基于zigbee技术和android系统的家居环境监测报警系统设计与实现.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：舭f i 知阵年g 月，d 日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子 杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和 借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并 向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博 硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学 研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：氖知巾 抄i 扣年石月fo 日 指导教师签名：瓣 加l ￥年6 月( 。日 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着科技的进步和居住环境的改善，人们更加重视家居环境的舒适度和安全性。随 时随地的监控家居环境和及时快捷的发现家居安全问题，成为了人们的迫切需求。传统 家居监测报警系统在网关和用户端系统统一性、报警方式多样性与多网融合等方面亟待 改善，如何解决这些问题，己成为目前智能家居领域研究与开发的热点。 近年来，采用架构简洁且用户界面友好的a n d r o i d 系统的智能手机得到了广泛应用； 具有低功耗、低成本和低复杂度等特点的z i g b e e 无线通信技术在众多的智能监测和控 制系统中实现了关键的信息感知和控制功能。 根据对家居信息感知网络、外部传输网络、家居网关与用户端软件的现状分析，并 结合用户需求，设计了一种基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居环境监测报警系统。 系统网关和用户端手机均采用a n ( h d i d 系统，可灵活使用3 g 或w i f i 网络访问网关获 取家居环境监测信息，且具有声音与短信报警功能。本文的主要内容如下： 首先，以c c 2 5 3 0 芯片为核心开发了协调器节点，将c c 2 5 3 0 分别结合温度、红外 和可燃气体传感器设计了环境信息采集终端节点；基于z s t a c k 协议栈开发了各节点数 据采集与传输功能的控制程序；研究并设计了协调器与各终端节点、家居网关和协调器 之间的通信方案。 其次，设计并采用o m a p 3 5 3 0 处理器为核心并连接有w c d m a 模块、w i f i 模块、 z i g b e e 协调器的家居网关硬件结构，并对网关进行了a n d r o i d 系统的移植。 再次，采用h a n d l e r 消息机制和m v c 设计模式开发了家居网关应用程序，它具有 z 远b e e 网络信息显示、终端采集数据的实时数字与波形显示、声音报警、短消息自动发 送、报警控制与个性化设置等功能。该应用程序也被安装运行于用户端，被用来执行远 程监控的任务。 最后，对系统进行了测试。结果表明：z i g b e e 终端节点采集家居环境信息较为准确； 用户端与网关网络通信稳定，数据显示和声音报警正常；家居网关在警情发生时发送短 消息及时准确。系统能够满足人们随时随地掌控家居环境信息并及时获取警情通知的需 求，可以给人们生活带来便利。家居网关应用程序具有通用性，可方便地安装应用于其 他a n d r o i d 平台，具有较高的推广应用价值。 关键字：z i g b e e ，a n d r o i d ，家居环境，监测，报警 基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居环境监测报警系统设计与实现 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mm ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea l l dt e c h i l o l o g ya n dt 1 1 e i n l p r o v e m e n to fl i v i n g e n v 曲n m e n t ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt om ec o m f o r ta 1 1 dm es a f e t yo fh o u s e h o l d e i l v i r o n m e n t m o i l i t o r i n g h o u s e h o l de n v i r o i l m e i l t a n y t i m ea n da i l p 儿e r e a n df i n d i n g h o u s e h o l ds e c 嘶t yp r o b l e m st i m e l ya n dq u i 6 l ( 1 yh a v eb e c o m et 1 1 eu r g e n tn e e d so ft h ep e o p l e t h et r a l d i t i o n a lh o m em