基于Android平台上BLE的智能家居控制系统设计与实现

引 言

近年来，随着物联网技术的发展和生活水平的提高，人们对居住环境的要求越来越高，智能家居随之成为物联网技术领域的一个重要研究课题，而家居系统的智能控制是其中的一个重要研究方向。低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy， BLE）是 2010 年推出的最新蓝牙版本，BLE 相对于传统蓝牙最大的特点是超低功耗，并且目前 BLE 的硬件成本已经降到一个合理水平，非常适合应用于智能家居系统控制领域，据Bluetooth SIG 高级市场总监柯瑞德分析，2013 年至 2018 年， BLE 的最大市场增长空间将会出现在智能家居系统领域。笔者研究了Android 手机 BLE 应用及智能家居控制，以智能插座为例，设计了一套基于 Android 智能手机的BLE 智能家居控制系统，实现对智能设备的实时控制功能。

1 Android系统中的 BLE

Bluetooth SIG 于 2010 年 6 月发布了蓝 牙 4.0 技术标准， 而 Android 智能手机全面支持 BLE 是在 2013 年 7 月Android4.3 系统发布后。相较于传统蓝牙，BLE 运行和待机功耗极低，一颗标准纽扣电池可以使其连续工作一年到几年时间。BLE 与传统蓝牙协议及开发差别较大，以下对BLE 通信协议及Android 中的BLE 开发做简单介绍。

1.1 BLE通信协议

低功耗蓝牙协议栈由控制器（Controller），主机（Host）和应用程序（Apps）组成，其协议栈如图 1 所示。各层的各种规范都基于 GATT 制定，它规定了发送和接收设备的各种属性值的方法。BLE 通信把各种属性表示为服务（Service）的集合，而每个Service 都由多个特征值（Characteristic）组成， Characteristic 可以理解为一个数据类型，它包括一个 value 和 0 至多个对此value 的描述（Descriptor）。BLE 在连接建立过程中可以分为中心设备（Central）和外围设备（Peripheral） 两个角色，Central 负责 scan advertisement，而 Peripheral 负责 make advertisement。在 BLE 连接建立后，两个连接的设备又可分为服务端（GATT server）和客户端（GATT client），发送数据的设备为Server，接收数据的设备为Client。

1.2 Android中BLE的开发

Android 平台的BLE 开发常用类如表 1 所列，开发主要包括以下步骤：

(1) BLE授权，为使应用能使用手机 BLE 功能，需要在AndroidManifest.xml 中进行授权。

<uses-permission android ：name="android.permission.BLUETOOTH"/>

<uvses-permission android ：name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

(2) 检查并启动BLE功能，验证手机是否支持BLE。如果支持， 通过蓝牙适配器 BluetoothAdapter来查看蓝牙是否已经开启， 也可以通过 Intent传递ACTION_REQUEST_ ENABLE参数调出蓝牙开启界面。

(3) 搜 索 BLE 设 备 ， 使 用 BluetoothAdapter 的startLeScan方法配合 BluetoothAdapter.LeScanCallback回调参数进行BLE 广播搜索，搜索需要设置时间上限并在发现设备后停止搜索以减少电量消耗。如果只想搜索某些设备，可以加入一个 UUID 数组参数。

(4) 建立 GATT连接， 当搜索到设备之后， 可以使用BluetoothAdapter的getRemoteDevice方法根据 UUID获得目标 device，并通过BluetoothDevice的 connectGatt方法进行 BLE连接，之后即可进行数据交换。

2 系统设计

Android 智能手机作为智能家居控制系统中 BLE 通信的 主设备，负责搜索智能插座设备、发起连接、发送控制指令、 断开连接等操作。软件整体运行流程如图 2 所示。

Android 客户端主界面如图 3 所示，通过智能插座控制功能模块可以检查并打开手机蓝牙，添加设备，即开启 BLE 设备搜索，设置搜索时间上限为 180 s，发现插座设备后发起连接请求并进行密码配对验证，建立连接后把设备信息保存到Sqlite 数据库并添加到列表实现界面显示，之后可以点击开关按钮对插座通断电进行控制，即通过发送封装好的指定Service 代表通断电Characteristic 值。为实现多设备控制，在每次发送指令后断开 GATT 连接，当再次点击开关按钮时则先连接设备再发送相应指令。

3 实验结果及分析

3.1 功能测试

多次实验测试发现，在理想情况下系统实现了对集成 CSR1010 低功耗蓝牙芯片的智能插座通断控制功能。

3.2 性能测试

通过室内有障碍物及室外空旷环境下的实验测试发现， 系统在室内障碍物环境下有效控制距离为 13 ～ 15 米，室外 空旷环境下有效控制距离则达到 30 米以上，性能良好。

3.3 遇到的问题及解决方法

Android 智能手机 BLE 在建立 GATT 连接之后马上进 行 Characteristic 值传输有一定传输失败的概率。经研究实验， 在连接建立成功后延时 0.2 秒进行数据传输能使控制成功率 达到 99% 以上，使用效果良好。

4 结 语

本文介绍了一种 Android 平台上基于 BLE 的智能家居控 制系统，通过 Android App 控制集成了蓝牙芯片的智能插座， 整个系统结构明了、操作简单，经实验测试，系统对智能插 座通断控制准确、反应灵敏、控制距离优秀，完全能够满足 在室内复杂环境下工作的要求。