蓝牙技术在智能家居中的应用研究_康习勇.docx
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1、 论文题目: .藍 .牙 .技术在豐能 .家居 .中 .的 .应用 .研 .究 . 论 文 英 文 题 目 : The_Ap 滤 姐 _ QQ. 迎 . B. 丨 姓名 . 康 .习 .勇 . (年级: 2 2 级 ) 专业 .逋億 _与信息系 .统 研究方向现代通信 论 _与 _仿 .真 , 导师 .惠 .晓烕 . 职称 . 教授 . 论文完成日期 . 答辩日期 . 授予学位日期: . 辽宁工程技术大学 摘要 目前,家庭自动化、智能家居的研究方兴未艾。如何选取合适的技 术,进行合理的方案设计,进而组建一种符合我国国情的、具有自主知识 产权的智能家居系统已成为当前智能家居领域中极富挑战的课题。
2、蓝牙技 术,作为一种在 2.4GHZ 频段上新发展起来的电缆置换、无线通信技术, 由于其所获支持的广泛性、全球统一的标准性、数据和语音传输方面的优 越性、自动组网能力强、低功耗、低成本和高安全性等诸多优点,目前已 得到人们的广泛认同。智能家居中的无线联网已经成为蓝牙技术的一个重 要应用领域。 本文的主要工作即致力于对组建智能家居的相关技术进行研究,并特 别强调和研究了蓝牙技术在其中的应用。对其中的关键部件进行了详细设 计。 论文首先分析了智能家居的起源和研究现状,在对当前较为流行的几 种可用于组建智能家居的相关技术进行分析、论证、比较的基础上,选择 蓝牙技术作为本文的核心研究技术。在此基 础上
3、,提出了面向新一代智能 家居的核心设备一一家庭中央控制器,对其硬件部分进行了详细设计。接着 详细分析了蓝牙协议栈,给出了蓝牙信息家电的详细开发方案,并对蓝牙 通信软件进行了详细分析与设计。论文的最后将分形几何理论引入蓝牙天 线设计,给出了一种新的蓝牙微带天线的设计方法,并用 Ensemble 和 AnsoftHFSS 对其进行了仿真分析。 试验结果表明,采用该方案设计的智能家居产品功能强大,性价比高, 开发周期短,维护方便,通用性和可扩展性好,有较高的推广应用价值。 关键词:蓝牙,智能家居,家庭网络, DSP, DTMF,分形微带天线, 天线仿真 Abstract Nowadays, the
4、study on home automation and smart home is more and more favored .That how to choose the right technology and method to design a system and suit the situation of our country has become an important task for the real of smart home .Bluetooth technology, a new wireless technology in ISM band, can repl
5、ace the cable and freely transmit data and voice in short distance .Because of widely supporting, open standard ,and low power and high security, now the bluetooth has been accepted by more and more people .The application to smart home is one of the most important applications of Bluetooth, and it
6、drives Bluetooths development After analyzing the requirement of intelligent home, a design scheme is presented .We research the key part in it, especially, the Application of Bluetooth technology to Intelligent Home. In this Paper, the first Part is the analyzing of smart home, including their hist
7、ory, future .and all kinds of technology to constructer home network ,on this basis, we select the Bluetooth as the core technology, and we put forward a new concept ,Home Centre controller ,and present a scheme of hardware design in detail The deep research about the Bluetooth protocol is the secon
8、d part .We research the Bluetooth specification and put forward the development scheme of information appliance .at the same time design the bluetooth communications software .Finally ? we introduce fractal to antenna design, present a method of antenna design and simulate it by ensemble and Ansoft
9、HFSS. The results of experiment show that the smart home system as this paper has strong functions and low price, short development period, convenient maintenance and higher application value . Keywords: Bluetooth, Smart Home, Home network, DSP, DTMF , fractal raicrostrip antenna , antenna Simulatio
10、n 目录 第 1 章绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 智能家居技术研究现状 . 2 1.3 选题背景与意义 . 3 1.4 智能家居系统的功能与关键技术 . 3 1.5 论文工作说明 . 3 1.6 论文结构 . 4 第 2 章 家 庭 网 络 技 术 研 究 . 5 2.1 家庭网络与信息家电 . 5 2.1.1 家庭网络的定义和结构 . 5 2.1.2 信息家电的概念和特点 . 6 2.2 家庭内部联网技术 . 6 2.2.1 有线联网技术 . 7 2.2.2 无线联网技术 . 8 2.2.3 无线联网技术比较 . 10 2.2.4 家庭联网技术的选择 . 11 第 3 章 蓝
11、牙 技 术 研 究 . 12 3.1 蓝牙无线通信技术 . 12 3.1.1 蓝牙射频通信 . 12 3.1.2 蓝牙无线网络拓扑结构 . 14 3.1.3 蓝牙信道分配及多址方式 . 15 3.1.4 蓝牙无线连接的建立 . 16 3.2 蓝牙应用模式 . 17 3.2.1 替代电缆 . 17 3.2.2 无线联网 . 18 3.2.3 无线上网 . 18 3.3 蓝牙目前存在的问题 . 19 3.3.1 互操作问题 . 19 3.3.2 软件问题 . 20 3.3.3 数据传输速率问题 . 20 第 4 章 中 央 控 制 器 硬 件 设 计 . 21 4.1 中央控制器硬件组成 . 21
12、 4.2 器件选型 . 22 4.3 蓝牙模块与 DSP 通信接口设计 . 22 4.3.1 蓝牙通信模块介绍 . 22 4.3.2 蓝牙模块通信接口设计 . 22 4.4 DSP 系统硬件设计 . 23 4.4.1 电源电路的设计 . 23 4.4.2 复位电路与时钟电路设计 . 24 4.4.3DSP 存储器扩展 . 26 4.4.4 显不、器键盘电路设计 . 27 4.4.5 CPLD 设计 . 28 4.5 振铃检测电路设计 . 30 4.6 自动摘挂机电路设计 . 30 4.7 DTMF 模块接口设计 . 30 4.8.以太网接口设计 . 31 4.8. RTL8019AS 介绍 .
