（硕士学位论文）基于蓝牙的智能家居通讯调度算法的研究与实现

（硕士学位论文）基于蓝牙的智能家居通讯调度算法的研究与实现 (硕士学位论文)基于蓝牙的智能家居通讯调度算法的 研究与实现 摘 要 随着科技的进步和社会的发展，随着生活水平的提高，人们对 家居环境的舒适程度和智能化程度的要求越来越高，智能家居系统正 是在这种背景下提出的。智能家居系统的一项主要内容是家庭内 部通讯网络的实现。本论文的基础是蓝牙技术和家庭网络。本论文提 出一种解决，即:利用蓝牙技术作为家电控制系统无线网络基础， 从蓝牙的拓扑结构和数据通讯两个方面进行分析，最终实现家电控制 系统的蓝牙网络拓扑结构、各部分的蓝牙应用方案。本论文通过一个 试验系统，设计介绍了蓝牙通讯协议的制定和软硬件详细实现方案。 由于蓝牙开发工具价格昂贵，而蓝牙开发产品要求成本一般较低，现 有蓝牙芯片对蓝牙网络功能支持具有局限性，这些因素给家电控制系 统的实现造成了固有的一些困难。本文在研究蓝牙技术的基础上，提 出了一种利用低成本，在功能上简化只支持微微网络的蓝牙组件，其 智能家居环境中家电控制系统网络的解决方案是通过在应用层中的 散射网通讯问而解决的。本文对一些关键性问题进行了重点研究， 并进行了解决。包括系统实现过程中的调度策略等。本文对蓝牙规范 中存在的微微网内调度算法不成熟问题进行了分析，在比较学习国内 外近几年来对此问题的解决方案的基础上，提出一种基于流量预测的 PFE调度算法，并通过NS网络模拟器对算法的性能进行了分析比较。 最后，对研究工作进行总结，并提出了对今后工作的展望。 关键词:蓝牙，微微网，散射网，家电控制系统 Abstract Withthe ofscienceandlifestandardsand improvement of desiremoreandmoreadvancedonthe developmentsociety,people ofcomfortableand home ontheabove degree intelligentsettings(Based home is theeffectuationof background，intelligentsystemproposed(And thehouseholdinternetisthemaincontentof home intelligentsystem thesis a solution thebluetooth design(Thismainlyproposes using asthebasisofwirelessinternetofhousehold technology appliance control basedonthe ofbluetooth and system analysis technology householdinternet alsofindstheeffectuationofbluetooth research，and networknovelconstructionofthehome control and appliancesystem bluetooth ofeach intermsofbluetoothdata application parts communicationsandnovel the construction(Takingexperimentalsystem for thesisalsointroducesthecustomizationofthe example，the communicationsandthe ofsoftwareand agreementspecificapplication hardware(Asforthelimited conditionlike that experimental imperfection Bluetoothcannot theBluetooth of chip support network，highexpenses theBluetooth toolsandlower limited development cost，the experimental conditionsomedifficultiesonhouseholdcontrol brings appliancesystem( Based onBluetooth thesis asolutionof technologyresearch，theproposes home whichusesakindofbluetooth that intelligentsystem components withlowercost(Andthebluetooth can onlysupportpiconet components solvethe ofscattemetcommunicationsinsteadof problem expensive bluetooth which scatternet(Thethesisalso componentssupport put andrelated and morefocusesonresearchand deeperanalysis practiceput III ofsome solution like pivotalproblemsschedulingstrategy(This paper also the of withinthe analyzes imperfectionschedulingalgorithm piconet( on and domestic researchconditionabout Tracing foreign this problem these and two of yearscomparingwayschedulingalgorithm，thepaper theakindofPFE basedontheflow proposes schedulingalgorithm and makes and of of prediction analysiscomparison interms algorithm NSnetwork thesissummarizesthe emulator(Finally,the researchwork and forwardthe ofthefuturework( put prospects control Keywords:Bluetooth，piconet，scatternet，homeappliancesystem IV 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 译垃 砂忙罗月够日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密口，在„„年解密后适用本授权书。 2、不保密嘭 在以上相应方框内打“v,” 作者签名: 日期:舢争 蝴专日 导师签名: 日期: 年 月 日 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 1绪论 1(1选题依据和研究的意义 进入新世纪以来，随着数字技术、计算机技术、网络通讯技术、 自动控制技术和人工智能技术的迅猛发展，这些技术日益渗透到各个 领域。这些现代科学技术深刻的影响了人类的思维模式和生存状态。 在日常生活领域，随着社会的进步，家居环境的舒适程度和智能化程 度已经成为家庭住宅的一种需求趋势，因此，智能网络越来越普遍的 andConsumer 应用到家庭住宅中，目前3C Comuter，Communication 融合的趋势日渐明显，人类家庭正逐步进入后PC时代，其是以信息 家电和只能家居作为标志。 1(1(1信息家电的研究意义 随着科技的进步和社会的发展，为了解决普通非智能家电存在两 个问题，即无法与其它的家电进行协同工作，同时也无法自动获取外 界的信息。为了满足人们对于生活品质的日益提高的追求，为了满足 现代家庭的需要，一种新型的家电――信息家电应运而生。 Electrical 信息家电 IEA，InformationAliance 是一种具有网络 信息终端功能的简便实用的智能化家电产品，是数字通讯、计算机和 电子技术与传统家电相结合的而产生的创新型产品，是一种为满足现 代化的家庭需要而设计的新型家用电器。