Bluetooth Technique And Smart Home Network

 南京工业大学 莫晓明

   摘要： 随着我国国民经济的发展，家庭住宅的需求概念出现了信息化和网络化的趋势。个人局域网PAN（personal area network）作为智能家庭的网络平台，极大的推动了家庭的智能化。蓝牙技术作为一种重要的无线局域网构建技术，将在智能家庭网络的应用和研究中起到重要的作用。

  Abstract: With the development of national economy, the demand concept of building trends for information and network. PAN(personal area network) greatly boosts home intelligence as a smart home network platform. Bluetooth as an important wireless LAN construction technique will play a great role on smart home network application and research.

   近年来，随着我国国民经济的发展，人们生活水平和自身素质日益提高，对居住环境提出了更高的要求，家庭住宅的需求概念也发生了彻底变化，信息化和网络化成为智能家庭的基本内涵。而个人局域网PAN（personal area network）作为智能家庭的网络平台，对智能家庭的发展起到了良好的推动作用。其核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。作为一个新的网络概念，PAN的构建技术很多，蓝牙（Bluetooth）作为一种全新的无线连接技术，由于其灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信特点，在业界得到广泛的注意，被美国的《网络计算》杂志评为“十年来十大热门新技术”之一。

 一、 什么是蓝牙技术

 蓝牙技术的最初设计思想是“结束线缆的噩梦”，即通过无线电波实现无线电话同PC、耳机及台式设备之间的无线连接，使具有一定智能的机器互相对话和互通信息。它的最终目的是要建立一个全球统一的无线连接标准，使得不同厂家生产的各种移动计算机与便携式设备在近距离内都能不用电缆就可以很方便地连接起来，实现相互操作与数据共享。

 那么什么是蓝牙技术呢？它是一种无线数据与语音通信的开放性全球通讯协议，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动通信设备建立一个特别连接的短程无线电技术。其实质内容是建立通用的空中无线接口(radio air interface)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缆相互连接的情况下，能在近距离范围内进行相互操作。通俗一点说，就是使得便携式移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并实现无线上因特网功能，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。

   二、 蓝牙的技术内容

 蓝牙标准使用全球通行的，无需申请许可的2.45GHz ISM频段，可实时进行数据和语音传输，传输速率为1Mb/s，在支持3个话音频道的同时还支持高达723.2Kb/s的数据传输速率，有效通信范围为10米，增强时可达100米。其技术核心是一个小小的“蓝牙”芯片，大小约为9mm*9mm，由一组微晶片构成，晶片内嵌入无线通讯协定，可进行简单的数码信息处理，让不同的蓝牙产品交换资料，整个蓝牙系统分为无线射频单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙软件协议四个功能组块。

 无线射频单元：即微型发射天线，根据天线的信号传送能力可实现从10米到100米范围内的无线通信，相应的发射功率10m为1mw（0dBm），100m时为100mw（20dBm）。

 链路控制单元：它包括连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器3个集成芯片，实现基带协议和其他底层的连接进程。

 链路管理单元：它是一组软件模块，携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。

 软件协议单元：蓝牙的软件协议采用分层结构，其核心协议包括物理层协议、链路接入协议、链路管理协议和服务发现协议，主要功能是完成对物理传输媒介的监测与控制、蓝牙设备搜寻、可靠数据链路的建立与维持、高层数据包的适配以及不同协议数据的复用与流量控制等。

 在具体的理论和技术应用方面，蓝牙技术使用了多项关键的无线通讯技术：

 l 跳频扩谱技术是蓝牙使用的关键技术之一，其目的是为了避免使用同一频段的其它通讯设备的干扰，它将2.45GHz ISM频段划分为79个子频段。在通讯时，接收双方按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，其他的干扰源由于不知道这种跳频规律，从而不可能按同样的规律进行干扰。蓝牙的跳频速度很快，对于单时隙分组，跳频速率为1600跳/秒；对于时隙包，跳频速率会有所降低；但在建立链路时跳频速率可达3200跳/秒。这样高的跳频速率，使得蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。在跳频的瞬时，虽然带宽很窄，但通过频谱扩展技术可以成百倍地扩展带宽，这样就使干扰可能产生的影响变得更小。

