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你好着泥 & ee &66c,co m处于某状态的导电体，其电动势与产生的电流成正比。因此，电动势与电流的比例，即电阻，不会随着电流而改变。在这里，电动势就是导电体两端的电压。参考这句引述的上下文，修饰语“处于某状态”，诠释为处于常温状态，这是因为物质的电阻率通常相依于温度。根据焦耳定律
严惩不贷意思潢哒 & &5 3 &κ &κ ρ & —— & & C & 〇 &Ⓜzǒu nán chuǎng běi 指走过南方北方不少地方。也泛指闯荡。chì dǎn zhōng xīn 赤：赤诚、真诚；忠：忠诚。形容很忠诚；有时也指非常真诚的心。也作“忠心赤胆”。
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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
分类号：Ｕ Ｄ Ｃ：ＴＰ３９３．０ ００４．４ 编号：ｌＱ２９９Ｓ！！Ｑ塞Ｑ２１＠江薛大擎硕士学位论文基于ＺｉｇＢｅｅ技术和Ａｎｄｒｏｉｄ系统的家居环境 监测报警系统设计与实现Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｈｏｍｅ ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＭｏｎｉｔｏｒ ａｎｄＡｌａｒｍＳｙｓｔｅｍ ＢａｓｅｄｏｎＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｎｄｒｏｉｄ ｏＳ申请学位级别亟±专业名称论文提交日期至Ｑ！垒生垒旦论文答辩日期学位授予单位和日期２Ｑ！垒生垒县 至Ｑ！垒生垒旦江菱太堂答辩委员会主席 评阅人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．ｆＩ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ｆ ｏ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Ａｎｄｒｏｉｄ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ＺｉｇＢｅｅ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ＺｉｇＢｅｅ技术和Ａｎｄｒｏｉｄ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Ａｎ（ｈＤｉｄ系统，可灵活使用３Ｇ或Ｗｉ―Ｆｉ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ＣＣ２５３０芯片为核心开发了协调器节点，将ＣＣ２５３０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．Ｓｔａｃｋ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ＯＭＡＰ３５３０处理器为核心并连接有ＷＣＤＭＡ模块、Ｗｉ．Ｆｉ模块、 ＺｉｇＢｅｅ协调器的家居网关硬件结构，并对网关进行了Ａｎｄｒｏｉｄ系统的移植。 再次，采用Ｈａｎｄｌｅｒ消息机制和ＭＶＣ设计模式开发了家居网关应用程序，它具有 Ｚ远Ｂｅｅ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：ＺｉｇＢｅｅ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Ａｎｄｒｏｉｄ平台，具有较高的推广应用价值。关键字：ｚｉｇＢｅｅ，Ａｎｄｒｏｉｄ，家居环境，监测，报警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ＩＩ江苏大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＷｉｍｍｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｌｌｄ ｔｅｃｈＩｌｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔ１１ｅ ｉｎｌｐｒｏＶｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｉＶｉｎｇｐａｙ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｍｅ Ｃｏｍｆｏｒｔ ａ１１ｄ ｍｅ ｓａｆ．ｅｔｙ ｏｆ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｎｖ曲ｎｍｅｎｔ，ｐｅｏｐｌｅｅＩｌｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． ＭｏＩｌｉｔｏｒｉｎｇｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｎＶｉｒｏＩｌｍｅＩｌｔ ａｎｙｔｉｍｅａｎｄａＩｌｐ儿ｅｒｅａｎｄｆｉｎｄｉｎｇｓｅｃ嘶ｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓｔｉｍｅｌｙ ａｎｄ ｑｕｉ６ｌ（１ｙ ｈａｖｅ ｂｅｃｏｍｅ ｔ１１ｅ ｕｒｇｅｎｔ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｏｐｌｅ．Ｔｈｅ ｔｒａＬｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｏｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ｔｌｌｅ ｃｌｉｅＩｌｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ａｎｄａｌａｍｓｙｓｔｅｍｓ ｈａｄ也ｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｕｃｈｗａｓ ｓｉＩｌｇｌｅ ａｎｄｓｏａｓｔｈｅｇａｔＩ刑ａｙａＩｌｄｕＩｌｉｆｉｅｄ，ａｌ锄皿ｍｏｄｅｍｕｌｔｉ－ｎｅ觚ｏｒｋ’ｓａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉ哆ｉｎｔｅ争ａｔｉｏｎｗｅｒｅ ｎｏｔ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｗｅｌｌｃｎｏｕ曲ａＩｌｄｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｈｏｗ ｔｏ ｓｏｌＶｅ ｍｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ ｈａＳ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅ鲫ｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｃｌｏｐｍｅｎｔ ｆ．ｏＣｕｓ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅｓ ｕｓｉｎｇ Ａｎｄｌ．ｏｉｄ ＯＳ ｗｈｏｓｅ ａｒ６ｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ＵＩ ｉｓ衔ｅｎｄｌｙｈａｖｅ ｂｅｅｌｌｗｉｄｅｌｙ印ｐｌｉｅｄ，ａ１１ｄｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕＩｌｉｃ撕ｏｎ ｔｅＣｈｎｏｌｏｇｙ．Ｚｉ曲ｅｅ、池ｏｓｅｃｈａｒａｃｔＩ耐ｓｔｉｃｉｓ １０ｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａ１１ｄ ｌｏｗ ａｎｄ ｉｎｔｅＵｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒ０１ ｉｎ ｍａｎｙｃｏｍｐｌｅｘ时ｅｔｃ．ｐａｌｙｅｄ ｋｅｙ ｒ０１ｅｓ ｉｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄｉＩｌｆｏｎｎａｔｉｏｎ ａｗａｒｅｎｅｓｓｃｏｎｌ∞１Ｔｌｌｉｓｐ印ｅｒａｎａｌ），ｚｅｄ ｍｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅｉＩｌｆＩｏｍａｔｉｏｎａｗａｒｅＩｌｅｓｓｎｅ觚ｏｒｋｏｆ ｈｏｕｓｃｈ０１ｄ，ｔｈｅｅｘｔ锄ａｌ仃ａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｎｅｔｗｏｆｋ，也ｅｏｎｓｏ胁ａｒｅｓｏｆ ｈｏｍｅ ｇａｔｅｗａｙ ａ１１ｄａｕｓｅｒ’ｓｔｅｍ缅ａ１．Ｔｈｅｎ，ａＪｌａｌｙｚｅｄ ｍｅ ｕｓｅｒｓ’ｎｅｅｄ．