（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙技术的家庭网络研究与应用.pdf

中文摘要 随着网络技术的发展，家庭网络成为一个新的热点。同时，越来越多的电器 在人们的家中使用，对它们的控制变得越来越复杂。如果把所有的电器连接起来 组成一个网络，则可以通过控制其中的一个节点来控制所有的电器，这样生活就 会变得便利和简单。这个网络就是家庭网络。 组建家庭网络的技术有很多种。本文选用蓝牙技术作为家庭网络的通信技 术。蓝牙技术具有很多的优点，如技术复杂度较低、同步支持语音和数据业务、 安全性好、移动性好、建设和维护成本低等。 本文主要研究了基于蓝牙协议的家庭网络技术，并通过硬件设计和软件编程 实现了其在家居生活中的应用。论文首先提出了一种包括主机、客户端、远程控 制器、移动控制器在内的家庭网络结构，并创建了一个完整的家庭网络协议。使 用蓝牙技术作为家庭网络中的无线通信技术。使用计算机作为家庭网络中的主 机，采用s u a lb 嬲i c6 o 软件编写了包括控制和显示、串口通信、网络通信在 内的主机控制程序。客户端是家庭网络中的智能电器，其以a 呱单片机 a 锄e g a l 6 l 作为控制芯片进行设计，包括照明系统、安防系统、电视系统和空调 系统。远程控制器通过1 1 1 t l 。n l e t 与主机相连实现对家庭网络的控制，编程同样使 用v b 语言。移动控制器也由a 衄e g a l 6 l 作为控制芯片进行设计，旨在为家庭 网络提供一个灵活便利的控制手段。最后，搭建了包括主机、客户端、远程控制 器、移动控制器在内的基于蓝牙协议的家庭网络，实现了家庭网络的各项基本功 能。 关键词：家庭网络；蓝牙技术；单片机；蛐e g a l 6 l a b s t r a c t w i 伍t h ed e 、他l o p m e n to fn e 俺竹r kh 锄en e 鲰r o r kg o 部t ob ean e wh o t s p o t a tt l l e 蛐ed m e ，m o m 弛dm o r ce l e c 仃i c a le q u i p m e n 伍g e ti n 协p e o p l e sh o m e 趾d c o n t r o n i n gt h e mi sm o r ca n dm o r ed i 伍c u i t i fw eg e ta nt h ee i e c t r i c a le q i l i p m 锄临t o b eaw h o l en e t w o f k 皿dc o l l 臼的la l lo f t l l 锄i no n en o d eo f t l l en e t w o r l 【 i tw i nb ei n o r e s i m p l e 锄dc o n v e n i 朗t 1 1 1 en e 觚o r kis a yi sj l l s th o n l en e 铆。收 t b e r ea r es e v 嘲lt e 洫q h e st 0b u i l d 也eh ) m e 蜘o r k 。i no u rw o r ! k ，w el l s e d 也e b l u e t 0 0 t h b l u e t o o t l lh 雏m a n y 取i v 粕t a g e s ，s u c h 鹊l o wt e 僦q u ec 唧h c 撕0 n ，c a n s i l p p o n 跚d i o 柚dd a t a1 i 1 1 ka tm es a m et i m e ，9 0 0 ds e 砥啊9 0 0 dm i d b i l i 劬1 0 w b u i l d i n gc o 瓯l o wm a i n t c n a n c ec o s t ，a n ds oo n km yw o r ka n dt h i sd i s s e r t a t i o 玛也eh 伽玳础b a s 酣0 nb l u e t o o n li s r c s e a r c h e d 锄d 印p l i c a t e d a tf i r s tah o m en e 脚o r ki sp r e s e n t e 过w h i c hi n c l u d i l 唱h o s t ， c h e n t ， 蚴o t ec o n 仃o u e r ，瑚曲i l ec o n 虹o n e r an e wh 叩n e t w 伽kp r o t o c o li s e s t 鱼b h s h e d b l u e t o o t hp r 0 幻c o li sl e 戤n e da 玎du s e d 勰w i r e l e s sc 0 i 珈工嘶c a t i o n m e m o di n 也eh o m en e 铆o r ka p p l i c a t i o n c o m p 咖i su 8 c d 嬲h o s to fm eh o m e n 咖o r k 锄d s u a lb a s i c6 oi su s e dt 0p r o g r 锄t h eh o s t ，ss o f 两a r e ，w h i c hi n c l u d i i l g b a s i cc o n