无线USB技术在智能家居中的应用

摘要：无线USB技术是近几年发展起来的一种新型无线通讯技术，本文提出了采用无线USB技术的智能家居应用方案，并详细介绍了系统的硬件结构和软件结构。

关键词：无线USB技术；智能家居

中图分类号：TU855文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)17-21409-03

1 引言

随着科学技术的发展和物质条件的改善，人们在不断地追求高品质的生活。家居智能化是人类住宅的一场新的革命，它能够为人类带来更加轻松、便捷、舒适的现代生活，是未来居住模式的必然发展趋势。所谓“智能家居（Smart Home）”是指是以住宅为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的舒适、安全、便利、环保的居住环境[1]。

在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且它更符合与家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。

2 无线USB技术

众所周知，基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术（WLAN）已经成为当今最流行的无线技术之一。除此之外，IEEE 802委员会实际上还拥有802.15 无线传输标准，IEEE 802.15标准所针对的就是PC与外部设备或产品间的连接，称为“无线个人网络（WPAN,Wireless Personal Area Network）”。在该标准族中的802.15.1子协议是基于目前热门的蓝牙技术，有效范围在10~100米，最快传输速度只有1Mbps；而802.15.3a子协议则使用超带宽（Ultra Wideband , UWB）无线通讯技术，它以电脉冲作为数据传输的载体，虽然有效范围只有3~10米，但却达到了480Mbps~1Gbps的超高速度，这正好是目前有线USB和IEEE1394的数据传输率。无线USB属于无线个人网WPAN的应用范畴，功能与现有的USB总线相同，两者在软件层面上完全一致。无线USB的优点不仅在于“无线”，超带宽技术（UWB）的运用还赋予了它诸多更新更强的优势。

与目前热门的蓝牙（Blue Tooth）、红外（Irda）、Wi-Fi等无线通信技术相比，无线USB技术的优势在于同时具备高速率、多连接、低功耗、较高的安全性和较低的成本。

2.1 高速率

无线USB在数据传输上有着巨大的优势。无线USB 1.0版的传输速率依距离不同而自动调整，3米之内的传输速率在480Mbps，在最远的10米距离时传输速率也有110Mbps。而后续版本的无线USB标准能够让最高传输速率达到2000Mbps。

2.2 多连接

无线USB设备以点对点方式互相连接，还允许多个设备同时进行无线传输，它能以无线方式把多达127个设备连接到无线USB主机上，其中每个设备都有自己的时间段来传输数据。更为方便的是，与USB On-The-Go技术一样，无线USB技术允许USB设备拥有一定的主机能力，无需PC主机即可相互连接。

2.3 低功耗

由于无线USB设备的传输距离被限制在10米之内，而且具有睡眠、监听和唤醒三种工作状态，所以无线USB设备有很多休眠时间，其平均发射功率相当低，仅在几十到几百微瓦之间。

2.4 安全性较高

为提高无线连接的安全性，无线USB设备在相互连接时会进行验证，并在数据加密方面采用AES-128（Advanced Encryption Standard 高级加密标准）加密算法，因其工作范围较小，数据传输时被监听或窃取的可能性较小。

2.5 低成本

由于无线USB设备的发射功率很低，因此可以去掉一些电路（如功率放大器等）。而且由于其多连接的特性，不像有线USB设备那样每个连接都需要一个独立接口。因此，从整体来看将会节省大量的接口费用。

3 无线USB技术在智能家居中的应用

3.1 系统硬件组成结构

基于无线USB技术的智能家居系统，其硬件组成主要包括：嵌入式芯片、无线USB模块、无线USB主机模块、家庭网关、家用计算机、万能遥控器和信息家电设备，总体构成如图1所示。家庭网关管理着智能家居中的所有信息家电。它不仅将外部Internet网同家庭内部网络隔离开来，而且提供一个对家庭网络设备的管理接口，允许授权用户进行远程控制或本地控制。万能遥控器是一个直接与用户交互的前端可视嵌入式设备，采用C/S模式来操纵家庭网络内所有的信息家电。而家用计算机则可以通过家庭网关连入外部Internet网络进行网上冲浪，也可以采用B/S模式来操纵家庭网络内所有的信息家电。