13、 31 4.8.2 DSP 与 RTL8019AS 的接口 . 32 第 5 章 蓝 牙 协 议 分 析 及 蓝 牙 通 信 软 件 设 计 . 34 5.1 蓝牙协议体系结构 . 34 5.1.1 蓝牙协议栈的组成 . 34 5.1.2 蓝牙核心协议 . 35 5.1.3 电缆替代协议 . 36 5.1.4 电话传送控制协议 . 36 5.1.5 可选协议 . 36 5.1.6 主机控制器接口 . 37 5.2 蓝牙通信丌发方案分析与设计 . 38 5.2.1 蓝牙通信开发方案分析 . 38 5.2.2 蓝牙开发方案设计 . 39 5.3 蓝牙通信软件设计 . 41 第 6 章 . 分 形
14、微 带 天 线 设 计 与 仿 真 . 44 6.1 微带贴片天线 . 44 6.2.分形天线的特性 . 44 6.2.1 增加天线的工作频段 . 44 6.2.2 减少天线尺寸 . 45 6.2.3 其它优点 . 45 6.3 分形天线理论分析 . 45 6.3.1 Sierpinski 毯式分形微带天线简介 . 45 6.3.2 区域分解时域有限差分法原理 . 46 6.3.3 区域分解法分析 Sierpinski 毯式分形微带天线 . 50 6.3 蓝牙分形微带天线设计与仿真 . 50 6.4 仿真结果分析 . 56 6.5 仿真结论 . 56 第 7 章 创 新 点 与 结 论 . 5
15、8 第 8 章 总 结 与 展 望 . 59 顏 . 60 作者简介 . 61 参考文献 . 62 第 1 章绪论 1.1 概述 伴随着数字化、网络化的进程,智能化的浪潮席卷了世界的每个角落, 成为势不可挡的历史趋势,在这种形式下智能家居技术就应运而生的。智 能家居,或称智能住宅,源于英文 Smart Home,它依靠 3C 技术 ( Computer Technology, Communications Technology 和 Control Technology), 并结合信 息家电的发展,为用户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷的智能化 信息化生活空间。其内 涵就是:在具有个性化的住
16、宅家庭中,将多元网络 信息、多样化的自动控制及节能环保等功能,整合到一体化的家庭智能信 息管理与自动化控制平台上。 智能家居系统就是将家庭内部与信息相关的通信设备、家用电器和家 庭保安装置,通过家庭内部联网技术连接到一个家庭智能化系统上,进行 集中的监视、控制或家庭事务性管理,并保持这些家庭设施与住宅环境的 和谐与协调。上述所有功能都是通过家庭中央控制器控制实现的。家庭中 央控制器具有家庭总线系统,通过家庭总线系统提供的各种服务功能,智 能家居系统能和住宅以外的外部世界相连接。所以说 ,家庭中央控制器是 智能家居系统的核心。 智能家居中的信息传输技术,按传输介质的不同可分为有线技术和无 线技术
17、两大类,其中无线技术是目前最热门的研究方向。在现代家庭中, 弱电线缆越来越多,如电话线、有线电视、宽带网络线、防盗报警信号线 等,它们给家居空间带来线缆繁多、环境凌乱的麻烦,因此,家庭弱电线 缆需要进行统一、规范的管理。然而传统的家庭布线方式因为设计成本高, 施工不规范,维护和使用不方便等因素,已不能适应当前家居环境和家庭 装修的需要,更无法满足未来智能家居生活的更髙要求。蓝牙技术的出现, 正好解决了这个问题,使智能家居设备的无线组网与控制成为可能。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,它以低成本 近距离的无线连接为基础,可以为固定与移动设备通信环境建立一个特别 连接。例如,把蓝
18、牙技术 引入到 移动电话和笔记本电脑中,就可以去掉移 动电话与笔记本电脑之间令人烦恼的连接电缆而通过无线方式使其建立 通信。打印机、 PDA、 桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有 其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。除此之外,蓝牙无线技术 还为已存在的数字网 络和外设提供通用接口,可以以组建一个小区域无线 网络。 1.2 智能家居技术研究现状 自从世界上第一幢智能建筑 1984 年在美国出现后,美国、加拿大、 欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居 方案。在智能家居发展过程中,美国一直处于领先水平。近来,以美国微 软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知
19、名企业,先后挤身于智能家居 的研究与开发中,例如:微软开发的 “ 梦幻之家 ” 、 IBM 公司开发的 “ 家庭 主任 ” 、摩托罗拉公司开发的 “ 居所之门 ” 等。 3COM 公司也一直在通过因 特网向用户宣传智能家居这一概念,并正在研发家用无线网关等网络产 品。此外 Intel公司、托马杜多媒体公司、円本松下电器公司、新加坡科 技电子公司、韩国三星公司等知名企业也 JF 致力于智能家居系统的研发工 作。 目前,无论从技术还是标准的制定来看,发展基于网络的智能家居系 统的时机己经成熟。 WestLB Panmure 的一份市场调查研究报告指出:智能 家居市场具有巨大的潜力,而各类网关市场在
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