 l 蓝牙系统既可以实现点对点连接也可以实现一点对多点连接。在一点对多点连接的情况下，信道由几个蓝牙设备分享。两个或者多个分享同一信道的单元构成微微网（piconet ）。一个微微网中存在1个主单元和最多可达7个活动的从单元。网内的信道由主单元标识（提供跳频序列）和同步（提供系统时钟和跳频相位）。其它从单元可以处在以下几种状态下：active（活动）、park（暂停）、hold（保持）和sniff（呼吸）。多个相互覆盖的微微网形成了所谓的分布网（scatternet）。

 l 蓝牙技术结合了电路交换与分组交换的特点，使用时分多址（TDMA）的调制技术；支持实时的同步定向连接（SCO），提供多达3个同步语音信道，每个语音信道的传输速率为64kb/秒；支持非实时的异步不定向连接（ACL），在进行异步数据通信时，可进行一端最大速率为721kb/秒、另一端速率为57.6kb/秒的不对称连接，也可以进行432.6kb/秒的对称连接；还支持通过一个信道同时进行同步语音和异步数据的传输。SCO链路是微微网中单一主单元和单一从单元之间的一种点对点对称的链路。ACL链路是微微网内主单元和全部从单元之间点对多点链路。

 蓝牙主要技术参数

 协议标准 IEEE802.15

 工作频段 2.402～2.480GHz ISM频段

 数据速率 1Mb/s

 传输距离 10m（增强时可达100m）

 输出功率 1mw（0dBm，10m）～100mw（20dBm，100m）

 同步信道速率 64Kb/s

 非同步信道速率 非对称连接721Kb/s与57.6Kb/s，对称连接432.6Kb/s

 双工方式 全双工，TDD时分双工

 业务类型 支持电路交换与分组交换业务

 跳频频数 79个频点/MHz

 跳频速率 1600次/s

 三、 无线通讯的其它技术

 个人局域网PAN的无线通讯构建技术除了蓝牙标准外，目前比较流行的还有IEEE802.11标准、IrDA（红外线）标准和HomeRF（家庭网络）标准。

 IEEE802.11是一种工业标准，属于无线局域网（WLAN）范畴，它同样工作在2.45GHz ISM频段，最高传输速率为2Mb/s，传输距离可达100米。IEEE802.11b和IEEE802.11a是它的两个扩展标准，IEEE802．11b标准采用一种新的调制技术，工作频段2.45GHz，传输速率可根据环境的变化而改变，最大可达11Mb/s；IEEE802．11a标准，工作频段为5GHz，传输速度更为惊人，速率可达54Mb/s，完全能满足语音、数据、图像等业务的需要。同蓝牙相比，IEEE802.11的覆盖范围更广，传输速率更快，在系统的开发和制造方面更具优势。但是对于IEEE802．11来说，蓝牙的出现不是为了竞争，而是相互补充。同IEEE802．11相比，蓝牙属于无线个人网范畴（WPAN），它更具移动性和安全性，可用于更多的设备，成本更低、体积更小、更为省电，二者是不同定位的产品，相互之间不存在根本矛盾。有位专家比喻得好，“蓝牙是在家中围绕个人活动，而IEEE802.11是在大楼中工作的”。

 红外线局域网采用红外线作为传输媒介，有较强的方向性，要求视距传输，不会对周围设备产生干扰，窃听困难，保密性好。在实际应用中，由于红外线具有较高的背景噪声，受环境（日光或照明）的影响大，要求发射功率较高，使用受到很大的限制。尽管如此，红外线传输方式目前仍旧是性能价格比要求较高，传输速率要求大于100Mb/s的无线网络的唯一可行的选择。

 HomeRF标准可以说是IEEE802．11与数字无绳电话标准（DECT）的结合，目的在于降低语音数据的成本。HomeRF也采用了扩频技术，工作在2．45GHz ISM频段，目前传输速率只有1M～2Mb/s，能同步支持4条高质量语音信道。

