对于广泛的中国市场来说，物联网将会是一次重大的机遇。随着信息技术的不断发展及家庭人口结构的变化，人们对生活工作环境的安全状况、舒适条件及便捷程度的要求越来越高。现有的智能家居已经很难达到大众对住所环境的信息自动化程度和便捷性的要求，智能家居是物联网技术应用的一个全新领域。因此，如何研究设计出一个能够满足现代人们生活需求的智能家居系统是目前一个研究的热点。
因为智能家居系统的存在，当用户外出时，能够通过手机、电脑等终端设备得到家居环境的信息，并能对家居设备实现控制。例如，家庭主人可以在上下班的路上利用手机通过短信息的方式打开或关闭卧室的空调以及卫生间的热水器，这样回家时就有一个舒适的环境；用户进入家门时，解除门禁报警监测、可以通过智能家居控制器打开、关闭窗帘，打开卧室照明灯，或者睡觉前把家居环境调整为睡眠模式。的智能家庭技术应该包含较新的计算机通信、无线网络、及嵌入式系统等技术。它能将家庭照明系统、环境监测系统、安防监控系统及家电控制系统融合在一起。这也是物联网技术应用于智能家居领域的意义。
基于蓝牙的智能家居控制系统融合了多种先进的信息技术，本文将分别从物联网技术、蓝牙通信技术及嵌入式系统相关技术几个方面对智能家居控制系统的技术进行了研究和分析。
一、物联网技术物联网是一个近年来提出的概念，是一种物体之间相互连接互联网，一般指通过传感器、射频识别技术等信息传感设备，实时的采集获取物体的光、热、声、位置等数据信息，并通过各种方式把物体接入到互联网中，以实现物体间的信息交互的目的，从而实现对物体的感知、监控和管理等目标的一种网络。其中涉及到的技术包括感知技术、控制技术、通信技术、信息安全技术等。
1.1传感技术
(1)传感器
传感器技术与传感网络技术是物联网获得信息数据的基本技术手段，是构成物联网系统的基本单元。传感器能把某种形式的能量转化成一种需要形式的能量，通常是将监测目标的某个状态信息通过一系列的处理，使之成为可以测量使用的电学量，之后将此电学量提取出来，转换成电信号并发送到传感器系统中。利用这些信息数据，传感器系统与自动控制系统相结合成自动监测与控制系统，可以实现对被控目标的自动化控制。系统以计算机为核心，用户可以通过计算机应用程序实现对系统的自动控制。图2-1给出了自动监测与控制系统的组成和数据信息的传递过程。其中监测对象、传感器、数据采集通道与数据显示与处理模块组成了传感系统。
根据监测对象的物理属性不同，传感器的分类有很多。智能家居系统中用到的传感器主要有温度传感器、湿度传感器、光强传感器、红外传感器、烟感传感器、门磁感应器等。
(2)传感网络
传感器是传感网络的组成要素之一，传感器采集的感知对象的数据信息，通过无线传感网络传送给监测者。传感网络能够把逻辑信息及现实中的物体的物理属性联系在一起。这样，我们就可以利用信息技术手段去感知世界，同时传统的通信网络功能也得到了丰富和扩展。
传感网络一般由传感器节点、管理节点以及汇集点三个部分组成。图2-2展示了传感网的体系结构。在被测对象的监测范围内随机部署足够的传感器节点，这些节点能够自组织的方式构建通信网络。被测对象的信息数据通过传感器节点沿着其它传感器节点进行传递，经过一系列的多跳后传送到汇集节点，之后通过GPS或Internet传递至传感网络的管理节点。最后，我们能够通过管理节点对传感器网络进行人为的管理及配置，同时可以收集信息数据并实施监测。
其中，传感器节点一般可分为四部分，它们是：电源供应模块、传感器模块、处理器模块和通信模块，其结构如图2-3所示。整个传感器节点的电源都依靠电源供应模块；传感器模块主要功能是实现被测目标的信息数据的采集和交换；处理器模块一般包含处理器、存储设备和操作系统等，它负责对传感器节点的数据信息的存储和处理，实现对整个节点的控制；通信模块的功能是实现该节点与其它节点间的数据信息和控制信息的传递。
