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1、 20 电 子 科 技 大 学 UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA 专业学位硕士学位论文 MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE 论文题目 基于 SimpliciTI 协议的智能家居无线网 络的设计与实现 专 业 学 位 类 别 软件工程 学 号 201192230157 作 者 姓 名 杨思捷 指 导 教 师 廖建明 教 授 分类号 密级 UDC 注1 学 位 论 文 基于基于 SimpliciTISimpliciTI 协议的智能家居无线网协议的智能家居无线网 络的络的设计与实现
2、设计与实现 （题名和副题名） 杨思捷杨思捷 （作者姓名） 指导教师 廖建明廖建明 教教 授授 电子科技大学电子科技大学 成成 都都 陈远顺陈远顺 高高 工工 四川省教育厅四川省教育厅 成成 都都 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 硕士硕士 专业学位类别 工程硕士工程硕士 工程领域名称 软件工程软件工程 提交论文日期2014.3.25 论文答辩日期 2014.4.25 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 2014 年年 6 月月 28 日日 答辩委员会主席 评阅人 注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。 THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SMA
3、RT HOME SYSTEM WIRELESS NETWORK BASED ON THE SIMPLICITI PROTOCOL A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major: Master of Engineering Author: Yang Sijie Advisor: Professor Liao Jianming School : School of Information 加载动态库，这里一般是以 static 模块进行加 载的。 （2）生成扩展
4、名为 h 的头文件 java.h jni HelloWorld 生产扩展名为 h 的头文件，头文件的主要内容： Extern “C” JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloWorld_DisplayHello-World(JNIEnv *,jobject) 这 里 的 .h文 件 是 我 们 在java编 程 中 的 接 口 ， 文 件 声 明 了 Java_HelloWorld_displayHelloWorld(JNIEnv *,jobject)方法，然后在我们本地方法里 面实现这个方法，也就是说我们在编写 C/C+程序的时候所使用的方法名必须和 这里的一致。
5、（3）编写本地方法（C 语言） 实现和由 javah 命令生成的头文件里面声明的方法名相同的方法。 主要代码如 下： 本段代码中首先将 jni.h 文件引入，因为程序中的 J 所有变量类型都是在该头 文件中定义的。然后引入 Hello Word.h 文件，最后保存为 HelloWorldImpl.c 文件。 （4）生成动态库,运行程序。 2.5 本章小结 第二章 智能家居相关技术 17 本章介绍了智能家居系统无线网络开发所涉及的相关技术，首先介绍了无线 传感器网络的相关概念，并对 2.4G 无线通信技术中几种重要的协议规范进行了分 析比较，然后着重分析了 SimpliciTI 无线通信协议，最
6、后对 Android 中的 JNI 技术 进行了介绍。 电子科技大学硕士学位论文 18 第三章 系统总体设计 3.1 系统需求分析 本文所设计的智能家居无线网络是面向智能家居大环境，要求为用户提供良 好的服务体验，并能够保持系统的稳定性和实用性。因此，主要考虑一下几个问 题： （1) 用户的体验性。所使用的操作系统是否符合用户的使用习惯，降低用户 在使用过程当中的学习成本。应用程序的交互界面是否友好，使用户容易上 手使用。 (2) 系统技术上的可扩展性。现今计算机技术发展日新月异，每天市场上都 有新的产品和技术产生，从而用户会产生新的需求。那么系统本身是否能够 兼容这些新的技术并进行功能上的扩
7、展是一个十分重要的问题，关系到产品 在市场上的存活时间。 (3) 系统的便携性。作为一个面向用户的智能控制系统，是否能够满足用户 在家中随时随地不受地点约束使用系统的要求。 而对于网络通信系统，在实际的家庭使用当中，我们关心以下几个问题： 1. 无线网络通信的可靠性。在一般家庭住宅中，由于环境的特殊性，通信经 常受到墙面、家具以及家中其他通信设备的干扰。网络通信系统是否可靠，通信 距离能否达到要求。 2. 网络通信系统的成本。在满足了基本的网络通信要求同时，减少通信设备 的成本，这样才能具有更高的竞争力。 所以，对于网络通信系统，我们选择 simpliciTI 无线通信协议作为设备间的通 信协
8、议。simpliciTI 协议具有代码量小，功耗低，移植性强等特点，符合整个家居 系统的设计需求。 3.1.1 系统功能需求 随着人们生活水平的提高，人们对住宅的要求也越来越高，作为智能家居系 统，我们觉得功能上必须满足一下几点基本功能对用户才能具有吸引力。 （1）智能灯光控制 实现对住宅全部灯光的集中管理。用户能通过智能控制中心，可以在不同的 地方观看到家中灯光的情况，并对灯光的开关、亮度以及灯光的模式（会客、影 院等）进行调节。智能家居系统与传统的开关控制相比，性能上具有就地控制， 第三章 系统总体设计 19 遥控控制的有点；灵活性上根据环境及用户需求的变化，只需做软件修改设置就 可以实现
