面向对象的蓝牙分布式智能家居无线网络
面向对象的蓝牙分布式智能家居无线网络
随着通信技术、网络技术、控制技术和人工智能技术的发展，人们对家居环境的舒适程度和智能化程度要求也越来越高，智能网络不可阻挡的进入了家庭。近几年，随着无线网络研究在全世界范围内的兴起，对无线智能家居网络的研究已经成为新的研究热点。智能家居网络是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享，对外通过网关与外部网互连进行信息交换的局域网。
蓝牙技术是由蓝牙SIG(Special Interest Group)联合制定的近距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率1Mb/s(有效数据传输速率是721kb/s)、最大传输距离为10米(增加功率后可传输100米)的无线通信。1998年5月,爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔等五家著名厂商在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术(Bluetooth)，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。
蓝牙技术具有以下几个特点：工作于2.4GHz的ISM(工业、科学、医学频段)频段，无需申请频率许可证；采用1600hop/s的快速跳频技术；采用正向纠错编码(FEC)技术；采用FM调制方式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议；设备体积小,便于携带或移动,成本低廉。基于蓝牙技术的家居智能网络是用近距离的无线通信技术取代线缆，构建智能化的无线家居网络。
这里针对分布式蓝牙智能家居网络特点，研究了面向对象的信息处理技术应用于分布式蓝牙智能家居网络技术问题，构建了蓝牙通信控制器的面向对象的通信模型，并对该模型进行了应用研究。
蓝牙家居网络使蓝牙网络家电、蓝牙通信控制器和其它嵌入蓝牙模块的设备，利用无线方式连在一起,使之相互通信；同时，利用具有路由功能的蓝牙家庭网关和外部网络相连,构成家庭式网络系统或家庭局域网，提供集中的或异地的音频、视频通信、计算机控制和管理等，使信息在家庭内以及与外部之间充分流通和共享。
蓝牙分布式智能家居网络是沿用工业控制方案，将控制功能下放到相当于工业控制中下位机的蓝牙通信控制器上，实现分散控制、集中管理的模式，其体系结构如图1所示。
蓝牙家庭网关：对下连接家庭蓝牙通信控制器，并通过线缆和局域网、电话网连接，将家居网信息通过INTERNET和电话上传管理中心和户主。
蓝牙通信控制器：与蓝牙设备通信，监控设备状态，并与其它蓝牙通信控制器交流协调，对其下位设备进行控制。执行网关发送的命令，并将蓝牙设备相关信息上传。
蓝牙设备：蓝牙设备是指内嵌蓝牙模块的家居设备，如蓝牙空调等。它们和蓝牙通信控制器进行信息交流并接受其控制，也可以和其它蓝牙设备通信。
尽管分布式系统有很多优点，但是在蓝牙分布式智能家居网络中由于蓝牙技术和信息处理技术的局限，其缺点也是不可忽视的。其表现如下：由于每台蓝牙设备最多同时只能和7台设备保持连接，而蓝牙通信控制器需要和较多的设备交互，如果想和更多的设备协调，需要工作模式的转换，影响处理效率，甚至导致通信失败；由于同一设备可能接受很多信息，如果微处理器对信息采用排队处理，时间延迟将增加；在蓝牙分布式智能家居网络中，蓝牙通信控制器之间、蓝牙通信控制器和蓝牙设备之间、蓝牙设备都有信息传递，造成串扰，同时通信路数越多，串扰越大，通信距离和传输速率都随之降低。蓝牙分布式智能家居网络系统的通信机制和信息处理机制是影响系统性能的重要因素，因此，本文提出的将面向对象技术应用于蓝牙分布式智能家居网络系统方案，有助于解决上述问题，提高系统效能。
随着通信技术、网络技术、控制技术和人工智能技术的发展，人们对家居环境的舒适程度和智能化程度要求也越来越高，智能网络不可阻挡的进入了家庭。近几年，随着无线网络研究在全世界范围内的兴起，对无线智能家居网络的研究已经成为新的研究热点。智能家居网络是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享，对外通过网关与外部网互连进行信息交换的局域网。
蓝牙技术是由蓝牙SIG(Special Interest Group)联合制定的近距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率1Mb/s(有效数据传输速率是721kb/s)、最大传输距离为10米(增加功率后可传输100米)的无线通信。1998年5月,爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔等五家著名厂商在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术(Bluetooth)，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。
