基于物联网的智能家居系统
基于物联网的智能家居系统[20191215144517]
本文详细探讨了在物联网这个大框架下的智能家居系统，重点研究和讨论并完成了Android端移动平台监控软件的设计和实现。通过对Android应用程序的开发，完成了智能终端软件的设计，实现了基于Android这个平台的智能家居系统软件部分的设计。本文较全面和细致地研究了智能家居系统及其相关技术的有关问题，提出了基于Android移动平台的智能家居系统监控软件的总体设计思路并进行了模块化设计，在Android 4.2版本平台下使用Android系统的专用开发工具完成了系统的程序设计。所设计的系统具有一定实用性，其架构具有一定的借鉴意义，为该类系统软件的设计提供可参考的方案。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:Android;物联网;智能家居;监控
目 录
摘 要 I
ABSTRACT I
目 录 I
第1章 绪论 1
1.1 设计背景 1
1.2 国内外研究现状综述 2
1.3 设计特点 2
1.4 本论文设计功能概述 4
1.4.1智能家居监控端的硬件 4
1.4.2 Android应用程序 4
第2章 相关技术及开发工具简介 5
2.1 Java语言简介 5
2.1.1 Java技术的特点 5
2.2 Android系统简介 6
2.3 Java及Android开发工具简介 7
2.3.1 Eclipse集成开发环境 8
2.3.2 Android SDK 9
2.3.3 Android ADT 9
第3章 PC端服务器设计 10
3.1 设计概述 10
3.1.1 研究目标 10
3.1.2 需求分析 10
3.2 PC端串口通信程序 10
3.2.1 串口编程的原理 10
3.2.2 串口通信协议 13
3.3 PC端服务器程序设计 16
3.3.1 Socket与ServerSocket区别 16
3.3.2 代码实现基本原理 18
第4章 基于Android的手机软件设计 20
4.1 设计概述 20
4.1.1 研究目标 20
4.1.2 需求分析 20
4.2 Android开发环境的搭建 20
4.3 基于TCP/IP协议的WiFi通信设计 22
4.3.1 TCP/IP协议简介 22
4.3.2 数据包的解析 23
4.3.3 TCP/IP发送及接收程序设计 23
4.3.4 热点的配置 25
4.4 数据接收程序设计 26
4.5 系统架构及界面设计 27
4.5.1 系统程序结构及功能 27
4.5.2 程序界面设计 28
4.5.3 折线图的实现 30
第5章 总结与展望 36
5.1总结 36
5.2展望 36
致谢 38
参考文献 39
附录 41
文献翻译 41
第1章 绪论
1.1 设计背景
近年来,其他厂商已经无法阻止Android手机的崛起,而至今年Android手机已占据全球智能机市场80%的份额，并在亚州市场占据主导地位，在我国更是接近60%，先后终结了塞班系统和苹果的IOS系统的霸主地位，一跃成为全球第一的移动操作系统，我相信在今后相当长的一段时间内Android将得到更加广泛的普及和发展。对于Android手机的应用软件，目前主流的应用软件非常多，并且现在Android的最高版本为4.4.2，其优点相比于苹果的IOS系统有过之而无不及，今后的发展一定相当乐观。而且开发者大多采用Java语言编写Android应用程序，其跨平台的特点和面向对象的特征，不管是从界面UI上面还是从性能特点上来讲，都能更方便更强大地满足用户的高要求。根据对其发展趋势的良好预估，本课题也值得去研究。另一方面，物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其概念一经提出就在市场上非常热门，它在各个领域技术上的广泛应用以及对智能信息处理的能力并且凭借对物体实施智能的控制的特点已然成为下一个推动世界高速发展的重要生产力之一，具有的节约成本提高经济效益等优势更可以加快全球经济复苏的脚步。不仅如此，智能家居是一种新型居住环境，其以个人住所为平台安装有智能家居系统，实现家庭生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。以住宅为平台，利用综合布线技术和网络通信技术和智能家居系统设计方案安全防范技术，再加上自动控制技术和音视频技术将与家居日常生活有关的设施进行整合，构建具有高效率的住宅设施与日程事务的信息管理系统，提升家居安全性和便利性和舒适性以及艺术性，并打造节能环保高效智能的居住环境。如此高端热门且发展趋势十分乐观的三种产品——Android手机、物联网以及智能家居相结合而产生的该课题《基于物联网的智能家居系统——Android端监控终端软件设计》必将广泛应用在今后的实际生活中。
