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基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 摘要 蓝牙技术是最近几年出现的一种新的短距离无线通信技术，对 其应用于家庭网络的研究具有很大的价值和重要性。 随着蓝牙技术的发展以及人们对i n t e r n e t 依赖性的增强，越来越 多的蓝牙设备出现在人们的周围。为了方便蓝牙设备之间的内部互 连和蓝牙设备与外部网络的连接，本文进行了蓝牙个人区域网网关 的研究与实现。 分析了在家庭网络中采用蓝牙技术的优势，通过对家居服务器 功能和家庭内部网络结构的研究，提出基于家居服务器的蓝牙无线 通信系统结构。 讨论了当前嵌入式技术和网络技术相结合在智能家庭系统中的 应用情况；分析了智能家庭系统的基本特点，所要实现的基本功能， 应该满足的基本指标。在此基础上提出了家庭智能系统的总体解决 方案，该方案主要是通过家庭智能控制器来实现对家用器件的智能 管理和控制，同时远程终端通过g p r s 无线通信完成对家中的家用 器件的远程监控。系统主要由家庭智能控制器、及各个被控制家庭 器件上的蓝牙无线收发模块组成。 根据现有的开发条件和应用需求，论文设计了面向家庭网络的 蓝牙开发方案，提出在缺少蓝牙上层协议的情况下，根据家庭网络 信息传输的需要，建立相关协议来实现蓝牙功能，并对如何实现家 庭网络中的家居服务器、操作板和信息家电上的蓝牙功能进行了深 入研究和实践。 在论文最后，结合所设计的蓝牙开发方案，提出采用多服务共 存的家居服务器体系结构来解决家居服务器上各种功能子模块对蓝 牙信道的共享。 关键词：家庭网络，蓝牙，家居服务器，信息家电，嵌入式系统， w e b 服务器 t h er es e a r c hr e a l i z a t i o na n d p r a c t i c e o fb l u e t o o t h t e c h n o l o g yi nh o m en e t w o r k a b s t r a c t b l u e t o o t hi san e ws h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a p p e a r i n g i nr e c e n t y e a r s i t i sv a l u a b l ea n di m p o r t a n tt o s t u d y b l u e t o o t ht e c h n o l o g ya p p l y i n gi nh o m en e t w o r k w i t ht h e d e v e l o p m e n to fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , m o r ep e o p l e d e p e n do ni n t e r n e ta n dm o r eb l u e t o o t he q u i p m e n ta p p e a ra r o u n dp e o p l e i no r d e rt om o r ec o n v e n i e n t l yu s eb l u e t o o t he q u i p m e n ta n dc o n n e c t b l u e t o o t he q u i p m e n tw i t ho t h e rn e t w o r k s ，t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h e r e s e a r c ha n di m p l e m e n to fb l u e t o o t hg a t e w a yi np e r s o n a la r e an e t w o r k a f t e r r e s e a r c h i n g t h ef u n c t i o no fr e s i d e n t i a ls e r v e ra n dt h e s t r u c t u r eo fh o m en e t w o r k ，t h ep a p e rp o i n t so u tb l u e t o o t hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nr e s i d e n t i a ls e r v e r d i s c u s s e st h ec u r r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fe m b e da n dn e t w o r k t e c h n o l o g yu n i f i e si nt h ei n t e l l i g e n tf a m i l ys y s t e m ；h a sa n a l y z e dt h e e s s e n t i a lf e a t u r e so fi n t e l l i g e n tf a m i l ys y s t e