9、灯光布局的改变和功能扩充；安全性上采用通过远程控制，避免用户与 开关直接接触，更加安全。 （2）智能电器控制 智能家居系统中电器控制采用弱电控制强电的方式，既安全又智能。用户可 以在智能控制中心上集中控制家里面的家电如空调的开关以及调温、电视的开关 和调台等。用户还可以对家电进行远程控制，当用户在野外时，用户可以利用自 己的手机通过网络远程登陆智能控制中心查看家中情况，并进行相应的控制。该 智能家居系统为用户减少了很多遥控板，使控制更加的方便。 （3）安防监控功能 随着安全意识的提高，人们对自己居住的环境的是否能够保证自己生命财产 安全的重视程度也越来越高，这就导致了现在住宅小区和家庭对安防功
10、能提出了 更高的要求。智能家居系统应该有烟雾，煤气监控功能。当室内的烟雾浓度或者 煤气浓度超过了安全值，系统会向用户的控制中心和手机发警报信息，提醒用户 注意安全。同时，系统自然也应该有视频监控，当用户不在家中时，可以设定安 全模式，视频监控系统监控家中情况，当有人破门或者破窗进入家中时，系统也 会给用户手机发警报信息，提醒用户做出相应措施，视频监控系统里面的视频当 然也就成了证据。 3.1.2 系统性能需求 作为一个优良的智能家居系统，不仅功能上能够满足用户的需求，性能上也 必须得优秀。现在人们对家居家电的要求越来越高，质量性能好的家居在市场上 方可立于不败之地。本文中我们从硬件和软件方面来
11、讨论系统性能。 1.硬件上的性能需求： （1）系统规模方面：硬件大小的选取，这关系到整套系统规模的问题。当今 房价是越来越贵， 房屋的户型也趋向于小户型。 如果整套系统如果占地面积过大， 势必会影响系统的推广。所以，本系统方案选取了 CC2511F32 芯片作为无线适配 器，该芯片尺寸不到 10cm2,基本不占家庭空间。该系统的控制中心 MID 端我们选 取的是 Android 系统的平板， 同样也不怎么占用空间。 其他的就是一些控制电路板， 也是空间占用极小的。所以整套系统规模上不存在什么问题。 （2）系统成本方面：在满足客户功能需求的基础上，系统应该尽量选择低成 本的硬件设备，以降低整体系
12、统的成本，取得价格上的竞争优势。本系统选择的 CC2511F32 支持免费的 SimpliciTi 网络协议，从而为系统节约了很大一笔成本。 电子科技大学硕士学位论文 20 （3）硬件的可靠性：由于本系统是通过无限网络进行数据信息交换的，所以 硬件的可靠性就尤为重要， 这包括无限适配器的通信距离的选取， 通信距离过短， 难以达到系统的要求，就会增加系统的不稳定性。 （4）可扩展性：由于未来的家电不可预期，用户家中的家电可能随时增加或 者减少，所以系统必须具备可扩展性。 3.2 系统目标 在对用户需求以及智能家居环境进行分析后，本系统决定采用 2.4G 无线网 络配合 Android 进行智能家
13、居项目的开发。首先从射频通信频段考虑，国内外大多 数传感器节点的的系统硬件设计均基于射频电路。而我国无线电管理部门规定： 只有 2.4GHz 以及 5.8GHz 的 ISM 频段不需要申请就可以使用。国内大多数设计方 案均采用 2.4GHz 频段。本系统主要运用 2.4G 无线通信技术与红外技术，形成了 一个便捷、高效的智能家居系统。另外，本系统优点还包括高度智能化、带自学 习功能等方面。 在本设计中，有以下几个基本原则： (1) 成本高低是评判传感器网络设计的重要指标。一个智能家居网络通常有 几十上百个传感器节点，只有低成本才能保证智能家居系统的广泛应用。这就对 传感器网络的复杂度和效率提出
14、了很高的要求。因此，必须对网络拓扑结构进行 合理的布局，并且将功能高度集成化，以利于成本的降低。 (2) 硬件设计微型化、简单实用。硬件设计是决定传感器网络好坏的基础， 简单、微型化为系统的部署提供了便利，同时也有利于系统功耗的降低。随着 MEMS 技术的发展，芯片越发集成化和高度微型化。 (3) 软件设计裁剪小，可继承重用。在传感器网络的开发过程中，往往因为 网络协议过度复杂而造成硬件资源的浪费，以及开发周期的过长。因此，需要设 计合适的网络协议规则，使程序在不同设备的分析移植更加简便，有利于系统的 部署。 (4) 系统的低功耗需求。功耗高低是决定传感器网络好坏的重要条件，一个 好的低功耗网
15、络可以使系统成本明显降低，且能有效的提高系统的生命周期，因 此，必须重点考虑传感器节点的低功耗问题，并且设计合理的工作模式，最大限 度的降低系统的功耗。 本文基于上述设计原则，对智能家居无线网络做出了总体设计，并完成了上 述设计的软硬件实现。 第三章 系统总体设计 21 3.3 系统总体架构 本文是基于 SimpliciTI 技术搭建的一个智能家居无线网络系统， 这是一个典型 的小型无线传感器网络系统。系统通过低功耗、低成本、高可靠性和高扩展性的 SimpliciTI 协议组件了一个串状的无线网络拓扑结构。这有效的避免了硬布线带来 的高成本、低可扩展性等劣势。系统由 2.4G 无线网络、智能终
16、端、红外集中控制 中心、 无线通信设备、 社区服务中心等部分组成， 系统可以实现对红外家电和 2.4G 无线家电的集中便捷控制，并且支持智能终端或者 Web 方式登录控制中心查看和 控制各种设备，还可以及时获取各种小区以及周边便利信息等。系统架构如图 3-1 所示： 图 3-1 智能家居系统的整体架构图 整个网络由若干终端节点和控制中心以及终端和服务器组成。其网络可划分 为两大部分：家居通信模块以及远程通信模块。而二者通过 2.4G 模块的网关实现 互联以及数据传递。 这决定了系统网络数据中心在整个网络中起到了至关重要的作用。数据中心 电子科技大学硕士学位论文 22 对应着 SimpliciTI 协议的 AP 节点