相对于传统的家电而言，信 息家电具有便于学习，易于使用，功能单一集中，网络化协同工作， 节能化，数字化，智能化，化和实时性等一些特点【l】。从根本上 说，信息家电就是能与Intemet连接的设备，其实质是网络技术、数 字技术与PC部分功能相结合，以精巧简单的形式融入到传统的家电 设备当中，使其成为具有信息处理、视听、双向网络通讯等功能的新 硕十学位论文 型家庭信息终端，从而建立家庭网络环境。因此信息家电是几个领域 批此融合的产品，主要是通讯技术、消费电子产品和计算机技术三个 领域的融合，这种融合使得信息家电在传统家电的基础上实现了智能 化并具有网络功能，使家电适应现代家庭信息化。信息家电的发展对 计算机产业、通讯产业和传统家电产业产生深远的影响，具有重要的 意义?。 1(1(2智能家居的研究意义 智能家居以家庭网络为基础连接各种控制设备和信息家电，由家 庭网关统一管理控制，使这些设备不仅与住宅协调工作，同时还能实 现设备间的协同工作，从而构筑成安全、舒适、便利的信息化居住空 间鸭3。智能家居主要实现对信息家电和其他设备的控制、调节和监测、 沟通计算机和其他设备之间以及外部世界之间的信息通道、通过对外 的接口实现远程控制和信息交换、提供丰富的使设备间能进行协同工 作的系统关联等功能。智能家居是一个典型的集消费、计算机和通讯 于一体的3C系统，是整个世界联成一体的巨型网络的末端H3。 从大的方面来说，智能家居的根本目标是为人们提供一个方便、 安全、舒适和高效率的生活环境，它主要实现的功能有瞄1: 1(对信息简单的设备及其它设备的监测、控制和调节，如洗衣 机、灯管、微波炉、火警检测器、温度湿度控制器、各种遥控器和手 动开关等。 2(实现视频设备与计算机之间以及与外部世界之间的信息互 通，包括:VCD,DVD、电视、台式,手提计算机和数码照相机等，同 时还可以对它们进行监测和控制。 3(通过对外的接口，实现远程控制和信息交换。如:双绞线、 有线电视电缆、电话线信方式等。 基丁监牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 4(提供丰富的系统关联功能，使设备间能进行协同工作。 根据智能家居的功能、特点、及目标，智能家居的基本结构如图 1(1所示。智能家居基本拓扑结构从上面的智能家居的结构图可以看 出，要实现智能家居，将家居中的信息安全控制、灯光控制系统、家 电设备、系统等连接成一个有机的整体，为家庭信息设备提供一个统 一的平台，通过该平台实现各个设备之间的互联和信息共享、实现外 界与家庭信息设备间的信息交换就必须有一个完善的家庭网络。 „ l 家庭网关 信 各 照 视 安 智 息 类 明 频 防 能 立 家 信 控 日 控 家 电 息 制 响 制 居 万 家 系 控 系 其 能 电 统 制 统 他 遥 设 系 子 控 备 统 系 器 统 1(1(3家庭网络的研究意义 要实现智能家居，将家居中的各种信息家电和控制系统等连成一 体，实现信息家电设备之间的信息共享和互联、实现外界和家庭信息 设备的信息交换就需要有一个完善的家庭网络。实现智能家居系统架 构家庭中的基础和前提是家庭网络。也是实现只能化家居的核心。一 般说来，家庭网络是一个集合体，其包括管理、传输、加工和存储信 硕十学位论文 息各个要素。能够连接和集成家庭中的控制、通讯、监视和计算等设 备。它是在家庭和社会的信息网络相连之前，将家庭中的各种设备 包 括安全控制系统、信息家电、等关控制系统 连接在一起而形成的网 络。它提供了一个实现家庭信息设备之间的信息共享和互连、实现外 界与家庭信息设备的信息交换的统一的信息化平台。 图1(2冢庭网络系统结构 有关家庭网络技术的标准和规范很多哺3，其中一些应用比较广 泛，如:IEEE Serial 通用串行总线 USB，Universal SCP、ECHONET等。其中，蓝牙技术是为了实现低功耗的无线通讯 和小范围内的低成本而提出的，采用蓝牙无线通讯技术可以避免使用 有线连接带来的很多麻烦，比如:开槽、打洞、穿墙等;蓝牙技术通 讯距离短的特性防止了对范围以外的其他设备的干扰n1;蓝牙技术的 低成本特性有利于它在家庭网络中的普及;由于家庭网络中的信息家 电所需要传输的功能操作信息量较小，蓝牙技术完全可以满足智能家 居环境中的通讯需求m1，所以蓝牙非常适用于组建家庭网络，完成信 息家电之间的组网。 目前，将蓝牙技术应用于家庭网络，实现信息家电之间的互连和 信息交互，已经成为已成研究趋势并被广泛的应用?1，但是现有的实 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 现条件不充足，如蓝牙开发工具昂贵、蓝牙芯片对蓝牙网络功能支持 不完善等给家电控制系统的实现造成了一定的困难，所以，目前提出、 家电控制系统的、完整的、拥有自主知识产权的蓝牙实现解决方案具 有十分重要的应用价值和现实意义。 1(2相关领域的研究现状 1(2(1国内的研究现状 在我国，智能家庭网络的开发和研究处于起步阶段，清华大学清 华同方一自动化智能家庭联合实验室于2001研究开发出了国内第一 套具有自主知识产权的智能家庭网络系统原型。在该系统中采用电力 传输线将各个智能家电连成局域网络，通过家庭网络接入Internet 实现远程监测，通过电话线实施远程控制。 近年来，围绕信息家电和智能家居的研究逐步升温，特别是最近 3年，相关的研究论文成果非常丰富，相关研究者从不同的角度对信 息家电和智能家居进行了深入的研究探讨。韦波 2007 对智能家居相 关技术进行了比较研究n0I;李元建 2007 通过比较几种不同的无线组 网技术说明了在智能家居系统中采用蓝牙的优势并讨论了蓝牙技术 在智能家居系统中的应用及设计方法n?;阳俐君和刘宏 2007 对信息 家电接口定义语言 IAIDL 进行了研究n2I;蔡利民、孔力 2007 根据 嵌入式信息家电的特点，建立了一种两层验证的信息家电身份认证体 系n3l;李向明、赵小林和刘明兰 2007 设计了一种嵌入式家庭网络控 制终端软件n4J;林旭东 2008 对目前智能家居系统的相关技术进行了 简单的比较说明，并阐述了其发展趋势n引;李磊和林晓杰 2008 总结 了智能家居的标准与协议n6I;肖骁和刘宏 2008 在研究蓝牙的HCI和 蓝牙协议L2CAP、BNEP的基础上进行了家庭网关中的蓝牙局域网无线 通讯的模拟n引;曾剑，王玲和刘辉 2008 介绍了蓝牙和GSM两种无线 硕士学位论文 通讯技术在智能家居中的设计和实现n引;李敏、夏健刚 2008 在对未 来数字化家庭模式进行分析的基础上，设计了一个智能家庭网络系统 1tNS 的模型n9l;杨小东和陆以勤 2008 对家庭网络技术及相关协议 进行了总结瞳0|;瞿绍军和刘宏 2009 从信息家电之间的动态组网、自 动发现、资源共享和协同服务出发，设计了一个信息家电交互模型乜u; 郑兰敏和荣菲 2009 以智能家居集成技术为主流，分析了国内小区家 居智能的发展趋势及其在人们的生活中的演变过程乜羽;花铁森 2009 从技术与应用的角度全面阐述智能家居系统的现状和发展前景，深入 分析了其核心技术晗驯;于昕梅，彭鹤挺 2009 研究和设计了一种应用 于智能家居环境中的远程自动控制系统乜引;张明杰 2009 提出了一种 家庭网关方案，并对其原理、软件流程、通讯协议进行了分析眩5J;唐 伟，周祖德 2009 研究设计了一种基于ARM处理器的嵌入式无线家庭 网关的软硬件系统乜6J。 1(2(2国外的研究现状 目前信息家电正处于起步阶段，世界上许多计算机、通讯、家电 行业的巨人都认识到智能信息家电的巨大市场潜力，纷纷进入这个领 域。IBM、夏普、微软、英特尔、NEC、东芝、思科和松下等公司都已 开始建立智能信息家电和智能家居公司心7|。一些大的IT企业与家电 企业一起采取联合的方式形成开发联合体，并制定了他们自己的行业 技术标准，一时间形成了“百花齐放、百家争鸣’’的局面，根据所处 行业不同大致可以将它们分为四类:第一类以IT类厂商为主，如 由网络设备商组成的组织，如OSGi，IHA;第四类以家庭自动控制厂 商为核心，代表组织是LonMark。 