m ，t h eb a s i cf u n c t i o n st o r e a l i z e ，b a s i cq u o t a ss h o u l db es a t i s f i e d p r o p o s e dt h eo v e r a l ls o l u t i o n i n t e l l i g e n tf a m i l ys y s t e m ，t h i sp l a nm a i n l yi st h r o u g ht h ei n t e l l i g e n t f a m i l y c o n t r o l l e rt o m a n a g e a n dc o n t r o lt h eh o m e e l e c t r o n i c a p p l i c a t i o n s ，a t t h es a m et i m e t h r o u g ht h er e m o t eg p r sw i r e l e s s t e r m i n a lt om o n i t o re l e c t r o n i c a p p l i c a t i o n s t h es y s t e mi sm a i n l y c o m p o s e do fi n t e l l i g e n tf a m i l yc o n t r o l l e ra n dt h eb l u e t o o t hw i r e l e s s i i r e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n gm o d u l eo f e l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n s a c c o r d i n g e x i s t i n g e x p l o i t u r e c o n d i t i o na n d a p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t ，t h ep a p e rd e s i g n sb l u e t o o t he x p l o i t u r ep r o j e c tu s i n gi n h o m en e t w o r k w i t h o u tb l u e t o o t hh i g hl a y e rp r o t o c o l s ，t h eb l u e t o o t h f u n c t i o nc a nb ei m p l e m e n t e db yu s i n gc u s t o mp r o t o c o lb a s e do nt h e s t u d i e da n dp r a c t i c e dh o wt or e a l i z eb l u e t o o t hf u n c t i o no nr e s i d e n t i a l s e r v e r 。o p e r a t i o nb o a r da n di n t e r n e ta p p l i a n c e i nt h ee n d 。a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e db l u e t o o t he x p l o i t u r ep r o j e c t ， t h ep a p e rg i v e sar e s i d e n t i a ls e r v e rs y s t e ms t r u c t u r eu s i n gm u l t i 。s e r v i c e c o e x i s t e n c e t h i s s t r u c t u r ec a nr e s o l v et h es h a r eo fb l u e t o o t hc h a n n e l t of u n c t i o nm o d u l e si nh o m en e t w o r k k r yw o r d s ：h o m en e t w o r k ，b l u e t o o t h ，r e s i d e n t i a ls e r v e r ，i n t e r n e t a p p l i a n c e ，e m b e d d e ds y s t e m ，w e b s e r v e r i l l 基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 原创性声明及关于学位论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 夏邀 日 期： 至q 立) 生! 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论丈。