蓝牙技术具有以下几个特点：工作于2.4GHz的ISM(工业、科学、医学频段)频段，无需申请频率许可证；采用1600hop/s的快速跳频技术；采用正向纠错编码(FEC)技术；采用FM调制方式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议；设备体积小,便于携带或移动,成本低廉。基于蓝牙技术的家居智能网络是用近距离的无线通信技术取代线缆，构建智能化的无线家居网络。
这里针对分布式蓝牙智能家居网络特点，研究了面向对象的信息处理技术应用于分布式蓝牙智能家居网络技术问题，构建了蓝牙通信控制器的面向对象的通信模型，并对该模型进行了应用研究。
蓝牙家居网络使蓝牙网络家电、蓝牙通信控制器和其它嵌入蓝牙模块的设备，利用无线方式连在一起,使之相互通信；同时，利用具有路由功能的蓝牙家庭网关和外部网络相连,构成家庭式网络系统或家庭局域网，提供集中的或异地的音频、视频通信、计算机控制和管理等，使信息在家庭内以及与外部之间充分流通和共享。
蓝牙分布式智能家居网络是沿用工业控制方案，将控制功能下放到相当于工业控制中下位机的蓝牙通信控制器上，实现分散控制、集中管理的模式，其体系结构如图1所示。
蓝牙家庭网关：对下连接家庭蓝牙通信控制器，并通过线缆和局域网、电话网连接，将家居网信息通过INTERNET和电话上传管理中心和户主。
蓝牙通信控制器：与蓝牙设备通信，监控设备状态，并与其它蓝牙通信控制器交流协调，对其下位设备进行控制。执行网关发送的命令，并将蓝牙设备相关信息上传。
蓝牙设备：蓝牙设备是指内嵌蓝牙模块的家居设备，如蓝牙空调等。它们和蓝牙通信控制器进行信息交流并接受其控制，也可以和其它蓝牙设备通信。
尽管分布式系统有很多优点，但是在蓝牙分布式智能家居网络中由于蓝牙技术和信息处理技术的局限，其缺点也是不可忽视的。其表现如下：由于每台蓝牙设备最多同时只能和7台设备保持连接，而蓝牙通信控制器需要和较多的设备交互，如果想和更多的设备协调，需要工作模式的转换，影响处理效率，甚至导致通信失败；由于同一设备可能接受很多信息，如果微处理器对信息采用排队处理，时间延迟将增加；在蓝牙分布式智能家居网络中，蓝牙通信控制器之间、蓝牙通信控制器和蓝牙设备之间、蓝牙设备都有信息传递，造成串扰，同时通信路数越多，串扰越大，通信距离和传输速率都随之降低。蓝牙分布式智能家居网络系统的通信机制和信息处理机制是影响系统性能的重要因素，因此，本文提出的将面向对象技术应用于蓝牙分布式智能家居网络系统方案，有助于解决上述问题，提高系统效能。
应用层主要由端口对象管理器、对象列表、过程接口、本地过程调用和远程过程调用模块组成。其结构如图4所示。
图4 应用层内部结构
端口对象管理器的任务是完成对端口对象的创建、删除、定位等管理工作，并为系统提供名字服务。过程接口是用户过程与应用层的接口，无论用户的过程调用是远程的或是本地的，对于用户来说是相同的。对调用的区分由过程接口来完成。它首先访问对象列表判断调用的类型，再将该过程调用送到不同的过程调用模块去处理。
本地过程调用模块处理模块内连接，它直接将本地调用转由本地执行并返回结果；只有那些模块间连接才由远程调用模块负责。远程调用模块负责将消息包装，与协议层进行通信。
在蓝牙通信控制器中，每个端口对象都有自己的名字和身份识别码(ID号)，通过名字或ID都可以查询到该端口对象的相应信息。在系统初始化的时候，在每个蓝牙通信控制器上都由端口对象管理器建立端口对象列表，该列表包括局部对象列表和共享对象列表。对象列表保存了所有对象的名字和ID号的映射关系及其状态。对象的状态由系统动态更新。为了维护数据的一致性，在共享对象创建、删除和更新时，蓝牙通信控制器必须广播该消息，以使共享对象表保持一致。在蓝牙通信控制器中，无论是本地对象还是远程对象，都通过统一的过程接口来访问。
过程接口通过查找对象表可以得到对象的ID号，通过ID号可以定位该对象的位置。若该对象位于本地，则过程接口将该进程传至本地过程调用模块，由该模块直接调用相应过程，并将结果通过过程接口返回用户调用。
若该对象为远程对象，过程接口将该进程传至远程过程调用模块，由远程过程调用模块将相关参数包装，发送到远程蓝牙通信控制器，然后挂起等待远程蓝牙通信控制器的应答；远程蓝牙通信控制器在接收到请求后，通过协议层将消息上传至位于远程蓝牙通信控制器内的远程过程调用模块，将消息解包后，由远程模块的过程接口调用位于远程模块上的本地过程，处理完成后再将结果打包后回传给请求结点。
请求结点在收到消息后，返回给调用进程就可以结束挂起状态，继续执行了。在运行过程中，对象的状态需动态更新，这样虽然会增加额外的通信开销，但是在共享对象状态需要频繁访问时，系统只需访问本地对象列表中的共享对象状态即可，无需发起通信过程。
自上世纪末蓝牙技术面世以来，蓝牙技术的研究和蓝牙产品的开发引起了全世界的关注。将蓝牙技术应用于智能家居网络的研究也日渐兴起，由于家居设备安装的随机性，分布式蓝牙家居网络解决了蓝牙家居设备上网的“即插即用”问题。然而，由于蓝牙技术和分布式处理的一些固有特性，影响了分布式蓝牙智能家居网络的数据传输、处理速率和安全性。
针对这些问题，我们将面向对象技术应用于分布式蓝牙智能家居网络的核心—蓝牙通信控制器，建立了通信及处理机制模型，分析表明该方案解决了分布式蓝牙智能家居网络的处理速率和安全问题，这将有助于推进分布式蓝牙智能家居网络的进一步发展。
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