较早时期人们提出的传感网络体系结构原始模型参考了OSI模型和TCP/IP模型等传统的计算机网络体系架构。其物理层、数据链路层、网络层、传输层以及应用层五层模型和传统的计算机互联网协议结构相对应。同时增加了三个管理平台：任务管理平台、移动管理平台和能量管理平台。各传感器节点在管理平台的统一控制下能够保持较高的工作效率，并且可以实现多任务以及资源共享。图2-4(a)展示了较早时期的传感网络体系结构原始模型。
之后又对原始的传感网络协议栈做出了改进，改进后的传感网络协议栈如图2-4(b)所示。图中所示的右边融入了原始参考模型的各层协议中的部分功能，可以用来管理和优化整个协议工作流程；剩余部分相对独立于协议栈的外层，通过其中的配置和管理接口实现对相应的机制进行管理和配置，比如安全性管理。与原始模型相比，拓扑控制能够优化路由以及介质访问控制(MAC)协议的协议过程，提供基础信息的支持，降低整个传感网的能量消耗，它通过物理层或链路层实现拓扑生成。QoS管理主要为各层提供服务管理工作，如设计优先级机制、实现队列管理或设计带宽预留机制等。时间同步和定位子层是整个协议栈中具有非常重要的作用：时间同步协同和定位通过该子层利用数据传输通道完成，同时各层传感网协议信息上的支持又依赖于该子层。网络管理负责协调整个网络中协议模块的工作，它需要嵌入各层协议的接口，以保证收集各协议模块运行状态信息和流量信息。
1.2通信网络技术
家居内部监测范围的通信网和外部通信网组成了物联网的通信网络，通信网络按通信方式分为有线方式和无线通信方式两种。常用的有线的方式有HSE、LonWorks、X-10和CEBus等。
HSE的通信通信协议栈基于TCP/IP协议，具有较好的开放性。LonWorks采用了ISO/OSI模型中的全部七层协议，其设计方法借鉴了面向对象方法，这就可以将网络通信的设置简化成对参数的设置。X-10是一种电力载波通信技术，具有良好的可靠性、稳定性和兼容性。CEBus采用了扩频技术，在北美和欧洲应用比较广泛。有线的通信方式的优点是通信速率比较高、工作稳定，但同时存在着安装成本高，需要通信介质、互相兼容性差等缺点。
无线通信在物联网领域主要应用在感知监测范围的通信网络，覆盖范围一般不超过200米。短距离无线通信按照通信速率应该划分为低速短距离通信及高速短距离通信两种。低速无线通信传输距离传输速率一般在1Mb/s以下，而通信距离不大于100米，常用的有ZigBee和蓝牙等；高速无线通信的通信速率的门槛值一般为100Mb/s，而通信距离一般不超过10米，超宽带技术是一种常见的高速无线通信。短距离通信技术的工作频率一般在科学、医疗、工业应用等领域的免费频段上。目前常用的短距离无线通信技术有ZigBee、蓝牙2.0技术、WLAN和超宽带通信技术等。
ZigBee：技术依据IEEE802.15.4标准，是为低速率控制网络设计的标准无线通信网络协议，能够使数量众多的微传感器之间通信在相互协同的状态下工作。ZigBee的网络拓扑结构支持网状拓扑结构、星形拓扑结构和簇-树状网络拓扑结构。ZigBee的特点显著：能耗低、网络能够自组织、有较好的自愈功能、网络容量高、设备接入网络快、传输速率低。
蓝牙2.0：蓝牙是一种低成本的短距离无线连接的开放性技术标准，工作在统一的免费2.4GHz频段。多个蓝牙设备采用主从结构可以组成微微网，多个微微网又可以组成散射网。蓝牙2.0技术具有较强的防*力、纠错检错技术可以用简单的电路实现，使得设备成本低廉等特点。
