CN1431802A - 基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络及网关 - Google Patents

Abstract

基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络及网关是一种小区域无线通信网的应用方法，该网络划分为终端设备和接入设备，在每个终端设备和接入设备上分别设立蓝牙模块，使各设备之间建立无线链路，按照蓝牙的服务发现协议，设备之间可以相互发现对方能够提供的服务，并访问和控制网络中的其它设备；该网络的结构形式自上而下分为应用层、虚拟串口仿真协议和服务发现协议、逻辑链路控制和适配层协议及管理实体、主机控制接口、链路管理协议、基带和射频。使家庭或办公室等一些室内应用场合内的具有蓝牙功能的设备能够灵活地组建Ad hoc家庭信息网络，用户可以通过一个设备使用网内所有设备提供的服务，并且控制网内所有的设备。

Description

基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络及网关

一、技术领域

本发明是一种小区域无线通信网的应用方法，尤其是一种实现能够自由组网的家庭信息网络***

二、背景技术

信息产业的发展使人们对家庭信息化的要求越来越迫切，信息家电是近年提出的一个概念，最重要的特征：它能通过Internet双向传递数字化的信息，它所替代的是PC上的网络浏览，收发电子邮件、网络游戏、视频电话以及今后的网上交易等功能。家庭内部所有的信息设备相互之间先连成网络，就是家庭信息网络。显然，连接家庭网络的最理想的技术就是无线通信技术。

现有的家庭信息网络通常所有的设备都以网关为中心，组网不够灵活自由，如果家庭新购进一个网络设备，往往不能自动地将该设备的功能通知网络中其他设备，需要一些中心设备的介入，而一个设备离开网络以后，又不能自动通知网络中的设备，而且普通的家庭信息网络对安全性考虑也不够。

近年来提出的无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Network)和无线个域网(WPAN，Wireless Personal Area Network)等小区域无线多媒体通信标准中，最引人注目的是蓝牙技术。蓝牙(bluetooth)是一种迅速发展的小范围无线多媒体通信技术，它的最大优势在于能够为各种电器设备提供附加的通信能力，使之具有接入因特网(Internet)和其它互联网的能力。

我们经常提及的移动通信网络一般都是有中心的，要基于预设的网络设施才能运行。Ad hoc网络是最近兴起得一种无线移动网络，与普通的网络相比，它具有以下特点：1.无中心：Ad hoc网络所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。2.自组织：网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为。3.多跳路由：当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，可以通过中间结点的多跳转发。4.动态拓扑：Ad hoc网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动。

由此可见，信息家电的趋势正是家电之间的自组织形成家庭网络，家庭网络自由地接入互联网。而蓝牙技术正是实现这样的家庭信息网络的最佳选择。

通过上述技术自组织网络的概念和蓝牙技术的结合可以实现家庭内部各种信息家电的无线自组织。任意设备之间可以相互发现对方，查询对方的服务，组建Ad hoc网络来使用对方的服务。例如，如果某一信息家电可以提供互联网接入的服务，其他信息家电也可以通过其接入互联网下载资料，接受远程的控制。具有这种技术的移动控制终端可以灵活地控制家庭内部的所有信息家电，新购入的信息家电也可以方便地加入到已组建的家庭信息网络中来。

三、技术内容

1、技术问题

本发明的目的是提供一种基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络及网关，使家庭或办公室等一些室内应用场合内的具有蓝牙功能的设备能够灵活地组建Ad hoc家庭信息网络，用户可以通过一个设备使用网内所有设备提供的服务，并且控制网内所有的设备。