Ｂａｓｅｄ ａｎｄｔｈｅｓｅ 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０ＳＡＬ任务处理机制……………………………………………………………９２．２Ａｎｄｒｏｉｄ系统及应用程序……………………………………………………………一１ Ｏ２．２．１ ２．２．２Ａｎｄｒｏｉｄ系统架构………………………………………………………………１ＯＡｎｄｒｏｉｄ应用程序开发组件……………………………………………………１１２．３本章小结………………………………………………………………………………．１２第三章系统整体架构与设计方案………………………………………………………………１３３．１系统设计方案…………………………………………………………………………１３ ３．１．１功能需求………………………………………………………………………１３ ３．１．２总体结构设计…………………………………………………………………．１４ ３．１．３主要功能及实现方案…………………………………………………………１４ ３．２系统的硬件结构设计…………………………………………………………………１ ７ ３．２．１家居网络节点设计……………………………………………………………１７ ３．２．２家居网关设计…………………………………………………………………１９Ｖ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 ３．３本章小结………………………………………………………………………………１ ９第四章家居传感网络设计与实现………………………………………………………………２０４．１节点软件开发…………………………………………………………………………２０ ４．１．１开发方案………………………………………………………………………２０ ４．１．２开发流程………………………………………………………………………２ｌ ４．２数据采集节点…………………………………………………………………………２６ ４．２．１温度数据采集…………………………………………………………………．２６ ４．２．２人体入侵监测…………………………………………………………………．２８ ４．２．３可燃气体监测…………………………………………………………………．２９ ４．３协调器通信设计………………………………………………………………………３０ ４．３．１命令及参数设置………………………………………………………………３１ ４．３．２设备参数设置…………………………………………………………………３３ ４．３．３串口通信数据格式……………………………………………………………３４ ４．３．４协调器数据处理………………………………………………………………３６ ４．４本章小结………………………………………………………………………………３６第五章Ａｎｄｒｏｉｄ移植与软件开发环境设计……………………………………………………３７５．１Ａｎｄｒｏｉｄ系统移植……………………………………………………………………一３７５．２软件开发环境…………………………………………………………………………４２ ５．３本章小结………………………………………………………………………………４３第六章系统实现………………………………………………………………………………………．４４６．１应用程序………………………………………………………………………………４４ ６．１．１消息机制………………………………………………………………………４４６．１．２ＭＶＣ设计模式…………………．．．．……………………………………………４５６．２功能设计与实现………………………………………………………………………４６ ６．２．１用户登录………………………………………………………………………４７ ６．２．２设备添加………………………………………………………………………４９６．２．３ＺｉｇＢｅｅ网络信息显示…………………………………………………………．４９６．２．４应用界面切换…………………………………………………………………５１ ６．２．５采集数据显示…………………………………………………………………５２ ６．２．６报警功能配置…………………………………………………………………５３ＶＩ江苏大学硕士学位论文６．２．７声音报警处理…………………………………………………………………５４ ６．２．８短消息功能处理………………………………………………………………５５６．２．９Ｓｏｃｋｃｔ网络通信………………………………………………………………～５６６．３系统测试………………………………………………………………………………５７ ６．４本章小结………………………………………………………………………………６１第七章总结与展望………………………………………………………………………………６３７．１工作总结………………………………………………………………………………６３ ７．２工作展望………………………………………………………………………………６４参考文献…………………………………………………………………………………………６５ １自Ｉ［谢…………………………………………………………………………………………………………………………．．６７ 攻读硕士学位期间发表的学术论文……………………………………………………………。６８ＶＩＩ江苏大学硕士学位论文第一章绪论１．１课题研究的背景和意义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。２００５年１１月国际电信联盟（ＩＴＵ）发布题为《ＩＴＵ２００５．ｔｈｅＩｎｔ锄ｅｔ ｒ印ｏｒｔｓＩｎｔ锄ｅｔ ｏｆＴｌｌｉｎｇｓ》的报告，提出“物联网”的概念，引起了世界各国的广泛关注【１１。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【２１。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ＩＢＭ于２００８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２００９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，３Ｇ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３Ｇ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，３Ｇ网络能够为物联网信息传送提供更好的平刽４】［５］。ｗｉ．Ｆｉ㈣ｒｅｌｅｓｓ Ｆｉｄｅｌｉ啪作为一种新的短距离无线传输技术，它有助于改善采用ＩＥＥＥ ８０２．１１标准的无线网络产品间的连通性，其２．４ＧＨｚ频段运用ＤＳＳＳ技术，最大 传输速率可达１１Ｍｂｐｓ，普遍ＡＰ发射功率在１００ｍＷ和５００ｍＷ，有效信号可覆盖５０米到３００米范卧６１。Ａｎｄｒｏｉｄ是谷歌公司在２００７年１１月推出的基于Ｉｊｍｌ】【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、 ＵＩ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０Ｓ软件。该手机操作系统自面市以来，得到众多企业大力支持――ＳＡＭＳＵＮＧ、ＨＴＣ、ＨＵＡｗＥＩ、ｚＴＥ 等手机厂家生产出大量款型的Ａｎ（ｈｉｄ智能手机。２０１０年末的数据显示：自推出后仅仅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两年，Ａｎｄｒｏｉｄ ＯＳ在市场占有率上就超越称霸十几年的ＳｙｍｂｉａＩｌ ０Ｓ。现在看来，Ａｎｄｒｏｉｄ 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ＺｉｇＢｅｅ技术和Ａｎｄｒｏｉｄ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３Ｇ或Ｗｉ．Ｆｉ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３Ｇ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、ＩＩｌｔｅｌ、ＩＢＭ、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ＶＩＴＹ、意大利Ｄａｄａ Ｈｏｍｅ、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一１０系统和德国 的ＥＩＢ系统还有新加坡推出的８Ｘ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―Ｈｏｍｅ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－ｈｏｍｅ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３Ｃ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．