WLAN：WLAN是IEEE802.11工作组在20世纪末开始定制的一种无线局域网标准。WLAN典型的网络架构有分布对等式网络架构和基础式网络架构两种。WLAN的802.11a标准工作在5GHz频段，支持传输速率为54Mbps；802.11b和802.11g标准工作在2.4GHz频段，支持传输速率分别为11Mbps和54Mbps。
超宽带：超宽带技术能够在极低的功率(约20mW)和极宽的频谱范围(7.5GHz)内以较大的速率(可达500Mb/s以上)进行信息通信的技术。它具有系统结构简单、传输速率高、定位精准及穿透性*等特点。
1.3控制技术
物联网控制系统是集合了多种技术的复杂网络，包括嵌入式控制器技术、执行单元设计技术、多传感器采集与多源信息融合技术等。物联网控制系统可以分为间接网络控制结构和直接网络控制结构，这两种结构的抽象表示如图2-5所示。图中物联网络部分负责控制信息、状态反馈信息及质量信息的传输。图中的主控设备、执行设备和传感器共享整个物联网络。
用户也可以利用移动通信网络和Web动态服务远程控制被控设备和执行单元。
2.1传统蓝牙
蓝牙是以低成本为基础的短距离无线通信技术，是一种无线信息数据和话音通信服务的统一规范，其标准具有开放性。各种搭载蓝牙模块的信息终端设备能够以较低的成本实现通过无线的方式完成互相通信和操作的目的。蓝牙小组（SIG）负责开发了蓝牙协议标准版本802.15.1。它的工作频段为公共通用的2.4GHz ISM频段，提供了10米的传输距离和1Mb/s的传输速率。2005年蓝牙小组发布了蓝牙通信标准V2.0版本和EDR（更高的数据通信速率），新的规范将传输速率提高到为10Mb/s，传输距离可达100米。同时，由于新的规范使蓝牙的通信功耗降低，这样就延长了蓝牙终端的移动电源的工作时间。
蓝牙的工作模式包括两种：主设备工作模式和从设备工作模式。工作在主设备模式下的蓝牙设备负责制定调频序列和主从设备间的数据传输速率和时间，而从设备要与主设备保持同步。一个主设备可以同时和多个从设备协同工作。在组网方式上，传统蓝牙支持微微网和散射网两种模式，多个微微网之间可以通过节点桥接的方式组成散射网。
蓝牙协议栈是蓝牙规范的核心部分。按照蓝牙协议的实现方式，蓝牙标准包含硬件和软件两部分。一般硬件标准的射频及无线电协议、基带及链路控制协议与链路管理协议制作在一个芯片上；主机接口控制协议存在硬件和软件中，负责两部分之间的通信。
2.2低功耗蓝牙
蓝牙技术小组于2010年正式发布蓝牙规格4.0版本，集成了IEEE802.15.1传统蓝牙、802.11物理层和MAC层和Wibree技术。由于加入了Wibree低功耗传输技术，使得低功耗成为蓝牙4.0的一个的特征，超低的待机和运行电量消耗保证了一颗纽扣电池能够使设备工作2~3年。除此之外，蓝牙4.0支持跨供应商的互操作、100m以上超长通信距离、AES-128加密、3ms低延迟、低成本等特色。低功耗蓝牙不仅适用于WPAN领域，也可以应用于心率监测器、智能仪表、计步器、传感器物联网等多种领域，使得蓝牙技术的应用范围得到很大的扩展
蓝牙4.0的低能耗协议与之前的蓝牙协议底层基本相同，只是针对传感器网络应用推出了通用属性剖面（GATT）和属性协议（ATT）。
物理层（PHY）采用GFSK调制方式，提供了3个固定广播信道，将发现设备和建立设备时间压缩到3ms左右。
链路层（LL）的作用是执行基带协议的底层数据包管理协议，链路层设备有待机、发起、连接、广播和扫描五种工作状态。
主机控制接口（HCI）为上层的软件部分提供应用程序接口，同时为下层硬件电路提供硬件控制接口，实现主机与控制层的数据通信。
逻辑链路与适配协议层（L2CAP）为上层提供数据封装，提供P2P的逻辑数据通信。
