摘 要

物联网技术已经渗透到智能家居，工业控制等领域，研究一种新型的组网技术，克服传统无线网络技术的缺点，具有重要的意义。

本文提出了一个用低功耗蓝牙芯片，利用BLE Mesh技术进行组建智能家居网络系统的方案；完成了相关硬件电路的设计和软件程序的设计，并进行了硬件制作和BLE Mesh网络系统运行测试。通过外围设备对设计系统运行效果的观察，证明本设计达到了预期的目标，应用方案完全可行。

设计的基于BLE Mesh技术的智能家居网络控制系统操控简便，在手机或者平板电脑上安装相应的APP，即可实现对网络中多个设备的控制，不需要特定的硬件设备支持，节约了硬件成本。此外，系统还具备覆盖范围广，支持的设备数量多，响应速度快的特点。

关键词：低功耗蓝牙（BLE）；Mesh网络；智能家居；控制系统

Abstract

The technology of Internet of things has penetrated into the fields of smart home, industrial control and so on. It is of great significance to study a new networking technology and overcome the shortcomings of traditional wireless network technology.

This paper proposes a low-power Bluetooth chip, the formation of intelligent Home Furnishing network system scheme based on BLE Mesh technology; completed the design and program design of the hardware, and the hardware and BLE Mesh network system test. Through the observation of the running effect of the design system through the peripheral equipment, it is proved that the design achieves the expected goal and the application scheme is completely feasible.

Based on the design of intelligent control system of BLE Mesh network Home Furnishing technology control is simple, the installation of the corresponding APP in the mobile phone or tablet computer, can realize the control of multiple devices in the network, without the need for special hardware support, and saves the cost of hardware. In addition, the system also has a wide range of coverage, support for a large number of equipment, fast response characteristics.

Key Words: Bluetooth Low Energy (BLE), Mesh network, smart home,

control system

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 论文研究内容和组织结构 2

第2章 常用短距无线通讯技术概述 3

2.1 ZigBee 3

2.2近场通讯（NFC） 3

2.3 红外数据传输 3

2.4 低功耗蓝牙技术（BLE） 4

2.5 BLE Mesh原理 4

第3章 硬件电路设计 7

3.1 芯片方案选择 7

3.2硬件电路设计 8

3.2.1时钟产生电路 8

3.2.2 外置程序存储电路 9

3.2.3 电源电路设计 11

3.2.4 编程调试接口 12

3.2.5 其他电路 13

第4章 程序设计 14

4.1 CSR Mesh简介 14

4.2 系统软件设计 15

4.2.1 系统程序框架 15

4.2.2 初始化函数 16

4.2.3 系统事件处理函数 18

4.2.4 连接管理函数 19

4.2.5 分组管理函数 20

4.2.6 模型回调函数 21

第5章 实物调试 23

第6章 总结与展望 25

附录A 27

附录B 28

附录C 29

致谢 34

第1章 绪论

随着无线技术的普及和发展，智能家居应用大大地方便了人们对家居生活的体验。本章结合国内外研究现状，对智能家居应用中的BLE MESH技术进行了介绍，简要地说明了本文的研究内容，并对论文组织结构进行了阐述。

1.1研究背景和意义

低功耗蓝牙技术日益广泛地应用于我们的生活中，常用的应用领域包括健身，医疗保健和智能家居；例如：心率监测仪，计步器，无线键鼠等^[1]。在发展过程中，开发者尝试通过网络中各个节点进行通讯，以打破传统蓝牙星型网络结构的限制，渐渐研发了蓝牙Mesh技术。蓝牙Mesh起源于Cambridge Silicon Radio 公司（CSR）倡导的私有协议CSR Mesh，在发展过程中，也出现了其他的一些公司的私有Mesh协议，其中包括Dialog,Nordic等大公司；这严重威胁着蓝牙设备终端标准的统一。CSR决定将其私有协议CSR Mesh捐献给蓝牙技术联盟，希望能平息物联网协议制定的纷争。尽管如此，目前Mesh技术还未纳入蓝牙标准，但在一些领域已经得到了初步的应用，例如照明系统，传感器监测等。Mesh技术的出现，使得物联网在智能家居的应用中更加便捷。

许多无线技术都在智能家居系统中得到了应用，如：ZigBee，Z-Wave等。ZigBee^[2]和低功耗蓝牙有很多相似的特点，比如传输带宽，距离，功耗等，但是低功耗蓝牙技术在某些领域还是具有其独特的巨大优势。第一，低功耗蓝牙技术比ZigBee技术更为节能，一节纽扣电池可以为其供电几年；第二，市场上的智能终端如手机，平板电脑等基本支持蓝牙4.0，均可实现对蓝牙Mesh架构的智能家居系统的控制，而在ZigBee技术中，控制终端需要特定的硬件设备支持；第三，Mesh技术在信息传递时打破了传统星形网络结构，是一种波浪式的信息传递，每个节点都可收到用户的控制信息，在进行简单判断之后进行转发，在网络中的某些节点出现故障后，对整个系统几乎没有影响，系统的鲁棒性极大地增强^[3]。

综上，蓝牙Mesh技术的研究具有重大的意义，其发展前景也是不可估量的，尤其在智能家居系统的信息通讯，极具应用价值。

1.2国内外研究现状

在各种短距离通讯技术中，蓝牙技术无疑是应用最广泛，普及最全面的技术之一。传统蓝牙主要解决了在没有电缆直连的情况下短距离通讯的问题。在无线技术发展的过程中，逐渐出现了WiFi，ZigBee等其他无线传输技术。传统蓝牙的缺点在对比中渐渐地显露出来，主要体现在能耗和传输距离方面。