3.2 系统的拓扑结构

无线USB系统由一个USB主机、多个USB设备和USB互连机制共同构成。USB互连机制是USB主机与USB设备之间进行连接和通信时使用的一系列策略的总称，通过对互连的请求进行调度以支持同步数据传输，从而降低由仲裁所带来的额外负荷。这些设备与主机之间的关系被称为群，它们是通过点对点来传输的。

在基于无线USB技术的智能家居系统中，其家庭网关承担着USB主机的角色，位于中心的无线USB主机负责初始化所有连接设备的传输速率，并且分配给响应的通讯通道和带宽；而系统其他部分则作为USB设备。系统的网络拓扑结构如图2所示。

3.3 系统的软件结构

3.3.1 家庭网关

家庭网关是整个系统的中枢，其上运行着物理硬件接口驱动（包括无线USB主机模块驱动）、嵌入式操作系统、嵌入式数据库、网关应用程序和用户认证器，管理着系统中所有的信息家电。其中，嵌入式数据库用于存储所有信息家电的信息及注册用户的相关信息；网关应用程序具有协议转换、通信管理、命令转发、数据库存取等功能；而用户认证器则用于用户登陆认证及权限管理。家庭网关的主程序流程如图3所示。

3.3.2 信息家电

信息家电（InformationAppliance）是一种操作简便、实用性强、带有PC主要功能的家电产品,是利用计算机、电信和电子技术与传统家电相结合的创新产品,是为满足现代家庭需要而设计的新型家用电器.一般来说，其软件层次结构由物理硬件接口驱动（包括无线USB模块驱动）和嵌入式控制应用程序两部分组成。

3.3.3 万能遥控器

与传统遥控器只能遥控一个传统家电不同，在系统中，只需一个万能遥控器就足以操纵所有的信息家电，并使他们有效地协同工作。

从技术上来说,万能遥控器是一个嵌入式设备,其软件层次是由物理硬件接口驱动（包括无线USB驱动）、嵌入式操作系统与应用程序三部分所组成.但由于万能遥控器主要的工作是与用户的界面交互,因此在嵌入式操作系统层与应用程序层之间还需要一个适用于嵌入式系统的图形系统（例如：MiniGUI）。如图4所示。

3.3.4 智能家居中的无线USB模块

作为无线USB主机的家庭网关与其他具备无线USB模块的设备之间的交互分为相联、通信和断开三个阶段。家庭网关中无线USB主机模块的数据处理程序流程如图5所示。

其中，相联过程包含识别、认证和授权三个子阶段。首先，无线USB主机通过128位连接主机识别符（CHID），无线USB设备通过128位连接设备识别符（CDID）进行自我识别，此时，主机采用的是独特的CHID-CDID对。然后，在认证阶段进行判断是否首次相联，若是，主机利用Deffie-Hellman公开密钥协议将CHID-CDID对、128位联接密钥，传输至设备。当主机和设备再次连接之时，主机和设备将使用联接密钥，启动一个四路应答交换过程，彼此进行识别认证；在四路应答交换阶段，也是相互授权的过程，主机和设备会生成对话密钥（SK）用于以后的数据交换。而在完成相联之后，主机和设备就能够通过对话密钥与AES-128位加密引擎进行安全通信。最后，在主机和设备通信完毕后，由设备发送断开设备请求，由主机断开设备与主机的连接。

4 结束语

本文提出了一种基于无线USB技术的智能家居的应用方案，利用该方案可以使数据通讯和家庭监控灵活方便，摆脱了布线系统的束缚，同时无线USB采用跳时扩频信号，与IEEE 802.11和蓝牙相比，在同等速率下，无线USB具有更强的抗干扰性。相信在不久的将来，无线USB技术一定会为我们带来更加舒适便捷的生活。

参考文献：

[1] 张金家.智能家居集成技术平台系统分析[J].智能建筑与城市信息,2003(12):23-25.

[2] 黄勇,邵飞,顾娟.无线USB标准简介[J]. 信息技术与标准化,2005(7):25-28.

[3] 黄涛,褚淑杰.基于红外通信的智能家居系统[J].微计算机信息,2005(1):141-143.

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