o n i t o ra n da l a ms y s t e m sh a d 也ep r o b l e m s ，s u c ha st h eg a t i 刑a ya i l d t l l ec l i e i l ts y s t e mw e r en o tu i l i f i e d ，a l 锄皿m o d ew a ss i i l g l ea n dm u l t i - n e 觚o r k sa c c e s s i b i l i 哆 a n di n t e 争a t i o nw e r en o ts u p p o r t e dw e l lc n o u 曲a i l ds oo n t h e r e f o r e ，h o wt os o l v em e s e p r o b l e m sh a sb e c o m et h er e s e 鲫c ha n dd e v c l o p m e n tf o c u s i nr e c e n ty e a r s ，s m a r tp h o n e su s i n ga n d l o i do sw h o s ea r 6 h i t e c t u r ei ss i m p l ea n du ii s 衔e n d l yh a v eb e e l lw i d e l y 印p l i e d ，a 1 1 dw i r e l e s sc o m m u i l i c 撕o nt e c h n o l o g y z i 曲e e 、池o s e c h a r a c t i 耐s t i ci s1 0 w p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s ta 1 1 dl o wc o m p l e x 时e t c p a l y e dk e y r 0 1 e si n i i l f o n n a t i o na w a r e n e s sa n di n t e u i g e n tc o n t r 0 1i nm a n yi n t e l l i g e n tm o n i t o ra n dc o n l 1 t l l i sp 印e ra n a l ) ，z e dm es t a t u so ft h ei i l f i o m a t i o na w a r e i l e s sn e 觚o r ko fh o u s c h 0 1 d ，t h e e x t 锄a l 仃a n s m i s s i o nn e t w o f k ，也es o 胁a r e so fh o m eg a t e w a ya 1 1 du s e r st e m 缅a 1 t h e n ， a j l a l y z e dm eu s e r s n e e d b a s e do nt h e s ea i l a l y s i s ，p r o p o s e dah o u s e h o l de 1 1 v 曲n m e n tm 0 1 1 i t o r a n da l a ms y s t e mb a s e do nz i g b e ea 1 1 da n d o r i d t h es y s t e mh a dm e s e 劬嘶o n s ，o n ew a st h a t t h es y s t e mc o u l ds u p p o r t3 ga n dw i - f in e t 、) l ，o r k s a 1 1 0 t h e rw a s 廿1 a tm es y s t e mu s e da n d r o i d s m a r tp h o n ea si t su s e r sm o i l i t o rt e m i n a l ，b e s i d e s ，t l l es y s t e mc o u l dg a v et w ok i n d so f a l 锄1 sw h i c hw e r ea u d i b l ea l a n na n ds m sa l 锄t h em a i l lc o n t e n t so fm i sp a p e ra r ea s f o l l o w s f i r s t l y ，b yt a b n gu s eo fc c 2 5 3 0c h i pc o m b i n e dw i mt e i i l p e r a n l r e ，i n 丘a r e da n d c o n l b u s 曲l eg a ss e n s o r s ，w ef i n i s h e dt l l ec o o r d i n a t o ra n dt h ee n v i i o i l m e n t a c q u i s i t i o n t e m i n a ln o d e su s e di nz i g b e en e t 、) l ，o r k d e v e l o p e dt 1 1 ep r o 伊锄o fe a c hn o d e ，t h ep r o 舭n s a r eb a s e do nz s t a c kp r o t o