１０技术、ＰＬＣ．ＢＵＳ技术、基 于双绞线的ＲＳ．４８５／ＣＡＮ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 ＺｉｇＢｅｅ、蓝牙、红外等搭建的信息感知网则能避免这些不足。其中，ＺｉｇＢｅｅ与Ｂ１ｕｅ－ｔｏｏｔｌｌ 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。ⅢＥＥ ８０２．１５工作组和ＺｉｇＢｅｅ联盟等研发团体对ＺｉｇＢｅｅ技术 做了深入研究，并制定出了ＺｉｇＢｅｅ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ＺｉｇＢｅｅ协议栈的芯片，如ＴＩ公司开发出的８０５１内 核的芯片ＣＣ２５３０能够嵌入ＺｉｇＢｅｅ协议，这有效推动了ＺｉｇＢｅｅ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ＺｉｇＢｅｅ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 ＺｉｇＢｅｅ节点控制程序分别烧写进ＴＩ公司的ＣＣ２５３０芯片、ＳＴ公司ＳＴＭ３２芯片，在各 节点的协调配合下，实现了ＺｉｇＢｅｅ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３Ｇ、Ｗｉ．Ｆｉ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３Ｇ、、矾．Ｆｉ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Ｗｉ．Ｆｉ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１０］。探索３Ｇ和Ｗｉ．Ｆｉ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［１１】采用ＺＴＥ公司的ＴＭ５００ ３Ｇ模块将网关接入３Ｇ网络并给气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出了移动信息监测方案。文献［１２］采用ＭＣ３５ｉ ＧＳＭ／ＧＰＲＳ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ＰＣ平台运行，通过ＴＣＰ艘协议的ｈｌｔｅｍｅｔ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Ｌｉｎｕｘ、Ｗ协ｄｏｗｓ ＣＥ、Ａｎ（ｈＤｉｄ等，而宿主机ＯＳ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Ｌｉｎｕｘ和ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ出现较早，已得到长期的研究和应用。如文献［１３］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Ｌｉｎｕｘ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３Ｇ和ｗｉ．Ｆｉ网络访问的Ａｎｄｒｏｉｄ智能手机。嵌入式网关选用Ａｎｄｒｏｉｄ系统相比嵌入式Ｌｉｎｕｘ或Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ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【１４］网关采用ＰＣ平台运行Ｊａｖａ语言开发的服务端程序， 基于Ｃ／Ｓ模式的Ａｎｄｒｏｉｄ手机终端控制程序实现了远程控制和访问功能。 现在随着Ａｎｄｒｏｉｄ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Ａｎｄｒｏｉｄ ＯＳ的家居监控报警系统相比传统的基于Ｌｉｎｕｘ 或Ｗｌｌｌｄｏｗｓ ＣＥ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ＺｉｇＢｅｅ技术、Ａｎｄｒｏｉｄ开发技术与嵌入式技术、３Ｇ和Ｗｉ．Ｆｉ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ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准的ＺｉｇＢｅｅ协议作了研究，包括有：ＺｉｇＢｅｅ技术特 点、ＺｉｇＢｅｅ协议的体系结构，Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈采用的０ＳＡＬ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．Ｓｔａｃｋ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Ａｎｄｒｏｉｄ系统架构、Ａｎｄｒｏｉｄ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ＭＶＣ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ＯＭＡＰ３５３０处理器及与之连接的外部功能设备，如Ｗｉ．Ｆｉ模块、３Ｇ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ＯＭＡＰ３５３０处理器网关 Ａｎｄｒｏｉｄ系统的移植，对“ｎｕ）【的底层驱动做了研究。最后，分析研究了３Ｇ和Ｗｉ．Ｆｉ通信技术的特点和ｓｏＣｋｅｔ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ＺｉｇＢｅｅ技术特点、ＺｉｇＢｅｅ技术 的体系结构、Ｚ．ＳｔａＣｋ协议栈ＯＳＡＬ任务处理机制和Ａｎｄｒｏｉｄ系统的架构、Ａｎｄｒｏｉｄ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ｚｉｇＢｅｅ技术和Ａｎｄｒｏｉｄ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ＺｉｇＢｅｅ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ＯＭＡＰ３５３０处理器为核心的网关进行了Ａｎｄｒｏｉｄ系统的移植，重点介 绍了各主要模块包括３Ｇ、Ｗｉ．Ｆｉ、声卡模块的驱动配置；接着搭建了Ａｎｄｒｏｉｄ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Ｈａｎｄｌｅｒ消息机制和ＭＶＣ设计模型分别做 了介绍。然后对ＺｉｇＢｅｅ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ｓｏｃｋｅｔ 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第二章相关技术研究２．１ＺｉｇＢｅｅ技术综述ＺｉｇＢｅｅ是一种以ＩＥＥＥ ８０２．１５．４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［１５】。红外、蓝牙、Ｗｉ．Ｆｉ和ＺｉｇＢｅｅ ４种短距离无线通信方式的比较如表２．１所示。ＺｉｇＢｅｅ 拥有在全球流行的２．４ＧＨｚ、常见于欧洲的８６８ＭＨｚ和美国流行使用的９１５ＭＨｚ三个频 段，这三个频段分别能提供最高为２５０ｋｂ州ｓ、２０ｋｂｉｔ／ｓ和４０ｋｂｉｔ／ｓ的数据传输速率，它能 够在１０．１００ｍ的有效范围内进行通信。ＺｉｇＢｅｅ可提供丰富而便捷的应用，内置ＺｉｇＢｅｅ 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。ＺｉｇＢｅｅ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 工作频段 传输速率 传输距离 发射功率 最大连接数８５０．９００ｍ：Ｉｌ蓝牙２．４ＧＨｚⅥ珏．ＦｉｚｉｇＢｅｅ２．４／５ＧＨｚ８６８Ｍ旺｛衫９ １５ＭＨｚ／２．４ＧＨｚ１．５／４／１６Ｍｂｐｌｍ１Ｍｂｐｓ１０ｍｌ１－５４Ｍｂｐｓ２０／４０／２５０ｋｂｐｓ５０．３００ｍ１０．１００ｍ１．１０ｍＷ２１．１００ＩｈＷ７１ ００．５００ｍＷ１．３ｍＷ２５５／６５５３５３２２．１．１ＺｉｇＢｅｅ协议的体系结构ＺｉｇＢｅｅ是由ＺｉｇＢｅｅ Ａ１１ｉａｎｃｅ所主导的标准，由它制定了ＺｉｇＢｅｅ网络层（Ｎｅｔ、）ｌ，ｏｒｋＬａｙｅｒ）、安全层（Ｓｅｃ嘶ｔｙ Ｌａｙｅｒ）、应用层（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）的协议标准；而物理层（ＰＨＹ Ｌａｙｅｒ）及媒体存取层（ＭＡＣ Ｌａｙｅｒ）则是直接采用由ｍＥＥ所制定的８０２．１５．４标准。ＺｉｇＢｅｅ协议体系结构如图２．１所示。７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图２．１ ＺｉｇＢｅｅ协议体系结构ＺｉｇＢｅｅ协议体系结构中各相邻层间都有两个服务访问节点ＳＡＰ，一个为数据服务接 入点，另一个为管理实体服务接入点。