蓝牙——轻松构建智能新生活
时间：2020-09-15 07:55:18 来源：达达文档网 本文已影响 人 
躺上床了，却想起忘记关窗户，或是忘记关灯了？没关系，你不必再拖着慵懒的身躯爬起来，只需要拿起枕边的手机按几个按键就可以了。科学家最近发明了一套利用蓝牙系统连接的智能家居装置，借助这套系统再利用系统配备的特制手机，你就可以轻松的“一机在手，掌控全家”了。
据研究人员介绍，该系统名为“自行组控蓝牙网络”。该网络通过在家居环境中各个需要或开或关的装置中都嵌入蓝牙装置来组建，无论是各个居室的窗户或是灯，又或者是各类电器设备，只需要进行相应的改进，便都可以纳入该系统之内。
而该系统配备的一个蓝牙手机，则成为所有设备的遥控器。只要主人携带这部手机回到家中，手机就会通过蓝牙装置自动接入家居环境中的上述网络，而无需进行有线连接或是其他的繁琐操作。这样，你只需要通过操作手机上简单的几个按钮，便可以对家中的各类设备进行遥控了。
既然蓝牙技术这么神奇，那让我们走进它。
蓝牙技术简介
1. 蓝牙简介
蓝牙技术是Ericsson移动通信公司在1994年开始启动的，1998年5月，Ericsson联合Nokia、Intel、IBM、Toshiba这4家公司一起成立了蓝牙特别兴趣小组（Special Interest Group，SIG），负责蓝牙技术标准的制定、产品测试，并协调各国蓝牙的具体使用。3Com、Lucent、Microsoft和Motorola很快加盟SIG，与SIG的5个创始公司一同成为SIG的9个倡导发起者。自蓝牙规范1.0版推出后，蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛发展。截至目前，SIG的成员已经超过了2500家，几乎覆盖了全球各行各业，包括通信厂商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商、软件厂商等，甚至消费类电器厂商和汽车制造商也加入了SIG。
“蓝牙（Bluetooth）是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，也是目前国际上最新的一种公开的无线通信技术规范。它可以在较小的范围内，通过无线连接的方式、安全、低成本、低功耗的网络互联，使得近距离内各种通信设备能够实现无缝资源共享，也可以实现在各种数字设备之间的语音和数据通信。由于蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中，因此，特别选用于小型的移动通信设备，使设备去掉了连接电缆的不便，通过无线建立通信。
蓝牙技术工作在全球通用的2.4GHz ISM频段。从理论上讲，以2.4GHz ISM频段运行的技术能使用距30m以内的设备互相连接，但实际上很难达到。现阶段，蓝牙的发射范围可达10m，可以同时实现8台设备的相互联通。当检测到距离小于10m时，接收设备可动态地调节功能；当业务量减小或停止时，蓝牙设备即可进入低功耗工作模式。
2.蓝牙中的关键技术
2.1 跳频技术
蓝牙工作的频段是全球通用的2.4GHz ISM频段。该频段对所有无线电系统都开放，因此，蓝牙在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源，例如手机、无绳电话、微波炉等。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用水平，为此，采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。
所谓跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道（Hop Channel）。在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接收方也是按照相同的跳转规律进行通信。这实际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了接收双方的切换信道干什么，否则，从理论上是无法完整获得信息的，而干扰源也是不可能按同样的规律进行干扰的。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍地扩展成宽频带，使被干扰的可能性变得很小，由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性。
2.2 纠错技术
在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码（1/3FEC）、2/3比例前向纠错码（2/3FEC）和用于数据的自动请求重发（ARQ）方式。
1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3比例前向纠错码是一种（15，10）精简的汉明码表示方法，用于部分分组。
使用ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端返回确认信息；否则，返回一个错误信息。
2.3 微微网
蓝牙支持点对点和点对多点的通信，其最基本的网络组成是微微网。微微网是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络，由一个主设备（Master）和若干个从设备（Slave）组成，且从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作，而从设备则受控于主设备。一个微微网可以是2台相连的设备，也可以是8台连在一起的设备，所有设备单元均采用同一跳频序列。
蓝牙给每个微微网都提供了特定的跳转模式，因此，它允许大量的微微网同时存在。同一区域内，多个微微网互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。
2.4 安全性
蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此，安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但蓝牙技术仍然需要在应用层和链路层上提供安全措施。该措施将用于对等环境，即蓝牙系统每个单元中设备的匹配和加密规则都将以同样的方法实现。在链路层，蓝牙使用四个参数来保证系统的安全性：每个用户唯一的48位地址、用户的128位验证密钥、用户的8～128位加密密钥、设备产生的一个128位随机数RAND。
蓝牙的低层安全是通过基带和链路管理中的鉴权、匹配和加密完成的。
