电 子 科 技 大 学 UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA 硕士学位论文 MASTER THESIS 论文题目 基于 Android 平台的智能家居系统 控制中心的设计与实现 学 科 专 业 计算机系统结构 学 号 201121060232 作 者 姓 名 曾 涛 指 导 教 师 廖 建 明 教 授 分类号 密级 UDC注1 学 位 论 文 基于 Android 的智能家居系统控制中心的设计与实现 （题名和副题名） 曾涛 （作者姓名） 指导教师 廖建明廖建明 教授教授 电子科技大学电子科技大学 成都成都 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 硕士 学科专业 计算机系统结构 提交论文日期 2014.3.24 论文答辩日期 2014.5.15 学位授予单位和日期 电子科技大学 2014 年 6 月 29 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 THE CONTROL CENTER OF THE SMARTHOME BASED ON ANDROID SYSTEM A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major: Computer System and Architecture Author: Zeng tao Advisor: Prof. jianming Liao School : School of Computer Science static system.loadLibrary(“zt”); public static void main(String args) displayZtSmartHome(); 其中 displayZtSmartHome()是一个 native 方法，在这里只有声明，没有实现，且要用 native 关键字标识。displayZtSmartHome()函数名必须和后面 C 模块中的函数名对应。 system.loadLibrary(zt);加载动态库， 这里一般是以 static 模块进行加载的。 2）生成扩展名为 h 的头文件 javah jni ZtSmartHome 生成扩展名为 h 的头文件，头文件的主要内容： extern “C” 第二章 相关技术及设备介绍 13 JNIEXPORT void JNICALL Java_ZtSmartHome_displayZtSm-artHome(JNIEnv *,jobject); .h 文件相当于 java 里面的接口，这里声明了 Java_ZtSmartHome_displayZtSm-artHome(JNIEnv *,jobject)方法，然后在本地方法里面实现这个方法，也就是说在编写 C/C+程序的时候所使用的方法名必须和这里的一致15。 3）编写本地方法（C 模块） 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： #include #include ZtSmartHome.h JNIEXPORT void JNICALLJava_ZtSmartHome_dispalyZtSmartHome(JNIEnv*env,jobject obj) printf(zt world!n); return; 本段代码中必须将 jni.h 文件引入15，因为程序中的 JNIEnv、jobject 等类型都是在该头文件中定义的。 ZtSmartHome.h 文件也必须引入，然后保存为ZtSmartHomeImpl.c 就可以了。 4）生成动态库,运行程序 这里以在 Windows 中为例，需要生成 dll 文件。在保存 ZtSmartHomeImpl.c 文件夹下面，使用 VC 的编译器 cl 生成。生成后运行程序就 ok 了。 2.3 短距离无线通信技术介绍 目前，移动通信向高速率、大宽带、大容量和多媒体的方向发展，频率资源与通信容量之间的矛盾日益突出，如何使用一种更好的方式建立无线设备之间的联系，已成为世界上研究的热点，这给短距离无线通信技术和网络技术提供了广阔的发展空间。 对于短距离无线通信技术其实学术界并没有一个严格的定义。通常，只要双电子科技大学硕士学位论文 14 方通过无线电波传输信息，单跳传输距离在较短（一般最远是数百米）的范围内，都可以称为短距离无线通信。现在市场上主流的短距离无线通信技术都工作在2.4G 和 5G 频段。工作在 2.4G 频段的无线通信技术有：蓝牙、Wi-Fi 技术、ZigBee技术和 SimpliciTI 专有网络协议。 蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的 2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输16。 Wi-Fi 是基于 802.11 标准的无线网络接入技术， 其通信距离在没有障碍物的情况下最多可以达到 140 米。广泛运用于家庭，公司以及世界各地的校园。 ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率、低成本。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。