高协议层通过数据服务接入点与低协议层交互数 据，通过管理实体服务接入点管理低协议层，低协议层通过ＳＡＰ为高协议层提供服务。 层间均通过服务原语进行联系。ＺｉｇＢｅｅ规定了四种类型的原语：Ｒｅｑｕｅｓｔ请求，Ｒｅｓｐｏｎｓｅ响应，Ｃｏｎｆｉｍ确认和ＩＩｌｄｉｃａｔｉｏｎ指示。如图２．２所示。第Ｎ＋１层服务使用者高层协议 同，ｚ：Ｉ＂匕火第Ｎ层 服务提供者：：：：艇确对扣’一囊菱：：；服务入点ＳＡＰ低层协议图２．２ ＺｉｇＢｅｅ协议中的原语与ＳＡＰ示意图请求原语由高层协议先发起，请求底层协议提供某项服务；确认原语是由低层协议 发起，与请求原语相对应，对高层协议的请求作出确认；指示原语由低层协议先发起，指示高层需要处理的一个事件，如收到对等协议层发过来的数据之后，把相关信息传送至高层；响应原语由高层协议发送，与指示原语相对应，对低层协议的指示作出响应。江苏大学硕士学位论文２．１．２ｏｓＡＬ任务处理机制本系统家居传感器网络各设备节点控制程序均是基于Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈的。Ｚ．Ｓｔａｃｋ是ＴＩ推出的采用操作系统思想构建的优秀协议栈‘１６】。为了方便任务管理，Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈 定义了完全构建在应用层之上的ＯＳＡＬ层（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｂｓ仃ａｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ），实现了多任务的资源分配机制。ＯＳＡＬ主要作用是隔离ｚ―Ｓｔａｃｋ协议栈和特定的硬件系统，同时使得Ｚ．Ｓｔａｃｋ能及时处理ＺｉｇＢｅｅ协议规定的各种事件，及时响应ＺｉｇＢｅｅ协议规定的 各种消息和命令。在节点控制程序开发时，无需过多了解具体硬件平台的底层，就可以 利用ＯＳＡＬ提供的丰富工具实现各种功能。 Ｚ．Ｓｔａｃｋ按照任务组的重要程度，对不同的任务组赋予了不同的优先级（Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议 栈任务的优先级如图２．３所示）。Ｚ．Ｓｔａｃｋ的任何一个子系统都作为ＯＳＡＬ的一个任务， 因此在开发应用层的时候，通过创建ＯＳＡＬ任务来运行应用程序。ＯＳＡＬ中任务处理分 为两步：一是任务初始化；二是处理任务事件。高――――――――――――――――――◆ 同――――――――――――――――――――――――――――――――――，低 ｌ氐图２．３ Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈任务优先级各任务事件均被存放于ｔａｓｋｓＥＶｅｎｔｓ［ｔ础Ｄ］数组中，它的每个元素对应着一个任务的所有事件。ＯＳＡＬ按优先级次序循环遍历该任务事件数组来判断事件是否发生，若监测到待处理事件，则取出该任务序号而后ｏｓａｌ一ｓｅＬｅｖｅｎｔ函数将ｔａｓｋｓＥｖｅｎｔｓ［ｔａｓｋＤ］赋值为对应的事件。由于各任务ｔａｓ心Ｄ唯一，于是ｔａｓｋｓＥｖｅｎｔｓ中就可以表示出哪些任务用 于处理事件。ＯＳＡＬ初始化过程中，任务事件数组会被初始化为零，之后开中断并执行ｏｓ止ｓｔ幔ｓｙｓｔｅｍ（）函数，接着开始运行ＯＳＡＬ系统，任务调度函数按优先级顺序轮询监测各个任务是否就绪，若存在就绪的任务则调用函数指针数组ｔ础ｓＡ玎［］中相对应的任务处理函数去处理该事件，直到执行完所有就绪的任务。若没有就绪的任务，处理器将 进入低功耗睡眠状态。主循环函数ｏｓａＬｓ伽Ｌｓｙｓｔｅｍ（）一旦被调度执行，会一直循环下去 而不返回ｍａｉｎ（）函数。９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２．２Ａｎｄｒｏｉｄ系统及应用程序Ａｎｄｒｏｉｄ系统架构２．２．１Ａｎｄｒｏｉｄ系统平台为四层架构，如图２．４所示。分别是：“ｎｕｘ Ｋｅｎｅｌ层、Ｌｉｂｒ耐ｅｓ＆ＡｎｄｒｏｉｄＲ１ｍｔｉｍｅ层、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ层、应用程序Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）层【１７】。下层为上层提供服务，对上也屏蔽了本层及以下层的差异。各层各司其职，并提供有固定的ＳＡＰ。本系统家庭网关移植的Ａｎｄｒｏｉｄ ２．２版本操作系统是基于２．６．３２版本Ｌｉｎｕｘ内核。ＬｉｎｕｘＫｅｒｎｅｌ层将具体硬件细节加以隐藏并提供有进程管理、内存管理、驱动模型等一些基本功能。｝三三三叵二ｉＡＰＰＩ，ＩＣＡＴＩｏＮＳｒ．二：：．二二二二：二＿：二二：：二二：．≯醚运面亟：ｉｉ滋丽６ｉ二二．二＿二：二ＩＩＩ『『二： ｝Ｆ＝―■■■―■Ａｃｔｉｖｉ够 ｗｉｎｄｏｗ ｃｏｍｅｍＮｏｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｌＭａＩｌａｇ吕Ｍ柚ａｇｅｒ｜Ｐｒｏｖｉｄｅｒ｜ｖ１。ｗｓｙｓｔｅｍ｛ＭａＪｌａｇｅｒｌ！ＭａＩｌ篮ｅｒｒ乎哂１―碧丽■广粤丽『］厂零丽ｒ ｌ：Ｍａｌｌ蝗ｅｒ ｌ｜Ｍ锄丝ｅｒ｝Ｉ Ｍａｌｌ墼ｅｒＬｉｂｎｕｒｉｅｓ｛）∞Ｐ ｓ＝蓠 ：二二：：：二二！堕叵叵 ｉ■磊１厂ｉ■ 厂ｉ磊了 亟堕竖翌翌 叵翌匡堕噩？ｉｌ显嚣Ｉ｜Ｆ：戮呔ｉ ｌ｜Ｆｒ锄ｅｗｏｒｋ；ＭａＩｌａｇｅｒｓＧＬ ｓｓＬｌ……ｌ ｓＱ№ｌｌｉｂ。Ａｎ幽．ｏｉｄ Ｒｕｌｌｔｉｍｅｃ。ｒｅＬｉｂｒａｒｉｅｓＩ．。．．．．。．．．―、――。．．。．．。。。．，．．。．．。．．．．．．，，．．．．．。．。．。。．．．．．．．。。Ｊｉ＝二＝二＝＝＝■…＝二＝二＝三…～三＝＝＝＝＝＿ＬｉｌｌｕｘＫｅｍｅｌｉ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．，． ． ． ，． 、． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ｊ图２。４Ａｎ出ｏｉｄ系统架构图Ｌｉｂｒ撕ｅｓ＆Ａｎｄｒｏｉｄ Ｒｕｎｔｉｍｅ层，函数库包含有一套Ｃ／Ｃ＋＋库，Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序中的不同组件均能使用此函数库，该层可为Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｆｒ锄ｅｗｏｒｋ提供服务和支撑，起到 上层和ＬｉｎｕｘＫ锄ｅ１层之间的连通作用。Ａｎｄｒｏｉｄ将每一个Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序视作一个Ｄａｌｖｉｌ【虚拟机实例，每一个应用程序最终都运行在Ａｎｄｒｏｉｄ Ｉ沁ｔｉｍｅ的Ｄａｌｖｉｋ虚拟机中， 都在其所拥有的进程中运行。Ａｎｄｒｏｉｄ Ｒｕｌｌｔｉｍｅ的Ｃｏｒｅ“ｂｒ撕ｅｓ含有ＪａＶａ语言核心库用１ｎ江苏大学硕士学位论文到的大多数ＡＰＩ，主要通过ⅢＩ的方式向Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ提供调用底层程序库的接口。 Ａ１）ｐｌｉｃａｔｉｏｎＦｒ锄ｅｗｏｒｋ即应用程序框架层，在应用程序开发时该层居于核心地位。可通过调用应用程序所使用的ＡＰＩ简化组件的重用，而这些ＡＰＩ的应用也可让开发者更加容易地编写出各种Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序，在生成Ａ砸访ｔｙ显示界面、２Ｄ／３Ｄ图形的绘制、运行后台Ｓｅｒｖｉｃｅ服务，访问系统硬件设备等功能的实现会更为简单。家居网关和用户 端应用程序开发过程中，用到的许多ＡＰＩ均为该层提供，如Ｖｉｃｗ、Ａｃｔｉ讥ｔ）ｒ Ｍａｎａｇｅｒ、ＯｐｅｎＧＬＥＳ等。Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ应用程序层是整个Ａｎｄｒｏｉｄ系统架构的最上面一层，本系统开发的家庭 网关和手机端应用程序就位于该层。２．２．２Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序开发组件一般情况下，各个Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序均拥有Ａｃｔｉｖ埘、Ｓｅｒｖｉｃｅ、Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｐｒｏｖｉｄｅｒ等组件，这些基本功能组件可相互调用、相互配合来完成Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序各项功能的实现。 活动（Ａｃｔｉｖｉｔｙ）是为用户提供的可视化显示界面，它能对用户触发的界面事件做出响 应，是人机交互的接口部分。一个Ａｃｔｉｖｉｔｙ代表了一个单独的屏幕，包括本文所设计的家居网关和用户端应用程序在内的绝大部分Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序采用了多屏多Ａｃｔｉｖ时的设计。