鉴权基于“竞争-应答”算法，是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域。校验器发送一个LMP-au-rand PDU分组给请求者，该PDU（协议数据单元）分组含有一个随机数。请求者根据获取的分组计算出应答值，然后将应答值发回给校验器，验证应答值是否正确。
当两台设备无共用链接字时，则基于个人识别码PIN和随机数创建初始化字Kinit，这一过程为匹配。Kinit字在校验器向请求者发出LMP-in-rand时创建，然后进行鉴权，共计算过程基于Kinit字，而不是链接字。通过鉴权后，链接字即被创建。
加密被用来保护连接中的个人信息，密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序，可以为用户提供一个较强的安全机制，需要注意的是，加密字节不同于鉴权字。鉴权字具有静态性，而一旦建立加密字，就由运行在蓝牙设备上的具体应用，来决定什么时候和是否需要修改加密字。
蓝牙技术的协议标准
SIG 所颁布的蓝牙规范（Specification of the Bluetooth System）就是蓝牙无线通信协议标准，它规定了蓝牙应用产品应遵循的标准和需要达到的要求。
蓝牙规范包括核心协议（Core）与应用框架（Profiles）两个文件。协议规范部分定义了蓝牙的各层通信协议，应用框架指出了如何采用这些协议实现具体的应用产品。蓝牙协议规范遵循开放系统互连参考模型（Open System Interconnetion/Referenced Model, OSI/RM），从低到高地定义了蓝牙协议堆栈的各个层次。
按照蓝牙协议的逻辑功能，协议堆栈由下至上分为3个部分：传输协议、中介协议和应用协议。其功能简介如下：
1.传输协议
负责蓝牙设备间相互确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备间的物理和逻辑链路。这一部分又进一步分为低层传输协议和高层传输协议。低层传输协议侧重于语音与数据无线传输的物理实现以及蓝牙设备的物理和逻辑链路。低层传输协议包括蓝牙的射频（Radio）部分、基带与链路管理协议（Baseband & Link Manager Protocol, LMP）。高层传输协议包括逻辑链路控制的物理实现以及蓝牙设备间的连接与组网。高层传输协议包括逻辑链路控制与适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP）和主机控制器接口（Host Controller Interface, HCI）。这部分为高层应用程序屏蔽了诸如跳频序列选择等低层传输操作，并为高层应用传输提供了更加有效和更有利于实现的数据分组格式。
2.中介协议
为高层应用协议或程序在蓝牙逻辑链路上工作提供了必要的支持，为应用层提供了各种不同的标准接口。这部分协议包括以下几部分：
●串口仿真协议（RFCOMM）
基于欧洲电信标准化协会（European Telecommunication Standardization Institute, ETSI）的TS07.10标准制定。该协议用于模拟串行接口环境，使得基于串口的传统应用仅作少量的修改或者不做任何修改可以直接在该层上运行。
●服务发现协议（Service Discovery Protocol，SDP）
为实现蓝牙设备之间相互查询及访问对方提供的服务。
●IrDA（Infrared Data Association）互操作协议
蓝牙规范采用了IrDA的对象交换协议（OBEX），使得传统的基于红外技术的对象（如电子名片（vCard）和电子日历（vCal）等）交换应用同样可以运行在蓝牙无线接口之上。
●网络访问协议
该部分协议包括点对点协议（Point to Point Protocol, PPP）、网际协议（Internet Protocol, IP）、传输控制协议（Transfer Control Protocol, TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）等，用于实现蓝牙设备的拨号上网，或通过网络接入点访问Internet 和本地局域网。
●电话控制协议
该协议包括TCS、AT指令集和音频。电话控制协议性能（Telephone Control Protocol Specification，TCS）是基于国际电信联盟电信标准化部门（International Telecommunication Union-Telecommunication，ITU-T）的Q.931标准制定的，用于支持电话功能；蓝牙直接在基带上处理音频信号（主要指数字语音信号），采用SCO链路传输语音，可以实现头戴式耳机和无绳电话等的应用。
3.应用协议
是指那些位于蓝牙协议堆栈之上的应用软件和其中所涉及的协议，包括开发驱动各种诸如拨号上网和通信等功能的蓝牙应用程序。蓝牙规范提供了传输层及中介层定义和应用框架，在传输层及中介层之上，不同的蓝牙设备必须采用统一符合蓝牙规范的形式；而在应用层上，完全由开发人员自主实现。事实上，许多传统的应用都可以几乎不用修改就在蓝牙协议堆栈之上运行，如基于串口和OBEX协议的应用。通常蓝牙技术应用程序接口（Application Programming Interface，API）函数的开发由开发工具的设计人员来完成，这样有利于蓝牙技术与各类应用的紧密结合。
蓝牙技术在智能家居系统中的应用
由于蓝牙技术的免布线、低成本、低功耗、高速率、高可靠性和兼容性等特点，使得基于蓝牙技术的智能家居系统能为人们所接受。
●家庭电器控制
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。
●家庭流量计费
目前，大多数远传计量系统采用如下方式：在各个房间内的远传表，通过专用的布线系统连接至各个节点流量控制器，再汇总到物业管理中心进行上位管理。在智能家居系统中如果采用了蓝牙技术，就会出现新的三表远传流量计费系统的局面。
通过在支持蓝牙的微芯片中置入相应程序，并置入流量表中，可以去掉流量表与节点控制器之间的连线，使每个计量末端采用无线方式，降低系统由于线路损坏而带来的系统故障，提高了系统的可靠性。
●安防系统
智能家居的基本目标为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境。这就需要一个安全的家庭体系，其中既包括人身和家庭财产的安全，也包括家庭设备的安全。为了实现这种安全体系，需要配备相关的防卫措施，例如电子门禁、对讲系统、电子防盗系统、玻璃破检测报警系统、室内跑水检测与报警系统、室内有毒/害气体的检测等。
报警控制器连接至社警铃、报警指示灯、电话，若报警，可按预先设置的若干个电话号码，自动拔通进行报警，并报出家中具体是哪个系统报警了。
蓝牙技术可以使数据采集和家庭安防监控灵活方便，摆脱了布线系统的束缚。
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