1.2 国内外研究现状综述
智能家居系统的概念上世纪70年代的美国被提出，随后即被传播到欧洲、日本等国家并且得到了良好的发展。然而在我国，智能家居系统推广较晚，大约在90年代末智能化系统才得以进入国内市场，但是发展速度令人惊讶，目前已存在大量的配备有智能化系统的小区及住宅。
另一方面，国外对于物联网的研究也比国内要早，在技术层面也比较成熟，很早之前美国的施乐公司就在售货机上应用了这一技术，到了今天美国仍然有很多大学在物联网这一领域的研究上投入了大量的工作。同时很多国外的知名企业都进行了物联网技术方面的研究。与之相比，国内方面在物联网技术上的研究相对滞后，然而也在硬件和软件等领域取得了一定的突破。
谈及Android手机的市场，Android智能手机在国内也是越来越高端，像轰动一时的小米手机、与之匹敌的魅族手机、以及刚刚发布的锤子手机，把中国Android手机市场推向高潮。当然，伴随着手机硬件兴起的浪潮，无论是游戏还是应用等软件设计也一定会越来越得到大家的关注，小到每个程序员自身大到世界五百强的软件公司，Android手机软件都必然会在全球掀起一股新的浪潮。
1.3 设计特点
智能家居监控系统主要由两个部分组成：节点信息采集与传输子系统和终端信息处理与控制子系统。节点信息采集与传输子系统是搭建在ZigBee协议的基础之上，这一子系统的主要任务是采集相关节点信息并将其传输到终端信息处理与控制子系统当中。与此同时，节点信息采集与传输子系统需要及时的响应并处理来自信息处理与控制子系统的各种命令。终端信息处理与控制子系统是基于Android智能平台的，它需要把来自信息采集与传输子系统的相关信息实时地显示给用户，并将用户的控制操作转换成相关的用户命令并反馈回底层系统。智能家居监控系统的整体构架如图1.1所示。
图1.1 智能家居监控系统整体结构
节点信息采集与传输子系统的软件系统设计是基于OSAL操作系统的。通过OSAL操作系统的调度下来完成相应的用户任务和ZDO等ZigBee系统任务，它采用基于优先级的调度机制，用户任务享有最低的优先级。终端信息处理与控制子系统软件部分的主体是Android应用程序。该Android应用程序实时地显示节点采集的信息并及时响应用户的操作，反馈回底层系统。Android应用程序的运行需要底层Linux硬件驱动等的支持。本子系统的软件架构如图1.2所示。
图1.2 信息处理与控制子系统软件架构
1.4 本论文设计功能概述
本课题完成了基于Android平台的手机软件设计，以及PC端服务器接受和发送数据的设计。用java语言完成了一款能够在Android平台的手机上运行的监控终端软件，通过WiFi连接PC端服务器，接收中继网关发送的温度和光强等数据，并在手机屏幕上实时显示并反馈相应操作。
1.4.1智能家居监控端的硬件
智能家居系统底层硬件部分可分为节点信息采集端口、节点信息接收和传输端口。该系统是基于射频单片机CC2530的硬件开发平台进行设计的。CC2530内部高度集成了行业里面相对领先的射频收发器元件以及丰富的片内外设和强大的ＤＭＡ控制器。该射频收发器的性能指标大大优于IEEE 802.15.4标准所规定的要求。丰富的片内外设，如AES协处理器、CSP协处理器和SPI等通信接口，为各式各样的基于ZigBee、6LoWPAN 和RF4CF等协议的相关应用提供了强有力的支持。在被监控的场所如小区、住宅等地区安装好该系统，通过温度、光强传感器采集当前信息，并通过无线传输的方式发送给中继网关。
中继网关负责节点信息的接收与传输，主要是通过串口将采集到的数据发送到PC端服务器，让PC端服务器进行数据处理和编码，最后把数据发送到Android 手机上。同时该模块也要通过WiFi模块与Android手机进行通信，能接受Android手机反馈回来的相关操作命令。