 对各种无线通讯技术来说，都有其不同的适用范围，如果处理得好，彼此间可以互补，这样可以大大的节省设备投资和网络构建造价。同有线网相比，无线局域网的移动性和灵活性提供了很高的附加值，它安装时间短，网络结构改变方便，在有效范围内，网络设备可以任意放置，极大弥补了有线网络的不足，但是无线局域网的传输速率比较低，带宽受到局限，延迟长，连接稳定性差，可用性难预测，因此不能完全脱离有线网络，只能是有线网络的补充，而不是替换。无线局域网的最终目的不是为了消除有线设备，而是尽量减少线缆和断线时间，让有线与无线网络协调工作。

 四、 智能家庭网络

 未来的智能化住宅，使得人们足不出户就可以进行电子购物、网上医疗诊断、参观虚拟博物馆、浏览图书馆、点播VOD家庭影院；甚至于数千里之外遥控家中的空调设备进行温度调节，此外还能控制其他家用电器以及调整照明亮度等；当家中发生安全报警，如盗警、火警、煤气泄漏以及疾病紧急呼救时，在外的家庭成员可以在接到报警信息后通过电话线路查询和确认家庭中的安全状况……

 这种所谓的智能化住宅，构建在智能家庭网络的平台上，“利用系统集成方式将现代计算机技术、现代网络通信技术、现代智能仪器仪表技术、现代控制技术与建筑艺术、环境设计艺术有机地结合在一起，通过对设备的自动监控、对各种信息资源的处理、对使用者的各种信息服务的优化组合，构成一个安全、高效、便利、优雅的生活环境”。 而由Home Automation Association所定义的智能家庭网络是这样说的：“一个使用不同的方法或设备的系统，以它来提高人们的生活能力，使家庭变得更为舒适、安全和有效”。 它的基本目标是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调。这样的智能家庭可以在没有或很少有人干预的情况下，对家内或家外可能发生的事情按预先设定的响应作出反应。

 对于这种智能家庭的实现方式，大致可以分为三种。第一种方法是对住宅进行重新布线，特别是新的住宅，可根据业主对智能住宅的不同要求，进行系统的网络设计，采用标准的五类或超五类电缆进行布线，也可以根据不同设备的智能化要求，使用一些特殊导线，实现与不同设备信息传输速率和带宽的匹配。第二种方式是使用原有的布线，在原有布线的基础上增加数据传输功能，例如通过电话线在家庭计算机之间实现文件、打印机和Internet接入的共享；利用家庭内的电力线传输数据，控制灯光等家庭设备。当然建立智能家庭网络的最理想技术是无线通信技术，通过使用安装了蓝牙芯片的固定或移动家用电器或通讯设备，以家庭为范围构建一个个人局域网PAN，在此基础上实现家庭的智能化。

  五、 蓝牙技术在家庭及办公智能化方面的应用

 蓝牙技术的应用在许多领域发展迅速，它主要适用于以下三个方面的短距离无线连接：1）数据和语音接入；2）替代电线和电缆；3）包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定的中心站网络。在具体的应用上可分为两类：一是在个人局域网PAN和智能家庭网络方面的应用，二是在办公自动化和电子商务方面的应用。

 在家庭应用方面，可用蓝牙技术实现“三表”自动抄录和远程传输；可用蓝牙技术改造电话系统，实现真正意义的个人通讯。嵌入了蓝牙芯片的数字移动电话具备一机三用和耳机无线连接功能，在办公室里，可将手机当作内部电话，不计话费；在家里，是无绳电话，计固定电话费；出门在外，又成了一部移动电话，按移动电话付费。嵌入了蓝牙芯片的“信息家电”，也具有了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，使得个人家庭与现代信息社会的信息高速公路通信网紧密相连。可以设想一下，所有的信息家电通过一个遥控器来进行控制，既可以控制电视，也可以控制计算机和空调器，同时还可以用作无绳电话或者移动电话，甚至可以在这些信息家电之间共享有用的信息，在家庭内部形成一个个人智能网络。