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鲢导师签名鳓日期：垫建l 血 基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 1 绪论 1 1 智能家庭网络概述 1 1 1 家庭网络的出现 随着网络技术的发展和全球信息化浪潮的来临，人们的家居生活正面临着 一次重要的变革。信息技术和网络技术的触角已经深入到普通家庭之中，极大 地便利了人们的各种活动，给社会带来了巨大进步。那就是人们可以在办公室 用电脑或电话开启家中的热水器；回家途中将家里的空调器启动并调节到适宜 的温度；生产厂商对用户家中有故障的家用电器进行远程诊断与维护；家中出 现火灾、盗匪时能自动报警等。这些技术带给人们的不仅仅是更舒适、更智能 和更个性化的家居生活，而且使家庭更快速、更有效、更广泛地与社会有机的 联系起来。拥有一个体现高新科技无穷魅力的智能化、现代化的家庭已不再是 梦想，家庭网络化是信息时代的必然趋势i lj 。 目前的智能家电己经逐渐无法满足现代家庭的需要。一方面，这些智能家 电无法自动获取外界的信息，形成所谓的信息孤岛；另一方面，不同的家电之 间互相独立，无法协同工作。为了解决这些问题，智能家电逐渐发展成信息家 电的形式，此时的信息家电除了具有普通智能家电的功能之外，还具有网络通 信的功能，成为一个个所谓的“家用网器”，从而诞生了家庭网络的概念。家 庭网络不仅仅为家庭内各个信息家电设备提供资源共享的功能，方便信息家电 和i n t e r n e t 的信息交互，更重要的是提供了一个信息家电可以协同工作的网络 环境，使得信息家电之间可以相互传递信息。 1 1 2 国内外家庭网络发展现状1 2 ii 目前国外的各大公司以及研究机构对家庭网络市场都非常看好，成立了各 大技术联盟，纷纷推出了各种家庭网络标准和解决方案h i 。 1 9 9 8 年，s u n 公司推出了j i n i 技术，以j a v a 构架为基础，解决家庭网络 中“无处不在”的计算问题。 1 9 9 9 年，e t 本索尼公司推出了“家庭服务器”，外接电话网、互联网、有 陕西科技大学硕士学位论文 线电视网和卫星网，内接电视机、录像机、电话机等，承担家庭信息接收、分 配、记录、显示任务。 2 0 0 0 年，韩国l g 公司推出了网络电冰箱，它内置连网端口，并装配有一 个1 5 1 英寸的液晶显示屏，在显示屏上方，还配了一个数码摄像机，具有 i n t e r n e t 接入功能。具有内置连入i n t e r n e t 功能、多媒体通讯功能、可以完成娱 乐、家庭信息管理以及冰箱管理功能。 相对于国外而言，我国对家庭网络和信息家电的相关产品的研制起步较 晚，但得到了政府的大力扶持，国内很多公司和科研机构都开始了对家庭网络 以及信息家电相关产品的研制工作，并推出了相应的概念产品。 2 0 0 1 年，无锡小天鹅有限公司成功的研制出中国第一台家庭网络全自动洗 衣机，该洗衣机具有良好的人机界面，具有通过网络下载洗衣程序以及向远程 用户提供洗衣机工作情况等功能。 2 0 0 1 年，清华同方推出了“c - h o m e 数字家园”，整个构架基于家庭自动化 和建筑自动化技术，配合相关的网络、计算机、软件技术，为消费者家庭及社 区提供全方位的数字化服务。 1 2 无线通信技术的发展 2 0 世纪4 0 年代以前，无线通信主要采用中、短波的通信方式。第二次世 界大战以后，由于战时雷达技术的发展，诞生了微波中继通信。无线通信技术 开始向微波、长距离、大容量方向快速发展，迎来了无线通信发展的第一个黄 金期，这时的无线通信还主要是应用在固定设备间的长距离通信【4 1 。 随着社会需求的发展和技术的进步，人们不再仅仅满足于固定方式的无线 通信，无线通信技术开始向移动方式发展，并逐渐向两个方向延伸，一个是个 人无线移动通信技术，另一个是短距离的无线移动通信技术。 从2 0 世纪8 0 年代开始，以g s m 和c d m a 为代表的第二代个人移动通信 技术( 即所谓的2 5 g ) 逐渐兴起，并得到了快速发展。进入2 0 世纪9 0 年代以后， 随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算和移动多媒 体运作需要的第三代个人移动通信技术( 即3 g ) 也开始兴起。这些技术的发展 极大地方便了各种个人移动设备间的无线通信，特别是对于宽带远程的无线通 信来说，个人无线移动通信更能发挥出其应有的优势。但是，人们逐渐发现有 些无线移动通信仅仅发生在一个有限的区域内，例如在一栋办公楼或者住宅 楼，并且有时是非连续的偶尔为之的通信。在这样的场合下，如果也利用价格 基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 昂贵的象2 5 g 或3 g 这样的个人移动通信技术来完成，就显得相当奢侈而浪费。 因此产生了对短距离无线移动通信技术的需求，这种无线移动通信需要实现短 距离、低成本、低功耗、替代电缆的无线数据和语音链路。蓝牙技术正是顺应 了这种需求而产生。在家庭、办公室等这样的小范围内，往往有许多设备，如 电脑、打印机、传真机、家用电器等，需要用电缆相连才能进行通信，千头万 绪、令人头痛的电缆线错综复杂，给设备的移动带来很大的不便，蓝牙的出现 正好可以很好的解决这些问题。 1 3 蓝牙技术概述 1 3 1 蓝牙技术的出现和发展 近年来，以无线技术为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的因特网网 络概念和体系。