蓝牙5.0在智能家居中的应用.doc
Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date蓝牙5.0在智能家居中的应用附件：4一、智能家居系统1.1智能家居系统的定义智能家居是人们的一种居住环境。智能家居是实现设备、产品、人三者之间互联互通网络的概念。即首先在设备之间各自组网（不管是使用蓝牙、WiFi或其他形式），然后通过设备和现有的产品组成独立的网络（不管是使用蓝牙、WiFi或其他形式），再通过智能家居在设备、产品、人之间进行交织组网，把这些网再进行一个交互串通。智能家居的目的是为了改变传统家居的模式，加入一定的高科技技术，给家居赋予更好的表现形式，带给人们更加舒适、便利、高效、节能的智能生活方式。1.2智能家居系统的国内现状“智能家居”这词是上世纪九十年代后期提出的，经过这么多年的发展，智能家居也越来越成熟。目前，智能家居的普及也越来越广泛，人们对智能家居要求也越来越高，这也要求智能家居生产企业投入的技术越来越高科技。纵观智能家居系统的发展史，它投入了各种各样的技术，通信技术是其中的一项。因为人们对智能家居质量要求越来越高，这使得智能家居生产企业投入的技术也越来越高科技，其中通信技术就是其中的一种技术。通信技术分为有线通信技术和无线通信技术。然而随着时间的发展，现如今大部分都是采用的是无线通信技术。例如红外线传输、wifi、Z-wave、Zigbee、蓝牙等无线通信技术。尤其是2017年的智能家居，通过物联网技术实现家中电器统一管理，通过有线或无线的方式形成一个智能家居系统，改变了人们陈旧的思维，使家居行业有了一个质的飞跃。高科技技术的投入使得智能家居品牌迅速崛起，产业前景一片光明。二、选题研究的意义目前，智能家居的普及也越来越广泛，人们对智能家居要求也越来越高。智能家居产品是适应现代社会发展需要，提高人们生活质量、工作效率，改变人民的生活方式，体现科技性、人性化的产品。现在绝大多数的家用电器是采用红外传输的，但是它对传输距离、传输角度都有一定的限制，更重要的是，它的抗干扰性能差，传输稳定性不好。蓝牙5.0的出现刚好能够解决这些问题，改变传统家居市场的传输格局。一旦把蓝牙5.0技术投入智能家居中，取代红外传输技术等其他无线技术，对于智能家居市场乃至整个家电市场都会产生不可估计的影响。三、蓝牙技术蓝牙技术是一种无线数据与语音通讯的开放性标准，它以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，其有效传输距离是33英尺（10米）。3.1蓝牙的前世今生蓝牙作为无线通信技术的一种，它相对于红外线传输技术、Z-wave技术、Zigbee技术、Wifi技术等无线技术相比，它有着功耗低且传输速率快、建立连接的时间短、稳定性好、安全度高的优势。从1.1到5.0版本，蓝牙技术在标准上逐渐完善，技术和功能都越来越成熟、越来越完善。蓝牙1.0：获得当年COMDEX“最佳展示技术奖”，随后第一款基于蓝牙技术的打印机、笔记本电脑、免提车载套件等产品相继问世。蓝牙1.1:最早期版本，传输率约在748810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。蓝牙1.2：蓝牙技术的里程碑。同样是只有 748810kb/s 的传输率，但在加上了(改善 Software)抗干扰跳频功能。蓝牙2.0：蓝牙1.2的改良提升版，传输率约在每秒1.8兆到2.1兆，开始支持双工模式，即在进行语音通讯的同时，亦可传输档案和高质量图片。蓝牙2.1：这一版本最大的改进，是将需持续传输数据流设备的扫描间隔从0.1秒扩大到0.5秒，因此功耗更低、启动更快。应用最为广泛的是Bluetooth 2.0+EDR标准。蓝牙3.0：蓝牙3.0采用了一种全新的交替射频技术，传输速度是蓝牙2.0的8倍，可轻松用于录像机至高清电视、PC至PMP、UMPC至打印机之间的资料传输。蓝牙4.0：开启了“智能手机”时代。蓝牙4.0是蓝牙从诞生至今唯一的一个综合协议规范，提出了“低功耗蓝牙”“传统蓝牙”和“高速蓝牙”三种模式。