2、技术方案

本发明的基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络划分为终端设备和接入设备，在每个终端设备和接入设备上分别设立蓝牙模块，使各设备之间建立无线链路，按照蓝牙的服务发现协议，设备之间可以相互发现对方能够提供的服务，并访问和控制网络中的其它设备；该网络的结构形式自上而下分为应用层、虚拟串口仿真协议和服务发现协议、逻辑链路控制和适配层协议及管理实体、主机控制接口、链路管理协议、基带和射频。对于双芯片的方案，该网络的结构形式自上而下分为主机部分和嵌入式部分，其中主机部分自上而下分为应用层、端口实体、虚拟串口仿真协议和服务发现协议、逻辑链路控制和适配层协议和管理实体、上层主机控制接口，嵌入式部分自上而下为主机控制接口链路管理协议、基带和射频。对于嵌入式双芯片的方案，该网络的结构形式自上而下的主机部分为应用层、端口实体，嵌入式部分为虚拟串口仿真协议和服务发现协议、逻辑链路控制和适配层协议、和管理实体、主机控制接口、链路管理协议、基带和射频。

本发明的网关以于该网关以微处理单元为中心，该微处理单元通过地址线和数据线与同步存储器、闪存相接，通过串行口与蓝牙模块相接，微处理单元的控制信号端接语音电路；振铃检测电路的输入端接电话线接口、振铃检测电路的输出端接微处理单元；语音电路通过双音频信号线接双音多频产生器，通过模拟语音线接语音编解码器，语音电路还直接接电话线接口；语音编解码器通过PCM码流线接蓝牙模块。微处理单元“U2”的串行口接蓝牙模块“U14”的“A5、A6、B5、B6”端，蓝牙模块“U14”的PCM码流端“A1、A2、A3、A4”端与语音编解码器“U11”的“7、27、2”端及“U10A”的“2”端相接。

通过蓝牙的鉴权，认证等机制给信息家电网络提供安全的保障。如果，网内的某种设备具有接入公众网(Internet、PSTN等)的能力，那么这个家庭信息网络的所有设备也就能通过这个接入设备连接到公众网上，与其他连接在公众网上的设备通信。这种基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络可以方便地实现无线抄表，远程家电控制，家庭无线影院等各种应用。

基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络中的各种设备可以组合形成以下多种应用场景。

第一个场景是两个终端组网，用户可以用控制终端来控制和管理家中的电器。控制终端包括移动终端如手机，PDA，笔记本和固定终端如PC。受控的电器包括各种信息家电，如电视，冰箱，洗衣机，空调，电饭煲，水电表等等。通过这样的网络，用户在家中可以方便地了接到家中各种电器的工作情况，家庭能源的使用并能够控制这些电器的工作方式，也可以完成两个数字设备之间大量数据的无线传输。用户可根据需要随时组建这样点对点的家庭信息网络，完成信息的处理后随时拆除这个网络。这样一个点对点的网络中通常可以由控制终端做主设备，受控的电器作为从设备。图5是这个场景的图示。

第二个场景是多个设备组网，网络中一个设备具有数字/语音网关功能，整个家庭信息网络能够接受远程用户的控制，从Internet上获取信息。例如，用户在下班时通过Internet或PSTN通知家里的电饭煲，空调等工作；用户在家可以用电冰箱从网上下载菜谱；电力局可以通过Internet或PSTN远程读取水电气三表的数据；用户在家中出现紧急情况时可以按下紧急按钮，网关将报警信息送到有关部门。提供数据/语音网关功能的设备可以有家中的PC来担当，也可以由专用的嵌入式AP/PSTN网关担当，网关在这个网络中作为主设备，其他设备作为从设备。

3、技术效果

该发明具有如下优点：

1、使家庭或办公室等一些室内应用场合只需一个接入设备就可实现室内所有具有信息传输功能的设备与外部各种网络和***的互联互通；

2、室内各设备无需电缆连接，既可以无线组网工作，又可享用外部网络的服务；

3、室内多个设备可以自由组网，网络的规模也可由用户任意指定；

4、通过一个网络中的终端设备即可查询全网内的设备提供的服务；

5、网络中设备服务的自动注册与自动注销；

6、网络的安全性很好，安全级别用户可以设定；

7、当外部网络更换或升级换代时，灵活方便；

8、通过该接入设备，用户可远程控制家中的设备(比如家用电器等)；

四、附图说明

图1是本发明嵌入式单芯片方案的结构框图。其中有应用层1、虚拟串口仿真协议2、服务发现协议3、逻辑链路控制和适配层协议4、管理实体5、主机控制接口6、链路管理协议7、基带和射频8。