 在办公自动化和电子商务方面，蓝牙设备将消除桌面上错综复杂的连线，将出现无线鼠标和键盘，通过无线接入局域网，实现文件、调制解调器、打印机和服务器的共享。在开办公会议时，可以用无线的方式访问其他成员，共享文件等信息。在旅行途中，嵌入蓝牙芯片的便携式电脑，可以就近无线接入Internet，在旅馆的房间或者机场方便地访问网络。利用蓝牙技术还可以制造电子钱包和电子锁，在很多消费场合进行电子付账或在宾馆接待处实现电子登记服务等。

 另外，蓝牙技术在诸如智能楼宇监控系统、防盗报警系统、分布式测控系统、汽车工业和军事装备等相关领域也有广泛的应用价值。

 六、 蓝牙技术在发展中存在的问题

 蓝牙技术在无线网络系统中的发展潜力巨大，同时也面临巨大的困难和技术难题。首先，由于蓝牙技术使用的通讯频段是2.45GHz ISM频段，这一频段对所有的无线电系统都是开放的，象IEEE802.11b和HomeRF（家庭网络）这些无线通讯标准都使用同一频段进行通讯，因此使用其中的任何一个子频段都有可能遇到不可预测的干扰源。尽管蓝牙技术采用的跳频扩展技术是避免干扰的一项有效措施，但干扰依然存在。实验显示，在无线LAN的信号开始传输后，蓝牙的传送速度降低了2成；同样受到蓝牙干扰，无线LAN的速度也会变慢，导致吞吐量明显下降。在实用化方面，蓝牙技术的应用程度也远远落后于IEEE802.11b，IEEE802.11b甚至开始使用在原本认为属于蓝牙范围的手机和其他小型设备上，加上IEEE802.11b在传输距离和传输速度上的优势，IEEE802.11b标准对蓝牙的争夺，将不仅在频段资源上，更在应用方面。

 蓝牙技术面临的另外一个问题是标准化和互操作性。因为有众多的厂家在生产众多的产品，而且蓝牙又在不断的更新协议，这些过多变化的协议和不同厂家的蓝牙组件之间的互操作性都会影响蓝牙的正常发展。蓝牙产品的全面测试标准也制约了蓝牙产品的推广。对于通信产品来说，完成一致性测试、互连测试和性能测试是至关重要的，目前的蓝牙测试标准对状态转移和数据输出的覆盖率都非常小，即便按这些标准完成了软硬件的测试，也难以保证蓝牙产品的正确性。因此除非蓝牙芯片在一系列的应用中实现了标准化，否则对消费者不可能有强烈的吸引力。

 蓝牙技术面临的第三个问题是价格问题。低成本和小型化是蓝牙技术实现与普及的关键，蓝牙芯片普及的瓶颈价格为5美元，制约蓝牙产品推出的因素中，芯片价格是一个大问题。目前市面推出的蓝牙芯片的最低价是8美元，它还需要收发模块、蓝牙协议和应用程序，这无疑也要增加成本。因此，如果芯片价格不能降下来，就不可能大量生产蓝牙芯片，而任何蓝牙产品都离不开蓝牙芯片，这就制约了蓝牙产品的推出。

 另外，蓝牙芯片在模块设计和制造工艺上也存在问题。蓝牙模块的生产存在两个技术问题：一是决定模块小型化的安装技术；二是包含天线在内的最佳设计。蓝牙芯片越小越便于安装，应用范围越广，但是制造成本会大幅增加，导致性能价格比不优的问题。关于天线的设计与安装也是个大问题。如果设备框体和内部构造不同，天线的特性将有巨大的变化。

 尽管蓝牙存在一些技术细节问题需要解决，不过随着技术的不断发展，相信这些问题会很快得到解决。

 结束语：

 蓝牙技术解决了小型设备间的无线互连问题，它的硬件市场非常大，涵盖了个人局域网络中的各类数据和语音设备。在智能家庭网络中，蓝牙技术应用前景广阔。如何用蓝牙技术改造传统家电，如何通过蓝牙技术构建无线个人局域网等等，都是摆在我们面前的崭新课题，值得我们去进一步的研究开发。