基于蓝牙模块的智能家居网络设计

1、摘要随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们越来越注重自己生活环境的舒 适、安全与便利。近年来兴起的智能家居系统满足了人们的这种需求，它有效地在家居 环境中组建家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，对家电设备进行集中 或异地的智能化控制与管理，并且能够与外界进行信息交流。蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，可提供低功耗、短距离 的无线空中接口，在各种固定与移动设备之间实现无线通信。在移动通信、无线数据采 集、无线遥控与遥测、 计算机网络及自动控制等多种领域， 蓝牙技术都有着广泛的应用应用设计的蓝牙软硬件接口，本文开发了一个基于蓝牙模块的智能家居控制系统， 在该系统

2、中，上位机端通过 USB 控制蓝牙适配器，其发送的控制指令由下位机端蓝牙 模块接收后传给单片机，并在单片机端编写了一个基本的蓝牙及模拟家电控制程序，从 而实现了 PC 与模拟家电的无线控制功能。本文提供的蓝牙软硬件接口方案及数据传输 模块，不仅可以用来进一步开发蓝牙高层协议，而且还可作为通用的接口函数和模块应 用到多种无线场合。关键字：蓝牙技术；智能家居；蓝牙模块ABSTRACTWith the development of science and technology, and the improvement of people s living standards, people are

3、paying more and more attention to the comfortablity, safety and convenience of their living environment. The emergence of smart home system in recent years, just meets the needs of people. It effectively constitutes appliances into a home information network and makes all kinds of appliances combine

4、d into an organic whole. It can intelligently control appliances locally or remotely, and exchange information with the outside world.As a globally open wireless data and speech communication specification Bluetoo th technology can provide low-power 、 short distance wireless air interface and implem

5、ent wireless communication between various fixed and mobile equipments Bluetooth technology has a wide range of applications in mobile communications， wireless data collections， wireless remote control and sensing Computer network and automatic control and other areasUsing the bluetooth hardware and

6、 software interface designe，d This paper developed an smart home furnishing control system based on Bluetooth moduleIn the system，The PC side is controlled by USB bluetooth adapterIts control instruction is received by the lower end of Bluetooth module which sent it to the micro controller. A basic

7、bluetooth and home appliance control simulation program was prepared in the MCU. So,the system can realize wireless control function of PC and simulation of electrical appliances .And then，data can be transmitted between the two parts After that，a further development which is file transmission is im

8、plementedKeywords: Bluetooth technology; smart home; Bluetooth moudule目录、八、-丄前 言. 1第一章 绪 论 . 21.1 课题研究背景 21.2 智能家居的发展状况 21.3 未来智能家居的发展趋势 31.4 研究的目的和意义 31.5 课题研究的内容 4第二章 蓝牙技术介绍 . 52.1 蓝牙系统组成 52.2 蓝牙协议栈 62.3 蓝牙控制器接口 (HCI) 分析 62.3.1 HCI 概述 62.3.2 HCI 传输层 72.3.3 HCI 分组格式 8第三章 设计方案及模块介绍. 103.1 蓝牙家居控制系统组成

9、结构 103.2 主要硬件模块介绍 10第四章 系统硬件设计 . 144.1 下位机模块设计 144.2 PC机与蓝牙模块的连接 164.3 单片机与家用电器的连接 174.3 系统电源模块原理图 17第五章 系统软件设计 195.1 单片机端软件设计 195.2 PC 端软件设计 24第六章 系统测试与分析 29结 论 31致 谢 32参考文献 33附 录 34、八前言随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们越来越注重自己生活环境的舒 适、安全与便利。近年来兴起的智能家居系统满足了人们的这种需求，它有效地在家居 环境中组建家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，对家电设备进行集中

10、 或异地的智能化控制与管理，并且能够与外界进行信息交流。首先，在研究蓝牙 SPP 应用模型和我国家庭控制子网通信协议规范的基础上， 经过比较当前各种家庭内部组网技术的优劣， 选择了基于蓝牙协议的家庭控制子网的实 现方案。该方案使用蓝牙 SPP 模型来承载通用设备控制协议，降低了家庭控制子网组 网过程中的难度，符合实际应用场景。其次，研究并提出了智能家居系统实现过程中处于核心地位的智能家居控制器的软 硬件设计方案。在硬件方面，选用 Samsung 公司具有较高性价比的 ARM9 芯片 S3C2410作为其CPU，完成了智能家居控制器的电源、显示、输入、存储以及无线蓝 牙和GPRS的模块的电路设计