在Ａｃｔｉｖｉｔｙ这个可视化区域的屏幕中可添加Ⅵｅｗ，并对Ⅵｅｗ添加进不同的元素，Ⅵｅｗ 可形象地比作为一个ＵＩ（ＵｓｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ，用户界面）容器，其中Ｂ甜ｏｎ、ＴｅｘｔⅥｅｗ、ＥｄｉｔⅥｅｗ、Ｌｉｓｔ等很多ＵＩ元素可在界面设计中被使用。具有多个Ａｃｔｉｖ埘的应用程序会对用户触控动作作出响应，实现屏幕页面的自动切换，每个应用程序被使用时，新屏幕打开后原来屏 幕会被设置成暂停状态，从开始到当前屏幕的页面均会被Ａｎｄｒｏｉｄ压进存储堆栈，而返 回操作又可弹出栈顶屏幕并将其设置为当前可操控屏幕界面。Ａｃｔｉｖｉｔ）ｒ生命周期是由 Ａｎｄｒｏｉｄ系统维护的，Ⅵｅｗ可通过Ａｃｔｉｖｉｔｙ．ｓｅｔＣｏｎｔｅｎｔⅥｅｗ（）方法放入到ＡｃｔｉⅥ够。使用Ⅵｅｗ类与“Ⅺ、，ＩＬ ｌａｙｏｕｔ”设计ＵＩ，由ＸＭＬ来设计１ａｙｏｕｔ，Ⅵｅｗ类的显示很大程度上是从Ｘ】ⅥＬ中读取的。Ａｃｔｉｖ埘中通过ｆｉｎｄⅥｅｗＢｙＩｄ（）来从ＸＭＬ中取得Ⅵｅｗ，Ⅵｅｗ与事件（ｅｖｅｎｔ）通过Ｌｉｓｔｅｎｅｒ紧密联系在一起，需要时可为Ⅵｅｗ注册绑定ｃＶｅｎｔｌｉｓｔｃｎｅｒ。ＳｅⅣｉｃｅ服务组件，它拥有很长的生命周期且在后台运行，所以为不可见、没有界面 的、一般是不需要和用户有交互的一种组件。由于Ｓｅｒｖｉｃｅ是在应用程序的主线程中运行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的，所以它不会对应用到的其他组件和用户界面产生阻塞。Ｓｅｎ，ｉｃｅ与Ａ嘶ｖｉｔｙ一样存在着自己的生命周期。可通过调用ｃｏｎｔ懿ｔ．ｓｔａｒｔＳｅｒｖｉｃｅ（）启用Ｓｅｒｖｉｃｅ，调用ｃｏｎｔｅｘｔ．ｓｔ｛ＤｐＳｅｒｖｉｃｅ（） 会结束该Ｓｅｒｖｉｃｅ，此种启用服务方式中，调用者并没有关联服务，调用者的退出与否， 并不会决断服务的运行，这种方式的应用见于在需要服务常在的系统，仅当关闭事件被 触发后才会终止服务；也可调用ｃｏｎｔｅｘｔ．ｂｉｎｄＳｅｒｖｉｃｅ（）建立Ｓｅｒｖｉｃｅ，关闭该Ｓｅｎ，ｉｃｅ通过ｃｏｎｔｅＸｔ．吼ｂｉｎｄＳｅｒｖｉｃｅ（），该调用方式下调用者和服务产生了关联，调用者的退出会直接终止服务，这种方式应用于要求调用服务的组件退出时服务也必然退出的情景中。另外，Ｓｅｒｖｉｃｅ可使用ｓｅｒｖｉｃｅ．ｓｔｏｐＳｅｌｆ（）、ｓｅⅣｉｃｅ．ｓｔｏｐＳｅｌ墩ｅｓｕｌｔ（）两种方法来控制自己停止。ＣｏｎｔｅｎｔＰｒｏｖｉｄｅｒ内容提供器，它是由Ａｎｄｒｏｉｄ系统为不同应用程序实现数据共享而提 供的一种标准机制，它为访问其他的应用程序的私有数据如文件系统中的文件或ＳＱＬｉｔｅ 中的数据库等提供了实现途径，ＣｏｎｔｅｌｌｔＰｒｏｖｉｄｅｒ拥有一套标准方法接口可用于获取和操 作数据，只需通过ＣｏｎｔｅｎｔＰｒｏｖｉｄｅｒ标准接口就可以实现数据共享。２．３本章小结本章对ＺｉｇＢｅｅ家居传感器网络和家居网关应用程序开发所使用到的技术基础进行 了分析和介绍。首先对ＺｉｇＢｅｅ技术特点、ｚｉｇＢｅｅ协议体系结构，对ｚ―Ｓｔａｃｋ协议栈ＯＳＡＬ 任务处理机制做了介绍和分析；其次对Ａｎ‘ｋｏｉｄ系统的架构、Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序开发过程 中所用到的关键组件和及组件的使用方法作了分析。１２江苏大学硕士学位论文第三章系统整体架构与设计方案３．１系统设计方案本节首先从用户角度出发，对家居监测报警系统应该具备的功能进行分析，接着根 据功能需求给出系统的总体结构，然后对系统各部分的主要功能和实现方案进行阐述。３．１．１功能需求首先，人们对家居舒适度的要求多为温度适宜、空气质量良好、光照度温和、适宜 的湿度等环境条件。这些环境信息是可以量化的，如何对量化过的各类环境数据进行获 取并直观呈现给用户成为了首先需要考虑的问题。 其次，人们一贯重视家居空间的安全性，而火灾、煤气泄漏、外人入侵等安全隐患 一直是每个家庭都极为担忧的问题，需在第一时间监测出这类安全问题并通知房主。 再次，在操作体验上，现代用户普遍采用了Ａｎｄｒｏｉｄ智能手机，鉴于降低成本和用 户移动监控的便利，可采用用户手机作为远程访问终端，通过手机上运行的用户端应用 程序登录网关，进而监控家居空间的各种信息。考虑到用户普遍有通过３Ｇ和Ｗｉ．Ｆｉ网络上网的经历，系统可利用３Ｇ模块或Ｗｉ．Ｆｉ模块将用户所关心的家居内部信息经外部网络传输至用户终端，此项功能的实现依赖于具有协议转换和数据处理功能，同时处理 速度快，运行稳定并具有丰富接口的家居网关设备。另外，为能够让用户在第一时间获 取警情的信息，可采用短信和声音相结合的报警通知方式。在家居网关和用户端软件方 面，开发出的Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序要能够同时被用于家居网关和用户端，并能够很好的实 现两端各自的功能。基于此种开发理念下，开发出的家居环境监测报警系统在操作性、 移植性和开发成本等方面具有优势，易于被用户接受和使用。 最后，鉴于每个家庭或用户有个性化的环境需求，如对温度报警阈值有不同的要求， 这就需要应用程序为用户提供参数个性化的设置接口。另外，用户要能对报警进行控制， 如能够对接收通知的目标号码进行更改或对短信报警和声音报警加以控制，这些需求均 要求应用程序有相应的功能予以支持。１３茎王垒坚堕垫查塑丝塑翌塑堕墅坠鲨墼塑堕翌―一３．１．２总体结构设计通过上节的需求分析，本节设计了家居环境监测报警系统的总体结构，如图３?１所 示。系统主要包括了四个部分：家居网关、ｚｉｇＢｅｅ网络、外部通信功能模块和外部网络、用户端龇ｉｄ智能平台。其中，家居网关是本系统的核心，是内部ＺｉｇＢｅｅ网络与外部３Ｇ和ｗｉ．Ｆｉ网络通信交互的桥梁。家居网关的ＯＭＡＰ３５３０核心处理器通过ｕＡＲＴ串口连接ＺｉｇＢｅｅ协调器，ｚｉ庐ｅｅ协调器负责家居传感器网络的组建，向上通过串口和家居网关进行通信，向下通过ｚｉｇＢｅｅ网络和各终端节点通信。另外，家居网关通过ｕｓＢ串口和３Ｇ模块连接，通过ｓＤＩＯ接口和ｗｉ―Ｆｉ模块进行连接，将家居内部系统接 入到外部网络，并允许用户远程访问和控制管理整个系统。――’――。―――――――――――――――――――１厕面翮一ｌ――――，―――――――，－。＿。＿‘＿－。＿――＿＿―一温度传感器节点｝、、、Ｌ――――――――――――――――――――――一：，，图３．１系统总体架构３．１．３主要功能及实现方系 在上节设计的系统总体架构基础上，本节为方便介绍将系统分为了以下几个部分：一、家居传感器网络。家居传感器网络提供了系统重要的家居环境感知功能，布设 的各终端节点对环境信息进行监测，包括有：温度信息，可燃气体泄露与人体入侵信思。 本系统中ＺｉｇＢｅｅ家居传感器网络采用星型拓扑结构进行设计。各终端节点将采集的数 据通过ｚｉｇＢｅｅ网络传送至协调器节点，此处设置了各终端节点数据上报的两种机制， 一为终端节点在接收到协调器读参数命令（指示获取目标节点采集到的最新环境信恩）后，终端节点将上报最新采集到的数据；另一种为主动上报机制，各终端节点在各自的 时间间隔周期主动上报最新采集到的数据。通过协调器节点写参数命令（指示目标节点的工作模式进行切换）可启用或禁用终端节点的主动上报功能。协调器上行通过串口和江苏大学硕士学位论文家居网关进行通信，家居网关和协调器节点的通信采用了请求应答的方式，由网关发起 请求，协调器做出相应的信息反馈，下一章４．３节将对该通信方式详细阐述。 二、外网通信方案。为满足用户远程移动监测的需求，同时从使用人数、覆盖范围 和资费等方面进行综合考虑，目前比较合适的为３Ｇ、Ｗｉ．Ｆｉ接入方案。３Ｇ是使用人群 多、覆盖广、数据流量大、永不断线的远程通信技术；ｗｉ．Ｆｉ是成本低廉，使用方便和 广泛的短距离通信技术。两者相互补充，相得益彰。因此，本系统采用３Ｇ和Ｗｉ―Ｆｉ相 结合的外网接入方案。用户端和网关之间通过双向的通信连接实现数据的交换，由基于 ＴＣＰ／口的ｓｏｃｋｅｔ网络编程实现。 三、家居网关。家居网关是家居传感网与外部网络通信的桥梁，将在第六章详细介 绍网关应用程序设计过程。此处介绍它的基本功能，家居网关的功能示意图如图３．２所示。ＺｉｇＢｅｅ协调器－３Ｇ网络Ｗｉ．Ｆｉ网络十十土ｗＣＤｌｖ队通信模块Ｊ，一．ｗｉ．Ｆｉ通信模块 牟、，工一｝．ｚｉｇＢｅｅ通信模块指令处理模块ｒ■一 ―一报警模块 十土＋指令生成模块一＿协调器数争解析模｝．＋自定义设置模块―――４――一厂●絮警Ｊｒ Ｈｋ―一数据显示与控制界面图３．２家庭网关功能示意图 由上图可知，家居网关应用程序功能可分为以下几个模块： ＺｉｇＢｅｅ通信模块。该模块负责与ＺｉｇＢｅｅ协调器通信，包括向ＺｉｇＢｅｅ协调器发送数 据和接收ＺｉｇＢｅｅ协调器发来的数据。前面介绍到网关与协调器之间采用了请求应答的 通信方式，并从协调器角度做了分析。网关应用程序需首先发送请求搜寻网络命令，该 命令帧封装了请求协调器的各类信息所用到的通用设备参数，如通用设备参数Ｏｘｌ４为 请求读协调器ＭＡＣ地址、０ｘｌ ５为请求读协调器邻居表个数及其邻居地址等。待网关获 得家居网络的信息后将发送请求ＡＰＰ ＭＳＧ信息的命令，请求节点最新采集数据或对节１ ５基于ＺｉｇＢｅｅ技术和Ａｎｄｍｉｄ系统的家居环境监测报警系统设计与实现点工作模式进行控制，详细介绍会在４．