经过近几年许多公司和研究者的共同努力，家庭自动化已初步形 基于监牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 成一定的模式，目前而言主要集中在一些发达国家和的区，如西欧的 等，不同系统各有利弊，各有自己特色，也没有统一的标准，但总体 发展趋势是由集中控制到分布控制乜83 目前家用电器组网实现集中管理与控制的主要手段是采用现场 总线技术，在这一领域已有多种产品作为既成标准共存。这些产品主 要集中在美国、西欧和日本3个的区。这些得到广泛应用的系统包括: 是通过统一的网络通讯机制和控制平台将家庭内的电器设备、灯光控 制系统、安全控制系统等连成一体乜钊。 1(2(3国内外研究的发展趋势 智能家居目前已经取得了初步的成绩，但是当前的智能家居离真 正的“智能化”还有很长的距离，未来智能家居的发展趋势是: 1(网络化、智能化、人性化。 仿人智能化是智能控制发展的必然趋势，它是当代高科技技术和 生物学技术的高度综合和升华。因此，家居的智能化也必然向仿人智 能化方向发展。网络化是信息技术、通讯技术和计算机技术发展的必 然趋势，是智能化的一个重要条件。人性化体现了“以人为本”的思 想，是科学技术发展的目的和最终归宿，因此，也是智能家居未来的 一个发展方向。 2(节能环保。智能化的本质之一是降低成本和提高效率，节能 硕士学位论文 是降低成本的关键;环保是全球应对环境问题的要求。智能家居如何 结合现有技术降低功耗、减少对家庭和小区的环境污染，提高生活环 境的质量，这些也是其未来发展必须考虑的因素。 3(一体化。家居智能化需要满足自动化管理、三表计量、安全 防范监控、火灾报警、对讲呼叫、设备监控等六方面内容，把六项内 容的智能化功能集成，从而降低成本，是其未来发展的一个方向。 4(规范化、标准化。我国智能家居发展较晚，新技术、新产品 层出不穷，标准和规范还在制定之中。产品的规范化、标准化方面仍 存在着许多问题。随着我国加入WTO，还需要考虑和国际接轨的问题。 因此，规范化、标准化是智能家居快速发展、走入国际市场的必由之 路。 5(智能家居要在大部分家庭中广泛使用就必须在成本上控制价 格，这样才能走进千家万户，促进智能家居系统的良性发展。 1(3研究的思路和基本内容 1(3(1研究的基本思路 考虑到无线网络对于构建智能家居网络的便利性和蓝牙技术在 无线网络系统中的优越性，以及智能家居中信息家电信息交互的较高 要求，利用蓝牙散射网构建智能家居中的家庭控制网络系统。主要通 过对蓝牙技术的研究与设计，利用蓝牙技术的成本优势与技术特点， 使用仅支持微微网的蓝牙组件，通过设计应用层上的通讯调度算法来 实现蓝牙散射网的通讯，从而可以使用便宜的仅支持微微网不支持散 射网的蓝牙组件，从而建构低成本、高效率的智能家居无线网络系统， 提高智能家居系统网络系统的通讯质量及便捷性。 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 1(3(2研究的主要内容 本文在研究蓝牙技术的基础上，提出了一种利用低成本的仅支持 微微网的蓝牙组件，通过设计应用层上的通讯调度算法来实现蓝牙散 射网的通讯，从而可以使用便宜的仅支持微微网的蓝牙组件，来实现 智能家居环境中家电控制系统网络的方案，并对该方案进行了详细描 述和实验验证，着重研究并解决了实现系统过程中的如调度策略等一 些关键性问题。 1(3(3论文的创新之处 1(通过在应用层设计新的协议实现在不提高硬件成本的情况下 利用仅支持微微网的蓝牙设备在散射网中通讯。 2(提出了家电控制系统的完整低成本实现方案。 1(3(4论文的结构 论文共分为五章。 第一章为绪论，介绍信息家电、智能家居和家庭网络的相关背景 和研究现状及以往研究工作中的不足;描述了论文研究的基本思路、 研究的主要内容和创新。 第二章从蓝牙技术应用开发者的角度对蓝牙技术展开论述，介绍 了蓝牙的关键技术指标、基本的网络拓扑结构等，并对蓝牙的协议栈 作了简单介绍。描述智能家居系统的基本架构，家庭网络在智能家居 中的的位、作用和结构，并提出一种在智能家居环境下基于蓝牙网络 的家电控制系统的完整实现方案。 第三章分析基于蓝牙网络的家电控制系统的散射网的通讯调度 问题这一在现有的实现条件下必须解决的关键性问题。提出一种使用 仅支持微微网的蓝牙组件通过设计应用层上的通讯调度算法来实现 散射网通讯的解决方法，并对现有的散射网通讯调度算法进行分类研 硕十学位论文 究，在分析和实验基础上提出基于流量预测的调度算法。 第四章详细论述基于流量预测的PFE调度算法的理论模型，并 给出了仿真模型，然后通过仿真实验对算法的性能进行评测(。( 第五章对文章之前的研究工作进行总结，并对今后的工作提出了 展望。 基丁(蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 2智能家居环境中的蓝牙网络 2(1蓝牙技术原理 2(1(1蓝牙技术简介 蓝牙是一种短距离的无线通讯技术标准的代称，其实质就是要建 立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准。蓝牙技术主要面 向网络中各类语音、数据设备 如拨号网络、信息家电、PC、数码相 机、打印机一移动电话和高品质耳机等 ，通过无线方式将它们连成 一个微微网 Piconet ，多个微微网之间也可以互连形成散射网 现语音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离的无线 连接技术。其无线收发器是很小的一块芯片，大约有9mm*9mm，可方 便的嵌入到便携式设备中，从而增加设备的通讯选择性。蓝牙技术实 现了设备的无连接工作，提供了接入数据网的功能，并且具有外围设 备接口，可以组成一个特定的小网络。 蓝牙技术的特点包括:采用前向纠错 FEC 编码技术，减少远距 离传输时的随机噪声影响;采用跳频技术，抗信号衰落;采用快跳频 和短分组技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性;采用FM调制方 式，降低设备的复杂性使用2(4GHz的ISM频段，无需申请许可证。 该技术的传输速率设计为1iHz，以时分方式进行全双工通讯，其基 带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分 组，每个分组占用一个时隙，也可扩展到多个时隙。蓝牙技术支持一 个异步数据通道，或3个并发的同步话音通道，或一个同时传送异步 数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64kbs的同步话音;异 硕士学位论文 接，或者是432(6kbs的对称连接。 2(1(2蓝牙技术通讯工作原理 蓝牙的设备之间通讯可以分为:Piconet 微微网 :通过蓝牙技 术连接在一起的所有设备被认为是属于同一个Piconet。一个 Piconet最小可以是两台相连的设备，最大可以是八台连在一起的设 备。在一个Piconet中，所有设备单元的级别都相同，具有相同的权 中，其时钟和跳频顺序被用来同步其它单元的那个设备。 备‘30|。 根据上述概念，关于蓝牙无线网络连接建立的过程及其工作状态 的转换如图2(1所示，图中所示是两个Piconet组成的分布式网络的 拓扑结构如下: 图2(1蓝牙网络连接和状态转换 在微微网内的连接被建立之前。所有的设备都处于等待状态。在 这种状态下，暂时还没有建立连接的单元周期性重复性的等待信息。 每当一个设备被激活，它就监听规划给该单元的32个跳频频点 跳频 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 频点的数目因的理区域不同而异 。作为Master的设备首先初始化连 接程序。如果的址已知，则通过Page 寻呼 消息建立连接;如果的 址未知，则通过一个后接寻呼消息的Inquiry 查询 消息建立连接。( 在最初的寻呼状态，Maste单元将在分配给被寻呼单元的16个跳频 频点上发送一串16个相同的寻呼消息。如果没有应答，Master则按 来的消息的最大延迟时间为激活周期的2倍 2(56秒 ，平均延迟时 间是激活周期的一半 0(64秒 。查询消息主要用来寻找如传真机、 打印机等蓝牙设备，以及其它一些类似的的址未知的设备。寻呼消息 和查询消息非常相似，不过查询消息需要一个额外的数据串周期以收 集所有的响应。