n - o l 砸l dd i s p l a y ，s e r i a lc o l 珈m m i c a t i o n ，缸di n t 锄e tc o m m u n i c a t i o n t h e c l i 俗a r et l l ei n t e l 地e n te l e c t r i c a le q u i p m e n ti n 也eh 伽n e 研o r k hm yd e s i g n ，m e c l i e n t s 缸ec o 咖r o l l e db ya v rm c ua t m e g a l6 l ，w 1 1 i c hc o m a i l l sl i 曲恤g $ s 锄吗 s a f e 缪i a r ds y s t e n l ，t vs y s t e m ，a n da i rc o n d i t i o ns y s t e m 。t h er 锄0 t ec o n t r o l l c ro f t h e h o m en e 觚o r kw 1 1 i c hc 0 1 如疵c a t i o n sw i t l lt l l eh o s tb y 也ei n t e m e t ，c 粕a l s oc o n 臼o l t h eh o m en e t w o f k a 加d b i l ec o n l 工d l l e rc o n t r o l l e db ya 佃鸲g a l 6 li sa l s od e s i 萨e df o r c o n v 碰e n t a tl a s t ，ah l 嘟en e t w 0 1 ki n c l 池gh o s t ，c l i e n t ，r e m o 钯c 0 1 1 缸d l i e ra n d m ( ) b i l ec o n n 0 1 1 e ri sr e a l i z e d k e yw o l t d s ：h o m en e 聃。比b l u 咖o m ，v b ，m c u ，a t m e g a l6 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名；数日只花 签字日期： 工p 口7 年6 月l 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鼓，阏菀 导师签名： 签字日期：硼年石月b 日 签字日期：彦7 年月少日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 家庭网络的背景和项目的由来 随着人们生活质量的提高，越来越多的电器走进了人们的生活，如用于照明 的电灯，用于通信的电话、手机，用于娱乐的电视机、c d 机、收录机，用于家 务的洗衣机、微波炉、电磁炉，用于改善家居环境的空调、电冰箱、电子安检系 统，用于办公的电脑、打印机、扫描仪这些电器繁多而分散，控制起来很不 方便。与此同时。网络技术逐渐发展并成熟起来，规模较大的有无线通信网络、 固定电话网络、有线数字电视网络、i n t e m e t 网等，并且这些网络有融合为一体 的趋势。如果能把家中的电器连接起来组建成一个网络，通过一个网络节点就可 以控制家中的所有的电器，这样就会大大提高家用电器使用的便捷性。这个网络 就是家庭网络。 无论是在国际还是国内，家庭网络都受到人们越来越多的关注，逐渐成为通 信领域的新热点。在家庭网络领域，新的概念、新的标准不断涌现。无论是公司 还是政府都积极参与家庭网络的研究。为了在这个新兴的市场中抢占有利地位， 国内外纷纷申请家庭网络的专利。 我所在的研究室长期从事着通信网的研究，关注着通信领域的新热点。同时， 研究室已经积累了大量的蓝牙技术的经验，具备了开发基于蓝牙技术的家庭网络 的技术条件。2 0 0 6 年，研究室向天津市信息化办申请了“基于蓝牙技术的家庭网 络关键技术的研究与应用”项目并获得批准。 1 2 研究的主要工作 本论文主要对基于蓝牙技术的家庭网络【1 】，【2 】关键技术进行了研究，并在此基 础上通过硬件设计和软件编程实现了基于蓝牙技术的家庭网络。具体完成了以下 工作： 1 对家庭网络技术进行了系统的研究，并创建了自己的家庭网络协议。通 过查阅大量资料，阅读诸多国内外的论文，掌握了家庭网络系统结构【3 】【4 】，并在 此基础上创建了系统的家庭网络协议。同时，为了方便在所组建的家庭网络中的 使用，根据此协议创建了该协议的简易版本。 第一章绪论 2 掌握了蓝牙协议吼【6 】，使用p m 试d ，软件开发了蓝牙电路板，并通过软 件编程使用蓝牙技术作为研究中的无线通信工具。在本研究中，使用蓝牙技术作 为串口通信的延伸，即通过串口与蓝牙电路板相连接，蓝牙电路板之间进行基于 蓝牙技术的无线通信。 3 以计算机作为家庭网络中的主机【7 1 ，嗍，使用叭a lb 雏i c6 0 【9 】，【1 哪软件开发 了主机控制界面；同时，为了能让远程的用户对家庭网络进行控制，增加了用户 通过1 1 1 t c i n e t 网络对家庭网络进行远程控制的功斛1 1 j 。 4 开发了模拟家庭网络客户端的模拟器，同时该模拟器还可以作为家庭网 络的移动移动控制器使用。家庭网络中的客户端就是家庭网络中的智能电器 1 2 】， 模拟器模拟了家庭网络中的智能照明系统( 两套) 、智能安防系统、智能电视以 及智能空调系统，实现了这些客户端的各种基本控制功能。