目前，无线网在智能建筑骨干网上的业务量己开始迅速发展， 在无线设备人量普及的今天，无线接入越来越普遍为人接受传统。传统互联网 将不可避免要过渡到以无线业务特别是i p 业务为中心的融合的下一代宽带网， 这种下一代宽带网的基本特征将是无线化。传统的i p 技术主要针对固定计算 机设备，而无法满足终端移动性的要求，因此必须对其功能进行扩展，以适合 移动终端设备的要求。蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术的出现，给这一问题提供了可种有 效的解决方法i ，j 。 1 9 9 8 年2 月，e r i c s s o n 。n o k i a ，t o s h i b a ，i b m 和i n t e l 等五家国际著名公司 成立了蓝牙s i gcs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 来推动蓝牙技术的研究发展。1 9 9 8 年 5 月他们分别在伦敦、加州的s a nj o s e 和日本的东京公布了这项蓝牙计划，把 蓝牙无线技术的理念正式推向社会，使其成为一种无线电技术的全球规范。蓝 牙技术最大的好处是消除了千头万绪、令人头痛的电缆线，而通常要实现信息 电子设备之间的信息传递与同步，这些电缆是必不可少的。 蓝牙技术最初主要面向通信、计算机及消费电子领域中的各种小型设备及 移动设各，如移动电话、p d a 、耳机、笔记本电脑、掌上电脑、打印机、数码 相机等。蓝牙将它们通过无线的方式连接起来，进而形成一种围绕个人领域的 网络，即个人区域网( p a n ) ，使得在其范围之内的各种信息化的移动便携设备 都能实现无缝的资源共享。随着技术的发展和深入，蓝牙的应用逐渐发展到家 电、汽车、医疗、工业控制、玩具、电子商务等各个领域。蓝牙技术的最终目 的就是要建立一个全球统一的无线连接标准，让不同厂家生产的便携式设备能 陕西科技大学硕士学位论文 够在无线连接的情况下，在近距离内实现交互传递信息和交互操作。蓝牙开发 者希望通过蓝牙技术形成一个统一的标准，从而将计算机行业、通信行业、家 电行业等各自为战的局面统一起来。 1 3 2 蓝牙技术特点 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性标准，它以低成本的近距离 无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。蓝牙技术 的另一大优势是它应用了全球统一的频率设定，这就消除了“国界”的障碍， 而在蜂窝式移动电话领域，这个障碍已经困扰用户多年。 蓝牙对于无线区域网络来说，它的出现不是为了竞争而是相互补充。蓝牙 比无线区域网络更具移动性，比如，无线区域网络限制在一个办公室和一个会 议室内，蓝牙能把一个设备连接到l a n 和w a n 。甚至支持全球漫游。蓝牙技 术适用于一种松散型的网络，可以让设备为一个单独的数据事物建立一个连 接。但是，这同样也是它的一个缺点，因为数据安全性很难保障。蓝牙技术中 的跳频更快，在接收或发送一个分组数据后，即跳至另一频点，因而更加稳定， 同时它还具有低功耗、低成本和灵活安全等特点。由于蓝牙技术独立于操作系 统，所以，在各种操作系统中均有良好的兼容性。蓝牙技术对各个商业操作系 统中的嵌入式支持正在发展之中。蓝牙被设计成成本低、低功耗、短距离、低 带宽的应用。 1 3 3 蓝牙技术的开发现状及前景 目前国内外对蓝牙产品的开发主要有三种方案：基于完整协议栈的开发方 案，基于开放协议栈的开发方案和基于蓝牙硬件的开发方案1 6 1 1 7 1 【引。 a 基于完整协议栈的开发方案 目前开发蓝牙产品大多数采用的是基于协议栈的开发方案。这种方案使用 完整的蓝牙协议栈和软硬件开发包，开发者不需要深入研究蓝牙协议规范，利 用所提供的开发包就可以在蓝牙协议栈基础上开发相应的蓝牙产品。采用这种 方案的好处是蓝牙产品的开发具有常规性，难度小，从而研发周期短，但是完 整的蓝牙协议栈和软硬件开发包的价格比较昂贵，因此这种方案非常适合开发 商用的蓝牙产品。 b 基于开放协议栈的开发方案 4 基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 随着蓝牙技术逐渐被越来越多的人们了解和研究，目前在i n t e r n e t 上出现 了一些基于l i n u x 操作系统的开放蓝牙协议栈。由于这种蓝牙协议栈具有的开 放共享性，因此用它来开发蓝牙产品最大的好处是开发成本低，但是因为没有 开发包，仅仅在蓝牙协议栈的基础上，这会给蓝牙产品的开发带来一定的困难。 另外，i n t e r n e t 上公布的这些开放的蓝牙协议栈，基本上是一些蓝牙爱好者共 同开发的，往往没有经过全面系统的测试，从而导致整个协议栈的可靠性不高， 这会对所开发的蓝牙产品产生一定的影响。 c 基于蓝牙硬件的开发方案 在没有完整的蓝牙协议栈的情况下，也可以在蓝牙硬件的基础上进行开 发。使用这一方案，一般有两种方式可以考虑：一种是采用只提供无线接口的 简单蓝牙硬件模块，再针对应用自行开发主芯片，该主芯片包括从基带层到应 用层的完整蓝牙协议栈，这种开发方式较为复杂；另一种方法是购买由供应商 提供的完整蓝牙模块，这种蓝牙模块一般包括了无线收发层、基带层、链路管 理层和主控制器层，再针对该蓝牙模块进行应用开发。