c 0 1 r e s e a r c h e da n dd e s i 印e dt h ec o m m u n i c a t i o ns c h e m e 锄o n g m ec o o r d i n a t o ra n dt h et e r i n i n a ln o d e s a n d 也ec o m n l u n i c a t i o nsc _ h e m eb e 研e e nh o m e i i i 基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居环境监测报警系统设计与实现 g a t e w a ya n dc o o r d i n a t o r s e n c o n d l y ，d e s i 盟e dt h eh 疵1 w a r es t n l c t u r eo ft h eh o m eg a t e w a y ，也ec o r ep r o c e s s o ro f 、池i c hi so m a p 3 5 3 0 ，t l l ep r o c e s s o rw a sc o l l l l e c t e dw i t l lw c d m am o d u l e ，w i f im o d u l e 趾d z i g b e ec o o r d i n a t o r t h e n ，a n d r o i d2 2w a st r a l l s p l a n t e do no m a p 3 5 3 0 b o a r d t h i r d l y ，d e v e l o p e dt h ea p p l i c 撕o np r o g r a mf o r h o m eg a t e w a y t h ep r o g r 锄d e v e l o p e d b a s e do nm eh a l l d l e ro fm e s s a g em e c h a i l i s ma i l dt l l em v cp a t t 锄t h es o n 唧e s 缸1 c t i o n s i n c l u d e dm a tt h ed i s p l a yo fz i g b e en e 觚o r k si n f o m a t i o n ，t h er e a l t i m ed i 百t a la i l d w a v e f o m sd i s p l a yo ft e n 】1 i n a ld a _ t a ，a 1 釉i n gc o n t r 0 1a i l dp e r s o n a l i z e ds e t t i n g s ，a u t o m a t i c s e n d i n gs h o r tm e s s a g eb yh o m eg a t e w a y ，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo 仆o m eg a t e w a yc o u l d b e u s e do nt h eu s e r ss m a np h o n et e m l i n a lf o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h es y s t e m l a s t l y ，t e s t e dt h e 劬c t i o n so ft h e 印p l i c a t i o nr 吼o nm eh o m eg a t e w a ya j l dt h eu s e s “e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h ed a t aa c q u i r e db yz i g b e en o d e sw a sa c c a t e t h e3ga 1 1 dw i - f i n e 觚o r k sc o 皿e c t e dw e l le n o u 班b e 觚e e nh o m eg a t e w a ya n d “e 1 1 t t h ea p p l i c a t i o n sm o i l i t o r a 1 1 da l a n n c t i o n sw o r k e dw e l l ，t h ed a t ad i s p l a y e dw e l l t h ea u d i b l ea l a n l lw a sr i 曲t ，t h e s h o r tm e s s a g e ss e n tb yh o m eg a t e w a yw a st i m e l ya n dr i 曲te n o u g h t h es y s t e mc o u l dm e e t 也en e e d so fp e o p l et h a tt om o n i t o r h o u s e h 0 1 de n v i r o i 瑚e n t 雒舛i m ea n da n y w h e r ea n dt of i n d h o u s e h o l ds e c u r i t yp r o b l e m st i m e l ya l l