但起最大的缺点是收费的，运用此协议开发项目会增加成本。 SimpliciTI 是 TI 开发的一份专门针对其 CCxxxx 系列无线通信芯片的网络协议。它支持两种网络拓扑结构：直接的点对点通信结构和基于星型连接的网络拓扑结构。SimpliciTI 的特色是：低功耗通讯支持，存储转发机制，支持休眠设备；低成本，最大使用 8k Byte flash 以及 1k byte RAM；网络结构灵活，支持 p2p 的连接方式和星型网络；使用方便，协议仅仅通过 8 个 API 借口和应用程序进行交互。 2.4 无线适配器 CC2511 介绍 本系统选择 2.4G 无线模块 CC2511 作为数据的发送和中转设备，相比其他设备如红外等，它具有穿透力强，传输距离远的特点。在众多的无线设备中，本文经过不断的研究和比对，从实际从发，综合考虑各种因素，最终选择 CC2511 无线收发器作为本系统信息收发中转模块。如图 2-5 为 CC2511 实物图。 图 2-5 CC2511 实物图 第二章 相关技术及设备介绍 15 CC2511 是美国 TI 公司出品的 2.4GHz 片上系统（SOC），它是专门设计用于低功耗的无线应用。该芯片很好的结合了 CC2500 射频收发器与 8051 单片机。有32KB 的系统可编程闪存，4KB 的 RAM 和其他的一些强大功能。6X6 毫米封装使得它非常适合有大小限制的应用，比如无线音响、无线鼠标键盘等。为了方便用户编写丰富的应用程序和调试、扩展控制设备，CC2511 还制订了 10 针外设接口、10 针调试接口、3 个 8 位标准定时器、1 个 16 位 DSM 模式定时器和一个按钮。图2-6 为 CC2511 结构图 图 2-6 CC2511 结构图 无线适配器 CC2511 的主要特性有： 耗能方面： 1.在睡眠模式下仅仅只需要 0.3uA 电流。 2.发送和接收时分别需要 16mA 和 17.1mA。 射频方面： 1.高性能收发器 CC2500，该收发器目前在市场上占有领先地位。 2.可编程速率可以达到 500KB，频率范围为 2400-2483.5MHz。 3.对于所有的负载频率，可编程输出功率可以达到 1dBm。 电子科技大学硕士学位论文 16 4.优良的接收选择和阻塞性能。 5.灵敏度很高。 其他方面： 1.带 USB 接口，容易与其他设备衔接。 2.绿色封装，符合 RoHS 标准。 3.工作电压低，只需 2.0V-3.6V。 中断作为一个单片机控制系统中的重要技术，在系统中起到的作用是至关重要的。中断技术不仅可以提高系统的响应时间，也可以提高程序的执行效率。 对于中断的一般过程，大体可以分为五个阶段：中断请求、中断判优、中断响应、中断处理和中断返回。如图 2-7 所示。 中断请求中断判优中断响应中断处理中断返回图 2-7 中断的一般过程 8051 提供 18 个中断源。每个中断源在中断标志寄存器中都有自己属于自己的中断请求标志。所有中断源的使能和屏蔽都可以通过中断使能寄存器中相应的中断位控制。CPU 中断使能寄存器共有三个：IEN0、IEN1 和 IEN2。所有中断源的中断开关都通过这三个中断使能寄存器进行管理17。 总之，CC2511 是一块带 USB 接口的，低功耗，数据传输率高，穿透力强的短距离无线通信芯片。非常适合近距离无线通信系统，所以本文选择了它作为数据收发和中转设备。 2.5 本章小结 本章主要介绍了本智能家居系统中涉及到的一些关键技术与设备。 本系统主要是基于 Android 平台和 2.4G 无线通信技术。首先论文介绍了 Android 平台的框架及 Android Framework 框架，让大家对 Android 平台有个大概的了解。接下来介绍了 JNI 技术，JIN 技术也是本系统开发中用到的关键技术。其次，本章还介绍了短距离无线通信技术，对比了几种通信方式的优缺点。最后介绍了本系统中使用的无线适配器 CC2511。总之，本章目的就是为后面系统设计做一个铺垫。 第三章 智能家居需求分析与系统设计 17 第三章 智能家居需求分析与系统设计 3.1 智能家居需求分析 要设计好一个系统，需求分析在在整个设计阶段起着关键性的作用，本节中就针对智能家居系统功能需求和性能需求两方面进行分析。 3.1.1 系统设计目标 本系统是基于 Android 平台和 2.4G 无线网络，结合了红外编码技术，传感器技术和远程控制技术等的智能家居系统。与传统的智能家居相比，本系统的优势在于全系统不需要综合布线，采用无线传输信息的方式达到对家里的家电集中控制的目的。 该智能家居系统的一个目标是为了给用户提供安全、节能、健康 ( 阳光与空气 ) 、 灵通 ( 各种通讯手段 ) 、 舒适和便利 ( 自动化 ) 的生活。 用户在家里面，可以通过控制中心（Android 平板）对家里的家电进行集中控制。这时，用户就不需要很多遥控器，不需要每每要控制某个家电的时候还得拿着遥控器对着家电使劲的按，用户只需要在平板上轻轻一点，就实现了自己的目的。每当用户出门在外时，往往会去想自己是不是忘了关门啊，是不是忘了关电视之类的事情。本文所设计的智能家居系统能使你在户外也能观看到自己家里的情况，并且可以远程用手机登陆家里的控制中心进行远程控制。 由于现在市场上的智能家居系统还比较昂贵，本文所设计的智能家居系统的另一个目标是降低系统的总成本。为了达成这个目标，论文选择了 CC2511 芯片，这款芯片价格便宜，且其支持免费的 SimpliciT