基于蓝牙技术的远程家居控制系统的研究

　　摘要：蓝牙技术是一种短程无线数据与语音通信技术,具有使用方便、可靠性高、低成本、低功耗的特性,非常适合在智能家居中组建小型无线网络。文中介绍了蓝牙技术的特点与适用原因,对基于蓝牙技术的远程家居控制体系结构进行了分析, 提出了采用蓝牙技术和以太网进行远程家居控制的设计方案,介绍了系统的硬件结构及软件设计流程,阐述了本方案的具体应用,该方案通过Internet上的计算机能够实现对家庭内部设备的远程监控。

　　随着数字化和网络化的不断深入，以及信息家电智能化程度的提高，智能网络不可阻挡地进入了家庭。将各种家用电气设备通过网络方式连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享，对外通过网关与Internet互连进行信息交换将成为必然。目前，可以实现家居智能控制的方式主要有以下几种：

　　1）现场总线控制方式

　　现场总线技术是一种新型的以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络等为支撑的综合技术，它能使设备间实现双向串行多节点的数字通信。现场总线技术具有的开放、分散、数字化、互可操作等特点，使其能够广泛应用于各种控制系统的构建中。但是，现场总线领域一直存在着通信标准不统一的问题，目前现场总线本身还不能形成一个全开放的互连系绕。对用户来讲，同一系统中基于不同现场总线的控制设备间的兼容性差，则整个系统的信息传输速度较低，控制实时性较差，因而现场总线技术在智能家居控制系统的发展和应用受到一定的制约。

　　2）蓝牙技术控制方式

　　在每个家居设备中嵌入一个蓝牙模块，利用蓝牙协议实现家居室内电器设备之间的无线通信。该方式减少了家居室内的布线；蓝牙的无线连接方便快捷，可以很方便的实现家用电器设备与上位机之间建立和取消连接。同其他的无线连接方式相比较，蓝牙技术采用2.4～2.485GHz的通讯频段，以扩频跳频为通讯方式，大大提高了通讯连接的抗干扰性，也不需要设备间的对准。同时蓝牙设备的无线电发送的功耗也很小，在不需要时可以将其置于低功耗的沉睡模式下，在10m的通讯范围内不需要外加功放。但通信距离短，不适合远程通信。

　　3)以太网系统控制方式

　　在每个家居设备中嵌入一个以太网接口，利用低端的处理器（如：单片机等）+TCP/IP协议的方式来实现家居设备的Internet接入，从而实现对家居设备的远程控制。该方式具有通信速率高、开放性好、应用广泛以及价格低廉等优点；但是由于以太网需要有线的传输介质来进行通信，它对室内设备的移动性、灵活性进行了限制。考虑各种方式的优缺点，文中采用了一种以蓝牙协议+以太网的组合方式来实现家居电气设备的远程控制。

　　1 系统的总体方案设计

　　整个系统的原理框图如图1所示，在家居内部采用基于蓝牙协议的无线通信网络，远程控制采用基于TCP/IP协议的Internet方式。考虑到设计成本、开发周期以及计算机的普及程度，蓝牙模块采用ROK101007，网关选用一台普通的PC机。

　　2 蓝牙模块的设计与实现

　　从图1可以看出，网关由于选用普通的PC机来充当，很容易实现接入以太网，因此，实现家居远程控制的关键在于蓝牙技术的实现。

　　2.1 蓝牙协议简介

　　蓝牙协议是由蓝牙兴趣小组SIG（Bluetooth Special Interest Group）开发的无线通讯协议，主要面向近距离的无线数据语音传输，完成电缆替代的应用。蓝牙的基本拓扑结构是微网(Piconet)。在微网中只有一个主设备(Master)，它可以同时和至多7个处于激活状态的从设备(Slave)以及至多达255个处于休眠状态的从设备建立连接关系。微网之间还可以形成散射网 (Seatternet)，从而扩大了网络的规模，提高了网络的工作效率。

　　蓝牙系统在实现的时候，一般分成两部分实现，一是硬件部分，它包括蓝牙协议栈的下三个层次，即无线收发、基础和链路客理层(LMP)；二是软件部分，它包括蓝牙协议栈的上层，即L2CAP、RFCOMM 、SDP和TCS以及一些蓝牙技术应用。由于每一个蓝牙设备都拥有一个的地址码，因此可以利用该地址码方便的实现家居内电器设备的控制。