11、；在软件方面，成功地将U-boot、嵌入式Linux内核和 蓝牙协议栈 BlueZ 移植到了智能家居控制器目标板上，并在 Linux 内核中为系统各个 硬件模块添加了相应的驱动程序。最后，对蓝牙模块进行了测试，实现了蓝牙的点对点通信，并且为系统开发了部分 常用的界面。对研究工作做了总结，列出了所实现的研究成果以及有待实现的智能家居 控制系统的功能。第一章 绪 论1.1 课题研究背景智能家居，或称智能住宅，在英文中常用 Smart Home Intelligent home,与此含义 相近的还有家庭自动化(Home Automation)、电子家庭(Electronic Home、E-home)

12、、数字 家园(Digital family)、网络家居(Network Home)，智能建筑(Intelligent Building)。智能家 居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服 务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居是在家庭产品自动化、智能化的基础上，通过网络按拟人化的要求而实 现的。智能家居可以定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机技术、网络通讯 技术、综合布线技术、 无线技术、 将与家居生活有关的各种子系统， 有机地结合在一起。 与普通家居相比，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，提供全方位的信 息交换

13、功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通。智能家居强调人的主观能动性，要求 重视人与居住环境的协调，能够随心所欲地控制室内居住环境。1.2 智能家居的发展状况智能家居从上世纪八十年代兴起于日本和欧美，九十年代末引入中国，目前美国 有 7000 万家庭依靠智能家庭网络设备生活。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司 等为首的一批国际知名企业先后进入智能家庭网络的研究及开发领域，分辨开发了“梦 幻之家”、“家庭主任”、“居所之门”等家庭智能设备， 3COM 公司研发出家用无线网关 等网络产品，并与 Microsoft 联手开发通用式即插即用的家庭网络系统。该系统方便地 连接家电与网络，可以高速传输文字、

14、语音、视听等咨询。这套产品也适用于小型办公 室。国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产， 一大批大型 IT 企业利用自 身在资金与技术等方面的优势，在低端市场上已占据了相当重要的地位。清华同方在智 能化家庭网络领域与建设部智能化专家委员会共同设立了智能住宅开放实验室， 还取得 了著名综合布线厂商西蒙、百通全线产品在中国的总代理资格。北京德达创先科技集团 先后开发了 LDM-2000,智能家居控制器、HomeNet网络化综合管理系统，并开通了中国 智能建筑服务网络提供智能化建筑的在线咨询与在线技术支持该网站已成为国内建筑 化领域的权威网站。1.3 未来智能家居的发展趋势如何使家居环境变得

15、便利、舒适、人性化、智能化，真正提高人们的生活品质，才 是智能家居系统的发展方向，其发展趋势主要有以下几个方面：(1) 向个性化方向发展 人们可以根据自己的需要和喜好， 选择不同的功能， 智能家 居发展将不断满足人们要求个性化的需求。(2) 向系统高度集成化方向发展 信息家电控制功能、 呼叫对讲功能、 自动化管理功 能、安防监控功能、设备自检功能等多种功能将被集成在一起，统一调度，从而降低成 本。随着科学技术的不断发展，系统的集成度将越来越高。(3) 向网络化方向发展 网络化是计算机、 通讯、电子和物联网等多种技术发展的必 然趋势，也是智能家居智能化的一个重要体现。(4) 向绿色环保方向发展

16、环保是全球的要求，智能家居如何利用现有技术减少功 耗、降低对社区和家庭的环境污染，提高生活环境的质量，是智能化的一个重要目标。1.4 研究的目的和意义随着经济的发展和后 PC、物联网时代的到来，人们对自身居住环境的要求在不断 地提高，智能化家居将逐渐成为中国家居市场的主流。目前，在上海、北京、广州、深 圳等经济比较发达的地区都已经建立了一批智能型住宅小区， 并且正飞速地向其他地区 辐射。智能家居将大大改变人们的日常生活和工作方式，带动传统家电制造业、房屋智 能化装修、社区信息服务、以及房地产业等相关产业的蓬勃发展。家居智能化、建筑信 息化以及相关技术产品正在得到飞速地发展，智能化家居将很快将会

17、走入人们的生活。 建设部已将智能化住宅小区列为国家重点发展方向，智能化小区包括了智能家居的设 计，智能家居建设是智能小区建设的一部分。目前，国家已经投入了大量的财力和人力 在设计和开发符合中国国情的智能家居， 因此嵌入式智能家居项目的应用前景非常广阔 的。但是，由于智能家居市场的发展还处于初级阶段，智能家居的中的信息设备之间的通信还不是很规范。为此早在 2005 年，国家已经制定出了家庭网络系统体系结构及 参考模型家庭控制子网通信协议规范 、家庭控制子网通信协议规范等规范来推动和 管理中国智能家居市场的健康地发展。智能家居控制器是智能家居的核心器件，人们只 需一个控制器就可以控制家中的所有电器