ZigBee的工作频段为2.4GHz和868/915MHz两个频段，比起传统蓝牙带宽较低，功耗也更低，使用5号电池可以供电达数月之久^[4]。对于传输距离，在发射功率都为0dBm时，传统蓝牙通常达到的传输距离大概为10米，而ZigBee能达到30-50米^[5]。另外，ZigBee有着灵活的组网方式，在星形网络中，一台ZigBee设备可管理的节点数目高达254个，而在传统蓝牙微微网中，一台主设备只能管理7台从设备^[6]。ZigBee技术迅速抢占了大量的市场份额，在工业远程控制和家庭自动控制领域获得了很大的应用，而传统蓝牙由于其局限性渐渐地淡出了相关领域。直到蓝牙4.0,4.1版本的相继推出，低功耗蓝牙开始引起了人们的注意，其优越性已经渐渐地赶上甚至超越了ZigBee^[7]。

剑桥大学研发团队面向智能家居及物联网应用，利用星形网络和中继技术，打造了CSR Mesh技术。通过蓝牙配置与控制协议整合到CSR成熟的智能蓝牙产品中，使得用户能在任意地方操控家里的智能蓝牙设备，包括灯光，供暖设备，家用电器以及安防系统。但是，目前并未成立一个完善的Mesh协议标准，BLE Mesh尚处于探索发展阶段，并没有较为成熟的应用方案。

1.3 论文研究内容和组织结构

本文主要研究了CSR Mesh技术在智能家居领域的实际应用，并且设计了一个可以用Mesh技术控制的智能家居网络控制系统方案，希望利用Mesh技术能够实现一对多的控制。本文的主要研究内容如下：

（1）在一个智能家居系统中，有众多的设备接入，如照明灯，传感器，安防系统等。以传统的星形网络系统进行设计的话，势必会造成覆盖范围限制，系统稳定性不高等问题。只要网络中负责中继的节点出现故障机会造成网络的阻塞，使整个网络陷入瘫痪。本文主要研究如何使用BLE Mesh技术，解决以上的问题。

（2）使用CSR1010芯片，构建了核心电路作为Mesh网络的硬件基础，并设计了简单的外围电路进行方案的验证。

（3）使用SDK进行软件程序开发，并对工作原理和过程进行了分析和介绍。

论文由六个章节组成，结构安排如下：

第一章介绍了研究背景，目的及意义，并介绍了研究内容和本文的组织结构。

第二章介绍了几种不同无线网络技术，并简单介绍了BLE Mesh的原理。

第三章介绍了方案的选择并详细介绍了硬件电路的设计。

第四章介绍了CSR Mesh的特点和工作原理，并介绍了软件程序的设计过程。

第五章利用设计的硬件和软件系统，做出实物并展示了调试过程。

第六章对本文的研究内容作了总结和展望。

第2章 常用短距无线通讯技术概述

移动互联网的时代已经到来，以智能家居和移动医疗为代表的各类无线传感器以及物联网应用系统纷纷涌现。各种短距离无线通讯技术在这个时代中扮演着至关重要的角色，其中应用最为广泛的有ZigBee，近场通讯（NFC），红外数据传输（IrDA）和低功耗蓝牙技术（BLE）。

2.1 ZigBee

ZigBee应用在对数据率要求不高，但有着低成本，低功耗的需求场景。它的通讯距离为10m-75m，工作频段为2.4GHz和868/915MHz，适合应用于楼宇等家居系统中^[8]。ZigBee联盟制定了网络层以上相关的技术标准与协议。在网络层，协议定义了三种类型的角色^[9]：协调者（ZC）、路由器（ZR）、终端设备（ZED）。在组网过程中，ZC扮演着一个领导者的角色，每个网络有且只有一个ZC。ZR在网络中能够转发数据包，ZED只能发送数据包和接收其他节点为它发送的的数据包。

ZigBee支持网状网络，拓宽了其应用领域，但也在协议栈的开发上面增大了难度。近些年来，许多物联网实验室基于ZigBee开源协议栈开展，使得ZigBee迅猛地发展，在工业和家庭网络这些网络节点不移动的场景得到了极为广泛地应用^[10]。

2.2近场通讯（NFC）

NFC是由诺基亚，飞利浦和索尼公司推出的一种短距离无线通讯标准。它采用了双向连接和识别，工作频率为13.56MHz，距离为20cm之内^[11]。起初NFC仅是遥控识别和网络技术的合并，但是现在已经发展成为无线连接技术。它能快速自动建立网络，为蓝牙设备，WiFi设备提供“虚拟连接”，使各种设备能在短距离范围内进行通信。NFC能在短距离内方便地进行交互，简化了认证识别过程，是电子设备间相互访问更为直接，更加方便，安全，这种特点使得它主要应用在支付，设备配对，交换信息等方面。

2.3 红外数据传输

IrDA是一种利用红外光进行点对点通信的技术。最初它以异步通信收发器为基础，实现了异步，半双工通信，经过几十年的发展，IrDA已经十分成熟，广泛应用于家电，手机，笔记本电脑，打印机等设备上。它具有功耗低，体积小，连接方便，成本低廉等特点^[12]。但是，由于其传输距离较短，（lt; 1m）,所以它只适合在小型的封闭区域使用，一般用于两台设备之间连接进行连接的设备需将发射器对准，并且设备之间不能存在阻隔。这虽然增强了信息交流的安全性，但是也为使用产生了不便。

2.4 低功耗蓝牙技术（BLE）