dq u i c l 【l y a l s oc o u l db r o u 曲tm u c hc o n v e n i e n c et o o u r s l i f e t h ea p p l i c a t i o nf o rh o m eg a t e w a yw i mv e r s a t i l i t ya n dg o o da p p l i c a t i o nv a l u ec o u l d b e 仃a n s p l a n t e da i l du s e do no t h e ra n d r o i dp l a t f o m s k e yw o r d s ：z i g b e e ，a n d r o i d ，h o m ee n v i r o 呦e n t ，m o n i t o r i n g ，a l a n n i n g i v 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t 。i i i 目录1 ， 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外发展与研究现状一2 1 2 1 家居信息感知网络一3 1 2 2 外部传输网络3 1 2 3 家居网关与用户端软件一4 1 3 本文研究的主要内容5 i 4 论文章节安排5 第二章相关技术研究7 2 1z i g b e e 技术综述一7 2 1 1z i g b e e 协议的体系结构7 2 1 20 s a l 任务处理机制9 2 2a n d r o i d 系统及应用程序一1o 2 2 1a n d r o i d 系统架构1o 2 2 2a n d r o i d 应用程序开发组件1 1 2 3 本章小结1 2 第三章系统整体架构与设计方案1 3 3 1 系统设计方案1 3 3 1 1 功能需求1 3 3 1 2 总体结构设计1 4 3 1 3 主要功能及实现方案1 4 3 2 系统的硬件结构设计17 3 2 1 家居网络节点设计1 7 3 2 2 家居网关设计19 v 基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居环境监测报警系统设计与实现 3 3 本章小结19 第四章家居传感网络设计与实现2 0 4 1 节点软件开发2 0 4 1 1 开发方案2 0 4 1 2 开发流程2 l 4 2 数据采集节点2 6 4 2 1 温度数据采集2 6 4 2 2 人体入侵监测2 8 4 2 3 可燃气体监测2 9 4 3 协调器通信设计3 0 4 3 1 命令及参数设置3 1 4 3 2 设备参数设置3 3 4 3 3 串口通信数据格式3 4 4 3 4 协调器数据处理3 6 4 4 本章小结3 6 第五章a n d r o i d 移植与软件开发环境设计3 7 5 1a n d r o i d 系统移植一3 7 5 2 软件开发环境4 2 5 3 本章小结4 3 第六章系统实现4 4 6 1 应用程序4 4 6 1 1 消息机制4 4 6 1 2m v c 设计模式4 5 6 2 功能设计与实现4 6 6 2 1 用户登录4 7 6 2 2 设备添加4 9 6 2 3z i g b e e 网络信息显示4 9 6 2 4 应用界面切换5 1 6 2 5 采集数据显示5 2 6 2 6 报警功能配置5 3 v i 江苏大学硕士学位论文 6 2 7 声音报警处理5 4 6 2 8 短消息功能处理5 5 6 2 9s o c k c t 网络通信5 6 6 3 系统测试5 7 6 4 本章小结6 1 第七章总结与展望6 3 7 1 工作总结6 3 7 2 工作展望6 4 参考文献6 5 1 自i 谢6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文。6 8 v i i 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着科技的进步和人民生活水平、居住环境的改善，人们对家庭安全和家居环境舒 适度的要求越来越高，更加关注有关安全性和舒适度的家居环境信息，并追求便捷、智 慧、友好的现代生活体验。2 0 0 5 年1 1 月国际电信联盟( i t u ) 发布题为i t ui n t 锄e tr 印o r t s 2 0 0 5 t h ei n t 锄e to f t l l i n g s 的报告，提出“物联网”的概念，引起了世界各国的广泛关注 【1 1 。物联网集成了多种感知、通信、计算技术，最终将使人类社会、信息空间和物理世 界融为一体【2 1 。目前，在许多国家兴起了对物联网技术的研究热潮，并推进着物联网技 术在各行各业的应用与发展。先由i b m 于2 0 0 8 年提及的“智慧地球己被奥巴马政府 确定为美国的国家战略；中国前总理温家宝2 0 0 9 年在无锡考察时，指出要在激烈的国 际竞争中迅速建立中国传感信息中心或“感知中国”中心，之后政府将物联网列为五大 战略型新兴产业之一。在人们对理想家居的追求和物联网技术的应用持续推动下，智能 家居解决方案不断融合新理念、新方法，以满足人们对高效便捷智能生活的需求。 物联网和移动互联网密切联系在一起，移动互联网的技术进步和变革也推动着物联 网的发展与应用革新。目前，3 g 移动通信技术正有力地推动着物联网产业的发展【3 。