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基于蓝牙的智能家庭系统

摘要

在过去的十年中，消费电子领域有着重大进展。各种智能设备如手机、空调、安防设备、家庭影院将会实现智能家庭这一概念。他们提出了一个私人区域的网络构架，在这个区域中，所有的设施可以被一个单独的控制器连接与监测。智能家庭网络对于工作繁忙或者行动不便的人来说很有吸引力。一个不承担额外费用的无线家庭网络是可行的，蓝牙技术已经出现在20世纪90年代末，是达到这个目的理想的方案。本文介绍了蓝牙技术在家庭自动化和网络环境中的应用。它提出了一个网络，其中包含一个远程，移动主机控制器和几个客户端模块（家用电器）。客户端模块通过蓝牙设备与主机控制器通信。

1.引言

蓝牙无线技术将彻底改变人们理解我们家庭和办公环境的数字设备的方式。现在它们不再仅仅是独立设备，取而代之的是，通过嵌入式蓝牙技术，它们构成了能够彼此通讯的网络设备。这种无线技术在几乎没有任何与智能家电相互联系的基础设施的家庭环境中特别有用。

这种技术在智能家居中能以比较划算的方式得到合理使用。操控没有限制，普遍可用的2.4GHz频率，它可以在10米范围内以1Mbps的速度连接数字设备（通过增加发射功率能扩展到100米）。建立于这个主题，我们提出了一个基于蓝牙技术的家庭自动化系统。

在设计家庭自动化系统中存在一些问题。系统应该是可扩展的，这样新设备才容易整合到系统当中。它应该提供一个人性化的接口在主机端，这样设备才能够被设置，监测和控制。接口还应该提供一些诊断服务，当系统出现问题时能够追踪。整个系统应该能足够快地实现无线技术的真正力量。为了证明其适用于家庭自动化，这个系统还应该是性价比高的。

在系统的开发过程中包括一个在个人电脑（PC）上应用的主机控制器（HC），和一个基于单片机的温度传感器/风扇控制器，能够通过蓝牙与主机通讯连接。系统基于由笔者开发的家庭自动化协议（HAP），其目的是方便家庭自动化网络的主从通讯。这个协议确保数据交换的优先和联锁。它还支持该网络动态添加和删除设备。电脑上的用户界面提供设备登记，控制和诊断工具。开发过程中使用爱立信蓝牙开发包。使用单片机作为客户模块的设备控制器。

本文结构如下：第二节解释了家庭自动化协议；第三节描述了用户界面和个人电脑主机系统的蓝牙接口的特征；而第四节，我们展示了温度传感器-风扇控制器的电路和它通过I²C线与微控制器的连接。第五节我们讨论了单片机蓝牙接口与微控制器的固件的发展。最后讨论了一些关于在这一领域进一步研究的建议。

家庭自动化控制

家庭自动化协议（HAP）促进了在家庭自动化系统中主机和客户端之间的通讯。通讯包含设备初始化进程和数据处理进程。

协议由蓝牙软件堆栈构成。它遵循蓝牙技术联盟(SIG)提出的层次模型。考虑到家庭自动化环境的需求，HAP基于蓝牙协议体系结构的核心，包括三个栈：

逻辑链路控制和改编协议（L2CAP）

服务发现协议（SDP）

RFCOMM（串行线性仿真协议）协议

HAP设备初始化过程中使用增强SDP功能查询设备的讯息和服务。L2CAP提供数据服务到拟定分布式检测能力，分裂和重组操作的HAP。RFCOMM促进无线通讯和为家庭自动化服务提供传输功能。

基于家庭自动化系统的典型蓝牙包括一个主机和若干客户端模块。考虑到进口蓝牙价格，若有多个设备控制器（DC）连接到蓝牙设备将会其性价比会更高。相反，每个设备控制器监控多个附加设备（AD）如表格1所示。

2.1家庭自动化描述符表

主机需要存储关于网络中所有活动设备的信息。同样，设备控制器需要存储直接连接与它的设备的信息。信息存储在描述符表中。设备控制器和主机的描述符表格式分别如表1和表2所示：