客户端模拟器使用 p r o t e ld x p 软件【1 3 】，【1 4 】开发，用怂厂i l 单片机a 咖e g a l 6 l 【1 5 】作为控制芯片。同时，通 过对单片机编程【16 】，【1 7 1 ，该模拟器作为家庭网络中的移动控制器使用，大大增加 了家庭网络的易操作性。 5 利用自己开发的家庭网络协议、蓝牙电路板、客户端模拟器以及计算机， 通过蓝牙编程、s 陋lb 嬲i c 编程和a v r 单片机编程，实现了家庭网络的各种功 能。研究中实现的家庭网络包括远端控制器、主机控制器、家庭网络客户端以及 移动无线移动控制器，其中远端控制器通过砷册n e t 网控制家庭网络。研究中实 现的家庭网络被控制系统包括照明系统、安防系统、电视系统、空调系统。 1 3 本文的内容安排 本文的总体结构和内容安排如下： 。 第一章：绪论。主要介绍家庭网络的背景、项目的由来、研究中完成的主要 工作和本文的总体结构和内容安排。 第二章：家庭网络技术。介绍了家庭网络技术国内外发展的现状，组建家庭 网络的技术，其中详细介绍了当前比较受欢迎的几种技术：电力线通信技术、无 线局域网技术、超宽带无线技术和蓝牙技术。说明了家庭网络组网方式和硬件结 构，并介绍了研究中家庭网络通信协议的设计。 第三章：蓝牙技术。介绍了蓝牙技术的背景、特点、现状与前景等，简单介 绍了蓝牙无线规范、基带规范和几个重要的协议。重点介绍了研究中蓝牙电路板 的制作和蓝牙的作用。 第四章：家庭网络的主机控制和v b 编程。介绍了研究中家庭网络主机的功 能、与客户端之间的通信流程等，对s u a lb 硒i c 软件及其在研究中的编程进行 第一章绪论 了介绍，同时论述了远程控制器的作用和与主机的通信流程。 第五章：家庭网络客户端设计。介绍了研究中家庭网络客户端要实现的功能 和客户端和主机的通信流程，简单介绍了a m l - 单片机a t n l e g a l 6 l 在其基础上的 硬件设计和软件编程，同时论述了移动控制器的作用及其与家庭网络其他节点的 通信流程。 第六章：结束语。对研究进行了总结，并提出了在该研究基础上可以开展的 新的研究。 第二章家庭网络技术 2 1 家庭网络技术简介 第二章家庭网络技术 近年来，随着信息化的快速推进和人们对家庭生活与家居环境质量需求的提 高，家庭网络技术的研究迅速升温。家庭网络是代表家庭信息化的一种新概念， 它是全方位提供智能化服务的网络系统。 随着无线网络研究在全世界范围内的兴起，对智能家庭网络的研究已经成为 新的研究热点【1 8 j ，【1 9 j 。从上世纪九十年代中期开始，家庭网络技术开始逐步发展 起来。在国际上比较有影响的系统有：美国的x 1 0 、c e b l l s ( c 0 n s u m ee l e c 仃o n i c b u s ) 和l 0 n w o r k ；日本的h b s ( h o m eb l l ss y s t e l n ) ；欧洲的e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o n b u s ) 和e h s ( e u r o p e 龃h o m es y s 锄m 。我国对家庭网络的研究目前成熟的，主要 集中在一些分散的智能家庭控制子系统的研究上，如三表抄送子系统、门禁子系 统、可视对讲子系统等。这些子系统互相独立，不能实现信息共享，使安装和使 用很不方便。随着集成技术、通讯技术、互操作能力和布线标准的发展而不断改 进，智能家庭网络可以将这些电气子系统以及电气设备连接起来，实现它们之间 信息共享，使得系统安装方便、使用灵活。 家庭网络是指将家庭中的计算机、家用电器和移动终端等信息设备连接起来 有效工作的家庭信息化平台，能提供集成的话音、数据、多媒体应用，实现控制 管理、安防报警等功能，还可与外部公网连接以实现远程操作。家庭网络的主要 功能有安全服务、通信服务、能源管理、自动控制等。 家庭网络能极大地提高人们的安居质量，方便人们的生活。目前，家庭网络 已成为近年来信息建设的热点之一，为人们特别是r i 业界广为关注，开发一种 技术可靠、价格低廉的家庭网络技术迫在眉睫。 2 2 组建家庭网络的技术 组建家庭网络的技术方案多种多样，有线技术包括乙n 、h 锄e p n a 、电力 线p l c 等，无线技术包括w l a n 、i m b 、蓝牙等。这些技术的特点如表2 1 所 示： 第二章家庭网络技术 表2 1 家庭组网技术比较 项目 l a n几a np l cb l u e t o o 血h o m e p n a 技术复杂性简单复杂复杂简单较复杂 支持业务所有业务数据业务数据业务电话、数据业务简单数据业务 8 0 2 1 1 a5 4 m2 m 1 m 数据带宽 1 0 0 m 8 0 2 1 1 95 4 m 1 4 m2 m 乃m 1 0 m 8 0 2 1 l b1 1 m2 0 0 m 安全性好较好较好较好较好 标准成熟性成熟标准在发展标准在发展标准成熟标准滞后 可扩展性需要布线移动性好很好移动性好，但距离短电话线延伸 建设成本低高较高较低中 安装维护低高较高较低 由 局域网( l n a ) 技术和h o m e p n a ( h 0 m ep h o n e l i n en 咖o r ka 1 l i a n c e ，家庭电 话线网络联盟) 技术组建家庭网络需要另外布线，与其他技术比较没有优势。