BLE技术在智能家居中的应用浅析

韩 丹 周祖荣

（青岛科技大学信息科学技术学院，山东 青岛 266061）

0 引言

家居智能化系统，即智能家居系统的定义最早可以追溯到20世纪70年代的美国，在其后传播到欧洲、日本等国，发展良好。而在我国，智能家居却出现的比美国晚了20年。虽然这一概念推广较晚，但是发展非常迅速，至今建成了相当规模的智能化小区及自动化住宅。智能家居是将通信技术、电子技术和自动化技术相结合并发展的产物。它可以自动的控制和管理设备，同时也对家庭环境的安全进行监控，它可以为居民提供一个安全、舒适、高效、便利的生活和学习工作环境。通过无线或有线方式，以及远程或集中管理、监控、维护家庭居住环境的协调并控制家庭自动化系统中的各种家庭通信和信息设备。与普通家具相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，还对周边居住环境具有一定的认知能力，从而进一步优化居民的生活质量。

许多国家先后提出了不同的智能家居解决方案。现阶段，智能化家居系统拥有的功能更加卓越和贴心。

1 蓝牙技术

随着时代的发展和社会的进步，信息化技术逐步的完善，各种通信手段日益增多。我们日常生活中常见的蓝牙就是一个实用的例子。所谓蓝牙技术实际上是一种短距离无线电技术，利用蓝牙技术能够有效的简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信开拓道路。说的通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些方便携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，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，组成一个巨大的通信网络。蓝牙技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案。

2 BLE(Bluetooth Low Energy)技术

蓝牙4.0协议是2010年6月由SIG（Special Interest Group）发布的最新标准，其中包含传统的Bluetooth（蓝牙）、Bluetooth+HS(高速蓝)和Bluetooth Low Energy（低功耗蓝牙简称BLE）。

2.1 BLE技术简介

低功耗蓝牙的最大特点是功耗低，因此，它可以利用一节纽扣电池便可以使用几个月甚至几年，正是因为这一特性，使得它被广泛应用于：蓝牙健康检测仪（包括蓝牙血压计、蓝牙血糖仪等）、蓝牙运动器材等。它分为dual-mode双模设备和single-mode单模设备。dualmode双模设备简单说就是向下兼容，而single-mode单模设备仅仅支持BLE。

2.2 BLE 协议栈简介

BLE协议栈如图1所示：

PHY物理层在2.4GHz的ISM频率段中跳频识别。

LL链路层：用来控制设备的状态。

BLE设备可能的五种状态：standby就绪，advertising广播，scanning搜索，initiating初始化和connected连接。广播（advertising）设备发送广播数据，使得搜索设备可以接收到并发现设备。初始者（initiator）就是一个对广播者回复连接请求的设备，收到广播信号后将连接请求反馈到广播者，如果广播者接受请求，广播者与初始者就会进入连接（connected）状态。每一个处于连接状态的设备会有一个角色：主机（master）和从机（slave）。初始化这个连接的为主机，接受这个连接请求的为从机。

HCI（Human-computer Interaction 人机交互）层为主机（host）和控制器（controller）之间通过一个标准接口进行通信提供了一些方法。实现这一层可以通过一个软件API或者是硬件接口UART，SPI和USB。L2CAP为上层数据提供打包服务。

SM：此层包含了建立连接和KEY的方法。

GAP：此层直接与profile层和app层进行交互，提供设备的发现和连接相关的服务和初始化安全服务。

ATT协议作用是让一个设备去显示数据，其他设备对应的称之为“Attribute属性”，在ATT中，显示这些属性的设备被称为服务端(server),同等的另一个设备称之为客户端（client）。这类似于LL层的master和slave，但是和ATT层的这两个状态没有关联。

GATT层：此层可以看作一个服务框架，ATT应用的子程序在这里被定义，profile的结构在这里声明。在BLE协议栈中，由profile或者是相关服务所使用的所有类型的数据都称为字符（characteristic）。由于相互连接的两台设备的数据交换都需经过GATT子程序处理，所以应用（app）和profile会直接使用GATT。

开发BLE应用（app），只需操作GAP和GATT两层就够了，其中GATT用来数据传送，GAP用来建立连接。

2.3 TICC2541BLE 芯片系统架构

针对以上所述的BLE通用协议栈的概述，不同公司所生产的不同芯片、模组所使用的系统架构略有区别，目的为了减少开发时间，提高开发效率。开发人员在熟悉其系统架构后，仅需将开发的应用在其系统上进行部署就可使用，从而提高了了应用的逻辑性。

HAL硬件抽象层是用来抽象硬件资源，并通知给软件。它的作用类似于一个嵌入式系统设备驱动程序的硬件资源的h头文件。当新的硬件平台完成后，只是修改HAL，无法修改HAL之上的堆栈协议。从而实现软件和硬件的低耦合，因此该软件无需更改或很少修改便可应用到其他硬件，如此方便了硬件改造、升级和迁移后软件的移植。

OSAL是其调度核心，其中BLE协议栈、profile定义、所有的应用都围绕它来实现。OSAL并非和传统使用的操作系统相同，它其实是一个允许软件建立和执行事件的程序循环。

3 智能家居控制中心

本课题设计的新型智能家居控制中心是一款以ARM嵌入式微处理器为核心，通过建立手机BLE连接获取控制信息，和家庭内部智能家居进行构建不同种类的无线网络，实现智能家居系统的控制，可以分为室内控制和远程控制。系统的总体结构分为硬件和软件两大部分：硬件部分包括以ARM微处理器作为智能家居系统的中央控制器、处理模块和各种功能的实现模块；软件部分包括移植嵌入式μC/OSII操作系统和编写数据传输程序的应用原件的设计。系统的总体设计方案如图3所示。

从总体结构可以看出，本系统实现的主要功能为：在室内时，用户通过手机APP，利用手机中的BLE功能模块与中央控制器的BLE模块建立连接，发送控制智能家居的指令实现控制智能家居；在室外时，用户通过移动通信网络或互联网给与控制中心建立连接的手机发送控制智能家居的指令，收到指令后智能手机的APP解析并发送至中央控制器，从而实现对智能家居的控制。ARM中央处理器收到BLE模块转发过来的用户指令后，解析请求发送给相应的模块芯片，各模块芯片接收指令与相应的智能家居建立无线通讯，完成控制过程。

4 测试结果

通过前几部分的详细介绍，基于嵌入式系统智能家居控制中心就构建完成了。现将对整个系统各部分软硬件进行测试，以检测用户能否使用手机通过app建立BLE连接到附件从而达到控制智能家居系统的项目要求。整体平台的完整实物图如图4所示。

我们用一部智能手机装入已经编写的APP，用海尔的智能灯433MHz和Zigbee两盏进行测试。手机通过蓝牙与其BLE模块进行通信，最终成功的控制了不同智能灯的开关和亮灭，从而证明了系统的可行性和可靠性。

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