在第二种开发方式中， 由于主机和主机控制器层在硬件上完全分离，所以需要通过h c i 层把蓝牙模块 和蓝牙主机连接在一起，为应用提供支持。 作为一种新生技术，蓝牙技术从诞生到现在只有短短几年时间，但却得到 了飞速的发展。蓝牙的应用首先集中在移动电话、笔记本电脑等手持终端设备。 随后又发展到蓝牙掌上电脑、蓝牙照相机和摄像机、蓝牙接入设备等。 蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规 模。根据蓝牙的定位，蓝牙应该通过一个体积小、成本低、功耗小、跳速快的 单芯片来实现，只有低廉的价格才能在现有的通信产品、家电产品和办公产品 中引入蓝牙技术。虽然目前定义了不少蓝牙的应用，但这些都是对传统应用的 改进，真正基于蓝牙的特性的应用还是很少，这也将成为影响蓝牙市场发展的 重要因素。不过，即使蓝牙市场没有像预测的那样快速扩展，我们也不会对他 的市场价值有任何怀疑，毕竟需求才是影响市场的主要因素。 在1 9 9 9 年c o m d e x 大展上，爱立信公司推出了世界上首款蓝牙无线耳机， 这是世界上第一款蓝牙产品。除了蓝牙无线连接功能之外。这款新型耳机以独 特新颖的造型和方便舒适的使用方式，博得了用户的广泛好评。 2 0 0 1 年8 月索尼公司在日本东京推出了一款新型的数码摄像机，该摄像机 内置有蓝牙模块，可通过蓝牙接入点将拍摄的图像传送到个人电脑和互联网 上。 爱立信公司开发了它的蓝牙接入点“b l i p ”，意为“蓝牙本地信息娱乐点”。 陕西科技大学硕士学位论文 它不仅能够作为蓝牙设备接入其他网络的。中转站还能够成为向周边的蓝牙 设备发送各种信息的广播台。 对于向我国这样的发展中国家来说，蓝牙技术的发展与应用更是一个难得 的发展机遇。蓝牙技术标准统一，知识产权共享，蓝牙产品在我国拥有巨大的 市场。近年来，蓝牙技术的发展受到了我国政府主管部门的高度重视，对于蓝 牙技术在中国的发展与应用给予了很大的支持。我国政府主管部门已经发布文 件，正式开放蓝牙短距离无线通信所使用的无线频率。2 0 0 1 年1 0 月，在北京 召开了中国蓝牙技术发展与应用论坛的第六次会议。蓝牙技术在我国的发展和 应用正在迅速而稳定的进行。 随着蓝牙技术的优势不断体现，己经有越来越多的产品厂商开始在天线、 滤波器、模块、笔记本电脑、p d a 、键盘和鼠标器、手机、耳机、视频通信等 信息设备中开发研究或计划投入到蓝牙技术领域中来。 1 4 家庭网络和蓝牙技术的关系 随着网络技术的不断发展，并渗透到每一个家庭，家庭中的家用电器逐渐 发展成具有网络终端功能的信息家电，这些信息家电只有连成网络，才能实现 信息共享和协同工作，而这种网络应该是一种小范围内的低功耗的家庭网络。 蓝牙技术是为了实现小范围内低成本、低功耗的无线移动通信而提出的， 将蓝牙技术用于家庭网络，完成信息家电之间的组网，非常合适。采用蓝牙无 线通信技术避免了有线连接所带来的开槽、打洞、穿墙等麻烦；蓝牙技术的低 成本特性有利于它在家庭网络中的普及；蓝牙技术的短距离特性防止了对范围 以外的其他设备的干扰；家庭网络中的信息家电所要完成信息访问和信息获取 等功能的信息量不大，蓝牙技术完全可以满足要求。 目前，将蓝牙技术应用于家庭网络，实现信息家电之间的互连和信息交互， 已经得到了全球许多大公司和科研机构的广泛关注和研究。 国内著名的家电企业海尔公司采用与国外著名厂商密切合作的形式，加速 蓝牙信息家电产品的开发进程。2 0 0 0 年9 月海尔提出“e 家庭”概念，并计划 陆续推出采用蓝牙技术的家庭无线网络、整体智能厨房、整体卫浴、智能上网 设备、e - b o o k 、掌上智能设备等“e 家庭”产品。2 0 0 1 年1 0 月，在青岛举行的 “海尔蓝牙网络家电技术”发布会上，爱立信和海尔集团宣布共同开发蓝牙网 络家电在“2 0 0 2i n t e r n a t i o n a lc e s ”上。海尔展出了大批通过蓝牙技术接入 家庭网络的家电产品，包括冰箱、空调、洗衣机、微波炉、洗碗机等。 6 基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 1 5 蓝牙网组建 1 5 1 蓝牙网功能 利用蓝牙技术构建现代家庭网络和企业无线办公网络，实现的基本功能包 括： 1 ) 文件、档案、报表、设备资源的共享和互连，比如计算机之间的互连， 计算机与各种外设或智能设备的互联和共享等； 2 ) 利用蓝牙设备无线访问单位内部局域网以及i n t e r n e t 3 ) 通过一定的路由机制实现家庭网络与办公网络内部的各个p i c o n e t ( 匹 克网) 之间的互连。 1 5 2 蓝牙网路由机制 根据企业的实际需要，企业无线网络由多个p i c o n e t 构成，而不同p i c o n e t 之间的通信应该只在办公网络内部进行路由，而不应通过局域网，这就需要建 立一种特殊的路由机制，使得各匹克网之间的通信能够进行正确的路由，达到 方便快捷的通信、拓宽通信范围、减轻网络负载的目的。 1 5 3 蓝牙网关网关设置 用于家庭网络与办公网络内部的蓝牙移动终端通过无线方式访问局域网 以及i n t e r n e t ；跟踪、定位办公网络内的所有蓝牙设备，在两个属于不同p i c o n e t 的蓝牙设备之间建立路由连接，并在设备之间交换路由信息。 