下 面对电力线p l c 、w i ，a n 、i 、糟、蓝牙这四种技术进行简单的介绍。 2 2 1 电力线p l c 技术 p l c ( p o w e rl i n ec 0 n 皿_ l l n i c a t i o n ) ，即电力线通信，利用传输电流的电力线 作为通信载体，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受 4 5 4 5 m b p s 的高速网络接入，这使得p l c 具有极大的便捷性。另外，可将房屋 内的电话、电视、音响，冰箱等家电利用p l c 连接起来，进行集中控制，实现 智能家居。目前，p l c 主要是作为一种接入技术，提供宽带网络”最后一公里 的解决方案，适用于居民小区，学校，酒店，写字楼等领域。 p l c 利用1 6 m 到3 0 m 频带范围传输信号。在发送时，利用g 槲s k 或o f d m 调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输，在接收端，先经过滤 波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。目前可达到的通信速 率依具体设备不同在4 5 m q 5 m 之间。p l c 设备分局端和调制解调器，局端负 责与内部p l c 调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的 数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号 解调出来，再转到外部的i n t e m c t 。 p l c 的优点有： ( 1 ) 实现成本低：由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以 不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。 ( 2 ) 范围广：电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无 法比拟的。p l c 可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。 第二章家庭网络技术 ( 3 ) 高速率：p l c 能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的 不同而在4 5 m 4 5 m b p s 之间。远远高于拨号上网和i s d n 。足以支持现有网络上 的各种应用。更高速率的p l c 产品正在研制之中。 ( 4 ) 永远在线：p l c 属于”即插即用”，不用烦琐的拨号过程，接入电源就 等于接入网络。 ( 5 ) 便捷：不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上， 就可立即使用p l c 通信。 2 2 2 无线局域网( ，a n ) 技术 无线局域网唧n l e s sl n ，w i ，a ，顾名思义，是一种利用无线方式，提 供无线对等( 如p c 对p c 、p c 对集线器或打印机对集线器) 和点到点( 如u 心到 u 悄) 连接性的数据通信系统。w l a n 代替了常规u 诚中使用的双绞线或同轴 线路或光纤，通过电磁波传送和接收数据。w l a n 执行像文件传输、外设共享、 w e b 浏览、电子邮件和数据库访问等传统网络通信功能。 w i 。a n 包括进行通信的网络接口卡0 虹c ) ( 或称无线网卡) 和接入点桥接器 ( 如最终用户到u 蝌和u 斟到【a n ) 。m c 提供了最终用户设备( 如桌面p c 、便 携p c 或手持计算设备) 与经过接入点桥接器上天线的无线电波之间的接口。 随着无线通信技术的发展和对无线局域网通信速率要求上的不断提高，无线 局域网的标准也在不断发展，总的趋势是数据速率越来越高、安全性越来越好、 服务质量越来越有保证。 2 2 3 超宽带无线( i n 糯) 技术 u w b 是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输 数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号。i 聊b 不使用载波，而是使用 短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围 内。i n b 使用的电波带宽为数g h z ，与带宽2 0 m h z 左右的无线l a n 相比，u w b 利用的带宽高出数百倍。与普通二进制移相键控信号波形相比，i ，w b 方式占用 带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点，即使与 通常的扩频信号相比，也是超宽带宽( 数g h z 带宽) 。功率谱密度比之扩频信 号，i 照，b 信号也低得多。在与其他系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗 其他系统干扰的优点。