1.4.2 Android应用程序
该模块主要是在基于Android平台的手机系统上运行，用来接收监控端发送过来的数据，把实时的温度、光强等信息直观明了简单的以折线图的形式显示在该软件上，并且对节点进行反馈操作。该模块采用使用Java语言在MyEclipse集成开发软件上进行开发，配备有搭建SDK和ADT的Android模拟器，并且能达到界面美观信息显示方式大方明了。
第2章 相关技术及开发工具简介
2.1 Java语言简介
Java是一种简单的，跨平台的，面向对象的，分布式的，结构的，可移植的，性能很优异的，多线程的，动态的语言。当1995年Sun Microsystems推出Java语言之后，全世界的开发人员的都被这个新出现的神奇的语言所吸引。由于Java语言具有很多优点，比如优异的通用性、高效性、平台可移植性和安全性等特点，它被广泛应用于很多方面，包括个人计算机、大型数据中心、科学超级计算机、移动电话和互联网等平台中。本论文中实现的Android端监控终端软件就是基于Java技术编写的，因此，我会在本章对Java相关技术进行一个介绍。
2.1.1 Java技术的特点
Java是一种新型编程语言，应用范围非常广泛，相比较于其他编程语言，它有很多优点。具体体现在以下几个方面:
(1)封装
Java是一种面向对象的语言，它具有一种封装特性，那就是将具有相同特征的事物封装成为一个类，用Private将在类中所有的成员变量定义成私有的，要想通过其他类获取或者改变该类中的成员变量，则必须调用该类的Get和Set方法。通过这样的方法，就可以将一个类封装成一个独立的事物，这对程序代码的维护有很大好处。
(2)继承
顾名思义，继承在Java中的意思就是，当建立新类时，使用已存在的类的定义作为基础，新类可以使用父类的功能，也可以根据需求增加新的数据或新的功能，但不可以选择性地继承父类中的一部分功能。这种技术使得程序员能够非常容易地复用以前的代码，大大缩短开发周期，从而降低开发费用。
本文详细探讨了在物联网这个大框架下的智能家居系统，重点研究和讨论并完成了Android端移动平台监控软件的设计和实现。通过对Android应用程序的开发，完成了智能终端软件的设计，实现了基于Android这个平台的智能家居系统软件部分的设计。本文较全面和细致地研究了智能家居系统及其相关技术的有关问题，提出了基于Android移动平台的智能家居系统监控软件的总体设计思路并进行了模块化设计，在Android 4.2版本平台下使用Android系统的专用开发工具完成了系统的程序设计。所设计的系统具有一定实用性，其架构具有一定的借鉴意义，为该类系统软件的设计提供可参考的方案。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:Android;物联网;智能家居;监控
目 录
摘 要 I
ABSTRACT I
目 录 I
第1章 绪论 1
1.1 设计背景 1
1.2 国内外研究现状综述 2
1.3 设计特点 2
1.4 本论文设计功能概述 4
1.4.1智能家居监控端的硬件 4
1.4.2 Android应用程序 4
第2章 相关技术及开发工具简介 5
2.1 Java语言简介 5
2.1.1 Java技术的特点 5
2.2 Android系统简介 6
2.3 Java及Android开发工具简介 7
2.3.1 Eclipse集成开发环境 8
2.3.2 Android SDK 9
2.3.3 Android ADT 9
第3章 PC端服务器设计 10
3.1 设计概述 10
3.1.1 研究目标 10
3.1.2 需求分析 10
3.2 PC端串口通信程序 10
3.2.1 串口编程的原理 10
3.2.2 串口通信协议 13
3.3 PC端服务器程序设计 16
3.3.1 Socket与ServerSocket区别 16
3.3.2 代码实现基本原理 18
第4章 基于Android的手机软件设计 20
4.1 设计概述 20
4.1.1 研究目标 20
4.1.2 需求分析 20
4.2 Android开发环境的搭建 20