蓝牙还支持节能工作模式，如果Piconet中已经连接 的设备在一定的时间段内没有传输任何数据，，Master可以把Slave 置为Hold 保持 模式。在这种模式下，Slave仅维持一个内部计数器 式的单元被激活，数据传递也立即重新开始。除Hold模式外，蓝牙 该模式下的设备放弃了MAC的址，只是偶尔收听Master的消息并恢 收听消息的频率，呼吸间隔可以根据应用的要求在一定范围内作适当 的调整;这三种工作模式按照节能效率以从低到高的顺序依次是:呼 吸模式、保持模式和暂停模式??。 2(1(3蓝牙技术协议 蓝牙核心协议体系遵循开放系统互联参考模型 OSI ，从低到高 的定义了蓝牙协议栈的各个层次，分别完成数据流的过滤和传输、跳 硕十学位论文 频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、服 务质量 QoS，QualityofService 、协议的复用 protocolMultiplexing 和分用等功能?别。蓝牙协议栈体系如图2(2所示。 庶用协汉 l 用广l应朋协送 l 中 问 搬 汉 图2(2蓝牙协议栈 蓝牙协议栈是由底层硬件模块，中间层和高端应用层三大部分组成 2(2智能家居系统的基本架构 家居设备为消费者提供娱乐、安防、沟通、视听、控制、等一系 列的功能。各种设备和系统在智能家居平台中，通过在信息交互的基 础上完成系统间的相互协作、相互操作和远程控制，同时这一系列全 方位的信息交互必须建立在网络环境的基础上，家庭网络是建立智能 家居的基础。 2(2(1家庭网络 家庭网络的主要功能有: 1(自动化功能方面: 是家庭网络最主要功能之一，其中包括家庭保安监控 如防火、 基r监牙的智能家居通信凋度算法的研究与实现 防盗、防煤气泄漏、系统 ;家电设备控制 如冰箱、洗衣机等 ;家 庭环境控制 如空调、照明等 ;家庭信息采集 如水、电、气的计数 等 :家居环境个性化设置:家居设备协同工作等。 2(家庭事务管理方面: 包括家庭事务安排、残疾人特殊服务、宠物看管、婴儿看护等。 3(接入外部网的功能方面: 家庭网络与社会网络连接在一起，并从外部网络中获取各类信 息;同时与外部网络交互，用以完成类似于远程控制、网上购物、小 区集中控制、家庭办公和信息家电的各种远程维护的功能。 4(家庭娱乐功能方面: 包括视听娱乐和游戏功能等。多媒体资源可以包括互联网上和本 的获取。 5(通讯功能方面: 是家庭网络必须具备的常用功能。在家庭的网络中，信息通常分 为用户数据、控制命令和多媒体数据等类型。它们在工作中有着各种 不同的要求，比如在传输数据量、传输速率和实时性等方面。 6(个人信息资源管理功能方面: 包括各种个人信息和文件的分类存储管理，如家庭菜谱、家 庭财务管理、医疗资料和电话号码簿等。 7(其它增值服务方面: 家庭网络还可以在个人的需要的基础上，设立一些像在线点播、 社区公共服务等服务项目。 家庭网络从总体上讲具有以下的的特征:接入方式多样、完成功 能各不相同、终端类型千差万别。尤其重要的是家庭网络不应该是一 个静态的网络，对于设备的加入或者撤走，系统都会及时的自动的完 成检测并自动重设系统。并且，家庭中设备摆放的位置可能会因为某 硕士学位论文 种需要而发生一次又一次的变化，这对于以前的综合布线系统来说是 一个十分难以处理的问题，但如果有PnP和无线传输技术的支持，设 备在有效通讯范围内改变位置就不会对整个网络的结构产生影响。 2(2(2以家居服务器为核心的家庭网络 wifi 802(11n 技术主要用于家庭电脑所要求的高速数据通讯; 蓝牙技术主要用以实现家庭设备数据通讯;无线编码技术主要用在低 速信号传输方面;以太网用以实现高速多媒体数据通讯;同时在移动 终端方面按需求增加3G无线接入口引。系统的整体构架如图2(3所示。 在这个设计中，整个系统的核心是家居服务器，它是整个家庭信 息控制、家居设备控制的核心。 家居服务器同时具有以下三种主要功能: 1(家电控制中心。 家电控制中心功能是整个家庭网络的核心功能，其实质是一个公 用的计算机平台，它主要对信息家电的访问权限和控制进行集中管 理，家居服务器上实现所有信息家电的高端功能，并对信息家电的工 作进行协同工作。 基于监牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 图2(3以服务器为核心的智能家居整体架构 2(独立家电产品。 可以处理各种流行的如MP3、DVD、VCD等多媒体格式数据，和其 他家电设备配合完成现互联网网页浏览、IP可视电话、家居环境智 能调节、家政安防等功能。其主要有外部信息接入模块、内部网络通 讯模块、家庭网络管理模块、人机交互系统和i,o等功能模块。 3(家庭网关。 外部网络与家庭内部网络之间的交界点，对家庭内部信息家电提 供实时的、双向的互联网网络节点，并开辟从外部网络到家庭内部设 备进行远程控制的有效渠道?5j。同时对家庭内部由于采用不同的技术 联网而组成的不同的通讯子网的各种不同设备提供桥接功能，使分属 于不同子网的信息家电之间可以互联互通。家居服务器同时还要提供 类似于防火墙的功能，抵御来自外部网络的非法访问和攻击。蚓。 硕十学位论文 2(3家电控制系统 家电控制系统家庭网络中的数据通讯网络主要用于传输功能类 信息家电的控制信息、处理信息和状态信息等。因为功能类信息家电 对带宽和数据传输率的要求都不高，在家庭中具有安放和移动的随意 性，所以蓝牙技术是一项非常适合用于家电控制网络的无线通讯技 术。 家电控制系统可以从系统组成和通讯模式这两个方面来分析。 2(3(1系统组成 控制系统主要是由服务器、人机交互端 控制面板或远端PC 、 信息家电三个部分组成。如图2(4所示。 图2(4家电控制系统结构图 1(人机交互端如控制面板，是仅提供显示和输入功能的用户控 制家电的人机界面，而对家电的综合控制、用户信息的认证、家电的 注册等复杂的功能都由家居服务器来完成。 2(信息家电由于其资源有限，无法进行复杂的高端数据处理， 存储容量也很小，由家居服务器来负责处理相应数据和存储，信息家 基丁蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 电上仅预设通讯接口用于处理与家居服务器的数据交互。 3(家居服务器的家庭网关的功能，处理外部网络和家庭内部网 络的信息互联互通。由于远程控制的安全性方面要求，同时作为远程 快速应用接入服务器，必须集成了SSL和身份验证等功能。家居服务 器负责人机交互端与信息家电通讯协议转换和桥接，对信息家电的访 问权限进行集中控制，同时协调信息家电之间的工作。 2(3(2数据通讯流向 数据通讯流向控制系统主要完成三个功能:家电服务、家电控制、 家电注册。数据的流向以及通讯的流程如2(5图所示。 擞摊螽令 潍穆受令，反馈 人 入 控制 ‖ 服务 ‖ 蓝牙 一哇 99 面板。 砸露 一 家电 N , 铁蠢偿患 轶蠡翁露，糍务 图2(5控制系统数据通讯流同图 1(家电注册过程: 人机交互端向服务器发送信息家电设备注册命令，家居服务器接 收控制面板的注册命令，开始搜索新加蓝牙设备、接收从信息家电端 传来的注册相关信息，包括设备的类型和自动选取驱动软件的安装; 控制面板接收并显示从家居服务器传回的设备注册信息和工作状态。 2(家电控制过程: 家电控制过程:分为四个过程。过程一，控制面板发送信息家电 设备操作命令给服务器;过程二，服务器接收过程一发送过来的操作 命令，并将命令解析，向信息家电发送相关控制类型命令;过程三， 信息家电接收过程二的信息，在执行相应操作之后向服务器发送相关 的状态信息;过程四，服务器将信息家电的状态信息转发到控制面板 进行显示。 硕十学位论文 3(家电服务过程: 向服务器发送各种服务请求命令;服务器接收信息家电的各种服 务请求，执行相应的动作;服务器将相关的信息反馈给信息家电。 这三部分的通讯流程 如图2(5所示 是构造蓝牙网络的理论依 据。 2(3(3拓扑结构 图2(6控制系统的蓝牙网络拓扑结构 如图2(6所示，控制系统中蓝牙通讯分为两部分:服务器和控制 面板，信息家电和服务器。采用2个微微网Pl和P2分别实现这两部 分。服务器作为两个微微网的桥节点，通过分时在两个微微网中分别 承担不同的设备角色:在和信息家电通讯时服务器作为主设备、而在 与人机交互端通讯时服务器是作为从设备，所以构成了树状的蓝牙散 射网。