３节给出。网络通信模块。该模块包括了ＷＣＤＭＡ通信模块与Ｗｉ―Ｆｉ通信模块。它们将家居 网关接入了外部网络，提供了家居网关与用户端３Ｇ和Ｗｉ―Ｆｉ的通信连接功能。数据处理模块。该模块又可划分为四个子模块：指令生成模块、指令处理模块、 ＺｉｇＢｅｅ协调器数据包解析模块和报警模块。 ●指令生成模块能够根据用户相应的操作信息生成合符本文４．３节中所设计的数 据格式的指令，然后指令处理模块会将这些指令经串口发送给ｚｉｇＢｅｅ协调器。 ?指令处理模块接收来自指令生成模块或网络通信模块的各类指令。若家居网关 工作在本地模式，即用户直接在家居网关上进行操作，此种模式下，指令处理 模块会调用ＺｉｇＢｅｅ协调器数据包解析模块解析来自ｚｉｇＢｅｅ协调器的数据包， 并将解析出的数据在ＵＩ界面进行显示。若家居网关处于远程模式的工作状态， 即用户是登录手机端应用程序进而访问家居网关的，则从串口接收到的ｚｉｇＢｅｅ 网络数据包将会被指令处理模块直接转发给用户端，将由用户端实现对数据包 的解析与显示。 ?ＺｉｇＢｅｅ数据包解析模块：负责对接收到的ＺｉｇＢｅｅ协调器数据包进行解析处理。 ?报警模块，在警情发生时若网关处于本地模式，则发出本地声音报警通知且通 过ＷＣＤＭＡ网络通信模块发出报警短消息。若处于远程模式，则短消息向用户 端发送，还会将封装有警情信息的数据包经外部网络传输至用户端，用户端解 析后发出本地声音报警。 用户界面部分。主要分为ＺｉｇＢｅｅ网络信息显示界面，它为家居网关应用程序的主 界面；用户登录界面，应用程序启动后的第一个界面；用户成功登录后，界面切换进入应用程序的主界面；主界面中各节点对应一图像按钮（ｈａｇｅＢ们ｏｎ），点击会进入对应的节点界面。在节点界面设计上，温度传感器有温度值量化数据，所以相比气体传感器和 人体传感器的节点界面，温度传感器节点界面设计上增加了数据显示的功能，如图３．３ 所示。除主界面外，包括各节点界面、搜索设置界面与用户登录界面均不能直接跳转，而且主界面也不能切换至用户登录界面，可以操作由Ｍ曰州键触发的搜索设置功能消息弹出框对网络重新搜索，直接搜索则ＺｉｇＢｅｅ网络信息显示界面刷新，通常在ＺｉｇＢｅｅ 家居网络有增删节点等变动发生以后进行。重新输入设置的网关口和密码后再次搜索， 此项功能主要考虑用户端需求，每当网关口地址或密码变动而致使用户端与网关端连１６江苏大学硕士学位论文接断开时，用户使用此功能重新发起对网关访问。图３．３家居网关界面与切换关系四、家居网关与用户端应用程序设计方案。家居网关与用户端均采用了Ａｎｄｒｏｉｄ系 统，本系统开发的家居网关应用程序生成的．ａｐｋ文件可以直接拷贝安装与用户端手机 上。应用程序采用Ｐ地址登录的方式，网关采用本地回送地址登录并从底层串口获取 终端采集的数据，用户端直接输入网关地址发起对网关的ｓｏｃｋｅｔ通信连接，从网络上读 取数据。３．２系统的硬件结构设计系统的硬件结构设计是整个家居监测与报警系统开发中的基础工作，在兼顾成本的 同时，系统的硬件选型应满足下列原则：家居网关应拥有良好的处理性能且要有广泛的 接入能力；家居网络节点的ｆｌａｓｈ空间大小要合适，且处理器芯片要为ＩＡＲ开发工具所 支持。只有在硬件定型之后，软件部分的具体设计才能开始。３．２．１家居网络节点设计节点硬件设计包括了协调器节点和终端节点的设计。其中，协调器节点需具备和家 居网关串口通讯的功能，终端节点连接的传感器负责数据采集任务。 家居传感器网络中设备节点均采用了ＴＩ ＣＣ２５３０Ｆ２５６芯片的硬件设计方案，本设计 中使用的ＣＣ２５３０芯片拥有８ＫＢ ＲＡＭ和２５６Ｉ④闪存、高性能且低功耗的增强型８０５１ ＭＣＵ，另拥有串口、ＪＴＡＧ仿真接口等。ＣＣ２５３０芯片结合了ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准的２．４ＧＨｚ 标准射频收发器，可编程输出功率为＋４．５ｄＢｍ，总体无线连接１０２ｄＢｍ，同时拥有出色的接收器灵敏度和抗干扰性，通信传输距离约５０ｍ左右【１ ８１。１７基于ＺｉｇＢｅｅ技术和Ａｎ（ｋｏｉｄ系统的家居环境监测报警系统设计与实现（１）协调器节点硬件结构 协调器节点由ＣＣ２５３０ ＭＣＵ、电源转换模块、串行接口、ＪＴＡＧ调试接口、按键、 ＬＥＤ、天线等组成。如图３．４所示。协调器节点提供了ＵＡＲＴ串行接口，由它通过串口 和网关连通，实现二者的通信功能。ＬＥＤ可指示网络状态。电压转换模块将家庭使用的 ２２０Ｖ交流电转换成直流的５Ｖ电压并向协调器节点供电，采用ＡＣ．ＤＣ供电方式是因为： 协调器节点与网关通过串口相连而不便单独移动，另外，协调器节点作为ｚｉｇＢｅｅ网络 的发起者、维护者同时担负上下行通信任务，需持久供电。电源模块Ｗｌ天线ｊ［――５ｖ电压转换模块《串行接口ｌ 、》ｈ ＦＣＣ２５３０ ＭＣＵ：》按键｝ＪＴＡＧ调试接口ｉ：ＬＥＤ图３．４协调器节点硬件结构图（２）终端节点硬件结构 终端节点的硬件结构如图３．５所示，主要有ＣＣ２５３０ ＭＣＵ、传感器，５Ｖ电源供电模 块、串行接口、ＪＴＡＧ调试接口、按键、ＬＥＤ和天线等组成。本系统采用的传感器有温 度传感器ＤＨＴｌｌ、人体红外传感器ＨＣ．ＳＲ５０１红外热释电模块、ＭＱ．５可燃气体传感器。 各终端节点均采用５Ｖ干电池供电，这种供电方式是为了增强终端节点的可移动性。图３．５终端节点硬件结构图江苏大学硕士学位论文３．２．２家居网关设计家居网关的硬件结构如图３．６所示，主要由０ＭＡＰ３５３０处理器、触摸式ＬＣＤ显示 屏、按键、２５６ＭＢ ＬＰＤＤＲ、２５６ＭＢＮａｎｄＦ１ａｕｓｈ、ＳＤ模块、供电模块组成。ＴＦＴ ＬｃＤ【ｚｉｇＢｅｅ【挫坚： “二目Ｍ １０―――――叫协调器一ＬＰＤＤＲ｛ＫｅｖｂｏａｒｄＪ’处理器０ＭＡＰ３５３０ｓＤｌ堡皇堡望日调试串口．｜Ｎ觚ｄＦｌａｓｈ翌 浑｛随竭图３．６家居网关硬件结构图ＯＭＡＰ３５３０是由德州仪器开发并推出的处理器，它集成有６００ＭＨｚ删ＣｏｒｔｅＸ．Ａ８ 其中，删ＣｏｒｔｅＸ．Ａ８是删公司的第一款超标量处理器【２０］，ＯＭＡＰ３５３０强大的数据处理能力能很好的满足本系统的需求。ＯＭＡＰ３５３０拥有丰富的外部接口，如ＵＳＢ、ＵＡＩＨ、以太网接口、电源接口等。采用电源适配器接入ｏＭＡＰ３５３０开发板的ＡＤＰ接口，为网 关设备提供稳定的５Ｖ电压供电。 家居网关通过高速ＵＳＢ串口连接ＷＣＤＭＡ标准３Ｇ通信模块，通过ＳＤＩＯ接口连接 内核、４３０ＭＨｚ ＴＭＳ３２０Ｃ６４＋ＤＳＰ内核和图像处理芯片Ｐ ｏ．ＷＥＲＶＲ ＳＧＸ５３０（ＧＰＵ）［１９】。了Ｗｉ．Ｆｉ功能模块，ＵＡＲＴ接口连接ＺｉｇＢｅｅ协调器。用户可通过３Ｇ网络或Ｗｉ．Ｆｉ网络和家居网关交换数据。本系统中使用的３Ｇ模块具有丰富的ＡＴ指令集，且内置了ＴＣＰ／口 协议栈，最大上行和下行速率分别为５．７６Ｍｂ／ｓ，１４．４Ｍｂ／ｓ，具有数据传输容量大，兼容 性强、稳定性好的特点。系统中使用的Ｗｉ．Ｆｉ模块至少可支持１１Ｍｂｐｓ的ＷＬＡＮ网络接入。３．３本章小结本章首先对系统的功能需求做了分析。然后根据功能需求给出了系统的总体结 构，并对系统的家居传感器网络、家居网关、外网接入方案和家居网关与用户端应用 程序的设计方案分别做了介绍。最后对系统硬件包括了ＺｉｇＢｅｅ网络节点和家居网关的 硬件结构分别进行了阐述。１９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第四章家居传感网络设计与实现在完成家居网络节点和家居网关的硬件设计之后，需对各节点控制程序进行开发，此外需要对协调器与终端节点、协调器与网关之间的通信方案进行仔细的设计。本章将 首先给出各节点软件开发方案与开发流程，然后根据各传感器节点工作机制及采集数据 类型不同，分别给出各终端节点数据采集功能实现，最后详细阐述本系统中协调器节点 与各终端节点、协调器节点与家居网关之间的通信方案。４．１节点软件开发４．１．１开发方案各节点控制程序的开发采用了ＬＡＲＥｍｂｅｄｄｅｄＷｏｒｌ（ｂｅｎｃｈＦｏｒ８０５１集成开发工具，结合仿真器进行程序的编译、调试工作，二者搭配能支持单步跟踪调试，可对片上寄存器和Ｆ１础里的数据进行监视。Ｌ恹支持很多种类型的芯片，能完全兼容本系统中使用到的ＣＣ２５３０芯片，同时支持以Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈作为底层系统的各种函数链接与调用【２１】【２２１。Ｌ娘Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ能够有效提高用户的工作效率，可为８０５１系列芯片生成高效和可靠的ＦＬＡＳＨ／ＰＲＯＭａｂｌｅ代码。 本系统使用Ｚ．Ｓｔａｃｋ的安装包为ＺＳｔａｃｋ―ＣＣ２５３０．２．４．Ｏ一１．４．Ｏ．ｅｘｅ，安装后生成的＼Ｔｅｘａｓ ＩＩｌｓ饥ｌＩｎｅｎｔｓ＼ＺＳｔａｃｋ．ＣＣ２５３０．２．４．０．１．４．０文件夹，里面包括了协议栈中各层部分源程序（另 有源程序以库的形式被封装），Ｐｒｏｊｅｃｔｓ包含与工程相关的库文件、配置文件等。其中基于Ｚ－Ｓｔａｃｋ的例程在＼Ｚｓｔａｃｋ＼Ｓ锄ｐｌｅｓ文件夹下，例程分别为Ｇｅｎ甜ｃＡｐｐ、ＳａｍｐｌｅＡｐｐ和ＳｉｍｐｌｅＡｐｐ，其中ＳｉｍｐｌｅＡｐｐ例程的文件结构如下图４．１所示。鬯塑塑鳖：鍪誉：；鋈＝；＝｜＝｜鍪薹：：：＝ｉ ｉ；ｊ釜：＝ｊ。