此时，蓝牙4.0已经把传输距离提升到100米以上。蓝牙4.1：蓝牙4.1速度更快且更智能化，不仅减少了设备之间重新连接的时间，支持断点续传，传输效率也有很大改进，如用户连接了多部可穿戴设备，彼此间的信息都能即时发送到接收设备上。蓝牙4.2：改善了数据传输速度和隐私保护程度，设备可直接通过IPv6和6LoWPAN接入互联网。在新的标准下，蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备必须经过用户许可，并且速度更快，两部蓝牙设备之间的数据传输速度提高了2.5倍。蓝牙5：低功耗连接距离与速度将各自提升4倍和2倍，而无连接式的广播数据传输量将提升8倍。3.2蓝牙5.0的优点1) 蓝牙5.0技术比wifi技术的传输距离都远，它理论上的有效传输距离是300米，这点也使它抢夺了wifi技术在智能家居市场的地位。2) 蓝牙5.0提升了室内定位精确度功能。一旦能实现精确的室内定位，就能直接间接地挖掘出智能家居的多种多样的功能。例如，当人从卧室到客厅的时候，卧室的灯自动关闭，客厅的窗帘、影音设备自动进入待机状态，只需要一声令下就可以切换到娱乐模式。3) 蓝牙5.0超越现有物联网传输局限。蓝牙4.2拥有一些专注物联网的功能，但是蓝牙5.0把这些功能放在了中心位置，尤其是在智能家居市场。它有着更远的传输范围，超越传统家居传输距离受“一墙之隔”的局限。4) 蓝牙5.0的无连接式广播数据传输量提升了8倍。减少了连接麻烦，这也使蓝牙设备的交互方式发生重大改变。进一步推进Beacon和定位服务在智能家居市场的应用和部署。从“设备配APP”模式转变成一种“无连接式”的物联网模式，减少下载应用程序或应用程序与设备连接的需求。5) 蓝牙5.0针对物联网进行了很多底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。四、智能家居系统的设计方案了解传统智能家居，根据现有的智能家居的通信控制技术的不足，设计蓝牙5.0在智能家居中的方案。4.1传统智能家居方案智能家居，一个社会发展的必然产物。智能家居的概念，从开始提出后，就陆陆续续投入了各种各样的技术。例如，红外线传输、wifi、Z-wave、Zigbee、蓝牙等技术。目前，市场上常见采用的技术是ZigBee技术。它的优势是低功耗、低成本、易于组网和维护，但是有一点不足的是智能接收设备之间不能相互操作。刚好蓝牙5.0 mesh刚好解决了这个问题。蓝牙5.0 在蓝牙Mesh进入实用阶段，使得低功耗蓝牙技术更适合于需要网状网络并且开速发展的智能家居行业。蓝牙5.0 mesh跟ZigBee技术不一样的是，它的组网是建立多对多的设备通信方式，网络可以数千台蓝牙Mesh设备之间进行信息的传递，相互之间可以通信。4.2蓝牙Mesh组网蓝牙 Mesh是蓝牙5规范的一部分，专门为传输灯具调光或开关指令、传感器信息或设备ID等小数据包优化。蓝牙Mesh网络是蓝牙技术联盟提出的标准, 主旨是使蓝牙设备可以相互操作，能够提供全球多品牌的互通性，不同品牌的产品都能顺利互相搭配运作，支持智能手机直连。图1 蓝牙Mesh拓扑图有Friend节点、低功耗节点两种节点，Friend节点是专门为低功耗节点服务的。实际应用中，Friend节点可以是灯泡、机顶盒、路由器，这些设备都是通过市电供电的，对于功耗不是很敏感;低功耗节点可以是由电池供电的设备，如传感器、门锁等。它打破了传统蓝牙设备间“一对一”的配对转变成“多对多”的讯号传输模式。在蓝牙控制终端使用支持蓝牙5.0 mesh的SKB369蓝牙模块等其他方案，使智能家居优化得更加优秀，给人们带来更好的用户体验。4.3设计方案4.3.1支持蓝牙5.0、支持蓝牙mesh芯片nRF52832是一款功能强大,高度灵活的超低功耗多协议的SoC,支持多协议蓝牙5.0、蓝牙低功耗、ANT、2.4GHz RF Soc,非常适合蓝牙低功耗(BLE),ANT和2.4GHz的无线应用，可以连接 nRF51, nRF24AP and nRF24L之类的产品。