同时，信息家电也有主动要求通讯的情况，但是在方案中信息 家电的设备角色已经确定，作为从设备的信息家电只有等待服务器轮 询到它时才能向主设备传送数据，不能主动向主设备传送信息，。因 此如何使信息家电主动要传输的信息得到及时传送，这就将需要一个 高效的蓝牙微微网调度算法进行支持。 2(4模型实现 为了使这套家电控制系统方案在实践中得到验证，我们设计并实 现了一套实验系统:控制板使用附加蓝牙CF ComactFlash 卡的PDA， 基丁蓝牙的智能家居通信凋度算法的研究与实现 选用HPIPAQ2110系列PDA作为控制面板。HPIPAQ2110是带有CF CE 卡插槽的安装了Windows4(2的PocketPC。蓝牙模块选用Socket BL4538-641，它是以CF卡形式应用在掌上电脑上。 信息家电主体选用普通款洗衣机，利用5l单片机加蓝牙模块的 形式来实现其蓝牙通讯功能。服务器端使用BlueZ协议栈。 2(4(1硬件设计 RXD 家电 刀黼写入 控制 ,l 。, 翔曩谤镑 、l捩患仿峙V U撇穰 电路 ,t。――A ，一 L-__―h RS232 PC ’l’XD 、 少 UARTRX 图2(7实验系统硬件设计原理框图 厂家提供了完整的蓝牙模块，固化了无线基带层、收发层、主机 控制器接口层协议、链路管理层，但是主机控制器和主机完全分离， 作为蓝牙主机需要外加设备。硬件设计原理框图如图2(7所示。 2(4(2软件设计 1(蓝牙功能的实现 a(服务器 服务器服务器服务器上的蓝牙子系统采用寄居式的软件体系结 同开发。 牙爱好者共同开发的。由于它简单、高效、灵活、方便、模块集成化 和兼容性强 支持大多数厂商的蓝牙模块 等特点，所以得到了许多蓝 牙开发者的充分肯定和广泛使用，并使得BlueZ的不断的得到改进和 硕七学位论文 到系统的内核中。 SocketAPI BlueZ为蓝牙协议栈的各层协议都提供了标准的BSD 函数接口，应用非常方便，只需要调用相应API接口函数就可以完成 特定的任务。由于BlueZ具有结构简单、兼容性强、应用方便，以及 高效、灵活和模块化等特点，使得其已经成为Linux系统的官方蓝牙 协议栈。 I BI?z廊髑I 蓝牙虑埘 l Il J l jl Berklm]Socket凌t71 1r 1 r ， r I HCIS。e融s l L2CAP l SCOSockets J‘ ? l J I 协议接口 1 『 1 r 1r Blue Z核心 j 1 『 事驱动，’ 事: „„共’联驱 vHcl驱动|UART驱动 USB驱动 动 霉 ; ; 篮彳:硬 孛 图2(8B1ueZ蓝牙协议栈 其中bluez-i Controller Socket接口之间的全部内 容。而 Interface 和Berkley bluez―utils则实现了对蓝牙设备的初始化和控制，是蓝牙设备配置 和应用的主要工具集。 BlueZ蓝牙协议栈将蓝牙核心协议全部以可装卸模块的方式来实 现。其中基带和LMP协议由蓝牙硬件适配器实现，主机通过主机控制 基于监牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 器接口HCI与蓝牙硬件适配器通讯，SDP和L2CAP协议则由主机端实 现，HCI是底层核心协议和上层核心协议的通讯接口。 b(控制面板 控制面板基于Socket BL4538―641的API函数进行开发。 在本系统中，使用套接口编写网络应用的流程图如图2(9所示: 图2(9套接孚编程流样图 C(信息家电 由于信息家电上资源的限制，所以采用嵌入式的软件体系结构。 信息家电设备端是在HCI层实现蓝牙通讯功能。蓝牙HCI层通讯基于 得是一种握手机制，当蓝牙主机向控制器发送一条HCI指令，控制器 将指令的执行情况以HCI事件的形式返馈给主机?71。 2(家电控制协议 根据信息家电需要实现的功能来定义家电的控制协议。通过定义 控制协议数据单元的数据结构的一致性来统一不同的家电的控制协 议的不同，从而做到较好的兼容性。如表2(1所示，在命令字的定义 硕十学位论文 上具体细化，区分出不同的家电的控制协 议: ， 表2(1冢电控制协议的协议数据单兀格式 前4个字节的数据标识用于指出控制协议所针对的家电种类。本 系统定义洗衣机控制协议 协议标识为Ox00000001 、空调控制协议 洗衣机的功能主要有4类:开关，水位 4档:少量;低;中; 高 ，洗衣模式 3档:标准;轻柔:强劲 ，清洗次数 2档:普通、 加强 。洗衣机的基本操作除了实现这4类功能之外，还要具备查询 当前设备状态的功能，所以共分5个控制命令。为了做到和其它信息 家电的协议兼容和功能扩展，所以还需用一个字节来表示命令字。洗 衣模式的3档作为模式命令参数，用低两位表示;水位的档作为水位 命令参数，用低两位表示;清洗的2档做清洗命令参数，用低两位标 示。协议基于握手机制，利用了命令字的低两位表示 Ox01表示执行 成功，Ox00表示失败 ，在执行完控制命令之后，会将执行情况返回。 应答查询指令返回的洗衣机状态用命令参数的一个字节来表示，数据 结构如表3(2: 表2(2洗衣机状态字 bit7 bit6 bit5 bit4bit3bit2 bitl bitO 开关 水位 模式 清洗 保留 3(蓝牙通讯流程 从蓝牙设备通讯的角度来看，家居服务器和信息家电之间的蓝牙 通讯是HCI指令的发送和HCI事件的接收过程。信息家电作为蓝牙通 讯的从设备，家居服务器作为这部分蓝牙通讯的主设备。基于HCI层 的蓝牙通讯流程如图2(10所示。 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 图2(10蓝牙设备通讯流程 通讯通过串口的数据发送和接收完成指令发送和事件接收的具 体实现。串口接收数据采用中断的方式来完成，发送数据则采用查询 的方式完成。在蓝牙规范中按照LittleEndian码的格式发送和接收 HCl分组的参数值，就是先发送一个字的高字节，后发送低字节。另 硕士学位论文 外，指令分组的首字节在发送的时候必须加上分组的类型标识码为 Ox01，通过这种方式标明此分组为HCI指令分组。 2(5本章小结 本章提出一种实现方案，它利用蓝牙网络技术在智能家居环境下 实现家电控制系统。以家庭内部网络结构的要求和特征作为出发点， 得出蓝牙技术是最合适的家电控制系统的无线网络技术，并分析给出 了实现家电控制系统的各部分的蓝牙应用方案以及蓝牙网络拓扑结 构。之后通过一个实验系统，说明了通讯协议和软硬件设计:通过自 己定义的家电控制协议内容、包括了芯片的选型、各部分的设计框图、 和制定依据等。 基丁(蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 3智能家居中蓝牙网络的通讯调度 3(1蓝牙网络通讯调度问题的提出 目前，不同厂商生产的支持散射网的芯片相互之间兼容性不是很 好，并且价格昂贵。使用这些芯片可以满足低成本的需要，但是不能 很好的解决在两个微微网间的数据通讯的问题。 本论文的系统通过两次连接并配合类似网桥技术解决了散射网 通讯问题。 图3(1描述了控制过程中每次状态转换所需的触发条件，以及它 的转换过程。 图3(I状态机转换图 3(1(1调度策略问题 通过远程控制的信息家电在实际的应用中一般情况下不会只有 硕十与乏位论文 一个，那么多个信息家电同时工作的情况一定会出现，同时也会有主 动要求通讯的情况，但是根据蓝牙网络的特点，作为从设备的信息家 电只有等待家居服务器轮询到它时才能向主设备传送数据，而不能主 动向主设备传送信息。如何及时传送信息家电主动要传输的信息，因 此，作为主设备的家居服务器就需要一种高效的调度机制，只有这样， 才能对每,个信息家电进行及时控制，才能同时需要满足用户对服务 质量的切身要求。 蓝牙支持散射网和微微网两种拓扑结构。蓝牙网络是以微微网为 基础构成的，因为多个微微网互连就成了散射网。同时，多个微微网 成员的蓝牙单元就可以作为桥节点。这样就存在一个调度问题，用调 度来控制不同微微网中网桥节点盼引。调度策略在蓝牙网络中问题分为 Piconet 两大类?钔H0|:微微网内部调度策略IRPS IntraSchedule ; Piconet 微微网间调度策略IPS InterSchedule 。所以，调度策 略问题在家电控制网络中可以归结为微微网内部调度策略IRPS问题 在蓝牙网络中的应用。本文主要讨论微微网内调度算法。 