主要功能包括： 1 ) 实现蓝牙协议与t c p i p 协议的转换，完成家庭网络与办公网络内部蓝 牙移动终端的无线上网功能； 2 ) 在安全的基础上实现蓝牙地址与t p 地址之间的地址解析，它利用自身 的t p 地址和t c p 端口来唯一地标识办公网络内部没有i p 地址的蓝牙移动终 端，比如蓝牙打印机等； 3 ) 通过路由表来对网络内部的蓝牙移动终端进行跟踪、定位，使得办公 网络内部的蓝牙移动终端可以通过正确的路由，访问局域网或者另一个匹克网 中的蓝牙移动终端； 陕西科技大学硕士学位论文 4 ) 在两个属于不同匹克网的蓝牙移动终端之间交换路由信息，从而完成 蓝牙移动终端通信的漫游与切换在这种通信方式中，蓝牙网关在数据包路由过 程中充当中继作用，相当于蓝牙网桥。 基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 2 家庭网络技术研究与实现 2 1 家庭网络的框架结构 家庭网络的框架结构以a r m 微处理器为中心建立家庭网关硬件平台，对 外通过宽带e t h e r n e t 及公共电话网接入公共网络，对内将家用电器及其他联网 设施通过家庭内部无线局域网连接成一体，实现信息家电、安全防范的集中管 理。用户通过远端p c 或者电话就可以对家用电器进行状态查询和控制，在本 地可以利用家庭内的手持控制终端进行信息家电的控制和管理。此外还可以通 过家庭网关以电话的形式将家电故障信息通知用户处理，如图2 一l 所示。 图2 - l 家庭网络框架结构示意图 f i g 2 1s u u c t u r eo f t h ei n t e l l i g e n th o m en e t w o r k 2 1 1 家庭网络和信息家电的定义和结构 家庭网络是信息社会的基本单元，在整个家庭与社会的信息网络因特网 相连之前，家庭内部所有的信息设备应当首先相互之间先连成网络，这就是家 庭网络。显然，连接家庭网络的最理想的技术就是无线通信技术。目前，关于 无线联网的技术已有不少产品和标准，如b u t t e r f l y 、d i a m o n d p r o x i m 、s h a r e w a v e 等公司的产品，其中大都应用的是2 4 0 h zi s m 频段的无线跳频扩频技术；但 是，当前最具代表性的主要是h o m e r f 与b l u e t o o t h 两大技术标准。h o m e r f 家庭无线工作组建立了一种共享无线访问协议s w a p 。主要针对家庭无线局域 网的目标，其数据通信采用简化的i e e e 8 0 2 1 1 协议标准，沿用的是以太网的 带有冲突检测的载波监听多址技术c s m a c d ，经过适当改造后，将其应用于 9 陕西科技大学硕士学位论文 无线访问环境，在进行语音通信时它采用的是d e c t 标准，使用t d m a 的时 分多址技术。目前，h o m e r f 也采用2 4 g h z 的无线跳频扩频技术，但它为了 提高传输速率，正准备提高到5 g h z 的频段。b l u e t o o t h 技术标准与h o m e r f 有一些相似的地方，如两者均采用2 4 g h z 的无线跳频扩频技术，传输速率目 前均为l 2 m b i t s 。但是，两者的主要区别就在于，h o m e r f 的s w a p 协议主 要是侧重于p c 及其外设的无线局域网：而蓝芽技术则主要是为便携式移动计 算设备或手持式通信信息设备所设计的技术规范【9 】。 蓝牙作为一种短距离无线通信技术标准，实质内容是要建立通用的低功 耗、低成本无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步 结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能 在近距离范围内具有互用、相互操作的功能。因此其协议成为这项技术的灵魂 所在。 为了满足家庭内部各种信息电子设备对网络资源的需求，需要为它们提供网络 接口，但如果为每一台设备都提供一个网络接口，显然不是好的解决办法，这 不但增加成本，带来安装的麻烦，更是对网络资源的浪费，因此需要将这些信 息电子设备连成网络，让它们共享一个网络出口，共用计算平台，并且互相协 同工作，形成家庭网络如图2 - 2 所示【1 0 】【1 。 主机从机 图2 2 计算机与计算机连接共享网络过程示意图 f i g2 - 2c o m p u t e ra n dc o m p u t e rc o n n e c t i o n s h a r i n gn e t w o r km a pp r o c e s s 从组成结构上划分，家庭网络可包括如下四个部分。 1 ) 宽带接入 它为家庭内部网络提供与外部网络的高速双向连接，可以提供实时、可靠 1 0 基于嵌入式面向蒙庭网络的蓝牙技术研究与实践 的数据传输服务。目前可以选用的宽带接入技术有x d s l 、h f c 、f t t h 、i s d n 等。 2 ) 家庭网关 它是家庭网络的核心设备，不仅为家庭内部网络环境和外部网络环境提供 连接，还提供了路由选择、内外部子网之间的协议转换等服务。 3 ) 信息家电网络 它是指家庭内部网络环境，将家庭内部的信息家电互联组网。