2024年1月7日发(作者：烟欣可)
ELECTRONICS WORLD・技术交流基于蓝牙Mesh广与东理NB-IoT工学院
彭楚的翰物
周联
莹网
陈智贵镔能
苏家文燕居控制系统•
154
•随着物联网的发展，智能设备和智能终端成本越来越低且易于操作，这也使其更加适于走进千家万户。智能家居系统就此兴盛起来，但目前仍存在产品标准化不完全、通信距离受限和入网配置复杂等问题。针对此类问题，本文提出一种基于蓝牙Mesh网络和NB-IoT的智能家居控制系统，其中蓝牙Mesh利用其网状的网络传输结构，能够极大扩张控制距离，而NB-IoT作为网关，可免于复杂的入网设置，并将采集数据上传至云平台，统一标准，实现对不同厂商的产品统一控制。随着人工智能的高速发展，用智能设备替代人工来为人类服务的方式变得越来越方便和重要。文章通过对智能家居的研究背景与意义、研究现状进行分析，且基于蓝牙Mesh与NB-IoT物联网提出智能家居系统的构想、设计与实现的相关内容。文中智能家居的设计主要是为了解决由于当前传统蓝牙通信距离短、蓝牙Mesh传输效率低、组网功率过高、系统联网需Wi-Fi网络、入网配置复杂所造成智能家居使用体验感低的问题，通过改进的蓝牙Mesh技术等，实现家居产品低功耗、多对多控制；利用NB-IoT技术的实现智能家居终端与客户端的无网关入网，实现数据交互。通过两者的结合对家中其他设备进行操控，从而提升智能家具的使用体验，给人类带来进一步的生活改善。1 研究背景与意义智能家居这一概念是在1984年美国联合科技公司成功制造一栋智能建筑后才被正式提出，也就是因此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕，人们在遵循传统的住宅功能的基础上，摆脱了家具被动控制的模式，进一步发展成为智能化现代化工具。经过这几年的发展，可见，智能家居是以住宅为平台，其中最为典型的是利用先进的嵌入式控制技术、通信技术、安全防范技术以及综合布线技术，将与人们生活有关的各类家居设备进行关联。智能家居同时也兼备畅通的网络通信、高效的住宅设施、与家庭日程事务管理等多方面为一体的安全、便利、舒适、艺术，并实现环保节能的居住环境，不仅能够向人们提供全方位的信息交换功能，而且还优化了人们的生活方式和家居环境，帮助人们合理地安排时间、节约各种资源，实现了插座控制、门窗控制、照明控制、安全防护等功能。现今随着无线通信技术的日渐成熟和智能移动终端设备的大规模使用，智能家居正在从传统的网络布线控制过渡到网络交互控制，进入现代智能化时代。最近几年，短距离无线通信技术主要有Wi-Fi、ZigBee、Lora、蓝牙等，但其存着各自的局限性和优缺点，且我国的智能家居市场业务存在标准不统一、产品不兼容、通信距离有限、低消耗组网等多种问题。针对这些问题，本文提出基于蓝牙Mesh网络和NB-IoT的智能家居系统构想，以解决这些问题。2 研究现状智能家居最早起源于欧美地区，称之为Smart Home。自20世纪80年代起，核心技术几乎掌握在国外企业手中，根据调查可知，目前美国是智能家居使用数量最多的国家，其次是日本、德国等国家。相对于国外，智能家居在国内发展起步较晚，主要经历1999年－2010年间四个时期的探索，而到了2014年智能家居迎来了爆发时期，各种智能家居在人们心中的需求和满意度也逐年增加。而现今，智能家居在我国具有潜在的发展空间，智能家居的市场规模增长率在大幅度提高，行业发展十分迅速。随着人工智能的技术的不断发展和国家相关政策条例，也为智能产业开大绿灯，催生了大量新技术、新模式、新业态，创造了巨大的市场需求。在其中蓝牙Mesh技术也是在2014年初步缓慢进入人们视野中，截止至今也出现了很多的蓝牙Mesh产品，但目前市场上的蓝牙网络协议栈并不完善，难以得到开发，此外，蓝牙Mesh有一个非常好的特点是能够通过手机进行网格分配和部署，但目前还没有大规模的蓝牙Mesh的商业方案。NB-IoT技术在2015年9月才由国际知名的通信公司根据各方的建议共同融合形成蜂窝物联网的空中标准NB-IoT，而其中近几年也出现了小米IoT开发平台、华为IoT开发平台等，也在优化解决无网关入网问题。在物联网时代，智能家居已经开始蔓延到日常生活中，我们的生活越来越智能化。面对现今无线网络和人工智能的发展，迫使人与“物”的交流方式发生改变。随着人工智能的引入并于家居结合，为智能家居提供了更加广阔的发展空间。因此，智能家居是21世纪人工智能时代向传统家居渗透