4.3 基于TCP/IP协议的WiFi通信设计 22
4.3.1 TCP/IP协议简介 22
4.3.2 数据包的解析 23
4.3.3 TCP/IP发送及接收程序设计 23
4.3.4 热点的配置 25
4.4 数据接收程序设计 26
4.5 系统架构及界面设计 27
4.5.1 系统程序结构及功能 27
4.5.2 程序界面设计 28
4.5.3 折线图的实现 30
第5章 总结与展望 36
5.1总结 36
5.2展望 36
致谢 38
参考文献 39
附录 41
文献翻译 41
第1章 绪论
1.1 设计背景
近年来,其他厂商已经无法阻止Android手机的崛起,而至今年Android手机已占据全球智能机市场80%的份额，并在亚州市场占据主导地位，在我国更是接近60%，先后终结了塞班系统和苹果的IOS系统的霸主地位，一跃成为全球第一的移动操作系统，我相信在今后相当长的一段时间内Android将得到更加广泛的普及和发展。对于Android手机的应用软件，目前主流的应用软件非常多，并且现在Android的最高版本为4.4.2，其优点相比于苹果的IOS系统有过之而无不及，今后的发展一定相当乐观。而且开发者大多采用Java语言编写Android应用程序，其跨平台的特点和面向对象的特征，不管是从界面UI上面还是从性能特点上来讲，都能更方便更强大地满足用户的高要求。根据对其发展趋势的良好预估，本课题也值得去研究。另一方面，物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其概念一经提出就在市场上非常热门，它在各个领域技术上的广泛应用以及对智能信息处理的能力并且凭借对物体实施智能的控制的特点已然成为下一个推动世界高速发展的重要生产力之一，具有的节约成本提高经济效益等优势更可以加快全球经济复苏的脚步。不仅如此，智能家居是一种新型居住环境，其以个人住所为平台安装有智能家居系统，实现家庭生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。以住宅为平台，利用综合布线技术和网络通信技术和智能家居系统设计方案安全防范技术，再加上自动控制技术和音视频技术将与家居日常生活有关的设施进行整合，构建具有高效率的住宅设施与日程事务的信息管理系统，提升家居安全性和便利性和舒适性以及艺术性，并打造节能环保高效智能的居住环境。如此高端热门且发展趋势十分乐观的三种产品——Android手机、物联网以及智能家居相结合而产生的该课题《基于物联网的智能家居系统——Android端监控终端软件设计》必将广泛应用在今后的实际生活中。
1.2 国内外研究现状综述
智能家居系统的概念上世纪70年代的美国被提出，随后即被传播到欧洲、日本等国家并且得到了良好的发展。然而在我国，智能家居系统推广较晚，大约在90年代末智能化系统才得以进入国内市场，但是发展速度令人惊讶，目前已存在大量的配备有智能化系统的小区及住宅。
另一方面，国外对于物联网的研究也比国内要早，在技术层面也比较成熟，很早之前美国的施乐公司就在售货机上应用了这一技术，到了今天美国仍然有很多大学在物联网这一领域的研究上投入了大量的工作。同时很多国外的知名企业都进行了物联网技术方面的研究。与之相比，国内方面在物联网技术上的研究相对滞后，然而也在硬件和软件等领域取得了一定的突破。
谈及Android手机的市场，Android智能手机在国内也是越来越高端，像轰动一时的小米手机、与之匹敌的魅族手机、以及刚刚发布的锤子手机，把中国Android手机市场推向高潮。当然，伴随着手机硬件兴起的浪潮，无论是游戏还是应用等软件设计也一定会越来越得到大家的关注，小到每个程序员自身大到世界五百强的软件公司，Android手机软件都必然会在全球掀起一股新的浪潮。
1.3 设计特点
智能家居监控系统主要由两个部分组成：节点信息采集与传输子系统和终端信息处理与控制子系统。节点信息采集与传输子系统是搭建在ZigBee协议的基础之上，这一子系统的主要任务是采集相关节点信息并将其传输到终端信息处理与控制子系统当中。与此同时，节点信息采集与传输子系统需要及时的响应并处理来自信息处理与控制子系统的各种命令。终端信息处理与控制子系统是基于Android智能平台的，它需要把来自信息采集与传输子系统的相关信息实时地显示给用户，并将用户的控制操作转换成相关的用户命令并反馈回底层系统。智能家居监控系统的整体构架如图1.1所示。