描述符表术语解释：

AD 附加设备的名称

TOD 附加设备的类型（I2C地址）

I_SIZE 给定设备的指令字节大小

D_SIZE 给定设备的数据字节大小

D_SIZE 设备名称，以空字符结尾的字符串（32字节）

RW 读写访问，只读（$00）,只写（$01），读和写（$02）

PRIORITY 不同附加设备的优先级

STATUS 设备有三种状态：待机（$00），确定应答（$01），否

定应答($02)

2.2协议描述

图2展示了HAP的流程图，图中四个索引活动如下：

(1)设备控制器(DC)搜索所有的附加设备(AD)并将它们放置在设备控制器描述符列表。

(2)主机控制器(HC)寻找在设备控制器描述器(DC)列表的设备信息并构造描述符列表。

(3)主机控制器(HC)会周期性的检查每个设备控制器(DC)的状态并指示它去检查其所控制的设备。

(4)设备控制器(DC)搜寻所有设备的状况并发送反馈信号，如果找到了新的设备，设备控制器会发送DDP，如果有设备移除了，设备控制器会发送DRP。

操作的顺序可以分为三个不同的过程如下：

2.2.1 设备初始化过程

(1)复位过程时，HC发送DCP给每个DC，在其AD和DC执行扫描发送DDP主机为每个已被发现的设备。

(2)如果发现AD信息在HC,它会自动弹出设备控制的窗口。如果用户承认了设备发现,ACKP将发送回直流,否则NACKP将被发送。

(3)如果新的AD不是存储在HC中，HC会弹出窗口要求用户配置新的AD，如果用户承认和配置设备,ACKP将发送回DC,否则NACKP将被发送。

2.2.2 周期性的检查过程

(1)主机定期发送DCP给DC来检查它是否正常工作，并检查是否有设备接入或移除。如果HC没有从DC接收一个能被识别的信号，那么HC会认为DC处于不正常工作状态或者已经被移除了，HC会停止给DC或AD任何信号。

(2)当DC发现一个新的AD或AD在执行DCP时被移除，那么他会发送DDP或DRP给HC，如果HC能识别到，那么DC会下载本地描述符列表。

2.2.3数据事务处理

1.为了控制AD或者获取AD的状态信息,CMDP(命令包)会从HC发送到DC。

2.如果DC接收的命令包是为了控制AD并且没有数据被要求返回，在完成必须的执行命令后，ACKP会被发送回HC。

3.如果命令包逃求有数据，DATAP(数据包)会发送回HC。

所有数据包格式在2.3节中描述

2.3 包的格式

以下是缩写数据包格式：

PIT 数据包类型标识符来表示数据包类型

DC AD 定义设备控制器和附属设备

I_SIZE 为给定的设备定义指令字节数

D_SIZE 为给定的设备定义字节的数据大小

INSTRUCTION 定义指令含义

DATA 定义数据含义

DDP(设备检测包)。这个包是为了通知主机有一个新的设备连在网络上需要配置。

DRP(设备移除包)。这个包是为了通知主机有一个设备被移除了。

DCP(设备检查包)。这个包是通知DC发送回一个确认信息给HC并且检查AD的状态。

ACK(确认信息包)。

NACK(不确认信息包)。

CMDP(命令包)。HC发送命令包来控制AD或者AD的状态信息。

DATAP(数据包)。这个包是为了将设备信息传回主机。

蓝牙家庭自动化的电脑软件

蓝牙家庭自动化电脑软件模块(HCA)对其他DC来说是主要的主机控制程序，HCA为用户提供3种主要的服务：

设备注册

诊断实用程序

设备状态和控制

3.1. 设备注册

家庭智能系统支持即插即用(PNP)的方式，这意味着一个新的设备能够方便的添加进这个系统。为了解决动态的加入设备以及见减少用户端的复杂程度，设备的数据库被存放在HCA中。