蓝牙传输网络最大特点是主设备驱动特性，从节点之间是无法直 接传送数据的，只有在前一个主到从的时隙中标明从节点，在接下来 的从到主时隙才有权传送数据给主节点，而从节点无法自主的将数据 传给主节点，而在一个微微网中主设备对于业务进行中心控制。微微 网内调度算法的核心是通过尽最大的可能来减少传送无效的POLL和 NULL分组。 以上各个因素是高效的主节点调度算法应该考虑到的，并解决主 节点驱动的TDD 测试驱动开发 方案带来的额外限制，我们需要有新 的调度策略来解决，因为受到软硬件资源的限制，算法应该尽可能简 单。 基丁监牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 3(2 蓝牙微微网内常用调度算法及其缺陷 3(2(1轮询算法RR 轮询算法RR蓝牙规范中使用的RR RoundRobin 算法其具体过 程为:服务时间被主设备强制分为固定长度的时间段，时间段按一定 的顺序分配给每一个从设备，从设备与时间段之间的关系是一对一 的，待所有从设备都分配完后，新一轮的时间段分配又从第一个从设 备开始，如此循环下去H?。 RR算法具有简单、易于实现等优点，并且对每个从节点也是绝 对公平。但是，同时，其调度算法采用传统的循环法来轮询不同的从 节点，从节点逐个的被主节点问询，其对带宽资源进行平均分配，却 没有考虑不同从节点对带宽资源的需求不同，不考虑不同队列使用分 组大小的差异，因此这种调度算法效率较低、易造成较大的资源浪费。 此外，由于从设备当按顺序轮询到它时，不管是否有数据要发送，即 使其提出服务的请求，主设备都会以周期性循环的方式事先己约定好 的循环次序轮询到从设备，从而从设备将分配到一个时间段，即没有 数据发送的从节点也会被轮询，因此降低了带宽的使用效率。同时， 有数据收发的节点通讯受到了对没有数据收发的节点不必要的轮询 的影响，还有，主从设备对中的一个节点可能并不存在，或者连接中 断，而主设备并不能及时知道这一情况，仍然会按照事先已约定好的 循环次序轮询从设备，而占用时间段和带宽资源。 因此，RR算法不适用于突发业务，因为其的带宽利用率不高且 缺乏灵活性， 3(2(2公平耗尽循环法FEP Exhaustive FEP公平耗尽循环法FEP FairPoll 是在蓝牙系统 中的从节点所处状态分为节能模式、激活模式两类这一特点的基础上 硕士学位论文 而产生的。其定期轮询处于节能模式的从节点，转换轮询成功的节点， 使得其为激活模式状态，对于激活模式的从节点使用传统的循环方 法。根据轮询的平均成功率和节能模式:根据连续没有数据收发的轮 询数目来进行确定。但是，节能模式不能在这种情况下使用:主节点 Connect 有SCO 同步面向连接，Synchronous 从节点。 这种方法相对传统的循环法提高了效率、公平性，充分利用了 蓝牙节点可以处于节能模式的特性，但是仍然没有杜绝资源浪费的现 象。节能模式降低了公平性，例如对在节能模式下工作的从节点刚被 轮询后就有业务到达，由于其采用定期轮询的方法。同时从节点由激 活模式转换为节能模式的过程会造成空轮询，这种情况下也降低了轮 询效率。 3(2(3最大最小公平份额分配 最大最小公平份额分配这种分配方法设计的出发点是造成RR算 法不公平的两大原因，通过该方法可以解决:在RR调度算法中，它 从来不考虑不同队列使用分组大小的差异，它每一次都只IIII务每个 队列中的一个分组，这样就造成资源使用的不公平。这种方法可以通 过限定每次循环的服务量来解决。可以通过以下情况解决，如果队列 中分组大小超过了该队列当前服务量，则禁止该次循环发送数据，而 是将该次的服务量追加到下一循环的服务量中，直到允许的服务量超 过发送分组的大小的时候再发送。如果队列中的分组小于该队列当前 的服务量，则发送分组;对于RR调度算法不必要的轮询没有数据收 发的节点，影响了有数据收发的节点通讯的情况。最大最小公平份额 分配方法可以采用优先轮询有分组收发的从节点来实现。我们可以按 资源需求量从小到大的顺序对它们进行分配，因为它将需求未被满足 基丁(蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 的用户的最小份额最大化了，所以这种方案被称为最大最小公平份额 分配。一种实现上述资源分配方法的理想算法是常规处理器共享 GPS 。 3(2(4差额循环调度法DRR Round 差额循环调度法DRR DeficitRobin 是一种近似的GPS 调度算法，它能够完全满足最大最小公平份额分配思想，在运用于交 换结构的路由器资源分配调度中应用广泛。它的基本思路如下H别:维 个连接。我们也用服务的分组长度表示Quantum寄存器服务量。连接 的一次服务从实际意义上说，就是一次连续不断发送一个连接的分组 的过程。运用Deficit计数器可以有效的保证各个连接在平均吞吐率 上的公平，同时也可以避免由于不同的连接使用不同长度的分组引起 的不公平。 从理论上看，DRR调度算法可以说是理想的调度算法，但是其适 用于总线结构的路由器资源分配调度，其与蓝牙微微网调度还是存在 一些明显的区别:对调度器而言，各个队列的业务流均是可知的，因 为路由器资源分配调度队列是单向的。我们可以有两种方式得知反向 链路的业务情况，一种方法是首先检测当前IP分组是否传输完毕， 对主节点进行估计，另一种方法就是检测最近的基带分组的负载，加 入是一个饱和分组，则从节点可能还有该IP分组的后续段:如果当 前IP分组传输完毕，需要对该从节点有分组累积或有新分组到达该 从节点的概率进行计算;具体方法如下:通过在蓝牙负载头中增加 Ibit来标示，当从节点传送数据信息的同时通知主节点是否有后续 IP分组段或累积IP分组，其中0表示无后续分组，1表示有后续分 组。综合以上两种方式，我们就可以对反向链路的业务情况进行大略 硕士学位论文 的估计。关于量子值的确定，各从节点队列的量子值相同 在各从节 点的优先级别相同的情况下 。量子值的确定，要根据各节点实际选 用的蓝牙基带分组的大小。这样就可以避免出现量子值小于待传分组 大小。从而避免出现空循环的情况。 3(2(5依赖主设备和从设备状态的轮询策略 根据M―S对中主设备和从设备的状态来区分优先级。“1”表示 主设备到从设备有分组数据发送或从设备到主设备有分组发送， “0"表示没有分组数据发送。因此，每一对M-S有4种不同的状态。 依赖主设备和从设备状态的轮询策略又可以细分为:优先级轮询方案 PP 、“K’’公平性调度策略 KFP 、边缘轮询策略B1和B2。 状态轮询策略:因为主设备负责调度能清楚了解从设备的状态， 对下一步调度非常明确，所以比循环轮询策略在实现性能也更优化。 但在实际应用中主设备对从设备的状态的预测是否及时、准确就关系 到流量预测模型的选择问题。 3(2(6调度算法小结 、通过以上的对比，我们可以得出衡量一个调度算法优劣的关键因 素是:公平性、较低的复杂度和有效性。公平分配带宽，公平考虑端 到端的延迟问题就是公平性的要求。另外，更改算法必须与其它层的 协议相对独立，这样才能使轮询算法可以方便的加入到蓝牙协议栈。 上面所讨论的算法，或者偏失于效率，或者偏失于公平，无法适 应各种不同的应用环境要求。 3(3本章小结 本章分析了在现有的条件下实现家电控制系统必须解决的关键 性问题之一:蓝牙微微网的通讯调度问题。由于系统中各部分担任的 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 角色不同，并且现有蓝牙组件对散射网的支持不理想，所以采用了散 射网的拓扑结构。采用调度策略，其根本目的就在于提高系统对信息 家电的控制性能，这也是现在的一个研究热点问题。本章对现有的调 度算法进行了分类研究，分析了它们的优点和缺陷，总结出衡量一个 调度算法优劣的关键因素，即较低的复杂度、公平、有效性。 基丁-监牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 4PFE调度算法理论和仿真 4(1PFE算法的基本设计思想?? 网络性能是衡量智能家居控制系统合理性和有效性的重要因素， 因此网络数据流量管理在智能家居系统中显得尤为重要，能否有效的 对网络数据流量管理就需要一种好的预测模型，能比较准确的判断数 据流的变化趋势，对网络信息交互有效性、公平性起到关键作用。