

OSAL是其調度核心，其中BLE協(xié)議棧、profile定義、所有的應用都圍繞它來實現(xiàn)。OSAL并非和傳統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)相同，它其實是一個允許軟件建立和執(zhí)行事件的程序循環(huán)。

3 智能家居控制中心

本課題設計的新型智能家居控制中心是一款以ARM嵌入式微處理器為核心，通過建立手機BLE連接獲取控制信息，和家庭內(nèi)部智能家居進行構建不同種類的無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的控制，可以分為室內(nèi)控制和遠程控制。系統(tǒng)的總體結構分為硬件和軟件兩大部分：硬件部分包括以ARM微處理器作為智能家居系統(tǒng)的中央控制器、處理模塊和各種功能的實現(xiàn)模塊；軟件部分包括移植嵌入式μC/OSII操作系統(tǒng)和編寫數(shù)據(jù)傳輸程序的應用原件的設計。系統(tǒng)的總體設計方案如圖3所示。

從總體結構可以看出，本系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能為：在室內(nèi)時，用戶通過手機APP，利用手機中的BLE功能模塊與中央控制器的BLE模塊建立連接，發(fā)送控制智能家居的指令實現(xiàn)控制智能家居；在室外時，用戶通過移動通信網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)給與控制中心建立連接的手機發(fā)送控制智能家居的指令，收到指令后智能手機的APP解析并發(fā)送至中央控制器，從而實現(xiàn)對智能家居的控制。ARM中央處理器收到BLE模塊轉發(fā)過來的用戶指令后，解析請求發(fā)送給相應的模塊芯片，各模塊芯片接收指令與相應的智能家居建立無線通訊，完成控制過程。

4 測試結果

通過前幾部分的詳細介紹，基于嵌入式系統(tǒng)智能家居控制中心就構建完成了。現(xiàn)將對整個系統(tǒng)各部分軟硬件進行測試，以檢測用戶能否使用手機通過app建立BLE連接到附件從而達到控制智能家居系統(tǒng)的項目要求。整體平臺的完整實物圖如圖4所示。

我們用一部智能手機裝入已經(jīng)編寫的APP，用海爾的智能燈433MHz和Zigbee兩盞進行測試。手機通過藍牙與其BLE模塊進行通信，最終成功的控制了不同智能燈的開關和亮滅，從而證明了系統(tǒng)的可行性和可靠性。

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