图1.1 智能家居监控系统整体结构
节点信息采集与传输子系统的软件系统设计是基于OSAL操作系统的。通过OSAL操作系统的调度下来完成相应的用户任务和ZDO等ZigBee系统任务，它采用基于优先级的调度机制，用户任务享有最低的优先级。终端信息处理与控制子系统软件部分的主体是Android应用程序。该Android应用程序实时地显示节点采集的信息并及时响应用户的操作，反馈回底层系统。Android应用程序的运行需要底层Linux硬件驱动等的支持。本子系统的软件架构如图1.2所示。
图1.2 信息处理与控制子系统软件架构
1.4 本论文设计功能概述
本课题完成了基于Android平台的手机软件设计，以及PC端服务器接受和发送数据的设计。用java语言完成了一款能够在Android平台的手机上运行的监控终端软件，通过WiFi连接PC端服务器，接收中继网关发送的温度和光强等数据，并在手机屏幕上实时显示并反馈相应操作。
1.4.1智能家居监控端的硬件
智能家居系统底层硬件部分可分为节点信息采集端口、节点信息接收和传输端口。该系统是基于射频单片机CC2530的硬件开发平台进行设计的。CC2530内部高度集成了行业里面相对领先的射频收发器元件以及丰富的片内外设和强大的ＤＭＡ控制器。该射频收发器的性能指标大大优于IEEE 802.15.4标准所规定的要求。丰富的片内外设，如AES协处理器、CSP协处理器和SPI等通信接口，为各式各样的基于ZigBee、6LoWPAN 和RF4CF等协议的相关应用提供了强有力的支持。在被监控的场所如小区、住宅等地区安装好该系统，通过温度、光强传感器采集当前信息，并通过无线传输的方式发送给中继网关。
中继网关负责节点信息的接收与传输，主要是通过串口将采集到的数据发送到PC端服务器，让PC端服务器进行数据处理和编码，最后把数据发送到Android 手机上。同时该模块也要通过WiFi模块与Android手机进行通信，能接受Android手机反馈回来的相关操作命令。
1.4.2 Android应用程序
该模块主要是在基于Android平台的手机系统上运行，用来接收监控端发送过来的数据，把实时的温度、光强等信息直观明了简单的以折线图的形式显示在该软件上，并且对节点进行反馈操作。该模块采用使用Java语言在MyEclipse集成开发软件上进行开发，配备有搭建SDK和ADT的Android模拟器，并且能达到界面美观信息显示方式大方明了。
第2章 相关技术及开发工具简介
2.1 Java语言简介
Java是一种简单的，跨平台的，面向对象的，分布式的，结构的，可移植的，性能很优异的，多线程的，动态的语言。当1995年Sun Microsystems推出Java语言之后，全世界的开发人员的都被这个新出现的神奇的语言所吸引。由于Java语言具有很多优点，比如优异的通用性、高效性、平台可移植性和安全性等特点，它被广泛应用于很多方面，包括个人计算机、大型数据中心、科学超级计算机、移动电话和互联网等平台中。本论文中实现的Android端监控终端软件就是基于Java技术编写的，因此，我会在本章对Java相关技术进行一个介绍。
2.1.1 Java技术的特点
Java是一种新型编程语言，应用范围非常广泛，相比较于其他编程语言，它有很多优点。具体体现在以下几个方面:
(1)封装
Java是一种面向对象的语言，它具有一种封装特性，那就是将具有相同特征的事物封装成为一个类，用Private将在类中所有的成员变量定义成私有的，要想通过其他类获取或者改变该类中的成员变量，则必须调用该类的Get和Set方法。通过这样的方法，就可以将一个类封装成一个独立的事物，这对程序代码的维护有很大好处。
(2)继承
顾名思义，继承在Java中的意思就是，当建立新类时，使用已存在的类的定义作为基础，新类可以使用父类的功能，也可以根据需求增加新的数据或新的功能，但不可以选择性地继承父类中的一部分功能。这种技术使得程序员能够非常容易地复用以前的代码，大大缩短开发周期，从而降低开发费用。
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