本 章提出一种基于流量预测的简单调度算法，该算法命名为 FairandEfficient PFE Predictive PollingAlgorithm 调度算法，通过比 较各种流量预测模型，选取一种基于小波分析的流量预测模型，作为 PFE调度算法的理论基础，从而有效的提高了信息家电传输控制性 能。基于流量预测的PFE调度算法的基本的设计思想如下:预测每 个从节点下一时刻的数据流量 使用流量预测模型 ，综合考虑本次 连接协商的预测结果和传输参数。通过这样，主节点就可以明晰的知 道哪一个从节点是下一个轮询的对象，这样主节点对从节点的无效访 问可以明显的减少，因此，可以相应的减少无效的POLL和NULL 这些数据包的数量，使得时隙得到更加有效的利用，并根据不同的应 用需求，用参数在公平性和有效性之间进行调整。在不同的应用需求 下，算法的参数可以取得不同的值，是一个相对来说应用面比较广的 算法 4(2算法的实现框架 算法的实现框架决策器是FPE算法的核心，它的结构如图4(1所 示。位于Master上的决策器由两部分组成，包括:决策算法和Slave 分析器。 实现具体步骤如下: 1(Slave分析器跟踪同一个连接两个方向的数据传输状态。每 硕士学位论文 传输的数据 TrafficDemand 和OoS需求 QoS Request 。 2(分析器获取这些需求之后，计算出NS 表示自上次被询问到 再次被访问时的上、下行数据能够等待的时隙总数 和P 表示队列 中有即时数据的可能 和作为参数输入到决策算法中。 3(每个Slave的优先级由决策算法根据这两个参数计算得出，并 且选择下一个将被询问的对象依据Slave的优先级顺序。 Slave分橱辫l rdala QoS Requs疆 S(M NS [rafficDe(andM(S 决 策 选嘻I的Slave sl建ve分k器7 算 pd冀t曩 QoS ^、??(，w 法 Requst S(M F NS T阮t甑cDemand M(S 图4(1主:肖点上的轮询决策器构架 4(3小波预测模型 预测主到从的即时数据出现的概率。通过对下一时刻的数据流量 进行准确预测，不但可以确定可以得到这次数据传输的数据量大小， 还可以确定下一时刻数据可能出现的概率。流量预测的方法模型有很 -IntegratedMovingAverage 模型等等，实际情况下，预测的模型 中适合网络数据流量的并不多。 小波预测模型网络节点流量状态的是高度非线性、时变、长相关 的。节点流量的时间序列所反映的高度非平稳性正是这些特点的集中 基丁监牙的智能家居通信凋度算法的研究与实现 体现。小波变换通过平移运算和伸缩多尺度分解非平稳时间序列进， 从而得到多层近似意义上的平稳时间序列，从而保持对象的尺度不变 性，它是处理、分析具有长相关性非平稳时间序列的非常好的方法和 工具。 4(3(1小波预测方法 由小波分析理论得出小波预测方法，信号可以通过小波分解到不 同的频道上。通过这种分解，信号在频率成分上比原信号单一、平滑， 所以其比较原始信号平稳性好，对于非平稳时间序列，可以根据信号 的特征用不同的平稳时间序列预测方法来处理小波分解后的时间序 列。 小波预测方法如图4(2具体步骤如下: 1(由于小波有许多族系，所以我们需选择一种适合的小波。针 对本问题，我们可以选择光滑性较大的小波，从而使数据处理的结果 更理想。 2(对网络流量数据进行小波分解。 3(分别处理各尺度空间的数据:对各尺度上分解数据进行单支 重构。 4(不同尺度空间上的重构信号分别建模预测。选取最d、,--乘法。 其原理简单，计算量相对较小，是一种比较合适的预测方法。 5(各原流量数据序列的预测结果通过各尺度空间的预测值相加 得出。 一 够嬲结 簸搦求 一 ?舛??0??钒 芟囊粜秘 图4(2小波预测方法 硕士学位论文 4(3(2小波函数的选取原则 小波处理后的数据尽可能光滑可导，就可以提高预测精度。本文 中选取Daubechies系小波。其相比其他系列小波函数具有较高的光 滑度。其尺度方程为: y f 扼? 一1 卜K砀 2f―K 4-1 K?Z 小波函数为: KEZ 关系。 表4(1小波函数直接长度与光滑度的关系 4(3(3建模 1(Mal lat算法 小波分解采用Mallat算法: z 。，??，‘??。，r?? ?? :c。?azi+((1。 nG。c? a:， i 。。。(3， 通过高通滤波器G和低通滤波器H对信号分别提取细节分量以+。 和近似分量ca„反复对近似分量作小波分解，得出不同层次的近似分 量与细节分量。 2(小波分析建模 非平稳时间序列Co 波分解后可以得到: 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 层、第二层、„„、第N层的细节分量，q: c?”C?‖c?‖(( 为第N 层 的近似分量，对每个分支分别重构后得到d。:h。，dt刀d耶„ ， 畋: d:，(，吐‖吐‖。 ，„(，以: 以J，以‖以‖。 ，巳: qp巳?qy(( ， 最后可以得 到 co dl七d2七„+dN+cN 4―4 因此 Coj2dlj+d2j+„+dNl七cNl 4-5 n+l时刻C0卅-的值;由 1 得: Co，肘l 盔，肘I+d2，肿l+„+J^，，肘I+cN，。+I 4―6 3(最d、----乘预测建模 最小二乘预测方法建模:利用已知的前P个值预测第p+1个值。己 时F n+1 的值，则建立模型: 4―7 4(4仿真实现与分析 评价一个调度策略优劣的标准有许多种，针对蓝牙微微网调度的 特点，可以用以下几个简单的有效的指标。 1(吞吐量 吞吐量是指系统在一段时间内完成的工作量，它是一个评价研究 工作的重要指标，其能够衡量系统中关键资源的利用率。 2(响应能力 衡量系统响应能力的指标有一下几种:响应时间、排队时间、周 转时间等。本论文使用端到端的延迟来进行评价。对蓝牙微微网调度 硕十学位论文 算法进行评价是通过分组的平均延迟来。在Internet中，评价网络性 能的一个重要指标包括分组延迟，因为蓝牙支持较多的实时应用，即 使其相对于蓝Internet来说延时要求没有那么高，分组延迟作为评价 实时性能的重要指标是必须需要考虑的。 4(4(1参数的调整依据 家庭网络环境中不同蓝牙设备对数据传输的QoS不同，我们根此 来调整参数。为了满足应用的需求，在有效性、公平性之间达到最佳 均衡效果，需要不断调整口的取值。但是这样的计算过程非常复杂， 因此我们选择另外一种方式:确定出几种情景模式，这些情景模式的 根据是家庭这个特定的应用环境，对这些定性的问题分类，定量计算 口的可能取值，这样就可以通过查表非常简便的确定出一个效果近似 于最佳的倪值。 假定现还有7种信息家电除服务器外:蓝牙洗衣机、蓝牙空调、 蓝牙打印机、蓝牙遥控器、笔记本电脑、蓝牙摄像机、蓝牙手机。这 7种设备对传输质量的要求和数据传输量和都不同。传输量分为3个 元组的形式来标示传输类型。 情景1:摄像机使用蓝牙向笔记本电脑传输图像并保存。因为 传输的数据为图像，所以数据量较大，并且其对传输延迟非常不敏感， 其传输类型可以用 1，1 来表示。 情景2:笔记本电脑利用蓝牙技术向打印机传送文件。其传输的 数据是文件，数据量相对比较大，对传输延长不太敏感，可以用 1，n 来表示其传输类型。 情景3:手机利用蓝牙技术向笔记本电脑传送短信记录、电话本 记录、传送铃声等。传输的数据量一般，传输延长要求存在，当不苛 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 刻，可以用 n，n 表示其传输类型。情景 情景4:摄像机通过蓝牙技术向笔记本电脑传输图像并播放。其 数据较大，对传输延迟非常敏感，传输类型可以用 1，S 来表示。 情景5:遥控器通过蓝牙技术控制蓝牙空调，控制蓝牙洗衣机。 其传输的是信息数据，数据量较小，传输延迟要求较宽裕，类型为 S，1 。 4(4(2蓝牙网络仿真 测试算法性能如果在实际的环境下会存在许多缺点，如:测试环 境构造复杂，成本高;对规模较大的网络，测试结果往往难于重现， 几乎也不可能完全实际测试。使用网络仿真软件来实现可以很好的解 决上述问题，实际测试作为辅助手段H31。网络仿真软件是评估网络性 能、设计方案、理论分析以及网络故障诊断的强有力工具，它的优点 包括:易扩展性、可重现性、可控制性。因此，采用网络仿真软件对 该调度算法进行性能分析。 