学位论文-—基于android平台与zigbee技术的智能家居系统设计制作.doc

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1、基于Android平台与ZigBee技术的智能家居系统设计制作毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）

2、的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保

3、留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字

4、数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件

5、：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括

6、装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1

7、、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、

8、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录基于Android平台与ZigBee技术的智能家居系统设计制作1引言1一、硬件模块2（一）系

9、统总体的硬件设计2（二）Zigbee部分3 1.ZigBee32.ZigBee工作原理33.ZigBee技术特点43.ZigBee组网形式44.ZigBee无线组网通信协议5（四）WiFi部分71.WiFi的工作原理72. WiFi模块的设置7二、软件程序设计10（一）ZigBee下位机部分101.Zigbee协议栈102.Zigbee下位机程序运行框图10（二）Android上位机部分121.上位机介绍122. 上位机部分程序及注解13参考文献14甘肃省第十届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛基于Android平台与ZigBee技术的智能家居系统设计制作【摘要】设计一款基于Android平

10、台与ZigBee技术的智能家居控制系统。主要包括一款Android上位机控制软件；路由器；ZigBee模块：搭载了TI公司所生产的CC2530芯片作为控制部分的核心单元ZigBee核心板以及ZigBee底板；RS232转TTL串口通信模块；开关型稳压电源220V转12V；DC12V-DC3.3V变压器模块；光耦隔离继电器模块。该系统以ZigBee模块为控制核心。Android上位机控制软件通过无线局域网的方式与路由器连接，Android上位机控制软件连接无线局域网后通过路由器向ZigBee协调器发送指令，ZigBee协调器通过无线传输命令的方式传命令给ZigBee终端节点，相关节点提取相关命令

11、，以此达到控制继电器的高低电平来实现灯的开关目的。【关键词】 Android，ZigBee，智能家居，路由器The smart home system based on the Android platform and ZigBee technology design and production【 abstract 】 this paper introduces a based on Android platform and ZigBee technology of smart home control system. Mainly includes an Android PC contro

12、l software; Wi-fi communication module; ZigBee modules: carry the TI company produces CC2530 chip as the core of the control part unit - ZigBee core plate and ZigBee base plate; RS232 turn TTL serial interface communication module; Switch mode regulated power supply of 220 v to 12 v; DC12V - DC3.3 V

13、 transformer module; Optical coupling isolation relay module. The system with the ZigBee module as the core. Android PC control software and by means of wireless LAN WiFi connection communication module, the Android PC control software to connect wireless LAN WiFi after a serial port to the ZigBee c

14、oordinator to send instructions, ZigBee coordinator by wireless transmission command to send commands to ZigBee terminal node, the node to extract the relevant orders, to achieve high and low level control relay of the open and close of the curtain, stop; The switch of electric fan; Light switch, et

15、c. 【 key words 】 Android, ZigBee smart home, WiFi 引言现代社会，随着国民经济快速增长的趋势，人们的生活水平已变的越来越高、生活节奏越来越快，于是人们的日常工作、生活逐渐趋向信息化。信息化社会的实现不断地改变了人们的工作方式和日常生活习惯，更不断的冲击着传统的家庭住宅系统的地位。因此人们对家居的方式提出了更高的要求，这要求的不仅仅是传统的生存空间，更重要的是要求有一个安全、舒适、便捷化的生活环境；科技前沿通讯设备的使用；功能更加完善的信息终端；智能化和便捷自动化的智能家用电器；远程网络化信息资源的使用。现代社会家居更追求智能化、便捷化，智能化、便

16、捷化的智能家居俨然已成为现代人们生活方式的一种追求，用以实现“以人为本”为目的的全新家居。我们通常所认为的智能家居就是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、智能化家电、设备便捷化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居控制系统可以为您提供家电控制、照明控制、窗帘控制等多种功能和手段。与普通家居相比而言，智能家居不仅仅具有传统家居功能，提供舒适安全、高品质且宜人的家庭生活空间，还由被动静止的结构转变为具有能动性的智慧工具，提供对角度的信息交换功能，保持家庭与外部的信息交流畅通，优化了人们的生活方式，更帮助人们有效的安排时间，增强了家居生活中的安全性，甚至也为

17、各种能源费用节约了资金。本文针对智能家居控制系统进行深入研究，模拟现实中家里的实际情况下的家居控制。本课题是基于ZigBee的无线数传模块所组成的控制终端作为核心，配以Android上位机控制软件，通过无线局域网的方式与路由器连接后，路由器再通过串口通信的方式与ZigBee协调器连接。实现了智能家居系统中上位机控制软件与控制终端的无线通信，实现了家居控制的智能化与便捷化。一、硬件模块（一）系统总体的硬件设计本控制系统的硬件部分主要是采用CC2530底板及TI公司的CC2530芯片、4组四路光耦继电器隔离模块、AC220V转DC12V开关型稳压电源、DC12V转DC3.3V变压器模块、串口转Wi