由于脉冲的时间宽度极小，能把多路径分得更小，能实现 汇集接收许多方向的电波，通信速度为数百m b p s 至1 g b p s ，与高速有线乙 旗鼓相当。 第二章家庭网络技术 u w b 将会是为无线局域网u 试和个人局域网p a n 的接口卡及接入技术带 来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。u w b 解决了困扰传统无线技 术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密 度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。概括地说， i m b 具有抗干扰能力强、传输速率高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广 泛的应用前景，在室内通信、高速无线u 心l 、家庭网络等场合都能得到充分应 用。 与当前流行的短距离无线通信技术相比，l m ，b 具有巨大的数据传输速率优 势。i n b 技术在无线通信方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与 蓝牙等无线通信技术相比，i m m 可以提供更快的传输速率和更广的传输范围。 现在，i n 船不仅为低端用户所喜爱，在一些高端领域的需求也越来越大，i m 但 技术将会进一步发展和成熟起来。 2 2 4 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 ， 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，是一种短距离无线 通讯技术。它可以支持便携式计算机、移动电话以及其他的移动设备之间相互通 信，进行数据和语音传输。其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境 建立通用的无线电空中接口( 黜d i o 艋i n t e r e ) ，将通信技术与计算机技术进 一步结合起来，使各种3 c 设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距 离范围内实现相互通信或操作。换句话说，蓝牙技术是一种利用低功率无线电在 各种3 c 设备间彼此传输数据的技术。由于“蓝牙”技术具有跳频快、数据包短、 功率低等特点，所以显得更加稳定、抗干扰能力更强，辐射更小。 蓝牙技术的优势在于全球标准的统一，具有互操作性，以及能非常方便地实 现快速、灵活、安全、低成本、低功耗的数据和语音通信，因此b l u e t o o 也技术 在家庭无线网络系统中的发展潜力巨大。 基于蓝牙协议的家庭网络技术( 2 0 】作为一种理想的方案，其具有技术复杂度较 低、同步支持语音和数据业务、安全性好、移动性好、建设成本低、维护成本低 等诸多优点而受到广泛的关注。本研究中使用蓝牙技术组建家庭网络。 2 3 家庭网络组网结构 家庭网络组网结构如图2 1 所示，网络中设一个家庭网关【2 1 1 ，家庭网络使用 者可以通过对家庭网关的操作来控制家里的电器，也可以通过1 1 1 t c m e t 对家庭网关 控制进而控制家里的电器【2 2 】。此外，研究中还设了一个家庭网络移动控制器，可 第二章家庭网络技术 以显示家里电器的状态并控制。 本研究主要实现对照明系统、安防系统、电视系统和空调系统的控制，现分 别介绍如下： 1 照明系统：实现照明系统的开关控制、颜色变换、闪烁控制等功能。照 明系统包括卧室和厨房两个照明控制系统。 2 安防系统：实现安防系统的开关控制、遇险报警、解除报警等功能。 3 电视系统：实现电视系统的开关控制、频道选择、音量调节等功能。 4 空调系统：实现空调系统的开关控制、温度调节、风速快慢、冷暖风控 制等功能。 开启、关闭 频道选择 音量控制 开启、关闭 报警控制 解除报警 2 4 家庭网络硬件设计 开启、关闭 温度控制 风速、风向 目 u 明系统 开启、关闭 颜色变换 闪烁控制 移动控制器 图2 1 家庭网络总体设计图 研究中采用蓝牙技术做无线接口，用蓝牙模块做成专门的无线通信模块，通 第二章家庭网络技术 过串口与其他设备相连。用电脑作为家庭网络主机，用编辑家庭网络主机界 面。用单片机蛔e g a l 6 作为家庭网络移动控制器的控制芯片和家庭网络中客户 端的控制芯片。照明系统、安防系统、电视系统、空调系统的状态由发光二极管、 l e d 数码管、三色灯、蜂鸣器等来显示，由接触式按键来控制。 、 照明系统、安防系统、电视系统、空调系统的状态显示如表2 2 所示： 控制项目状态显示 照明系统 卧室三色灯( 红、绿、黄) 厨房 = 任灯( 灯、缀、昔) 安防系统 开启和关闭发光二极管 报警 借光一桶管、怪嚏袈 电视系统 开启和关闭发光二极管 频道选择 两衍枯奖一糨管 音量调剂l e d 双位数码管 空调系统 开启和关闭发光二极管 低风速发光二极管( 蓝色) 高风速发光二极管( 红色) 冷风发光二极管( 蓝色) 暖风发光二极管( 红色) 温度调节l e d 双位数码管 2 5 家庭网络通信协议设计 为了达到研究开发的目标，研究室做了大量的工作创建和完善家庭网络协议 【2 3 】【2 4 】，以期使自己的家庭网络协议能方便、有效的广泛使用。 协议的主要内容有： 1 遵循i s o 标准，实现物理层、数据链路层和应用层。 