1、网络仿真器NS2结构及其设置 网络仿真器NS2结构及其设置NS2 NetworkSimulator 是一种 无版权的用于网络研究的离散事件仿真器。其由美国加州大学伯克利 分校开发的，NS2为无线、有线网络上的数据链路、TCP路由、组播 协议、各种队列的仿真、以及网络QoS提供大量的支持，同时也提 供了很多工具，包括跟踪和显示仿真结果、网络拓扑生成。 NS2仿真过程如图4(3所示: 硕十学位论文 图4(3NS2仿真过程 NS2的系统结构如图4(4所示，它由离散事件调度器 Event( Scheduler 、网络元件库 Network 辅助模组库 Tclcl 组成。 回 图4(4简略的NS架构 2、蓝牙仿真模块BlueHoc BlueHocB1 Ad―Hoc Network ueHoc Bluetooth 上开发的蓝牙网络仿真模块。BlueHoc仿真软件实现了蓝牙规范中的 基带、LMP、L2CAP协议。可以用它来仿真蓝牙系统中各层协议的 42 基f监牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 执行情况，并可对协议特性加以分析研究。 B1ueHoe的实现流程如图4(5所示: 图4(5B1ueHoC的仿真流程不慈图 。 3、蓝牙从节点仿真模型 蓝牙从节点仿真模型如图4(6所示:L2CAP 逻辑链路控制和适配 分。 硕士学位论文 's专一 图4(6蓝牙从。1，点仿真模型 4、蓝牙主节点仿真模型 蓝牙网络的结构是主从的，微微网的跳频序列由主节点的的址和 时钟决定，在一个微微网中主节点起主导作用。因此，相对于从节点， 基于蓝牙的智能家居通信凋度算法的研究与实现 DRR_based 蓝牙主节点的仿真模型如图4(7所示。 数据转发模块的作用如下:根据数据包的目的的址，把L2CAP 数据包发送到适当的数据流量过滤模块以进行下一步处理。 图4(7蓝牙主节点仿真模型 5、蓝牙无线传输仿真模型 无线传输过程通过模型中的无限信号传播时延产生的原因有两 个部分:不同微微网之间的跳频干扰、传输距离产生的误包。蓝牙无 线传输模型模型如图4(8所示。 碗十学化论文 prop_dda','I((((((一 图48蓝牙无线传输模捌 44(3仿真结果 以及DRR和PFE性能进行仿真评估。经过仿真实验得!: ;在a 0(8时， 端到端的平均延迟以及数据吞吐量这个时候达到了屉好的均衡效果， 在此种情况下仿真结果如图4(9和4(10所示。 幽49仿其三种舁括100s内H错时奋吐 d蹙化曲线比牧 从图4,9可以看出FPQ与PFE在遇到突变性流量时都表现出很 好的适应性，它的曲线会随实际流量出现起伏变化。但是FPQ与PFE 两种算法预测效果不同，因为其采用的预测机制是不同的，相对于 FPQ，PFE算法传输延迟也相对较小，对流蛩突变的适应性更强，对 突发性大流量数据处理的更加好，实际仿真结果证明n蓉点。 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 ^0蓄嚣露?豪器蒸署一瓣冬露《犯 上行数据繁哼卜-行数据绣昀l幺僦 图4(10根据上下行数据比变化的所有节点的端到端平均延迟 4(5本章小结 本章详细介绍了PFE调度算法的理论模型 小波分析 。同时，也 软件仿真了蓝牙微微网内的调度算法。 针对本文提出的蓝牙微微网内调度算法进行了软件仿真，结果表 明PFE算法比较FPQ、DRR算法有一下优势:第一，在一定程度上 提高了网络吞吐量;第二，缩短了分组的端到端延迟。 基于蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 5总结与展望 网络技术渗透到世界的每一个角落，家用电器种类越来越多，功 能上有了很大提升，网络终端功能也纷纷增加其上。为实现家电的协 同工作和互联互通创造了条件。蓝牙技术的提出就是为了实现小范围 内低成本、低功耗的无线移动通讯，它是信息家电之间组网的良好传 输技术选择。随着通讯技术中蓝牙技术的不断发展，将蓝牙无线通讯 技术应用于家庭网络，实现信息家电之间的信息交互，逐渐得到人们 广泛的关注和认可，并成为家庭内部网络发展的趋势。目前对它的研 究还处于起步状态，要真正实现未来家庭中的蓝牙无线网络，还有许 多的研究工作要做。 5(1论文的主要工作 本文在研究蓝牙技术的基础上，提出了一种利用低成本的仅支持 微微网的蓝牙组件，实现智能家居环境中家电控制系统网络的解决方 案为为了解决使用支持散射网的蓝牙组件的价格较高的问题，而通过 在应用层上解决散射网通讯问题，并进行了与此有关的实践和进行了 较深入的分析，本论文重点研究并解决了实现系统过程中的调度策略 问题: 本论文主要工作如下: 1(通过详细分析家电控制系统的需求，提出一种新的解决方案: 第一，利用蓝牙散射网拓扑结构来构建家电控制系统， 第二，利用 蓝牙模块和开放协议栈实现系统，第三，解决了一些在现有条件下实 现该系统必须解决的关键问题。 2(较深入的研究了蓝牙技术的应用开发方面的情况。重点详细分 硕士学位论文 析了蓝牙三层协议:逻辑链路控制与适配协议层 L2CAP 、链路管理 协议 LMP 以及主机控制器接m HC0。通过以上工作的基础，归纳出 了开发蓝牙产品可应用的硬件解决方案和相应的软件体系结构 3(在上面分析的基础上提出一种新的调度算法，既:基于流量预 测的调度算法。本系统通过进行仿真实验 基于NS网络模拟器 对 算法的性能进行了验证分析。 4(分析蓝牙规范中微微网内调度算法的不足，对现己提出的调度 算法进行充分的分析比较，对其优缺点进行了对比。 5(2论文的新见解 蓝牙技术应用日趋广泛，但是有关其在家电控制系统完整的实现 方案还是个比较新的话题，尤其是在现有条件 蓝牙芯片对网络功能 支持不完善、开发工具昂贵、对系统实现成本控制要求高等 下实现 起来具有有一定的难度。本论文在此基础上提出的蓝牙网络家电控制 系统的低成本解决方案对于拓宽蓝牙技术的应用面以及推动智能家 居的发展具有非常重要的意义。 在本课题的研究过程中主要解决了下面几个关键性的问题: 1(解决了在成本控制较高的情况下，通过设计应用层协议使得利 用仅支持微微网的蓝牙设备在散射网中通讯实现。 2(提出了家电控制系统的完整低成本实现方案。 3(对现有的各种调度算法进行了研究，并且在此基础上提出了一 种新的调度算法，这个调度算法是基于流量预测的。 4(由于实现SDP协议需要较多资源，而单个家电资源有限，无 法满足其要求。针对此情况，本文研究出蓝牙HCI层设计类似SDP 功能的简单的家电注册机制解决注册问题。并利用小波分析进行流量 预测提高了预沏4精度，改进了蓝牙微微网内调度算法的性能。 基丁蓝牙的智能家居通信调度算法的研究与实现 5(3问题与展望 本论文所做的研究目前还存在一些不足和未能解决的问题: 1(通用性不足，本论文是在自定义的协议基础上实现了对家电 控制系统的研究和其蓝牙模块的实现，但是其通用性不够完善，未能 做到如蓝牙规范中的Porflie一样，可以复用，系统与系统外蓝牙设 备的交互现在存在着一些困难。 2、它的调度算法验证过程不够全面，还处于实验室仿真试验阶 段，主要原因为仿真使用那数据量较小，微微网络从设备数量偏少。 3、本论文调度算法PFE相对其它算法考虑了一些QOS问题， 但是其只用到了端到端的延迟来衡量，其与现实服务越来越繁多的网 络真是环境情况不合适。 以下为下一步工作需要考虑的问题: 第一，完善家电控制系统，加强系统的可靠性和兼容性; 第二，跟踪智能家居的发展，研究更适合家庭网络的无线技术; 第三， 进一步研究改进调度算法，设计出更加完善的适应复杂 网络环境的调度算法; 第四，进一步研究完善蓝牙散射网的路由和构建等存在的问题， 使得其能够被更方便的应用到家庭网络中，另外能够进一步完善蓝牙 规范，推动智能家居应用和蓝牙技术的发展。 参考文献 [1]黄慧华(信息家电设备定义语言的远程监控系统的设计与实现[D]( 湖南:湖南师范大学，2005:2―3( ion iance―AnIntroduct [2]Sharpe，B(InformatAppl ion(IN]( ApplianceStdio,2001―6―5 33 ( [3]张志伟(家庭网络和信息家电[J](计算机工程与应 用，2002 9 :21卜212( Networki Ne [4]Dvaard，P(Home 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