18、Fi模块、模拟家庭灯光模块。zigbee控制的无线智能家居控制系统整体连接图如图1-1所示，该系统以4块zigbee模块以及路由器作为该系统的控制核心。Android上位机控制软件通过无线局域网向路由器发送命令，路由器再通过串口向ZigBee协调器传输命令，再无线传输到终端节点，从而控制继电器的吸合，以实现智能化控制家居的功能。图1-1 zigbee控制的无线智能家居控制系统整体连接图 系统由zigbee组成个域网，负责家庭内的通讯，路由器负责局域网和外网通讯，电脑建立TCP服务器将手机发到路由器的数据转发到协调器，然后协调器分发到个终端。模型如图1-2所示：图1-2 系统项目模型（二）Zig

19、bee部分1.ZigBeeZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到

20、上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。 2.ZigBee工作原理ZigBee 的无线设备工作在 868MHz、915MHz和2.4GHz频带。其最大数据速率是 250Kbps（见图1-3）。ZigBee 采用了 IEEE 802.15.4工作标准，拥有IEEE 802.15.4标准的无线物理层所规定的全部优点 。Zigbee的无线网络层可分为5层，分别为：物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）、应用程序支持子层（APS）、应用层（APL）

21、。IEEE802.15.4仅仅是定义了物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）的数据传输规范，而Zigbee协议定义了网络层、应用程序支持子层以及应用层的数据传输规范，这就是Zigbee无线网络。图13 ZigBee 频带和数据传输率 3.ZigBee技术特点Zigbee是一种崭新的技术,专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的短程无线网络通信技术。也是近来嵌入式应用的一大热点。（1）低功耗：在低功耗待机模式下，2节5号干电池可使1个节点工作624个月，甚至更长时间。这是Zigbee的突出优势所在。相比较而言，蓝牙只能工作数周、WiFi只可工作数小时。（2）低成本：通过大幅度简化通信协议（不

22、到蓝牙的1/10），从而大大降低了对通信控制器的要求，通过预测分析，以8051单片机的8位微处理器测算，全功能的主节点仅需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且Zigbee免协议专利费。（3）低速率：Zigbee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。（4）近距离：传输范围一般介于10100m之间，在增加RF（射频）的发射功率后，亦可增加到13km。这里指的是相邻两个节点间的距离。如果通过路由器和终端节点间通信的接力，传输距离将可以更远。（5）短时延：Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态仅需15ms，节点连接进入网络也仅需30ms，进一步节省了电

23、能。相比较，蓝牙需要310s、WiFi需要3s。（6）高安全：Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。（7）免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球) (ISM)频段。3.ZigBee组网形式ZigBee网络中的设备节点其所属类别主要分为3种，分别对应协调器（Coodinator）、路由器（Router）、终端节点（End Device）。 协调器（Coodinator），要负责无线网络的建立和维护工作； 路由器（Router），主要负责无线网络数据的路由

24、； 终端节点（End Device），主要负责无线网络数据的采集。在Zigbee网络中有且仅有一个协调器，用来负责各个节点的16位地址分配的任务（自动分配）。一个网络中理论上最多可以连接65536个节点。组网的方式也是千变万化，组网方式见如图1-4所示。本次程序中采用的是网状网结构的组网方式。图14 ZigBee组网形式 4.ZigBee无线组网通信协议（1） 查询单个终端报文组成单元开始地址功能码校样码结束字节数1字节2字节1字节1字节1字节描述1A（：）23（#）缩写SDADDRFCXORED响应：报文组成单元开始地址功能码数据校验码结束字节数1字节2字节1字节n字节1字节1字节描述1A（

25、：）23（#）缩写SDADDRFCDAXORED(2)控制单个终端报文组成单元开始地址功能码数据校验码结束字节数1字节2字节1字节n字节1字节1字节描述1A（：）23（#）缩写SDADDRFCDAXORED响应：报文组成单元开始地址功能码数据校验码结束字节数1字节2字节1字节n字节1字节1字节描述1A（：）23（#）缩写SDADDRFCDAXORED响应报文中数据如果等于0表示：操作失败，1则操作成功。数据还可分高四位和低四位，高四位保存操作的标志，低四位保存原始数据。功能码 FC描述数据长度01查询所有终端传感器的数据002查询单个终端上所有传感器的数据003查询单个终端上灯的状态004查询

26、单个终端上温度和湿度005查询单个终端上烟雾传感器006查询单个终端上人体感应模块007查询单个终端上光敏传感器008查询单个终端上电动窗帘009保留00A控制终端上灯,地址等于FF时控制所有终端上的灯，1灭 0亮1字节0B控制单个终端电动窗帘1字节0C外出模式，关闭所有设备并待机1字节0D自己增加其它命令码0注：协议中的命令及数据都是以16进制的形式发送和接收的。（三） 传感器部分1. DTH11温湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感