ELECTRONICS WORLD・技术交流的必然结果。依以现科技、网络技术的发展，智能家居设备会越来越普遍，更好的服务于人们的生活。一部分，专门为传输灯具调光或开关指令、传感器信息或设备ID等小数据包优化。在家居领域，将家里面的照明系统、安防系统、电器系统等通过无线蓝牙连接到一起，而省去通信线缆的连接，3 设计原理3.1 蓝牙Mesh网络在2017年夏季SIG正式宣布推出蓝牙Mesh网络技术，使得蓝牙无线电技术、蓝牙BR和LE蓝牙的基础得到延伸和扩展。Mesh网络中的节点，可以直接进行通信，当两设备相距较近时可直接进行通信；若两设备相距较远则需要通过第三节点间接完成通信，每个节点都具有接受和输出功能，从而可以进行整体控制。蓝牙Mesh都可以简化这些工作，缩短距离，只需用一台控制设备或者是通过手机APP控制，就可以同时、轻松、高效地控制办公室的所有功能。再结合现今流行的NB-IoT技术，来使得系统低消耗、稳定连接、低成本、易优化架构。以两模块的各自优势，并加入ARM微处理器使得系统得以实现。4.1 蓝牙Mesh模块在现有的Mesh网络原理基础上，并对现有的SCB算法等进行分析，从而采用SSCF算法和SBC算法对此模块进行改进，以实现整个Mesh网络的全范围覆盖，从而传输时延减少，使得系统具有更好的送达率和转发率。4.2
NB-IoT模块此模块在现有的商业NB-IoT模块基础上接入联通的商用频谱资源，通图1 NB-loT端到端系统架构过已建立好的基站通过核心网与小米NB-IoT平台连接并完成各类业务处理，并将处理后的结果转发到NB-IoT终端或手机，以实现系统的控制。4.3 后台控制中心和执行器模块后台控制中心和执行器主要用于蓝牙Mesh模块和NB-IoT模块进行标准化对接，以实现各模块间的协议与命令，在其中加入安全管理器、访问管理器等。MCU采用STM32，因为此单片机电路控制丰富，简单易用且功能强大，主要用于将蓝牙Mesh模块和NB-IoT模块进行合理的控制。工业4.0时代，使得家电制造业不约而同地向着智能化的方向趋近，各行业对智慧化及产业转型升级的需求越来越迫切。蓝牙Mesh技术和NB-IoT技术应运而生，该技术对行业的不断渗透，智能体系的不断完善，会给社会带越来越深远的影响，这也是基于现今通行技术，具备广域覆盖、海量接入、低功耗等特征表现。此外，两种技术的进行完美结合会使得智能家居行业越来越能达到人们所需要的水平，因此两种技术的结合会也是智能家居发展的重点方向之一。即路由器的特点。目前在组网过程中能提高蓝牙Mesh的拓扑结构是网状拓扑，此种结构不会只有单一的路径传输，而是可实现所有节点的多路径选择，通过这种网络拓扑结构能够有效地避免由于某个关键点故障导致整个网络瘫痪，大大提高其稳定性。3.2
NB-IoT近年来，物联网技术已经得到迅速发展，3GPP发现现有的技术无法满足物联网的发展需求，所以提出新标准：超强覆盖、高信号增益、超低功耗等功能，其核心网基于SI接口进行连接，并以现有的商用网络频谱资源可采用联通的商用网络，最后对NB-IoT在终端采用相应的SIM卡接入网络和对应的云端平台进行组网。4 整体结构本系统结合之前的低功耗NB-IoT基金项目：广东理工学院大学生创新创业扶持基金项目资助（项目编号：2019cxcyjjL023）。蓝牙技术和经典蓝牙技术均为点对点通信，不能多对多通信，所以在智能家居的应用中受到了极大的限制。但最近，在蓝牙领域另一个热门关键词就是Mesh技作者简介：彭楚翰，大学本科，现就读于广东理工学院电气与电子工程学院，研究方向：电子信息工程。周莹，硕士研究生，讲师，研究方向：嵌入式、智能控制。图2 系统流程图术。蓝牙Mesh是蓝牙5.0规范的•
155
•