对于消费用 户而言该网络应该是不可见、无需配置的。 4 ) 信息家电 信息家电是融合了计算机技术、数字通信技术的消费电子产品，是3 c ( c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o n 和c o m s u m e r e l e c t r o n i c s ) 合一的产物，以利用信息 家电网络主动或被动交互信息来完成产品功能为主要特征，相互之间可以协同 完成特定任务，并且通过家庭网关可以连入外部网络以及i n t e r n e t 。 2 1 2 信息家电的概念和特点 信息家电i a ( i n t e r n e t a p p l i a n c e ) 是近年来提出的一个新概念。其含义是 将计算机技术和现代通信技术融入到传统的家用电器之中，使之智能化并具有 网络信息终端的功能，可以主动地发布、获取和处理相关信息，从而实现传统 家庭信息化、网络化，并与现代信息社会“信息高速公路”通信网络紧密相连。 信息家电也是一种嵌入式系统，但它与一般嵌入式系统的传统家电的主要区别 在于信息家电能够主动地与网络交换信息，并具有智能信息处理的功能。因此， 可以说信息网络化及智能化是信息家电的主体【l 列。 信息家电最重要的特征是：它能通过i n t e r n e t 双向传递数字化的信息，它 所替代的是p c 上的网络浏览、收发电子邮件、网络游戏、视频电话以及今后 的网上交易等功能。因此目前我们能够看到的信息家电，是使普通电视机可接 收数字电视信号，并能上网的机顶盒以及w e b t v 、w e b p h o n e 、w e b 游戏机， 还有各种手持式信息装置，如掌上电脑、p d a 及智能移动电话等。信息家电还 应该继承传统家用电器简单、方便、实用、耐用的特性，同时还应具有许多新 的功能。而且信息家电还应该比普通家电的使用更简单化和智能化。总之，信 息家电是网络上的家电，而不是p c 的外设。也就是说，信息家电本身具有一 定的智能，并支持某种统一的、标准的通信协议和控制协议，能够互相识别， 而不必像计算机外设那样必须受p c 控制。 陕西科技大学硕士学位论文 随着技术的不断发展，信息家电的概念还在不断的扩充之中。目前来看， 信息家电主要基于以下四类设备。 1 ) 高智能信息家电，如家庭电脑、p d a 等； 2 ) 视频音频设备，如电视、数码相机、数码摄像机、电话等； 3 ) 家用电器设备，如空调、电冰箱、微波炉等： 4 ) 移动通信设备，如手机、无绳电话等。 信息家电不同于传统的家用电器，而是有它独有的特点，这些特点可以归 纳为“三化”，即网络化、智能化和自动化【t 3 1 。 i t 网络化 网络化使得信息家电之间能够方便的进行资源的共享和信息的交互。信息 家电应该继承传统家电简单、方便、实用、耐用的特性，信息家电联网就应该 像使用电话机一样即插即用。 b 智能化 信息家电是网络上的家电，而不是电脑的外设。也就是说，信息家电本身 具有一定的智能，并支持某种统一的、标准化的通信协议与控制协议，能够互 相识别，而不必像计算机外设那样必须受电脑的控制。信息家电应该无需使用 电脑便能独立运作。 c 自动化 信息家电应能够与网络中的其他信息终端自动建立通信联系，主动向网络 获取信息。例如，网络冰箱应该能够知道自己存储食品的种类、数量和存储日 期，提醒食品存储到期和发出存量不足的警告，甚至自动从网络上订购。此外， 信息家电还应该能够主动向网络提供本身的一些有用信息，如向生产厂家提供 故障警告并要求维修的反馈信息等。 2 2 家庭网络接入i n t e r n e t 技术现状 家庭网络接入i n t e r n e t 目前主要分为通过p c 机接入和采用嵌入式产品通 过以太网控制器接入两种方式。前者优点是明显的，现有大量可用的软件环境、 高级用户接口及软件工具。但是对于智能家庭网络来说，网络的使用者希望能 方便快捷地获得服务，而p c 机大功耗，高成本的特点是个人家庭不愿承受的。 并且p c 机较嵌入式产品的灵活性也有很大的差距。因此，目前在工业领域， 网关产品的设计主要采用嵌入式系统【1 4 】0 5 1 。 一个智能家庭网关可以看成是一个信息处理系统，组成系统的各个单元就 基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 是连接在网络各节点的设备。控制平台一方面辅助不具备信息化条件的设备实 现信息化，即提供信息处理的能力；另一方面又提供统一的信息交换接1 2 1 及控 制规则，从而实现从内部家庭网络到i n t e r n e t 信息的互通。目前实现信息管理 和协议转换的方式主要是：浏览器、w e b 服务器、服务器端的开发技术( c g i 技术等) 。 2 3 家庭内部联网技术 家庭内部联网主要解决各种信息家电之间的信息传输，能把外部连接传入 的信息传输到相应的家电上去，同时可以把内部信息传输到外部连接上。 国际上对家庭内部联网技术的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，主要集中在发 达国家，如美国、日本及欧洲的德国、英国和法国。我国对家庭内部联网技术 的研究可以说还是刚起步不久。然而，这些研究都是在各自独立的进行，并且 具有不同的目标和市场战略机制，没有形成统一的标准。因此，选择合适的联 网技术就显得非常关键，这样可以解决不同产品之间互连的问题。 