2 协议相对物理媒介独立，接口设计能够接收网络通讯线路上的变化，但 并未定义物理媒介。 3 寻址模式主要有三种，即点到点、点到多点和广播方式。 点到点主要用于一个接点和其他多个结点之间的任务和通信，如接点应用程 序的下载等；点到多点主要用于一个节点和其它多个节点之间的通信，如一个节 点同时控制两个或多个节点的操作任务动作等；广播通讯主要用于个节点域网 络上所有节点之间的通讯，如安装初期节点地址的配置，工作运行中节点故障信 号的发送等。 第二章家庭网络技术 4 数据链路层提供多种类型的服务，基本上有三种：不确认的无连接服务、 确认的无连接服务、面向连接服务。 不确认的无连接服务是指源节点向目的节点发送独立的帧，而目的节点对收 到的帧不做确认。事先不必建立连接，因而也不存在事后的释放。如果某个帧由 于线路噪声而丢失，数据链路层并不准备恢复它。这种服务支持点到点、点到多 点及广播等不同方式的工作。 确认的无连接服务，这种服务仍不需要建立连接，但是对于一个被发出去的 帧要进行单独的确认。用这种方式，发送方可以知道一帧是否已安全到达目的地。 如果在指定的时间一帧未能到达目的地，则可以重传误帧。这种服务只用于点到 点方式。 面向连接服务，采用这种服务，传输任何数据前必须先建立一条连接，包括 连接建立、数据传输和连接终止三个阶段。在这种连接上传输的每一帧都被编上 号，数据链路层保证传送的帧被对方收到，且只收到一次，帧的先后顺序也不变。 5 链路控制【2 5 】：根据分组寻址方式和分组类型，选择不同的链路控制协议。 6 节点的地址：所有连接在网络上的网络节点具有物理地址和组地址。 每个节点的物理地址是唯一的，它反映了节点在网络中的实际连接位置关 系。组地址由组号和节点编号两部分组成。组号是具有一定功能连接关系的节点 集合的索引，它反映不同节点因某种功能联系所形成的组的代号。完成相同功能 的所有节点具有同一组号，或者根据节点在网络中的位置，位置相近的节点具有 同一组号。每个组号在网络中是唯一的；节点编号是该节点在组中的序号。同一 个网络节点可以有多个组地址。 7 数据包格式：数据包由数据包头，数据包体和数据包尾三部分组成。 8 家庭网络的组网：包括新设备入网【2 6 】，【2 7 】、设备出网、网络寻呼等。 9 本协议的媒质访问方式使用带有冲突检测的载波侦听多址接入技术 ( c s m a c d ) 。 1 0 节点任务的优先级【2 8 】。 1 1 操作系统采用事件驱动实时任务调度。 1 2 节点f l a s h 存储区和r a m 存储区。 同时，为了在研究阶段方便使用，研究小组创建了简易版的协议。协议中控 制信息和对应的编码如表2 3 所示。 第二章家庭网络技术 表2 3 项目控制信息和对应的编码 照明系统 命令类别十六进制 卧室开 0 00 00 0o l0 l 卧室关 0 0 0 00 0 o o 0 0 厨房开 o o0 0o ol o0 2 厨房关 0 00 0 0 01 1 0 3 颜色 o o 0 1 1 0 ( 房间) 0 0 0 l 1 0l l ( 红、绿、黄) 单色闪烁 0 10 1 ( 0 0 0 1 l1 0 l ( 0 l 为1 s ，1 0 o ol o1 00 l ，l o 代表卧室灯 为2 s ，1 1 为3 s ) 1 11 1 开l s ，关3 s ) 红绿闪烁 0 00 00 10 1 1 00 5 0 6 红黄闪烁 o o0 0l o0 1 l o0 9 o a 绿黄闪烁 o o0 10 0o l 1 01 1 1 2 红绿黄闪烁 0 0l o 0 0 0 1 1 02 1 ，2 2 闪烁开 0 00 1 1 00 lo o1 4 2 4 闪烁关 0 0o l 1 0o o 0 0 1 0 2 0 安防系统 命令类别报警解除位报警位开关十六进制 系统开启 0 1o oo o0 l4 1 系统关闭 o l0 0o o0 04 0 报警( 上传) o lo o0 10 l4 5 报警解除 o lo lo o0 15 1 电视系统 命令类别十六进制 开启 1 00 00 00 18 1 关闭 1 0o oo oo o8 0 频道 1 01 1x xx xb x 频道加 1 0 1 0 0 10 0a 4 频道减 l o 1 0 0 00 0a 0 音量( 0 1 5 ) 1 0o lx xx x9 x 音量加 1 0l o1 1o oa c 音量减 1 01 01 0o oa 8 空调系统 命令类别十六进制 开机 1 10 00 00 lc l 关机 1 10 0 0 0 0 0 c 0 升温 1 l0 00 10 lc 5 降温 l l0 01 0o l c 9 温度( 0 3 1 ) 1 1l xx xx xx x 风速( 高、低) 1 10 1 o o ( 低) o l 0 1d 1 d 5 冷暖风 1 l 0 1 l o ( 冷) 1 1 0 1d 9 d a 其中，0 l 1 0 代表照明系统中房间选择，0 0 加l 1 0 代表照明系统中房间颜色选 择，x 代表电视系统的音量数据、频道数据和空调系统的温度数据。 第三章蓝牙技术 第三章蓝牙技术 本家庭网络方案选用蓝牙技术结合串口作为家庭网络通信手段。具体做法： 使用主机、客户端、移动控制器通过串口线与蓝牙电路板相连，蓝牙电路板间进 行基于蓝牙技术的无线通信。 