27、湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。供电电压: 3.35.5V DC、输出:单总线数字信号、测量范围: 湿度20-90%RH，温度050、测量精度: 湿度+-5%RH、温度+-2、分 辨 率: 湿度1%RH， 温度1、互 换 性: 可完全互换 、长期稳定性: 5、浓度斜度0.6（R300ppm/R100ppmCO）。（四）WiFi部分 1.WiFi的工作原理WIFI的全称是WirelessFidelity，又称为802.11标准，WiFi的工作频段是2.4G通信频段，可以实现基站与终端之间点对点的无线通信，链路层的核心是采用以太网协议，可以实现信息实时传输的寻址和校验。

28、可以实现通信的距离从几十米到两、三百米的多设备的无线组网。事实上WIFI是一个高频无线电信号。无线保真是无线网络通信技术的一个品牌，由Wi-Fi联盟所持有。2. WiFi模块的设置 用电脑连接WiFi模块所形成的无线局域网，打开电脑的运行程序，如图1-5所示。输入cmd进入管理员模式，如图1-6所示。图1-5 打开运行程序 图1-6 进入管理员模式 在管理员模式下输入ipconfig，用来查看当前连接的无线局域网的IP地址，如图1-7、1-8所示。图1-7 管理员模式图1-8 显示IP结果 在浏览器中输入:192.168.11.254，输入用户名和密码：admin/admin，即可登录到模块W

29、EB控制界面，将模块设置为如图1-9所示的形式。图1-9 WiFi模块设置结果二、软件程序设计（一）ZigBee下位机部分 1.Zigbee协议栈 协议定义的是一系列的通信协议标准，通信双方只需要共同按照这一标准进行正常的数据收发；协议栈是协议的具体实现形式，通俗的理解为用代码实现的函数库，以便于开发人员的调试工作。Zigbee的协议分为两个部分，IEEE802.15.4定义了物理层和MAC层的技术规范，Zigbee联盟定义了网络层、安全层和应用层技术规范。Zigbee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供一些应用层API，供用户调试使用。对于统一的协议，但是

30、协议的具体实现方式却是千变万化的，即不同的方式协议栈是有区别的。使用Zigbee协议栈进行开发的基本思路可以概括为一下三点： 用户对于Zigbee无线网络的开发过程就简化为应用层的C语言程序开发，用户不需要深入研究繁杂的Zigbee协议栈； 对于Zigbee无线传感器网络中的数据采集工作，只需要用户在应用层中加入对应传感器的读取函数即可实现； 如果考虑到节能，可以根据数据采集的周期进行设定定时工作模式，定时时间到就唤醒Zigbee的终端节点，终端节点唤醒后，自动采集传感器数据，然后将数据发送给路由器或者直接发送给协调器。 2.Zigbee下位机程序运行框图Zigbee程序由一个主函数和若干个子

31、函数构成的，主函数一般为main（）函数，而且主函数有且仅有一个，它是所有程序的主体。在本次的Zigbee程序的主函数中，实现操作是靠调用子函数和子函数中的命令来实现的。程序运行框图如图2-1所示。灯控制制灯控制开始Zigbee系统初始化是否接收到新数据从接收到的数据中提取命令字判断命令字 SCTSFSSLE灯控制制提取并判断命令字提取并判断命令字提取并判断命令字开窗停止关窗关灯开灯开灯扇关灯扇发送返回指令结束0X31310X33310X32310X30310X31310X30310X3131图2-1 Zigbee程序运行框图 （二）Android上位机部分 1.上位机介绍上位机控制软件是基于

32、JAVA开发和调试，上位机控制软件无线局域网与路由器连接，路由器再通过串口的方式与ZigBee协调器节点进行通信。由ZigBee协调器节点对控制终端的节点进行信息传输。上位机控制软件的图表及界面见图2-2、图2-3。图2-2 Android上位机图2-3 Android上位机界面 2.代码概述从上图可以看出，界面中的控件是可以实现自适应，在AndroidMainfest.xml文件下面这段程序是使上位机界面自适应的程序段。 （三） PC端上位机部分1.上位机简介PC端上位机采用C+编写主要功能有连接路由器、建立TCP服务器、连接ZigBee设备转发数据、显示收到的数据和绘制波形。上位机控制软件

33、的图表及界面见图2-4、图2-5。2.代码概述图2-4 PC端上位机图标图2-5 PC端上位机界面参考文献1 瞿雷，胡咸斌. zigbee技术及应用. 北京：北京航空航天大学出版社；2 李文仲，段朝玉. ZigBee无线网络技术入门与实战. 北京：北京航空航天大学出版社；3（美国）Reto Meier. 译者：佘建伟，赵凯. Android4高级编程（第三版）. 北京：清华大学出版社；4 王小强. ZigBee无线传感器网络设计与实现. 北京： 化学工业出版社；5 纪晴，段培永，李连防. 基于 ZigBee 无线传感器网络的智能家居系统. 计算机工程与设计；6 李兴花. Android开发实战经典. 北京：清华大学出版社；7 李文仲. ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践. 北京：北京航空航天大学出版社；8 张齐.杜群贵. 单片机应用系统设计技术- 基于C语言编程. 北京：电子工业出版社9 韩超.梁泉. Android系统原理及开发要点详解. 北京：电子工业出版社15