这个设备数据库保存的信息支持的每种类型的设备,类似于在电脑中的打印机驱动程序。如果需要添加新设备,它可以使用设备注册登记效用。数据库可以被视为一个驱动为每个客户端模块。

识别每个设备所需的信息来如下：

整个数据库存储在系统初始化文件位于系统窗口目录。所需的初始化文件还包含其他用户设置配置串口通信的蓝牙工具包。菜单包括一个“打开文件”选项，使其允许一个初始化文件被下载到硬盘。同样的，一个“保存文件”选项将使文件保存在磁盘进行备份。

一旦开始了程序，图形用户界面将会被提出。每个注册设备的信息将被添加到一个设备系统，当用户选择注册选项卡,这个设备列表和每个选择注册设备信息将提交给用户选择。

在每个设备的信息展示出来之后，用户可以选择已选择编辑设备的信息或者添加一个新的设备。如果任意一个选项被选择，那么一个新的界面会已同样的形式显示出来，这样让用户能够改变已有设备的信息或者编辑新设备的一系列信息和注册表。

3.2. 诊断实用程序

诊断实用程序为HC提供了一种方法在设备层面去测试必要的蓝牙与DC的通讯。他可以允许用户连接HCA与DC并能发送数据。这个工具是有用的在开发阶段以及基本故障诊断的目的，对效用函数的访问是通道是一个用户友好的界面。

在启动时,正确的串口显示在用户设置菜单将连接指定的波特率。用户设置菜单将被保存在应用程序的初始化文件中。

连接到指定的串口后,用户可以执行诊断蓝牙功能，在HCA上提供的蓝牙功能有复位，ACL(异步无连接)、SCO(同步面向连接的链路)、无连接、查询及发送数据。

正常的操作序列的HCA突出显示的数据连接下面的序列：

执行复位操作来初始化蓝牙。

在微网执行查询操作搜索所有在场的蓝牙设备。

获取客户端蓝牙地址后,操作ACL连接到这个地址进行数据传输。

在ACL连接成功之后，数据将通过发送操作从数据线发送到用户端。

所有数据传输后,断开操作执行终止蓝牙连接。

3.3. 设备状态和控制

设备状态与控制应用程序在控制和监控AD是主要的方法。与诊断程序不同的是，它也可以获得AD的状态信号来控制设备，设备状态和控制方式在隐藏层中完成同样的工作。

使用GUI将能够让AD的一系列注册表展示出来。当某个AD被选中，相关的设备信息便能从隐藏层的其他与之关联的设备中获得，其中包括了ACL连接，数据传输与和无线操作。数据传输和连接操作符合协议之间的转移同步HC和DC。此外,该协议提供了不同的目的和不同的数据包且发送执行的这些操作都在一个隐藏层。

在这个层面的用户不关心HC和DC之间的包格式和协议。除了获取AD的状态,用户也可以选择控制AD。当用户选择AD和控制选项被选中，可以将控制值发送给AD,判断设备的类型后，DC可以使用这些值去控制AD.

硬件设计和开发

温度传感/风扇控制器电路在开发中证明了应用程序的可行性和有效性。基于蓝牙的智能家庭系统的硬件的界面组件由一个微处理器—翻译器界面与I2C总线、RS232与蓝牙连接。由此可见微处理器的作用十分重要。

4.1. 单片机传感器界面

为了降低整个系统的成本，需要有多个设备连接到一个单一的蓝牙，与一个或多个微控制器监视他们。I2C总线对于联网工作的设备来说是一个合适的选择，I2C是集成电路总线的缩写，为异步串行通讯，这种总线类型是由飞利浦半导体公司在八十年代初设计出来的，主要是用来连接整体电路，现在有超过1000种设备IIC是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实时数据传输的控制源。这种方式简化了信号传输总线接口。

4.2. I2C总线

I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。总线的运行（数据传输）由主机控制。所谓主机是指启动数据的传送（发出启动信号）、发出时钟信号以及传送结束时发出停止信号的设备，通常主机都是 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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