2024年1月7日发(作者：烟欣可)
ELECTRONICS WORLD・技术交流基于蓝牙Mesh广与东理NB-IoT工学院
彭楚的翰物
周联
莹网
陈智贵镔能
苏家文燕居控制系统•
154
•随着物联网的发展，智能设备和智能终端成本越来越低且易于操作，这也使其更加适于走进千家万户。智能家居系统就此兴盛起来，但目前仍存在产品标准化不完全、通信距离受限和入网配置复杂等问题。针对此类问题，本文提出一种基于蓝牙Mesh网络和NB-IoT的智能家居控制系统，其中蓝牙Mesh利用其网状的网络传输结构，能够极大扩张控制距离，而NB-IoT作为网关，可免于复杂的入网设置，并将采集数据上传至云平台，统一标准，实现对不同厂商的产品统一控制。随着人工智能的高速发展，用智能设备替代人工来为人类服务的方式变得越来越方便和重要。文章通过对智能家居的研究背景与意义、研究现状进行分析，且基于蓝牙Mesh与NB-IoT物联网提出智能家居系统的构想、设计与实现的相关内容。文中智能家居的设计主要是为了解决由于当前传统蓝牙通信距离短、蓝牙Mesh传输效率低、组网功率过高、系统联网需Wi-Fi网络、入网配置复杂所造成智能家居使用体验感低的问题，通过改进的蓝牙Mesh技术等，实现家居产品低功耗、多对多控制；利用NB-IoT技术的实现智能家居终端与客户端的无网关入网，实现数据交互。通过两者的结合对家中其他设备进行操控，从而提升智能家具的使用体验，给人类带来进一步的生活改善。1 研究背景与意义智能家居这一概念是在1984年美国联合科技公司成功制造一栋智能建筑后才被正式提出，也就是因此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕，人们在遵循传统的住宅功能的基础上，摆脱了家具被动控制的模式，进一步发展成为智能化现代化工具。经过这几年的发展，可见，智能家居是以住宅为平台，其中最为典型的是利用先进的嵌入式控制技术、通信技术、安全防范技术以及综合布线技术，将与人们生活有关的各类家居设备进行关联。智能家居同时也兼备畅通的网络通信、高效的住宅设施、与家庭日程事务管理等多方面为一体的安全、便利、舒适、艺术，并实现环保节能的居住环境，不仅能够向人们提供全方位的信息交换功能，而且还优化了人们的生活方式和家居环境，帮助人们合理地安排时间、节约各种资源，实现了插座控制、门窗控制、照明控制、安全防护等功能。现今随着无线通信技术的日渐成熟和智能移动终端设备的大规模使用，智能家居正在从传统的网络布线控制过渡到网络交互控制，进入现代智能化时代。最近几年，短距离无线通信技术主要有Wi-Fi、ZigBee、Lora、蓝牙等，但其存着各自的局限性和优缺点，且我国的智能家居市场业务存在标准不统一、产品不兼容、通信距离有限、低消耗组网等多种问题。针对这些问题，本文提出基于蓝牙Mesh网络和NB-IoT的智能家居系统构想，以解决这些问题。2 研究现状智能家居最早起源于欧美地区，称之为Smart Home。自20世纪80年代起，核心技术几乎掌握在国外企业手中，根据调查可知，目前美国是智能家居使用数量最多的国家，其次是日本、德国等国家。相对于国外，智能家居在国内发展起步较晚，主要经历1999年－2010年间四个时期的探索，而到了2014年智能家居迎来了爆发时期，各种智能家居在人们心中的需求和满意度也逐年增加。而现今，智能家居在我国具有潜在的发展空间，智能家居的市场规模增长率在大幅度提高，行业发展十分迅速。随着人工智能的技术的不断发展和国家相关政策条例，也为智能产业开大绿灯，催生了大量新技术、新模式、新业态，创造了巨大的市场需求。在其中蓝牙Mesh技术也是在2014年初步缓慢进入人们视野中，截止至今也出现了很多的蓝牙Mesh产品，但目前市场上的蓝牙网络协议栈并不完善，难以得到开发，此外，蓝牙Mesh有一个非常好的特点是能够通过手机进行网格分配和部署，但目前还没有大规模的蓝牙Mesh的商业方案。NB-IoT技术在2015年9月才由国际知名的通信公司根据各方的建议共同融合形成蜂窝物联网的空中标准NB-IoT，而其中近几年也出现了小米IoT开发平台、华为IoT开发平台等，也在优化解决无网关入网问题。在物联网时代，智能家居已经开始蔓延到日常生活中，我们的生活越来越智能化。面对现今无线网络和人工智能的发展，迫使人与“物”的交流方式发生改变。随着人工智能的引入并于家居结合，为智能家居提供了更加广阔的发展空间。因此，智能家居是21世纪人工智能时代向传统家居渗透