图2是本发明嵌入式双芯片方案的结构框图。其中有端口实体11。

图3是本发明双芯片方案的结构框图。其中有上层主机控制接口61。

图4是本发明应用场景的示意图。

图5是本发明数据网关为数据终端设备接入Internet的协议栈结构示意图。

图6是本发明语音网关为语音终端设备接入PSTN的协议栈结构示意图。

图7是点对点连接的终端设备协议栈结构示意图。

图8是点对点的家庭信息网络应用场景示意图。

图9是以嵌入式微处理器或个人电脑作为接入设备方案的应用场景示意图。

图10是本发明语音接入网关的电路框图。其中包括电话线接口1、振铃检测电路2、双音多频产生器3、语音电路4、微处理单元5、语音编解码器6、同步存储器7、闪存8、蓝牙模块9。

图11、12是本发明语音接入网关的电原理图。

五、具体实施方式

基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络中的设备划分为终端设备和接入设备，终端设备。功能结构图如图9所示，这些设备通常具有提供服务的能力，使用蓝牙模块与其他设备建立无线链路，按照蓝牙的服务发现协议，设备之间可以相互发现对方能够提供的服务，设备如果具有输入输出能力就可以访问和控制网络中的其他设备。

如果该设备具有TCP/IP/PPP协议栈就能够通过具有Internet接入服务的数据网关设备接入互联网，自己也能够提供Internet接入服务，如果设备具有语音编码等协议就可以通过具有PSTN接入服务的语音网关设备接入PSTN，自己也能够提供PSTN接入服务。当然，一个设备同时可以具有终端，数据网关，语音网关三种功能。数据网关为数据终端设备接入Internet的协议栈结构如图5，语音网关为语音终端设备接入PSTN的协议栈结构如图6，当两个终端无需接入Internet或PSTN时，他们无需使用TCP/IP/PPP协议栈或语音编码协议，他们的协议栈结构如图7。

数据在存储和传输过程中，都有可能被盗用、暴露或篡改，因此大量在通信网络中存储和传输的数据就需要保护。在无线环境下，通信的安全性尤为重要。为了对用户信息进行保护，蓝牙***提供了适当的保护措施。本发明使用了两个方法来共同保证用户的信息家电只能被自己家庭成员来控制。第一个方法是只允许某些特定的蓝牙设备物理地址的设备来和自己建链。用户的每个设备中拥有一张蓝牙物理地址的表，它包括了家中所有信息家电的地址。这样可以保证家庭里的设备不会被邻居的设备干扰。

第二个方法是密钥机制，建链时要求建链的一方输入密钥。这个密钥可以保证家庭里的设备只被用户信任的人访问。对于每个蓝牙设备，物理层提供验证(Authentication)和加密(Encryption)服务。蓝牙***采用密码流技术对信息进行加密操作。在链路层，用4个参数来保证***的安全性：每个用户唯一的48比特地址、用户的128比特验证密钥、用户的8～128比特加密密钥、设备产生的一个128比特随机数RAND。蓝牙设备地址(BD_ADDR)是公开的48比特的IEEE地址，可以通过人机接口或自动地通过蓝牙设备的查询过程获得。加密密钥是从验证处理过程中的验证密钥推导出来的，验证密钥的长度总是128比特，而加密密钥长度可以从1字节到16字节(8～128比特)。本发明采用蓝牙技术中基带LMP协议提供的鉴权和加密功能提供对无线数据的安全保护。用户可以设置三种蓝牙设备的安全模式：安全性模式1(非安全)：不发起任何安全性过程，如配对或者认证。安全性模式2(服务级别强制安全性)：在建立逻辑链路时要求建链方输入密钥。安全性方式3(连接级别强制安全性)：在建立基带物理链路时要求建链方输入密钥