3 1 蓝牙技术概述 3 1 1 蓝牙技术的产生与发展 1 9 9 8 年5 月，由爱立信、m 、英特尔、诺基亚、和东芝等5 家公司联合 制定了短距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输率l m b s ( 有效传 输率为7 2 1 k b s ) 、最大传输距离为1 0 m 的无线通信技术标准，该技术标准命名 为b o o t l l 。b 1 u e t o o t h 是欧洲中世纪丹麦一个国王的绰号，他统一了四分五裂 的国家。取名为b l u e t 0 0 m ，是标准创建者希望该技术标准成为全球性的通信标 准。 1 9 9 9 年7 月，蓝牙s i g ( 蓝牙国际组织) 正式公布了蓝牙1 0 版本规范，将 蓝牙的发展推进到实用化阶段。2 0 0 0 年1 0 月，s i g 非正式发布了1 1 版本蓝牙 规范，直到2 0 0 1 年3 月，其1 1 版本规范才正式发布。蓝牙规范1 0 版主要是针 对点对点的无线连接。蓝牙1 1 版本将点对点扩展为点对多点，并修正了1 o 版 本的错误和陈述模糊的概念。2 0 0 3 年1 1 月，蓝牙s i g 公布了蓝牙1 2 版本规范。 新标准在实现设备识别高速化，减少与无线局域网( “埘) 电波干扰功能的同时， 还能与现有的1 1 版本标准完全兼容。2 0 0 4 年1 1 月，蓝牙2 0 标准( 2 o + e d r ) 正式推出，使蓝牙的应用完美地扩展到多媒体设备中，有望赋予蓝牙永久的生命 力。新版本的蓝牙标准具有更高的数据传输速率，提供的带宽是目前蓝牙带宽的 3 倍，不过新版本的蓝牙标准并没有增大无线传输的距离。蓝牙2 0 在大量数据 文件时耗电量只有旧版本蓝牙标准的一半。另外，新版本的蓝牙标准还具有向后 兼容旧标准的能力。 3 1 2 蓝牙技术的特点 蓝牙技术例提供低成本、近距离的无线通信，构成固定与移动设备通信环境 第三章蓝牙技术 中的个人网络，使得近距离内各种设备能够实现无缝资源共享。显然，这种通信 技术与传统的通信模式有明显的区别。它的初衷是希望以相同成本和安全性实现 一般电缆的功能，从而使移动用户摆脱电缆束缚。这决定了蓝牙技术具备以下技 术特性。 1 能传送语音和数据：目前电话网络的语音通话属于电路交换类型，发话者 与受话者之间建立起一条专门的连线。网络上的数据传输则属于分组交换类型。 分组交换时间数据切割成具有抵制标记的分组数据包后通过多条共享通道发送 出去。蓝牙技术支持电路交换和分组交换，能同时传输语音和数据信息。 2 使用频段、连接性、抗干扰性和稳定性：蓝牙技术工作在全球通用的2 4 g 的i s m 频段上。i s m 频段是指用于工业、科学和医学的全球公用频段，它包括 9 0 2 9 2 8 m i z 和2 4 2 4 8 4 g h z 两个频率段范围，可以免费使用而不用申请。 蓝牙技术采用p l u g p l a y 功能，即“即插即用”，任何具有蓝牙功能的设备一 旦搜寻到另一个具有蓝牙功能的设备可以立即建立连接。蓝牙系统还设计了快速 确认和跳频的方案，以确保链路的稳定性。调频技术是把频带分成若干个跳频信 道，在一次连接中，无线电收发器按一定的伪随机编码序列快速地从一个信道跳 到另一个信道。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术可使这个窄频带扩展 成宽频道。跳频技术使蓝牙系统抗干扰性更强，同时，与其他工作在相同频段的 系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，因此，蓝牙系统比其他系统更稳定。 3 低成本、低功耗和低辐射：蓝牙技术的目标是替代一般电缆，因此低成本 是其目标和特点之一。蓝牙芯片的发射功率能够根据使用模式自动调节，正常工 作时的发射功率为1 m w ，发射距离一般为l o m 。蓝牙规范定义了三种节能状态： p a r k 、h o l d 和s n i 仃。这些状态即能处于低功率状态，也能处于连接状态。当传 输信息量减少或无数据传输时，蓝牙设备将减少处于激活状态的时间而进入低功 率工作模式，这种模式比正常工作模式约节省7 0 的发射功率。蓝牙设备的发射 功率很小，通信过程中产生的无线辐射完全符合工业标准，不会危害使用蓝牙设 备的用户或进入蓝牙有效通信范围内的人们。目前蓝牙的最大发射距离可以达到 1 0 0 m ，基本可以满足常见的短距离无线通信的需要。 4 安全性：蓝牙协议提供了认证和加密，以实现链路安全。蓝牙系统认证与 加密服务由物理层提供，采用流密码加密技术，适于硬件实现，密钥由高层软件 管理。如果用户有更高级别的保密要求，可以使用更高级、更有效的传输层和应 用层安全机制。蓝牙标准提供了灵活的安全体系结构，即能够确保访问可信任的 设备和业务，而又不对其他不可信设备和服务提供访问权限。除此之外，调频技 术保密性和蓝牙有限的传输范围也使窃听变得困难。 5 网络特性：蓝牙技术是一种点对多点的通信协议，组网时最多可以有2 5 6 第三章蓝牙技术 个蓝牙单元连接形成微微网，其中1 个主节点和7 个从节点处于工作状态，其他 处于空闲模式。多个微微网可以组成发散网。利用蓝牙技术可以将个人身边的设 备都连接起来，形成一个个人局域网。 蓝牙规范【3 0 】公布的主要技术指标和系统参数如表3 1 所示。 