政 府、运营商和相关产业的制造商均对3 g 与物联网的发展给予了高度的重视，学校等研 究机构也推进着技术与应用的创新与发展，3 g 网络能够为物联网信息传送提供更好的 平刽4 】 5 。w i f i r e l e s sf i d e l i 啪作为一种新的短距离无线传输技术，它有助于改善采 用i e e e8 0 2 1 1 标准的无线网络产品间的连通性，其2 4 g h z 频段运用d s s s 技术，最大 传输速率可达1 1 m b p s ，普遍a p 发射功率在1 0 0 m w 和5 0 0 m w ，有效信号可覆盖5 0 米 到3 0 0 米范卧6 1 。 a n d r o i d 是谷歌公司在2 0 0 7 年1 1 月推出的基于i j m l 】【平台的开放的操作系统，由 操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。它摒弃了旧的思维定势，具有架构简洁、 u i 设计友好等特点，是被广泛应用于移动终端的真正开放和完整的移动0 s 软件。该手 机操作系统自面市以来，得到众多企业大力支持s a m s u n g 、h t c 、h u a w e i 、z t e 等手机厂家生产出大量款型的a n ( h i d 智能手机。2 0 1 0 年末的数据显示：自推出后仅仅 基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居环境监测报警系统设计与实现 两年，a n d r o i do s 在市场占有率上就超越称霸十几年的s y m b i a i l0 s 。现在看来，a n d r o i d 系统已被众多的手机厂商所采用，并且在人们的日常生活中被熟练应用。 本课题设计并实现了一种基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居环境报警监测系 统，课题的意义有以下几点： 1 ) 该系统能够对家居环境信息进行智能化监测，对安全性问题作出及时声音和短 信报警，可以给人们的生活带来便利，并能够增强家庭生活空间的安全性和舒适度。 2 ) 用户可灵活地使用3 g 或w i f i 网络来登录网关，访问家居信息交互数据。这种 近远程相结合的通信方案既增强了网络选用的灵活性，也降低了使用单一的3 g 网络的 昂贵流量费用。 3 ) 声音和短信相结合的报警方案，使得本系统掌控家庭信息变得更高效和便捷。 4 ) 开发的家居网关应用程序，被同时安装应用于用户手机终端，并在测试中两端 均能实现预期功能，证明此种开发方法是合理的，这种两端应用程序相融一体的设计方 案新颖，即能减少开发任务量，也因为两端采用了一致的应用程序，使得系统更加易于 使用。 1 2 国内外发展与研究现状 国外对智能家居领域的研究起步较早。美国的微软、i i l t e l 、i b m 、摩托罗拉等公司 先后投入巨额资金用以研究开发智能家居项目，此外其他国家的著名企业像德国西门 子、法国v i t y 、意大利d a d ah o m e 、日本松下、韩国三星等也纷纷开展对智能家居的 研究。智能家居显露出的巨大潜力和广阔前景吸引着全球越来越多的公司和研究机构加 入对其的应用研发队伍。从近十年来看，智能家居得到了广泛深入的研究，发展很快， 市场上也诞生了许多成功的智能家居系统，其中最具代表性的是美国x 一1 0 系统和德国 的e i b 系统还有新加坡推出的8 x 系统等。 目前，我国智能家居领域研究开发还处于起步阶段，近几年来，随着国内媒体对智 能家居宣传力度的不断加大，部分公司机构也投入大量资金和人力对智能家居产品进行 研发，使得智能家居行业在我国从无到有，在国内的发展也已经全面展开。市面上也出 现了一些智能家居产品。其中，中兴、海尔等个别企业研发推出的智能家居产品具有较 高科技水平，例如海尔的u h o m e 能够为现代家庭用户提供一种崭新的网络化时代生活 体验方式，该智能家居产品是以u - h o m e 系统为平台，采用有线和无线网络相结合的方 1 江苏大学硕士学位论文 式，将设备通过网络连接起来，实现了物物互联，并通过物联网实现了3 c 产品、安防 系统等智能化识别、管理以及数字媒体信息的共享。 1 2 1 家居信息感知网络 信息感知是物联网的基本功能，由感知层采集到的数据可通过有线和无线两种方式 传输至上位机。较早有线传输技术如基于电力线的美国x 1 0 技术、p l c b u s 技术、基 于双绞线的r s 4 8 5 c a n 技术能够支持高速率和稳定的数据传输，但采用有线传输的系 统在增加设备时需要布线，布置过多的线缆会影响美观且与线缆相连接的设备可移动性 比较差。因此，有线感知网络不便在家居监测报警系统中应用。而采用无线通信技术如 z i g b e e 、蓝牙、红外等搭建的信息感知网则能避免这些不足。其中，z i g b e e 与b 1 u e - t o o t l l 和红外技术相比，在可连接的设备数量与有效传输距离上优势明显，进而在智能家居系 统中得到了广泛的应用。e e8 0 2 1 5 工作组和z i g b e e 联盟等研发团体对z i g b e e 技术 做了深入研究，并制定出了z i g b e e 协议规范。著名硬件商如意法半导体、德州仪器等 厂商研究并推出许多低成本且支持z i g b e e 协议栈的芯片，如t i 公司开发出的8 0 5 1 内 核的芯片c c 2 5 3 0 能够嵌入z i g b e e 协议，这有效推动了z i g b e e 技术在环境监测，智能 控制等领域内推广应用。