18、设备。本文主要研究了智能家居网络的组建， 智能家居控制器的设计，这是智能家居实现过程中的重要内容，具有广泛的现实意义， 为将来的智能家居提供了一种可行的设计方案。1.5 课题研究的内容主要通过使各种各样的智能家电都遵守蓝牙协议构建家庭控制子网， 在完成智能家 居控制器硬件与软件设计的基础上，将控制器应用到了网络化的智能家居系统中。课题 研究主要内容具体如下：(1) 通信协议的选择 分析家庭内部网络的体系结构，对当前智能家居组网协议进行 研究和比较，选定了一个符合家庭内部组网具体要求的通信协议。(2) 智能家居控制器硬件的设计 首先，根据对智能家居控制器的具体要求例如功耗、 成本、体积等，为其选

19、择一个性价比比较高的CPU;然后，分别对其余各个功能模块进行硬件电路的设计与调试。(3) 智能家居控制器软件的设计。给出软件流程框图，包括运行在单片机和PC机上程序，本论文中均采用 C 语言进行编写第二章 蓝牙技术介绍2.1 蓝牙系统组成典型的蓝牙系统可分为 5 个单元，即无线射频单元、 链路控制单元、 链路管理单元、 蓝牙协议软件单元和主机应用软件单元。(1) 无线射频单元蓝牙是以无线LAN的IEEE802. 11标准技术为基础的，使用 2. 4GHz ISM全球通 自由波段。蓝牙天线属于微带天线，空中接口建立在天线电平为 0dBm 基础上，遵从 FCC(Federal Communicat

20、ions Commission 美国联邦通信委员会.)有关 OdBm 电平的 ISM 频段的标准。由于采用扩频技术，发射功率可以达到100mW。系统最大跳频速率为1600 跳/秒，在2. 402GHz和2. 480GHz之间，采用79个间隔为1MHz的频点来实现【31。 系统设计通信距离为10cm10m，如增大发射功率，其距离可长达 100m。(2) 链路控制单元蓝牙的链路控制单元，又称基带单元，包括 3个集成芯片：连接控制器、基带处理 器以及射频传输/接收器，此外还使用了35 个单独调谐元件。综述链路控制单元描述了基带链路控制器的数字信号处理规范。 基带链路控制器负责处理基带协议和其它一 些

21、低层常规协议。链路控制单元的主要功能包括：建立物理链路及网络连接，包括面向 连接的同 步链路 SCO(Sy nchro nous Conn ection Orie nted)链路、 异步链路 ACL(Asynchronous Connectionless)链路及匹克网；差错控制；在物理层提供验证和加密， 其中验证基于“请求.响应”运算法则实现，为用户建立一个个人的信任域，而加密则 用来保护连接中的个人信息。(3) 链路管理单元链路管理器LM(Link Manager)软件模块设计了链路的数据设置、 鉴权、链路硬件配 置和其它一些协议。链路管理器能够发现其它蓝牙设备的链路管理器，并通过链路管理

22、协议LMP(Link Mallager Protoc01)建立通信联系。链路管理器提供诸如发送和接收数据、 设备号请求、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、设备模式的切换 等功能。2.2蓝牙协议栈蓝牙协议栈体系结构为分层结构，具体如图 2. 1所示。图2.1蓝牙协议栈体系结构蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作15J。互操作的远端设备需要使用相同的协议栈，不同的应用需要不同的协议栈。并不是任何应 用都必须使用全部协议，而是可以只使用其中的一层或多层。但是，所有的应用都要使 用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。2.3蓝牙控制器接口(HCI)分析2.3.1

23、HCI 概述主机控制器接口 (HCI)处于蓝牙协议栈的中间层，它提供了蓝牙主机访问蓝牙主机 控制器的基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件的统一接口。蓝牙主机控制器(Bluetooth Host Controller)是蓝牙芯片的主要组成部分，其内部硬件 结构如图2. 2所示。链路控制器提供了蓝牙基带功能以及物理层协议的硬件和软件实 现；CPU核提供了链路管理器和链路控制器的固件部分的运行环境，使得主机控制器可独立于主机进行查询和过滤呼叫请求。图22蓝牙主机控制器内部硬件结构图硬件方面，主机控制器集成了无线电收发器、基带控制器、Flash存储器等部分,其中基带控制器大多是以 ARM为基