当前家庭内部联网技术可以分为“有线”和“无线”两大类。有线方案主 要包括电话线连接、电力线连接、以太网等；无线方案主要包括 i e e e s 0 2 1 l ( w i f i ) ，h o m e r f 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外技术等1 1 6 1 。 2 3 1 利用已有布线的联网技术 利用家庭中已有的电力线和电话线可以在不需重新布线的情况下进行有 线组网。 叠电力线 采用电力线作为传输介质一般使用窄带通讯方式和扩频通讯方式，在家庭 网络中更适合采用扩频通讯方式。使用电力线的最大优点在于不用改动家庭布 线，利用现有的插座就可以实现家用电器的方便联网。但对于家庭中所使用的 手持移动设备来说就无法采用电力线连入家庭网络，它的缺点还在于传输速率 只有3 0 0 k b i t s ，不能满足数字视频和音频信号的传输，保密性较差，而且没有 统一的标准。目前国际上采用电力线作为联网介质推出的解决方案有x 1 0 、 c e b u s 等。 b 电话线 计算机厂商与消费电子厂商成立了一个名为h o m e p n a ( 家庭电话线网络 陕两科技大学硕士学位论文 联盟) 的组织来推广利用电话线建立家庭网络。它是通过在电话线上加载高频 载波信号来实现信息的传递，可同时满足x d s l 、电话业务、家庭内部数据传 输，互相不干扰。通过系统的调整和改善可以达到l m b i t s 的传输速率。该方 案采用8 0 2 3 标准，支持q o s 机制，h o m e p n a 在m a c 层制订了八种优先级， 改进了冲突解决技术，保证声音此类实时数据延迟控制在1 0 2 0 m s 。 利用家里墙上预留的电话插座，可以避免重新布线的烦扰，但是家庭中不 可能随处都安装有电话插座，当买来新家电时还是面临重新布线的烦恼。 2 3 2 重新布线的联网技术 重新布线的组网技术可以考虑以太网。 以太网( e t h e r n e t ) 必须采用专门铺设的线缆布网。数据传输速率相当高， 可达到1 0 m b i t s 或1 0 0 m b i t s ，能够传输电话、数据、视频和家电控制信息， 主要用于基于个人电脑的有线局域网和高速因特网。它的优势在于技术已经十 分成熟，以太网的组网设备在市场上可以很容易地买到。以太网本身的实现成 本并不高，但专门布线需要花费大量的费用。家庭中的用户可能更愿意使用家 居己布好的电缆或电话线，而不愿意另外重新安装。因此就目前来说，以太网 可能是家庭网络发展初期的首选方案，但不是家庭网络的最终选择方案。 2 3 3 其它有线联网技术 对于家庭网络中的某些设备还可以采用u s b ，i e e e l 3 9 4 这样的连接方式。 1 ) u s b u s b 的出现是为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口间的 矛盾。u s b 有高速和低速两种运行方式，速率分别为1 2 m b i t s 和1 5 m b i t s 。 并且所有u s b 设备都支持热插拔。u s b 共有四种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 。 同步传输( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、批量传输( b u l k ) 。这样 就可支持异步以及等时数据传输。目前u s b 已经成为事实上p c 外设连接的一 种标准接口，p c 上一般都安装了u s b 接口，u s b 外设也越来越多。但是由于 u s b 技术本身的制约，一个u s b 拓扑结构中只能有一个主设备，两个主u s b 设备之间无法直接通信，因此在家庭网络中u s b 主要适合于一些与p c 相关的 局部应用，比如低速或中速外设与p c 的连接1 1 7 】。 2 ) i e e e l 3 9 4 1 4 基于嵌入式面向家庭网络的蓝牙技术研究与实践 i e e e l 3 9 4 是目前获得众多家电企业、计算机企业支持的家庭娱乐电器联 网方案。它是由苹果电脑公司提出的f i r ew i r e 标准衍变而来，也称i - l i n k 或 “火线”。i e e e l 3 9 4 是一项具有视频数据传输速度的串行接口标准。它的定位 目标是消费电子和高速计算机外设。i e e e 也支持外设的热插拔，同时可为外 设提供电源。目前它的传输速率可达4 0 0 m b i t s 。由于i e e e l 3 9 4 的数据传输速 率在现有的有线互连标准中是最高的，所以特别适用于家庭中视频设备和音频 设备的互连。但是它的缺点是目前成本还比较高，i e e e1 3 9 4 芯片的价格大约 为1 5 美元u s 。 2 3 4 无线联网技术 家庭环境不可能像企业环境那样布置大量的电缆连线，因此可以说无线技 术是一种非常理想的家庭内部联网技术。采用无线通信技术可以避免在家庭内 部布线的烦恼，无法重新布线的旧住宅用户可以同新住宅用户一样享受到家庭 联网的便利，同时对家庭用户来说，新增的家电设备也可以很方便的加入家庭 网络之中，从而解决了移动设备的联网问题。目前，关于家庭无线联网的技术 己有一些产品和标准，其中最具代表性的是i e e e s 0