如文献 7 】在综合对比各短距离通信技术的基础上，选择适合家 庭应用的z i g b e e 技术搭建了无线传感网络。文献 8 和文献 9 中在应用中将开发的 z i g b e e 节点控制程序分别烧写进t i 公司的c c 2 5 3 0 芯片、s t 公司s t m 3 2 芯片，在各 节点的协调配合下，实现了z i g b e e 网络的数据采集和传输功能。 1 2 2 外部传输网络 感知层收集的信息通过外部传输网络传递给用户端，外部传输网络是基于现有的通 信网络和互联网建立的。目前，在技术层面上讲，己成熟的有线接入技术在众多的物联 网应用包括智能家居中得到了普遍应用。而在移动通信如此发达的今天，用户随时随地 的无线监测方式无疑更为方便快捷，采用外部无线传输网络如3 g 、w i f i 通信技术的物 联网应用能够满足用户移动监测的需求。目前对于传感器网络到3 g 、矾f i 等无线接入 方案还一直处于研究和实验阶段。近年来，集高数据传输率和低资费优势的w i f i 技术 受到越来越多的关注和推广，其热点覆盖广泛，应用己拓展到个人用户和家庭社区，深 受人们喜型1 0 。探索3 g 和w i f i 技术在无线监控领域的应用，实现移动信息监测是目 前研究的热点课题。文献 1 1 】采用z t e 公司的t m 5 0 03 g 模块将网关接入3 g 网络并给 气 基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居环境监测报警系统设计与实现 出了移动信息监测方案。文献 1 2 采用m c 3 5 ig s m g p r s 双模模块将家居网关连入了公 共网络，同时给出了用户手机终端发送短消息实现对家居内部设备的控制功能的解决方 案。 1 2 3 家居网关与用户端软件 一般来讲，家居网关主要功能包括：感知网络与外部网络接入、协议转换、管理控 制能力和安全性。用户端主要包括网络通信、数据解析和读取、远程控制等功能。早期 大部分的监测系统采用的网关和用户端管理软件是基于p c 平台运行，通过t c p 艘协议 的h l t e m e t 接入方案实现远程监测功能。如前两节所述，此种设计有诸多限制，用户不 能进行移动监测。 为了满足移动监测需求同时兼顾成本因素，许多研究机构不断推进着对更好的物联 网解决方案的研究和开发，研究设计成果也随着研究的深入不断涌现。目前嵌入式网关 平台因为成本较为低廉、便于移动且支持多模块接入的优势在家居等领域得到了选择应 用。嵌入式平台可选操作系统有l i n u x 、w 协d o w sc e 、a n ( h d i d 等，而宿主机o s 不同， 针对各操作系统平台开发的家居控制软件的设计方案和实现技术也不同，若网关端与用 户端采用不同的操作系统环境，则会增加软件开发工作量。嵌入式l i n u x 和w i n d o w sc e 出现较早，已得到长期的研究和应用。如文献 1 3 给出了支持多控制终端接入、用户自 定义服务和方便管理、维护和升级的基于嵌入式l i n u x 平台的网关端应用软件。由上节 分析，监控软件将越来越多的为移动手机用户开发提供。当今社会生活中，用户普遍使 用支持3 g 和w i f i 网络访问的a n d r o i d 智能手机。嵌入式网关选用a n d r o i d 系统相比嵌 入式l i n u x 或w i n d o w sc e 系统在可操作性和推广应用前景等方面会更具优势，且能和 用户端手机系统保持一致。文献【1 4 网关采用p c 平台运行j a v a 语言开发的服务端程序， 基于c s 模式的a n d r o i d 手机终端控制程序实现了远程控制和访问功能。 现在随着a n d r o i d 系统不断深入人心，探索其在包括家居监测报警系统在内的物联 网领域的研究，设计实现基于a n d r o i do s 的家居监控报警系统相比传统的基于l i n u x 或w l l l d o w sc e 平台的系统而言将更易于推广应用。 。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 本课题研究的是z i g b e e 技术、a n d r o i d 开发技术与嵌入式技术、3 g 和w i f i 通信 技术相结合的物联网领域的热点应用问题，设计实现了具有实用价值的家居环境监测 与报警系统。本文的主要研究内容有： 首先，对基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的z i g b e e 协议作了研究，包括有：z i g b e e 技术特 点、z i g b e e 协议的体系结构，z s t a c k 协议栈采用的0 s a l 任务处理机制；另外，对三 种使用到的传感器数据采集工作原理进行了研究；然后基于z s t a c k 开发了各个节点控 制程序并对终端节点与协调器节点、协调器节点与网关间的通信方案进行了研究与设 计。 其次，对a n d r o i d 系统架构、a n d r o i d 应用程序开发使用的关键组件作了基础分析； 设计并开发了家居网关及用户端应用程序，对应用程序采用的消息传递、事件处理机制 和m v c 设计模型，对应用程序的界面设计、采集数据实时显示、报警控制、短消息发 送等功能进行了研究设计工作。 