用户可以根据家庭设备的信息的保密需要设置以上三种安全模式来限制家庭成员以外的用户和自己的设备组网获取信息。

一个以网络为中心的计算环境中，寻找和使用一个网络中的服务越来越重要。蓝牙SIG专门为蓝牙***制定了一个服务发现协议SDP。它十分适于蓝牙***移动性较强的特性。而且它可以和其它的服务发现协议共存于蓝牙环境中，符合蓝牙***开放性的特点。蓝牙中的服务发现协议是典型的客户机—服务器模型。每个服务发现协议可以分为客户端部分和服务器端部分，两部分可以在不同的或同一个蓝牙设备上工作。需要请求服务的蓝牙设备运行服务发现协议的客户端部分，提供服务的蓝牙设备运行服务发现协议服务器端部分。一个蓝牙设备视其情况可同时含有服务器端部分和客户端部分。在客户端，客户端应用程序发出服务发现请求。服务发现协议根据服务类型来寻找服务。通过使用蓝牙的服务发现协议，用户可以查询到网络中其他设备提供的服务描述，通过其他协议可以使用这些查询来的服务。在一个已经建立好的网络中，当一个新设备(如新购入，新开机)进入这个网络并与网络中设备建立无线链路以后，网络中其他的设备就可以通过直接无线通信或多跳的方式立即获得这个新设备的提供的服务描述，无需任何其他管理设备的介入。当一个设备离开网络，在几十秒钟以内，网络中的设备就能检测到它的离开，无法查询到该设备提供的服务描述。信息家电设备这种自动注册和自动注销功能都是通过上述服务发现协议以软件形式实现的。家电厂商可以在生产设备时预制设备的服务，用户也可以在设备升级后从网络下载新的服务在网络中注册。

该网络划分为终端设备和接入设备，在每个终端设备和接入设备上分别设立蓝牙模块，使各设备之间建立无线链路，按照蓝牙的服务发现协议，设备之间可以相互发现对方能够提供的服务，并访问和控制网络中的其它设备；该网络的结构形式自上而下为应用层1、虚拟串口仿真协议2和服务发现协议3、逻辑链路控制和适配层协议4及管理实体5、主机控制接口6、链路管理协议7、基带和射频8。

基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络中的设备总体上有三种实现方式：

(A)典型的双芯片方案：协议栈在主机控制协议之间分开，上面的协议层放在如PC类资源丰富的主端处理器上。

(B)嵌入式双芯片方案：协议栈主要在下面的蓝牙芯片上，主端通常是手机这样的资源有限的处理器，只能放应用协议和适配协议。

(C)嵌入式单芯片方案：所有协议运行在一个嵌入式***上，通常这是一个独立的蓝牙设备，如无线蓝牙耳机，无线局域网访问点。

以一个嵌入式单芯片方案实现的语音网关为例，图11、12给出了这个语音接入网关的电路图。

对于双芯片的方案，该网络的结构形式自上而下分为主机部分和嵌入式部分，其中主机部分自上而下分为应用层1、端口实体11、虚拟串口仿真协议2和服务发现协议3、逻辑链路控制和适配层协议4及管理实体5、上层主机控制接口61，嵌入式部分自上而下分为主机控制接口6链路管理协议7、基带和射频8。该网关以微处理单元5为中心，该微处理单元5通过地址线和数据线与同步存储器7、闪存8相接，通过串行口与蓝牙模块9相接，微处理单元5的控制信号端接语音电路4；振铃检测电路2的输入端接电话线接口1、振铃检测电路2的输出端接微处理单元5；语音电路4通过双音频信号线接双音多频产生器3，通过模拟语音线接语音编解码器6，语音电路(4)还直接接电话线接口1；语音编解码器6通过PCM码流线接蓝牙模块8。

该网关以单片机5为中心，该单片机5通过地址线与存储器7相接，通过串行口与蓝牙模块8相接，单片机5的控制信号端接语音电路4；振铃检测电路2的输入端接电话线接口1、振铃检测电路2的输出端接单片机5；语音电路4通过双音频信号线接双音多频产生器3，通过模拟语音线接PCM编解码器6，语音电路4还直接接电话线接口1；PCM编解码器6通过PCM码流线接蓝牙模块8。