ｊ。：：＝釜；＝＝＝＝：：竺型！竺竺！旦…，剧！是一……… 卜母口Ａｐｐ 卜乜口ＨＡＬ 卜圈口ＭＡｃ 卜佃口ＭＴ 卜口口ＮｗＫ 卜圈口ｏｓＡＬ卜口ｊ二＝］Ｐｒ。ｆ¨ｅ．一 ．。。…兰日圆澄爨露惑愍臻霹霆震露黧黧黧窭熬￡瀛怒灏ｉ自隧………黧．隰卜圈￡］ｓｅｃｕ¨可卜日［］ｓｅ～ｌｃｅｓ卜口口Ｔ。ｏｌｓ 卜口臼ｚＤ０ 卜母臼ｚＭａｃ 卜圈口ｚＭａ『ｎ Ｌ口口０ｕｔｐ ｕｔ图４．１ ＳｉＩｎｐｌｅＡｐｐ侧程的文件结构２０江苏大学硕士学位论文ＳｉⅡｌｐｌｅＡｐｐ使用了ｚ―ＳｔａＣｋ提供的ｓａｐｉ（ｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏ铲ａｍｍｉＩｌｇｉｎｔｅｒｆａｃｅ）接口，ＴＩ把一般系统要用到的通用的代码整合到ｓａｐｉ．ｃ里面，而留下一些接口出来，本系 统开发的ＺｉｇＢｅｅ节点控制程序均以ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈为基础进行开发的，都是在ｚ－Ｓｔａｃｋ 例程ＳｉｍｐｌｅＡｐｐ修改而来，而后被烧写进每个传感器节点。在节点的控制程序中调用了 有关接口，ｓ印ｉ部分接口函数的使用说明如表４．１所示。 表４．１ ｓ印ｉ部分接口函数调用机制ｚｂ―ＨａｎｄｌｅＯｓａｌＥＶ髓ｔ０ 当一个任务事件发生之后，调用这个函数 当ｚ．Ｓｔａｃｋ启动完成后，执行这个函数 发送数据完成后调用这个函数 如果跟别的节点绑定成功，调用这个函数 当ｚｉｇＢｅｅ接受到节点发送的数据后，调用这个函数ｚｂ―ＳｔａｒｔＣｏｎｆｉｍ（） ｚｂ―ＳｅｎｄＤａｔａｃｏｎ缸ｎ０ｚｂ』｝ｉｎｄＣｏｎｆｉ船（）ｚｂ―ＲｅｃｅｉｖｅＤａ诅Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ（）４．１．２开发流程家居传感网络各功能节点软件开发的流程如图４．２所示。主要有工程创建、添加任 务与事件处理、各节点设备的信息配置、根据节点类型修改网络相关部分、按键与ＬＥＤ 部分设置、串口通信等其他功能设置。 创建工程◆添加任务与事件处理 ◆ 网络节点信息配置 ◆ 建网或加入网络 ◆ 人机交互ｌ◆ 数据通信ｌ◆ 其他功能Ｉ丫生成ｈｅｘ文件图４．２节点软件开发流程图（１）创建工程与工程配置。 如上节中所述，为提高开发效率缩短开发周期，本设计采用Ｚ．Ｓｔａｃｋ并通过修改其 自带的例程ＳｉＩｎｐｌｅＡｐｐ来完成家居传感器网络中各节点软件开发，创建的协调器节点控２１基于ｚｉｇＢ∞技术和Ａｎｄｒｏｉｄ系统的家居环境监测报警系统设计与实现制程序ＳｉｌｎｐｌｅＣｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ、温度传感器节点控制程序ＳｉｎｌｐｌｅＴｅｍｐＳｅｌｌｓｏｒ、红外传感器节 点控制程序Ｓｉｍｐｌｅｍ丘ａｒｅｄ、气体传感器节点控制程序ＳｉｎｌｐｌｅＦｄＳｅｌｌｓｏｒ。因每个节点都采 用ＣＣ２５３０芯片，各节点工程的选项中配置对ＣＣ２５３０Ｆ２５６芯片支持，如图４－３所示。图４．３Ｌ讯中配置目标设备为ＣＣ２５３０（２）添加任务与事件。 从２．１．２所述，ｚ．Ｓｔａｃｋ采用ＯＳＡＬ任务轮询机制依次判断每个优先级的任务是否有 事件发生，每个节点的工程项目按实际需要添加任务和事件处理。 以下是在温度传感器节点控制程序中添加的有关自定义事件：≠｜｝ｄｅｆｉｎｅ ＭＹ ＳＴＡＲＴ ＥＶＴ Ｏｘ０００ １ Ｏｘ０００２ Ｏｘ０００４ ０ｘ０００８≠组ｅ劬ｅ ＭＹ为｝ｄｅｆｉｎｅＲＥＰＯＲＴ ＴＥＩ讧Ｐ ＥＶＴ ＲＥＰＯＲＴ ＢＡＴＴ ＥＶＴＭＹ为【ｄｅ矗ｎｅ ＭＹ ＦＩＮＤＣＯＬＬＥＣＴＯＲ ＥＶＴ节点程序设计中常用到的事件的触发函数为： ｏｓａｌ一ｓｅＬｅＶｅｎｔ（ｓａｐｉ＿＿ＴａｓｋＩＤ，ＭＹ ＲＥＰＯＲＴ―ＥＶＴ）；ｏｓａｌ一ｓｔａｎｔｊｍｅｒＥｘ（ｓ印ｉ－ＴａｓｋＤ，ＵＩＮＴｌ６ ｅｖｅｎｔ＿ｉｄ，ＵＩＮＴｌ６ ｔｉｍｅｏｌｌｔ＿ｖａｌｕｅ）；江苏大学硕士学位论文ｏｓ心ｅｔ－－ｅｖｅｎｔ方法是直接触发事件，其中ｓ印ｉ－ＴａＳｋＩＤ为ＭＹ―ＲＥＰＯＲＴ＿＿ＥＶＴ事件 所属ｉｄ的任务号，Ⅲｊ洹ＰＯＲＴ＿－ＥＶＴ是自定义的事件。ｏｓａｌ一ｓｔａｎ ｔｉｍｅｒＥｘ方法为ｅｖｅｎｔ＿ｉｄ事件所属任务的ｉｄ号，ｅｖｅｎｔ－ｉｄ参数可设置成各自定义事件，ｔｉｍ吖ａｌｕｅ为毫秒级定时时间长度。 自定义事件处理函数的添加： 在自定义的事件触发之后，调用自定义事件处理函数。下面以温度传感器节点工程 中气体传感器ＭＹ Ｉ汪ＰＯＲＴ ＥＶＴ上报事件为例，说明事件处理函数的添加：ｉｆ（ｅｖｅｎｔ＆ＭＹ－Ｉ也ＰＯＲＴ＿ＴＥＭＰ＿ＥⅥ）ｆ／／读ＤＨＴｌｌ数据值并报告ｄｈｔｌｌ』ｄａｔｅ（）；ｐＤａｔａ［Ｏ］＿Ｏｘ０１； ｐＤａｔａ［１］－Ｏｘ０１； ｐＤａｔａ［２］＝ｄｈｔｌｌ＿ｔｅｍｐ（）；∥这里取出了温度的整数部分ｚｂ―ＳｅｎｄＤａｔ承ｅｑｕｅｓｔ（０，ＩＤ―ＣＭＤ舆ＰＯＲＴ，３，ｐＤａｔ％０，ＡＩ＇－ＡＣＫｊ也ＱＵＥＳＴ，Ｏ）；ｏｓａＬｓｔａｒｔ ｔｊｍｅｒＥｘ（ｓａｐｉ－ＴａｓｌｄＤ，ＭＹ ＲＥＰＯＲＴ―ＴＥＭＰ―ＥＶＴ，ｍ）ｉｗｏｒｋＭｏｄｅ木１ ００）； ） 每当监测到ｅＶｅｎｔ＆ＭＹＲＥＰＯＲＴＴＥｍＥＶＴ为真，将自动执行温度值更新，调用温度数据发送等处理函数进行处理。对每个发生的事件调用相应的定义过的事件处理方 法。 （３）设备信息配置 包括设置设备的Ｐｒｏｆｉｌｅ ＩＤ、设备的版本号、设备Ｄ、设备的端口号、命令和端口 描述符等。 在本家居网络中采用的Ｐｒ０６１ｅ ＩＤ为０ｘ０Ｆ１０。协调器节点的设备ＩＤ设置为Ｏｘ００，温度传感器节点的设备ＩＤ设置为０ｘ０１，红外传感器节点的设备Ｄ设置为Ｏｘ０４，可燃气体传感器节点的设备ＩＤ设置为了Ｏｘ０５。 在本网络中设备版本号配置均为Ｏｘ０１，由于节点设备通信时均需指定对方的网络地 址和ＥＮＤＰＯＩＮＴ号，本系统配置了ＥＮＤＰＯＩＮＴ号为Ｏｘ０２。 另外，家居网络中协调器节点为获取各终端节点采集的最新数据发出的读参数命 令。协调器节点为控制各节点的工作模式发出的写参数命令。终端节点收到上述命令后 的反馈，均需对各种命令ｉｄ进行配置。本系统中设置了０ｘ０００１：读参数命令；０ｘ８００１：２３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读参数响应，Ｏｘ０００２：写参数命令；０ｘ８００２：写参数；０ｘ８００２：写参数响应；０ｘｏ００３： 主动上报传感器值。 系统中所设计的Ｐｒ０６１ｅ ＩＤ、设备的ＩＤ、ＥＮＤＰＯＩＮＴ号，及设计的各种命令要在系 统中能够使用，均需在设备的端口描述符中注册。下面是协调器节点设备的简单描述符 定义方法：ｃｏｎｓｔＳｉｍｐｌｅＤｅｓ嘶ｐｔｉｏＩｌＦｏ珊ａｃ－ｔ之ｋＳｉｍｐｌｅＤｅｓｃ＝ＥＮＤＰＯＩＮＴ｛ ＭＹ ＩＤ，∥此项为端口号，Ｏｘ０２／／ Ｐｒ０６ｌｅ ＩＤ， ／／ Ｏｘ０Ｆ １ ０ⅢＪＲＯＦＩＬＥ―ＩＤ，ＤＥＶ ＩＤ ＣＯＬＬＥＣＴＯＲ，协调器设备Ｄ，０ｘｏｏ／／ＤＥＶＩＣＥ ＶＥＲＳＩｏＮ ＣＯＬＬＥＣＴＯＲ，设备版本号，０ｘ０１Ｏ，／／用作保留 ＮＵＭＩＮＣＭＤＣＯＬＬＥＣＴＯＲ，／／协调器输入命令数（ｃＩｄｊ半）ｚｂ―ＩｎＣｍｄ“ｓｔ，∥输入命令列表结构体Ｍ．ｎⅥＯＵＴ ＣＭＤＣＯＬＬＥＣＴＯＲ，／／∥协调器输入命令数（ｃＩｄｊ宰）ｚｂ一０ｌｕｔＣｍｄＬｉｓｔ ）； 以下端口描述符结构体定义：ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｍｃｔ输出命令列表结构体｛ｂｙｔｅ ｅｎｄＰｏｉｎｔ；／／端口号，本系统设置为Ｏｘ０２ｂｙｔｅ枣ｔａＳｋ－ｉｄ；／／指向了任务ＩＤＳｉｍｐｌｅＤｅｓ嘶ｐｔｉｏＩｌＦｏｍａｔ－ｔ木ｓｉｍｐｌｅＤｅｓｃ；ａｆＮｅｔ、）ｌ，ｏｒｋＬａｔｅｎｃｙＲｅｑｊ ｌａｔｅｎｃｙＲｅｑ；／／简单描述符／／延时请求）ｅｎｄＰｏｉｎｔＤｅｓｃｊ； 在ｓ印ｉ．ｃ中ｖｏｉｄ ＳＡＰＬＩｎｉｔ（ｂｙｔｅ 符： 墩ｆ（ＳＡＰＩ－ＣＢ－ＦＵＮＣ） ｓ印ｉ－ｅｐＤｅｓｃ．ｅｎｄＰｏｉｎｔ＝ｚｂ―ＳｉｍｐｌｅＤｅｓｃ．ＥｎｄＰｏｉｎｔ； ｓ印ｉ－ｅｐＤｅｓｃ．ｔａｓｋ－ｉｄ＝＆ｓ印ｉ―ＴａｓｋＩＤ； ｓ印ｉ―印Ｄｅｓｃ．ｓｉｎｌｐｌｅＤｅｓｃ ２（ＳｉｍｐｌｅＤｅｓｃ邱ｔｉｏＩｌＦｏ姗ａｔ－ｔ木）＆ｚＤ―ＳｉｍｐｌｅＤｅｓｃ； ｓ印ｉ一印Ｄｅｓｃ．１ａｔｅｎｃｙＲｅｑ＝ｎｏＬａｔｅｎｃｙＲｅｑｓ；ｔａｓＵｄ）初始化函数中注册以上的定义过的端口描述ａ瓜ｅ百ｓｔｅｒ（＆ｓａｐｉ一印Ｄｅｓｃ）；／／将端口描述符注册到ＡＦ层２４江苏大学硕士学位论文｛ｆｊ｝ｅｎｄｉｆ（４）建网与加入网络。 修改相关的事件和代码，确定协调器建立网络的模式和终端节点如何加入网络。 本系统中协调器节点网络发起主要有三种时机：一是当协调器节点上电后将自动发 起组网；二是在协调器工作过程中按下ＲＥＳＴ Ｋ按键，将重新发起组网；三是收到网关 发来的重新搜索ＺｉｇＢｅｅ网络的命令，将自动发起组网。以上三种情况均触发 ＭＹ―ＳＴＡＲＴ ＥＶＴ事件，而后调用和执行ｚｂ－ＳｔａｎＲｅｑｕｅｓｔ函数来启动ｚｉｇＢｅｅ协议栈开 启网络的组建。 在协调器发起网络组建过程后，各终端节点将直接搜索并加入网络，它的入网过程 也是在ＭＹＳＴＡＲＴＥＶＴ被触发后开始，在处理程序中调用ｚｂ ＳｔａｎＲｅｑｕｅｓｔ函数。