　　2.2 蓝牙系统的硬件设计

　　目前，虽然家用电器并没有具有蓝牙功能，但一般采用微处理器的控制方式，所以在研究家居远程控制时，利用简单的微处理器控制系统代替家用电器设备，通过串口来实现与蓝牙模块之间的通信，从而模拟实现家用电器设备的蓝牙接入功能。系统设计框图如图2所示，蓝牙模块采用ROK101007，微处理器采用AT89S52。

　　ROK101007蓝牙通信芯片是爱立信（Ericsson）公司推出的一款适合于短距离蓝牙通信的无线基带模块。该蓝牙模块集成度高，功耗小，完全兼容蓝牙协议V1.1，可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。该模块包括基带控制器，无线收发器，闪存等部件，可提供高至HCI（主机控制接口）层的功能。此外，该模块还提供有USB、UART和PCM接口，因而能方便地与主机（host）进行通信。由于ROK101007与AT89S52采用串口的通信方式，其电路连接简单，这里不在赘述。

　　需要注意的是：ROK101007的串行口为TTL电平（3.3V），与单片机的UART引脚可以直接相连。但在与PC机的RS232（±15V电平）串口相连时，必须进行TTL至232的电平转换。

　　另外，ROK101007的串口参数速率可达到1.3MBPS，因此，在实际进行串口通信时，还应该考虑到串口速率匹配的问题。

　　2.3 蓝牙系统的软件设计

　　系统主要实现的是远程控制，故在设计时，定义电器设备为从设备；与PC机相连的模块为主设备。处理器、PC机与ROK101007之间通过HCI（主机控制接口）来实现对其硬件的访问和控制。具体的工作过程如下：

　　当处理器和主机控制器通信时，HCI 层以上的协议在处理器上运行，而HCI 层以下的协议由蓝牙主机控制器硬件来实现，它们通过HCI 传输层进行通信。由微处理器充当主机的角色，其主机软件工作在HCI 之上，通过串口与HCI 进行交互，调用HCI 命令，处理HCI 事件和数据分组。处理器和主机控制器中都有HCI，它们具有相同的接口标准。主机控制器中的HCI 解释来自处理器的信息并将信息发向相应的硬件模块单元，同时还将模块中的信息(包括数据和硬件/固件信息)根据需要向上转发给处理器，从而完成蓝牙无线通信功能。

　　HCI 接口通信流程如图3 所示。

　　根据 HCI 接口的通信流程以及实际的工作情况，家居控制系统中的主（上位机）无线通信模块的控制程序流程图如图4 所示。限于篇幅，只给出下位机的主程序代码。
　　void main()
　　{
　　SCON=0x40;
　　TMOD=0x20;
　　PCON=0x80;
　　TH1=0xFA;
　　TL1=0xFA; //串口初始化，波特率为9600,
　　TR1=1; //启T1 计数
　　ET1=1; //开计时器T1 中断
　　EX1=1; //开INT1 中断
　　IT1=0; //电平触发INT1
　　ES=1; //开串行口中断
　　//等价于IE=0xA4;
　　REN=1; //允许串口接收
　　EA=1; //开所有中断
　　Initialize_Bluetooth(); //初始化蓝牙模块
　　Inquiry_Bluetooth();
　　Create_Connection(); //创建ACL 数据连接链路
　　while(1)
　　{
　　}
　　}

　　3 结论

　　文中以蓝牙技术为短距离无线通信手段，利用Internet 进行远程监控，实现了一种家居系统远程控制的设计方案。整个方案功能齐全、操作简单、可扩充性强，摆脱了布线系统的束缚，提高了系统的抗干扰能力，具有一定的应用推广价值。

　　本文创新点：采用两级组网模式(结合PC 机的普及现状,将网关直接用PC 机代替)来实现对家居电器设备的远程控制，简化了设计成本，缩短了开发周期。

  

参考文献:

[1]. AT89S52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89S52_970343.html.
[2]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[3]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[4]. PC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.