有512KB的Flash和64KB的RAB空间支持1Mbps/2Mbps两种速率。它有着-96dBm的灵敏度，表明有着更远的传输距离。它是构成SKB369蓝牙mesh模块的基础芯片。4.3.2 SKB369的介绍SKB369支持BLE、ANT、NFC和2.4G RF等多种无线传输协议，具备高性能、高集成度的无线传输解决方案。基于nRF52系列Nordic nRF52832方案开发，Cortex-M4内核，数据处理能力极强；32位RAM值为64KB，Flash值为512KB，可为无线传输应用提供低功耗和超低成本的BLE蓝牙解决方案，此外，SKB369还具有用于OOB配对的NFC-A标签接口。它能支持蓝牙5.0固件升级。（下图为SKB369蓝牙Mesh模块的应用框图） 图2 SKB639框图4.4蓝牙在智能家居中的应用场景智能家居系统分为智能照明系统、全宅无线网络系统、窗帘控制系统、安防控制系统和背景音乐、家庭影院系统六个系统，为了让人们的生活更加的人性化，智能家居生产企业投入的技术越来越高科技，蓝牙技术、Zigbee技术、红外线传输技术、wifi技术等无线技术都在几个系统中有所应用。根据以往智能照明系统方案的不足，利用蓝牙5.0、蓝牙mesh组网的优势提出以下方案。4.5智能照明系统把蓝牙Mesh模块（SKB369）植入到LED灯内，用户手机作为网关，通过手机自带蓝牙连接Mesh网络中的每一个LED灯内的蓝牙模块，对Mesh网络中的LED灯进行分组控制，设计一个对应的App，通过app设置“白天模式”“夜晚模式”“护眼模式”等不同场景，对所有的LED灯调温调色，定时开关。4.4.1 硬件设计蓝牙Mesh模块（SKB369）内置在LED灯内，用户通过手机蓝牙连接Mesh网络中任何LED灯内的蓝牙模块，实现APP命令控制LED灯蓝牙，实现不同的功能等。图3 SKB369内置4.4.2软件设计（1）在各类应用的场景中，如图书馆、酒店、商场等场景，无论在任何位置，通过手机app连接Mesh网络中任何一个LED灯，都能够控制网络中任意的单灯、群组和全部的LED灯；（2）手机可以作为一个节点，控制蓝牙Mesh网络中所有LED灯的开关，或者设置不同的场景模式；（3）可以对Mesh网络中的LED灯进行分组控制，包括群组添加、编辑和管理等；用户可以根据实际照明需要，把不同位置的LED灯添加到一个网络中，进行群组控制和管理。比如将不同房间设置成不同群组，客厅天花板灯设置成群组等。（4）可以对Mesh网络中的LED灯进行调光、调色；（5）设置不同的场景模式；（6）定时开关。图4 蓝牙mesh灯控功能实现4.6方案总结蓝牙5.0 mesh智能照明方案的应用，把SKB369内置在LED灯内，把各种家居系统的各种传感器连接到蓝牙mesh网络中，在不需要中央控制器或者路由器的情况下，就有了一个完整的蓝牙网络，可以覆盖整个家居环境，打破传统智能家居的传输格局。支持蓝牙5.0的蓝牙Mesh模块的蓝牙5.0 mesh具有更高速传输速率、更远传输距离及更大的广播数据传输量，且有更低的功耗，能够建立多对多的通信关系。蓝牙5.0的优势加上蓝牙mesh组网的优势弥补了很多其他技术在智能家居系统中无法解决一些问题的不足，给人们带来更好的体验，使家居具有不一样的生命力，给智能家居系统带来了新的局面。五、结束语随着智能家居热潮在世界范围内的日渐兴起,随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用,智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向。蓝牙5.0标准的提出，将改变智能家居的传统格式。蓝牙5.0 mesh的出现，使打破了传统蓝牙设备间“一对一”的配对转变成“多对多”的讯号传输模，使设备之间可以互相相连。最后，我相信，蓝牙5.0的出现，会完全颠覆传统智能机家具市场，弥补了以往技术的不足，在智能家居市场的应用将会“钳制”其它无线技术，给智能家居市场带来新的拐点。-