相关实现为：ｉｆ（ｅＶｅｎｔ＆ＭＹ―ＳＴＡＲ―－ＥＶＴ）｛ｚｂ―ＳｔａｎＲｅｑｕｅｓｔ（）；） （５）ＬＥＤ、按键、串口功能设置：修改ＬＥＤ、按键和串口等驱动程序，并编写相关的函 数实现了这些功能。 （６）数据通信：包括定义数据通信的格式、数据发送和数据接收。 数据通信涉及到协调器与家居网关的串口通信、家居传感网络中的终端节点与协调 器节点之间的通信，具体的通信格式将在４．３节给出详细的阐述。 待节点收到命令之后，会调用ｓｔ撕ｃ ｖｏｉｄ ｐｒｏｃｅｓｓＣｏｍｍａｎｄ（ｕｉｎｔｌ６ ｃｍｄ，ｂｙｔｅ木ｐＤａ‰ｕｉｎｔ８１ｅｎ）进行处理，该方法首先会判断命令的类型：若为写参数命令，则将数据写入并存储进相关的数组中；若为读参数命令，则获取本节点的传感器采集到的更新数据，而后调用ｚｂ＿ＳｅｎｄＤａｔ水ｅｑｕｅｓｔ（）函数将最新的数据值回馈给协调器节点。（７）生成．ｈｅＸ文件，而后通过Ｓｍ棚Ｆ１础Ｐｒｏ伊卸ｍｅｒ软件烧写进对应节点的Ｆｌａｓｈ。本设计开发中节点控制程序编写调试成功之后，生成．ｈｅｘ文件。．ｈｅｘ文件的生成要需要先在Ｌ～Ｒ节点工程中设置，需在ＰｒｏｊｅＣｔ－＞ｏｐｔｉｏｎｓ一＞Ｌｉｎｋ＊＞ｏｕｔｐｕｔ标签的ｏｕ印ｕｔｆｉｌｅ栏的复选框选中ｏｖｅｒｒｉｄｅ ｄｅ￡ｌｕｌｔ，并在ｏｕｔｐｕｔ丘ｌｅ编辑框中输入相应的工程名和ｈｅＸ文件后缀。通过Ｓｍ缸Ｉ讧Ｆ１础Ｐｒｏ铲锄ｍｅｒ将节点控制程序编译生成的ｈｅｘ文件烧写进相应的节点板。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４．２数据采集节点本系统温度传感器节点用来采集家居环境的温度数据，人体红外传感器与气体传感 器终端节点是用于监测家居空间是否有人体入侵或可燃气体泄漏情况。终端节点在自定 义的事件ＭＹＲＥＰＯＲＴＥＶＴ中向协调器节点发送数据，它可接收来自协调器的读参数命令或写参数命令，然后解析命令后作出相应的消息帧反馈。 ４．２．１温度数据采集温度传感器终端节点采用了ＤＨＴｌｌ数字温湿度传感器。ＤＨＴｌｌ数字温湿度传感器 包括一个电阻式感湿元件和一个ＮＴＣ测温元件，是一款含有已校准数字信号输出的温 湿度复合传感器。ＤＨＴｌｌ芯片温度测量范围为０℃～５０℃和精度为士２℃、分辨率为士１℃ ［２３１，能够满足家庭使用需求。 ＤＨＴｌｌ数字温湿度传感器使用４针单排引脚封装，连接方便。１管脚接电源、２管 脚为数据接口，连接ＣＣ２５３０的Ｐ１．６引脚、３管脚为悬空、４管脚接地，在数据端和电 源之间接入一只４．７ＫＱ的上拉电阻，以提高稳定性。ＤＨＴｌｌ的供电电压为３Ｖ一５．５Ｖ， 此处设计为５Ｖ电源供电。ＤＨＴｌｌ与ＣＣ２５３０连接电路如图４．４所示。。。ＶＣＣ ＶＣＣＰｌ６图４．４ＤＨＴｌｌ传感器模块与ＣＣ２５３０连接传感器ＤＨＴｌｌ上电之后，需要等待１秒进入稳定状态。一次完整的数据传输为４０ｂｉｔ， 高位先出，输出格式如表４．２所示。表４。２ ４０ｂｉｔ输出数据格式数据开始传送前，ＣＣ２５３０向ＤＨＴｌ １发送一次开始信号，ＤＨＴｌｌ就会从低功耗模江苏大学硕士学位论文式转换进入高速模式，待开始信号结束之后，ＤＨＴｌｌ给出响应信号，接着送出４０ｂｉｔ的 数据。ＤＨＴｌｌ仅在接收到开始信号，模式转换并触发一次的温湿度采集，若没有此信 号则不会主动进行温湿度采集而处于低功耗模式。ＤＨＴｌｌ传感器终端节点工作流程如 图４．５所示。开始初始化ＤＨＴｌｌ数据采集否数据校验 吲断是否有效？二［数据赋值ｐＤａｔａ 向协调器发送数据 并启动定时器准备 下次数据汇报图４．５ ＤＨＴｌｌ传感器节点工作流程调用ｖｏｉｄｄｈｔｌｌｕｐｄａｔｅ（ｖｏｉｄ）读出ＤＨＴｌｌ采集到的最新数据，依次调用ｍ１１』ｅａｄＪｙｔｅ（）分别读取湿度传感器整数部分并将该值赋给ｄａｔｌ、读取湿度传感器小数部分并将该值赋给ｄａｔ２、读取温度传感器整数部分并将该值赋给ｄａｔ３、读取温度传感 器小数部分并将该值赋给ｄａｔ４、读取校验和ｄａｔ５，然后计算校验参数Ｃｋ值ｃｋ＝ｄａｔｌ＋ｄａｔ２ ＋ｄａｔ３＋ｄａｔ４，若ｃｋ＝ｄａｔ５，则此次ＤＨＴｌｌ采集的数据有效，将温度值的整数部分赋给 ｓＴｅｍｐ，即ｓＴｅｍｐ＝ｄａｔ３。 首先需要在温度传感器项目的ＳｉＩｎｐｌｅＡｐｐ．ｈ文件中添加设备类型的宏定义：ｊｆｊ｝ｄｅｆ．ｍｅＤＥＶ ＩＤＳＥＮＴＥＭＰ １，即设置温度传感器的特有参数为０ｘ０１，即设备Ｄ。并且设定了 ＴＥＭＰＥＶＴ南【ｄｅｆｉｎｅ ＴＥⅣⅢＲＥＰＯＲＴ ＯｘＯ １，托ｅ６ｎｅⅣ【Ｙ ＲＥＰＯＲＴ ｚｂ０ｘ０００２，然后修改ＨａｎｄｌｅｏｓａｌＥｖｅｎｔ（），该函数是为用户留下的事件处理函数，在温度报告事件ｉｆ（ｅＶｅｎｔ＆ＭＹＲＥＰＯＲＴ－－ＴＥＭＰ―旦ＶＴ）中添加相关的处理方法。首先通过ｄｈｔｌｌ』ｄａ．ｔａＯ；读取最新的ＤＨＴｌｌ温度值，然后将温度值的整数部分存入ｐＤａｔａ数组ｐＤａｔａ［２］，另外对ｐＤａ埘Ｏ］ 赋值为Ｏｘ０１，即前面通过宏定义设置的温度传感器特有参数值，对ｐＤａ叫１］赋值为Ｏｘ０１，２７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即与温度传感器的读操作相关。之后调用ｚｂ―ＳｅｎｄＤａｔ报ｅｑｕｅｓｔ（０，ＩＤ－ＣＭＤｊ洹ＰＯＲＴ，３’ｐＤａｔａ，０，Ａｆ―ＡｃＩ；ｏ通ＱＵＥＳＴ，０）将数据发送出去。ｚｂＳｅｎｄＤａｔ水ｅｑｕｅｓｔ函数中ＩＤ ＣＭＤ ＲＥＰＯＲＴ向协调器节点（地址为Ｏｘ００）温度数据上报命令，ｌｅｎ长度为３个字节，相关的数据包含有温度传感器采集的最新温度值（温度 整数值）被封装之后，将向协调器发出的包含有温度值ｐＤａｔａ［２］的反馈消息。 ｚｂ＿ＳｅｌｌｄＤａｔａＲｅｑｕｅｓｔ（）第一个参数０指明了目的地址为０ｘｏｏ节点，即协调器节点。ｐＤａｔａ 为待发数据。另外开启定时器实现周期性温度值报告：ｏｓ２Ｌ１ｓｔａｒｔｔｉｍｅｒＥｘ（ｓａｐｉＴａｓｋＩＤ，ＭＹ ＲＥＰＯＲＴ－．ＴＥＭＰ―ＥＶＴ，ｍｙＷｏｒｋＭｏｄｅ木１ ０００）；ＭＹｊ①ＰＯＲＴ．＿ＴＥＭＰ是设定的温度传感器节点的温度报告事件。ｓａｐｉ ＴａｓｋＩＤ是ＭＹ号。第三个参数设置了定时时间长。ＲＥＰＯＲＴＴＥＭＰ事件所属任务的任务４．２．２人体入侵监测系统中布设的红外传感器节点采用了ＨＣ．ＳＲ５０１红外热释电传感器模块，该模块可 全自动感应，能够对７米以内小于１００度角的有效范围里的人体进行监测‘２４１。在其感应 的有效范围内，若有人体侵入则ＴＴＬ引脚会输出高电平，待人体离开后则会在自动延 时后关闭，输出低电平。默认工作电压为ＤＣ ４．５ｖ－２０Ｖ，此处设计为５Ｖ电源供电。 人体红外监测模块监测到人体时，ＣＣ２５３０与红外传感器的ＴＴＬ引脚直接相连的Ｐ０．７Ｉ／０引脚电平被拉高。Ｉｎｆ Ｃｈｅｃｋ（）用于监测Ｐ０．７的电平值，即ｕｉｎｔ８ＩＮＦｉｎｆｃｈｅｃｋ（ｖｏｉｄ）７。｛ｒｍＩｍＰＩＮ；）进而判断人体入侵情况，托ｅｆｉｎｅ ＩＮＦＰＩＮＰＯ ７，ＩＮＦＰＩＮ设为ＰＯ同样，红外传感器也需要Ｓｉｍｐｌ幽Ｌｐｐ．ｈ文件中添加设备类型支持：≠≠ｄｅｆｉｎｅＤＥＶ ＩＤ ＳＥＮＩＦＲ ｚｂ４，即将红外传感器特有参数设置为０ｘ０４。修改事件处理函数ＨａｌｌｄｌｅＯｓａｌＥｖ锄ｔ（）添加红外传感器节点的数据采集与发送任务事件的处理方法。实现ＳＥＮＳＯＲ中首先添加事件发生的判断机制ｉｆ（ｅｖｅｎｔ＆ＭｙＣＨＥＮＣＫ），并添加事件处理方法：首先判断ｉｎｆ ｃｈｅｃｋ（）的返回值是否为Ｏ，即通过检查ＩＮＦ ＰＩＮ的电平高低来判断 是否有人体入侵的情况发生。另外，定义了ｂｙｔｅ ｄａｔ［４】并对其进行赋值操作，ｄａｔ［Ｏ］设置 为红外传感器节点的特有参数Ｏｘ０４，ｄａｔ［１］设置为了０ｘ０２，即与红外传感器节点的读操 作相关；Ｏｘ０４０２也为协调器向红外传感器发出的读参数命令ｉｄ，该参数也用于在接收到 协调器对其的读参数命令之后，回复包括有红外传感器采集到的监测数据ｓＳｅｎｓｏｒＤａｔａ 的反馈消息。调用无线数据发送ｚｂ ＳｅＩｌｄＤａｔａＲｅｑｕｅｓｔ（）将数据发送出去，同样在该方法２９江苏大学硕士学位论文中首参数０要指明目的地址为Ｏｘｏｏ的协调器节点。回复的数据ｄａｔ长度为３个字节。 ４．２．３可燃气体监测为了对家居内部液化气，天然气，煤气等可燃气体进行有效的监测，布设了ＭＱ．５ 气敏元件，ＭＱ．５对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，探测范围为３００．５０００ｐｐｍ 的液化气、天然气、煤气，并有快速的响应恢复特性，优良的抗乙醇，烟雾干扰能力【２５１。 比较适合在家庭中对液化气、天然气和煤气进行监测。ＭＱ一５气敏元件是由三氧化二铝 陶瓷管、氧化锡敏感层、测量电极与为ＭＱ．５提供必要的工作温度支持加热器构成，敏 感元件被置于不锈钢腔体中。ＭＱ．５的６个支状管脚中的４个是用来输出信号，另外２ 个用作输入工作所需的加热电流。 ＭＱ．５硬件电路拥有可变电阻Ｉ冲１，调节其电阻值大小，会对应引起监测气体浓度 报警值的改变。通过ＺＯ ＱＳ ＤＯＵＴ连接ＣＣ２５３０的ＰＯ．５引脚，达到阈值上限Ｐ０．５输出 高电平的报警信号。ＭＱ．５传感器节点工作流程如图４．６所示。开始初始化ＭＱ?５数据采集否＼丫数据校验判断是否有效？ 数据赋值ｐＤａｔａ 向协调