安全管理层（SM）制定配对及秘钥发放办法，保证了链接及数据交换的安全性。
属性协议层（ATT）负责数据信息校验。
通用管理层（GAP）提供了通用的应用程序接口以及管理底层协议，例如链路层设备五种工作状态转换等。
通用属性剖面（GATT）功能是实现两个设备数据交换，使得其中某个设备能够以“属性”形式向其他设备提供它的数据信息。其中，提供数据信息的一端为服务端，另外一端为客户端。数据信息校验由属性协议层负责。
嵌入式系统可以理解为对体积、功能、成本及稳定可靠性等有特别需求的微小型计算机系统，其技术组成还是广义上的计算机技术，一般包括嵌入式处理器、与其相应的外围电路、嵌入式操作系统及配套的应用程序等。嵌入式系统在我们日常生活中应用广泛，如智能手机、平板电脑、信息家电设备、健康医疗等；其在工业控制、军事应用上也比较广泛。
3.1 ARM处理器技术
嵌入式系统设计工程师们常用的嵌入式处理器有PowerPC、MIPS处理器、Intel Atom处理器、ARM处理器以及Xilinx公司的FPGA等。其中，ARM处理器采用精简指令集（RISC）架构，以其高效率、低功耗、适用范围广、成本低等优点得到广大嵌入式系统设计的青睐。
3.2 Android操作系统
嵌入式操作系统是嵌入式软件系统的重要组成，整个嵌入式系统的软硬件资源管理和分配、系统任务调度、控制管理系统并发活动都依赖于嵌入式操作系统。因此，嵌入式操作系统的性能在很大程度上决定了嵌入式产品的性能及用户体验。目前，在应用各种应用领域主流的嵌入式操作系统有：Microsoft公司的WinCE、Wind River System公司的VxWorks、Embedded Linux、公司的Android以及开源的μC/OS-Ⅱ等。
的Android目前广泛的应用于智能手机产品中，但Android不仅仅适用于智能手机，它可以延伸到各种移动设备和PC中。Android基于开源的Linux系统开发，在底层使用了C语言，保证了硬件访问速度；应用层采用了功能强大且方便开发人员的Java语言，这使得Android赢得了众多的和爱好者。Android的设计策略利用了平台整合思想，其平台包括底层Linux系统、中间件以及上层的Java应用程序。
应用程序：应用程序都是Java语言开发，包括适合智能手机的SMS应用程序、管理、网络浏览器等。
应用程序框架：使组件软件的重用得到简化，某个应用程序发布的功能块可以被任何其它的应用程序复用，这些组件可以被用户替代。主要的组件和服务包括：视图（Views）、活动类管理器（Activity Manager）、内容提供者（ContentProviders）、资源管理器（Resource Manager）、通知管理器（Notification Manager）。
Android程序库：通过Android应用程序框架为开发人员提供服务，包括的核心库有：系统C库、媒体库、SQLite等。
Android运行库：提供了Java核心库的多数功能，包括Dalvik虚拟机。
Linux内核：Android系统服务的核心部分都源自Linux操作系统内核，比如进程管理、内存管理及驱动模型等。
总结
本文主要针对无线智能家居中的关键技术做了研究和分析。首先研究了智能家居架构中用到的物联网技术，包括传感器技术和传感网络技术，其中重点分析了传感网络协议栈。之后对蓝牙技术进行了分析，包括低功耗蓝牙协议栈传统蓝牙技术和的低功耗蓝牙技术，同时对二者的技术和性能进行了对比。最后分析了智能家居控制器设计用到的嵌入式技术，包括ARM嵌入式处理器技术、Android操作系统的简介及平台架构。
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