24、础的芯片，通过接口控制无线电收发器，提供物理 接H(USB/UART/PCM等)。蓝牙模块通过这些接口与主机上对应的接口相连接，构 成蓝牙系统的硬件连接。HCI就是基于这些物理接口定义相应的传输层实现主机与主机 控制器间的数据交换。两个蓝牙设备通过HCI层进行数据传输的过程如图2.3所示。主机A用严敷据物理忌既谡fl勒ST总爼硕fl图2.3蓝牙设备通过HCI层数据传输过程2.3.2 HCI传输层HCI传输层是指在蓝牙主机与主机控制器间相连的物理接口，它介于主机控制器驱 动程序和主机控制器之间，主要目的是实现传输的透明性，即从蓝牙模块外看HCI看到 的是HCI传输层，物理总线是屏蔽的，从而使得

25、HCI固件能在不影响传输层的情况下 升级。2.3.3 HCI分组格式HCI提供了蓝牙主机与蓝牙主机控制器交换信息的接口，这些信息以分组的形式进行交互。主机可以向主机控制器发送HCI指令分组、ACL数据分组和SCO数据分组；主机控制器可以向主机返回HCI事件分组、ACL数据分组和SCO数据分组。如图2.4所示即为各HCI分组的流向示意图。主机H事件分掘J-JAd分笛主机搂罰器7-#SCO分绢r r_ i图2.4 HCI分组流向示意(1) HCI指令分组HCI指令分组用于从主机向主机控制器发送指令。HCI指令分组的格式如表2.1所示。表2.1 HCI指令分组格式操柞码蠢数长度指令擦数0OCFOGF

26、指令参数1指令参数2抬令蔘数指令参数N(17152331HCI指令分组由操作码，参数长度和指令参数列表组成。(2) HCI事件分组主机向主机控制器发送指令分组以后，主机控制器就会返回相应的事件分组，其中携带有指令的执行情况以及相关联的信息。主机必须具有接收255字节的HCI事件分组 的能力，其中还不包括HCI事件分组头。HCI事件分组的格式如表2.4所示。表22 HCI事件分组格式0715.2331事件码参数长度事件参数0事件参数1事件参数2事件参数3事件参数4事件参数5HCI事件分组由事件码、参数长度和事件参数列表组成事件码(Event Code)大小为1 字节，用于唯一地标识事件的类型，取

27、值范围为 OxOO-Oxff。参数长度以字节度量。事件 参数列表存放了与相对应的指令关联的返回事件参数，大小一般为8的倍数。(3) HCI数据分组HCI数据分组用于在主机和主机控制器之间交换数据。HCI数据分组分为ACL数据分组和SCO数据分组两类，各自有不同的格式，在此只讨论ACL数据分组格式。HCI ACL数据分组用于在主机与主机控制器间进行异步链路的数据交换，它的分组格式如表2.5所示。表2.3 HCIACL数据分组格式07152331连接句柄PBBC数抵艮度数据第三章设计方案及模块介绍3.1蓝牙家居控制系统组成结构基于蓝牙技术的智能家居系统， 其硬件组成主要包括蓝牙模块、MCU、PC及

28、受控 设备等组成。总体构成如图3.1所示。结构框图中前半部分为中心控制部分， 主要由PC 机、蓝牙无线收发模块组成；后半部分为多个受控单元，主要由受控电器、单片机、蓝 牙模块组成。在受控单元中，蓝牙模块和单片机之间通过串口输入HCI指令实行数据通信。其工作过程是：PC机发送一条控制命令，通过串口发送给蓝牙模块，并由蓝牙 模块发送出去，这条指令被多个蓝牙模块接收后由单片机进行识别，并作出相应的动作，最终完成对家电的控制。图3.1.家居控制系统总体设计框图在本设计中作为通信部分的蓝牙模块均采用的是ROK101008,单片机选用性价比较高的 C8051F120.3.2主要硬件模块介绍3.2.1爱立信蓝牙模块ROK 101 008简介爱立信ROK 101008是爱立信（Ericsson）公司出品的适用于短距离通信的无线/基带 模块，它集成度高、功耗小、完全兼容蓝牙 1. 0B协议规范，可嵌入到任何需要蓝牙功能的设备中。它同时支持数据和语音的传输，输出功率满足Class2的要求。它提供有UART、PCM接口，可方便地实现与主机之间的通信。 它在UART接口上的最高传输速 率为460Kb/s,缺省波特率是57. 6Kb/s,可支持的波特率为 300、600, 900, 1200、 2400, 4800, 9600、19200, 384001 5760Q 1152