CPU采用Winbond90221，32位嵌入式处理器，1个ISA总线接口与8位共16Mbit的Flash AM29F016B相连，SDRAM采用的是Winbond的W986432DH，2M X32位。并口在ECP模式下用于下载程序，和提供通用IO口。2个串口其中一个为监视口，调试时与PC相连，通过超级终端反馈调试信息，另一个与爱立信蓝牙模块相连，蓝牙模块的PCM接口与语音编解码器OKI7540L相连，OKI7540L负责将模拟语音编为PCM码流提供给蓝牙，同时将蓝牙提供的PCM码流解码为模拟语音与网关电话线相连或是直接连到终端用户的耳机上。网关的话音芯片为MC34014P，位于语音编解码器与电话线之间，完成语音的放大和2-4线转换的功能，DTMF产生芯片为MT8888，其控制线、数据线与通用IO口相连，接受CPU控制。图中U11MSM7540L语音编解码器；U10 D触发器；U1非门；U2 W90221X华邦嵌入式32位微处理器；U13 AM29F016B AMD公司的2M Byte Flash；U6 2-4译码器；U14爱立信蓝牙模块；U8 LM317输出可调电源模块提供3.3V电压；U5 XC62FP 3.3V电源模块，单独为蓝牙模块及语音编解码器供电；U15 LM7805电源模块，提供5V电压；U7电源插座；U9蜂鸣器；U3 W986432DH华邦SDRAM，8M Byte；U4 MT8888双音多频产生芯片；U12 MC34014话音网络芯片。

Claims (5)

1、一种基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络，其特征在于该网络划分为终端设备和接入设备，在每个终端设备和接入设备上分别设立蓝牙模块，使各设备之间建立无线链路，按照蓝牙的服务发现协议，设备之间可以相互发现对方能够提供的服务，并访问和控制网络中的其它设备；该网络的结构形式自上而下分为应用层(1)、虚拟串口仿真协议(2)和服务发现协议(3)、逻辑链路控制和适配层协议(4)及管理实体(5)、主机控制接口(6)、链路管理协议(7)、基带和射频(8)。

2、根据权利要求1所述的基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络，其特征在于对于双芯片的方案，该网络的结构形式自上而下分为主机部分和嵌入式部分，其中主机部分自上而下分为应用层(1)、端口实体(11)、虚拟串口仿真协议(2)和服务发现协议(3)、逻辑链路控制和适配层协议(4)及管理实体(5)、上层主机控制接口(61)，嵌入式部分自上而下分为主机控制接口(6)链路管理协议(7)、基带和射频(8)。

3、根据权利要求1或2所述的基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络，其特征在于对于嵌入式双芯片的方案，该网络的结构形式自上而下的主机部分为应用层(1)、端口实体(11)，嵌入式部分为虚拟串口仿真协议(2)和服务发现协议(3)、逻辑链路控制和适配层协议(4)和管理实体(5)、主机控制接口(6)、链路管理协议(7)、基带和射频(8)。

4、一种基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络的网关，其特征在于该网关以微处理单元(5)为中心，该微处理单元(5)通过地址线和数据线与同步存储器(7)、闪存(8)相接，通过串行口与蓝牙模块(9)相接，微处理单元(5)的控制信号端接语音电路(4)；振铃检测电路(2)的输入端接电话线接口(1)、振铃检测电路(2)的输出端接微处理单元(5)；语音电路(4)通过双音频信号线接双音多频产生器(3)，通过模拟语音线接语音编解码器(6)，语音电路(4)还直接接电话线接口(1)；语音编解码器(6)通过PCM码流线接蓝牙模块(8)。

5、根据权利要求4所述的基于自组织网络结构和蓝牙技术的家庭信息网络，其特征在于微处理单元(5)“U2”的串行口接蓝牙模块(9)“U14”的“A5、A6、B5、B6”端，蓝牙模块(9)“U14”的PCM码流端即“A1、A2、A3、A4”端与语音编解码器(6)“U11”的“7、27、2”端及“U10A”的“2”端相接。

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