ELECTRONICS WORLD・技术交流的必然结果。依以现科技、网络技术的发展，智能家居设备会越来越普遍，更好的服务于人们的生活。一部分，专门为传输灯具调光或开关指令、传感器信息或设备ID等小数据包优化。在家居领域，将家里面的照明系统、安防系统、电器系统等通过无线蓝牙连接到一起，而省去通信线缆的连接，3 设计原理3.1 蓝牙Mesh网络在2017年夏季SIG正式宣布推出蓝牙Mesh网络技术，使得蓝牙无线电技术、蓝牙BR和LE蓝牙的基础得到延伸和扩展。Mesh网络中的节点，可以直接进行通信，当两设备相距较近时可直接进行通信；若两设备相距较远则需要通过第三节点间接完成通信，每个节点都具有接受和输出功能，从而可以进行整体控制。蓝牙Mesh都可以简化这些工作，缩短距离，只需用一台控制设备或者是通过手机APP控制，就可以同时、轻松、高效地控制办公室的所有功能。再结合现今流行的NB-IoT技术，来使得系统低消耗、稳定连接、低成本、易优化架构。以两模块的各自优势，并加入ARM微处理器使得系统得以实现。4.1 蓝牙Mesh模块在现有的Mesh网络原理基础上，并对现有的SCB算法等进行分析，从而采用SSCF算法和SBC算法对此模块进行改进，以实现整个Mesh网络的全范围覆盖，从而传输时延减少，使得系统具有更好的送达率和转发率。4.2
NB-IoT模块此模块在现有的商业NB-IoT模块基础上接入联通的商用频谱资源，通图1 NB-loT端到端系统架构过已建立好的基站通过核心网与小米NB-IoT平台连接并完成各类业务处理，并将处理后的结果转发到NB-IoT终端或手机，以实现系统的控制。4.3 后台控制中心和执行器模块后台控制中心和执行器主要用于蓝牙Mesh模块和NB-IoT模块进行标准化对接，以实现各模块间的协议与命令，在其中加入安全管理器、访问管理器等。MCU采用STM32，因为此单片机电路控制丰富，简单易用且功能强大，主要用于将蓝牙Mesh模块和NB-IoT模块进行合理的控制。工业4.0时代，使得家电制造业不约而同地向着智能化的方向趋近，各行业对智慧化及产业转型升级的需求越来越迫切。蓝牙Mesh技术和NB-IoT技术应运而生，该技术对行业的不断渗透，智能体系的不断完善，会给社会带越来越深远的影响，这也是基于现今通行技术，具备广域覆盖、海量接入、低功耗等特征表现。此外，两种技术的进行完美结合会使得智能家居行业越来越能达到人们所需要的水平，因此两种技术的结合会也是智能家居发展的重点方向之一。即路由器的特点。目前在组网过程中能提高蓝牙Mesh的拓扑结构是网状拓扑，此种结构不会只有单一的路径传输，而是可实现所有节点的多路径选择，通过这种网络拓扑结构能够有效地避免由于某个关键点故障导致整个网络瘫痪，大大提高其稳定性。3.2
NB-IoT近年来，物联网技术已经得到迅速发展，3GPP发现现有的技术无法满足物联网的发展需求，所以提出新标准：超强覆盖、高信号增益、超低功耗等功能，其核心网基于SI接口进行连接，并以现有的商用网络频谱资源可采用联通的商用网络，最后对NB-IoT在终端采用相应的SIM卡接入网络和对应的云端平台进行组网。4 整体结构本系统结合之前的低功耗NB-IoT基金项目：广东理工学院大学生创新创业扶持基金项目资助（项目编号：2019cxcyjjL023）。蓝牙技术和经典蓝牙技术均为点对点通信，不能多对多通信，所以在智能家居的应用中受到了极大的限制。但最近，在蓝牙领域另一个热门关键词就是Mesh技作者简介：彭楚翰，大学本科，现就读于广东理工学院电气与电子工程学院，研究方向：电子信息工程。周莹，硕士研究生，讲师，研究方向：嵌入式、智能控制。图2 系统流程图术。蓝牙Mesh是蓝牙5.0规范的•
155
•