再次，在对o m a p 3 5 3 0 处理器及与之连接的外部功能设备，如w i f i 模块、3 g 模 块、声卡及触摸屏等硬件及驱动移植方法分析掌握后，实现了o m a p 3 5 3 0 处理器网关 a n d r o i d 系统的移植，对“n u ) 【的底层驱动做了研究。 最后，分析研究了3 g 和w i f i 通信技术的特点和s o c k e t 网络传输机制。 1 4 论文章节安排 本论文共分为七章，各章节的内容安排如下： 第一章首先分析了本课题的研究背景和意义，然后概述了国内外智能家居领域的发 展情况，接着重点分析家居信息感知网络、外部传输网络和网关与用户端软件的研究现 状。最后给出了本文的研究内容和组织结构。 第二章介绍了本系统所使用到的技术基础。分别对z i g b e e 技术特点、z i g b e e 技术 的体系结构、z s t a c k 协议栈o s a l 任务处理机制和a n d r o i d 系统的架构、a n d r o i d 应用 程序关键组件进行了分析。 第三章给出了系统的整体结构和设计方案。首先对系统的功能需求进行分析，其次 按照功能需求设计出了系统的总体结构，并详细分析系统的主要功能和实现方案。然后 5 基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居环境监测报警系统设计与实现 给出了系统所使用的传感器节点和家居网关的硬件结构。 第四章为家居传感网的详细设计与实现。首先对z i g b e e 网络节点软件开发方案与 开发流程进行了详细阐述；接着分别给出了三种不同终端节点的数据采集实现。最后， 详细阐明协调器上下行通信方案，包括有数据收发通信命令和各传感器参数标识、家居 网关发出请求命令时用到的通用设备参数、家居网关与协调器通信的数据帧类型和格式 的设置及协调器节点的数据处理。 第五章首先对o m a p 3 5 3 0 处理器为核心的网关进行了a n d r o i d 系统的移植，重点介 绍了各主要模块包括3 g 、w i f i 、声卡模块的驱动配置；接着搭建了a n d r o i d 应用程序 的开发环境。 第六章首先对家居网关应用程序采用的h a n d l e r 消息机制和m v c 设计模型分别做 了介绍。然后对z i g b e e 网络信息显示、传感器数据显示和报警控制、短消息自动发送 等模块的界面设计和内部实现机制进行了阐述。另外，介绍了用户端与网关端的s o c k e t 网络通信连接功能实现。最后对用户端监测和报警的功能实现作了测试和分析。 第七章总结了本文的研究工作，然后对未来所要做的工作进行了展望。 6 江苏大学硕士学位论文 2 1z i g b e e 技术综述 第二章相关技术研究 z i g b e e 是一种以i e e e8 0 2 1 5 4 标准为基础的低功耗个域网协议，其特点是近距离 通信、较低的复杂度、能够自组织网络、较低的功耗、低成本、数据传输速率较低，在 智能监测和控制领域中应用比较合适，是一种可嵌入微型监测与控制设备中的无线通讯 技术 1 5 】。红外、蓝牙、w i f i 和z i g b e e4 种短距离无线通信方式的比较如表2 1 所示。z i g b e e 拥有在全球流行的2 4 g h z 、常见于欧洲的8 6 8 m h z 和美国流行使用的9 1 5 m h z 三个频 段，这三个频段分别能提供最高为2 5 0 k b 州s 、2 0 k b i t s 和4 0 k b i t s 的数据传输速率，它能 够在1 0 1 0 0 m 的有效范围内进行通信。z i g b e e 可提供丰富而便捷的应用，内置z i g b e e 协议的功能设备体积很小，成本低廉，可由干电池供电的低功耗和无线i 强传输的特征 使得节点设备移动方便。z i g b e e 作为发展最快的短距离通信技术之一，具有广阔的应用 前景。 表2 1 四种短距离无线通信方式比较 红外蓝牙 珏f i z i g b e e 工作频段8 5 0 9 0 0 m ：i l2 4 g h z2 4 5 g h z8 6 8 m 旺 衫915 m h z 2 4 g h z 传输速率 1 5 4 1 6 m b p1 m b p s l1 - 5 4 m b p s 2 0 4 0 2 5 0 k b p s 传输距离 l m1 0 m5 0 3 0 0 m1 0 1 0 0 m 发射功率 1 1 0 m w1 1 0 0 i h w10 0 5 0 0 m w1 3 m w 最大连接数 273 22 5 5 6 5 5 3 5 2 1 1z i g b e e 协议的体系结构 z i g b e e 是由z i g b e ea 1 1 i a n c e 所主导的标准，由它制定了z i g b e e 网络层( n e t 、) l ，o r k l a y e r ) 、安全层( s e c 嘶t yl a y e r ) 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 的协议标准；而物理层 ( p h yl a y e r ) 及媒体存取层( m a cl a y e r ) 则是直接采用由m e e 所制定的8 0 2 1 5 4 标 准。z i g b e e 协议体系结构如图2 1 所示。 7 基于z i g b e e 技术和a n d r o i d 系统的家居