表3 1 蓝牙主要技术指标和系统参数 指标类型系统参数 工作频段i s m 频段，2 4 0 2 也4 8 0 g h z 双工方式全双工，) d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率 l m b s 异步信道速率 非对称连接为7 2 1 k b s 、5 7 6 k b ，s ，对称连接为4 3 2 6 k b s ， 2 o + e d r 规范支持更高的速率 同步信道速率“k b s ，2 0 + e d r 规范支持更高的速率 、 功率美国f c c 要求功率 0 t h e n f r m m a i n c 七r m s c o m m o u t p u t - b y 七s e n d b y t e e n di f e n ds u b 4 6 3v b 网络编程 图4 _ 1 2v b 串口通信接收信号处理举例 网络通信【3 刀，【3 8 】，【3 9 1 主要是通过设置网络通信的参数来达到通信的目的。项 目中采用w i i l s o c k 控件实现网络通信的功能。w 越o c k 控件的主要属性如下： b y t e s r e c c i v e d ：返回接收到的数据的数量； 5 1 第四章家庭网络的主机控制和v b 编程 i n d e x ：返回或设置数值； l o c a m o s t n 锄e ：返回本地机器名； l o c a l 口：返回本地机器的i p 地址； l o c a m o n ：返回或设置所用到的本地端口： p r o t o c 0 1 ：返回或设置、聃n s o c k 控件所用的协议是t c p 还是切) p ； r e m o t e h o s p ：返回远程机器的i p 地址； s o c k e t h a n m e ：返回一个与套接字句柄对应的值，控件用套接字句柄同 w i n s o c k 层通信； s t a t e ：返回控件的状态。 远程服务器登录窗口如图4 1 3 所示。 图4 1 3 远程服务器登录窗口 第五章家庭网络客户端设计 第五章家庭网络客户端设计 家庭网络中的各种智能电器被主机控制器所控制，但实际上主机控制器是 为这些电器服务的。这些电器就像是主机控制器的客户一样，因此可称这些智能 电器所在的家庭网络节点为家庭网络客户端。本章主要讲述的就是研究中家庭网 络客户端的设计情况。 s 1 客户端要实现的功能 客户端设计的目标是模拟家中的智能电器，配合家庭网络控制端组成家庭网 络。同时本研究中设计的客户端也能做为无线移动控制器使用。 组建家庭网络，仅仅靠现在市场上的电器是远远不够的，因为家庭网络对电 器设备的要求更高。为了组建家庭网络，代表智能电器的家庭网络客户端要实现 的主要功能有： 1 能够与主机进行双工通信。主机要发送数据来控制客户端，客户端t 的 控制开关改变了客户端的状态时也要发送数据告诉主机控制器进行状态的更新。 此外，主机、客户端的通信还要为家庭网络的设备接入、设备呼叫、设备查询等 操作进行服务。 2 能够显示家庭网络客户端的工作状态。为了更有效的控制家庭中的电器 设备，家庭网络控制端必须能够正确显示家庭网络客户端的工作状态，同时与家 庭网络主机控制器所显示的工作状态相一致。这些工作状态如灯的开启，电视的 频道、音量，空调的温度、风速等。 3 能够对客户端上的智能电器提供必要的控制。虽然家庭网络强调的是网 络控制，但是基于自主的控制也是必不可少的。这样的智能电器即使不组建家庭 网络，也能独立工作，大大提高智能电器的通用性。同时，由于智能电器具有自 主控制和网络控制两种控制方法，在组建家庭网络时，也可以大大提高家庭网络 的便利性和可操作性。 4 能够提供组建家庭网络所需的其它的特殊服务。，家庭网络中有许多特殊 的服务要求，如对应无线耳机的音频发射、对应智能手机的终端控制等。随着科 学技术的提高和人们对家居生活质量的提高，必然会有更多的特殊服务出现，如 移动视频等。家庭网络客户端要提供这些特殊的服务，如无线音频的发射等。 第五章家庭网络客户端设计 5 2 客户端的通信 研究中客户端采用9 针r s 2 3 2 与蓝牙电路板相连，通过蓝牙无线链路与主 机控制器以及移动控制器上的蓝牙模块相连，这些蓝牙模块再通过串口将数据传 给主机控制器或移动控制器，从而实现客户端与主机或是移动控制器的通信。为 了能满足家庭网络对客户端通信的要求，研究中设计了客户端通信的规则，主要 包括状态更新和转发机制。 5 2 。1 串口简介及其在研究中的应用 串口是相对于并口而言的。串口与并口的区别是交换信息的方式不同。并口 能同时通过8 条数据线传输信息，一次传输一个字节；而串口只能用1 条线传输 一位数据，每次传输一个字节的一位。并口由于同时传输更多的信息，速度明显 高于串口，但串口可以用于比并口更远距离的数据传输。 串口的典型代表是r s 2 3 2 及其兼容插口，有2 5 针和9 针两类，普通计算机 上的一般是9 针串口。 2 5 针串口具有2 0 m a 电流环接口功能，用9 、1 1 、1 8 、2 5 针来实现。其针 脚功能如表5 1 所示。 表5 12 5 针串口引脚功能 针脚 功能针脚功能 l 未用 1 1 数据发送( 一) 2 发出数据( r d ( d ) 1 2 1 7 未用 3 接受数据( r x d ) 1 8 数据接收( + ) 4 请求发送( r t s ) 1 9未用 5 清除发送( c t s ) 2 0 数据终端准备好比( d t r ) 6 数据准备好( d s r ) 2 1 未用 7信号