毕业论文基于Android的智能家居系统设计与实现 - 图文

邯 郸 学 院 毕业论文开题报告书 论文题目 基于Android的智能家居系统设计与实现 学生姓名 学 号 044103091072 指导教师 年 级 2009 级 专 业 电子信息工程 2013 年1 月 10 日

说 明

1. 本表需在指导教师和有关领导审查批准的情况下，要求学生认真填写。

2. 课题来源分为教师提供选题或学生自拟课题；教师的科研任务；社会有关单位委托的课题；其他来源。

3. 若课题因故变动时，应向指导教师提出申请，提交题目变动论证报告。

题目来源： 华清远见提供选题 主要研究内容 一、基本内容 本系统结合物联网新型概念，采用Zigbee、RFID（射频识别）、WiFi等技术实现家居的智能化管理。用户可以通过智能终端在家居内部或者远程实现对家中情况及家居系统的实时监控。它通过各种传感器获取家庭内部信息（温湿度信息、光照信息、RFID信息等），这些传感器利用ZigBee技术实现连接，构成传感网。然后通过WiFi、蓝牙、GPRS等无线通信技术使得用户利用Android智能终端与传感网络之间实现信息的交互。 二、具体要求 1、传感节点单元 所谓传感单元，就是将多个传感器集成在一个开发平台上，形成对外界的感知能力。在传感单元上，主要有以下几种传感器： （1）温度传感器； （2）湿度传感器； （3）烟雾传感器； （4）磁门传感器； （5）三轴加速度传感器； （6）光敏传感器。 传感单元实现了以下几项功能： （1）搜索Zigbee无线网络； （2）加入Zigbee网络； （3）采集各种传感器的信息； （4）、通过Zigbee无线网络将传感信息发送到上层处理单元。 2、网关设计 在Cortex-A8开发平台中，主板作为网关存在，板级资源有： （1）Zigbee收发单元； （2）RFID射频模块； （3）GPRS收发模块； （4）WiFi无线模块。 网关板主要完成以下功能： （1）利用Zigbee模块创建Zigbee无线网络； （2）RFID模块进行对主人身份的识别； （3）WiFi模块与Android智能手机建立网络连接。通过WiFi接收智能终端的命令并执行操作，智能终端接收WiFi网络上传的信息进行显示； （4）GPRS模块完成向用户的报警操作。 3、交互控制单元 交互控制单元共有两种形式：工业串口触摸屏和Android智能终端（智能手机或平板电脑）交互界面。 完成的操作主要有两个方面：

（1）接收主板的处理信息并进行相关体现； （2）向主板发送控制命令。 4、执行单元 执行单元上有以下几个模块： （1）ISD1760语音模块； （2）7段数码管； （3）PWM风扇； （4）蜂鸣器。 执行单元完成以下的操作： （1）接收主板命令控制语音模块； （2）接收主板命令控制7段数码管； （3）接收主板命令控制PWM风扇； （4）接收主板命令控制蜂鸣器。 三、现有的条件 嵌入式ARM Cortex-A8开发平台 物联网ARM Cortex-M0开发平台 开题依据（包括相关研究现状、此项研究的理论意义、学术价值、应用前景等） 1．相关研究现状 从20世纪80年代初开始, 随着大量采用电子技术的家用电器面市,住宅电子化出现。80年代中期将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。80年代末随着通信与信息技术的发展，出现了采用总线技术对住宅中各种通信设备、家电、安防设备进行监控与管理的商用系统。这在美国称为SmartHome,也就是现在智能家居的原型。智能家居最初的定义是这样的，将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能系统上，进行集中或异地监视控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调是智能住宅的基本单元也是智能住宅的核心。1984年，在美国世界上第一幢智能建筑出现，智能家居开始在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统一软件配置等。本世纪初开始国内开始推广智能家居，但进程缓慢。2009年开始，随着物联网概念的提出，智能家居技术开始与物联网融合，物联网的出现也给智能家居带来了新的动力。伴随Zigbee、RFID等新型无线传输技术的应用，智能家居技术发生了巨变。如今的智能家居集安全防护、时尚方便、健康生活三大主题为一体，早已打破仅局限于室内遥控开关的模式，让居室安全与家庭健康也智能化，打造真正的智能健康生活。智能家居与智能小区、智慧城市乃至整个社会智能化的融合将成为未来的发展方向。 2．此项研究的理论意义 以前的智能家居系统只出现在高档小区，随着以智能手机、ipad为代表的智能终端设备的普及，智能家居进入平常百姓已成可能。本系统旨在探究一种低功耗、低成本、高兼容、现实有效的解决方案。希望充分利用已有条件，兼容现有Android平台，实现家居系统的初步智能化。 3．学术价值 本系统所用到的Android操作系统、μC/OS操作系统、WIFI技术、Zigbee技术等都是

现行嵌入式开发常用技术。本设计一方面是在探究智能家居的低成本方案，另一方面也在锻炼提高学习新技术，应用成熟技术解决新问题的能力。通过该系统的设计寻求学校教育与现实应用的偏差，深化对理论知识的认识，完善知识结构，开拓视野。 4．应用前景 随着经济社会的发展和科学技术的进步，人们生活节奏在加快同时对高质量生活的需求也在增加。为了解决这对矛盾，将人们从平常琐碎的生活中解放出来，家居系统的智能化成为必然的选择。随着通信基础设施水平的提高以及智能设备成本的降低，智能家居市场在迅速扩张。伴随着物联网技术、云计算技术和嵌入式技术的发展，智能家居必会获得更大的发展。当然随着Android设备的普及，基于Android的智能家居系统以其低成本的优势必会有广阔的市场。相信未来的智能终端不仅是平常工作的“伴侣”更是人们日常生活助理和家庭不可或缺的一员。 起止时间和进度安排（包括外出调研） 起止时间 2012.12.30-2013.01.31 2013.02.01-2013.03.11 2013.03.12-2013.03.19 2013.03.19-2013.03.26 2013.03.26-2013.04.11 2013.04.11-2013.04.20 完成内容 查阅相关资料、文献综述、开题报告 准备开题报告，2013.03.11开题报告答辩 硬件电路分析与设计 程序代码编写 软、硬件联调联试 撰写毕业论文，2013.04.20上交论文初稿 2013.04.20-2013.04.29 修改论文，准备毕业答辩，2013.4.29第一次毕业答辩 2013.04.29-2013.05.13 2013.05.13-2013.05.20 2013.05.20-2013.05.27 修改论文， 2013.05.13第二次毕业答辩 修改论文， 2013.05.20第三次毕业答辩 修改论文， 2013.05.27第四次毕业答辩 预期结果及成果形式 1．预期结果 预计按时间计划和目标进度完成基于Android的智能家居系统设计并完成论文撰写。 2．成果形式： （1）撰写一篇8000字的毕业论文； （2）利用Cortex-A8平台及Cortex-M0平台实现温湿度、磁门、光敏等各传感器信息的采集；实现基于RFID技术的身份识别和用户信息智能化管理；实现基于Zigbee技术的无线数据传输；实现基于蓝牙、wifi等技术的较远距离信息传输与设备控制。

可行性分析（已具备的条件和待解决的问题；拟采取的研究方法、技术路线、实验方案等） 1．已具备的条件 （1）指导老师提供，图书馆及网络所能查阅的资料可供参考； （2）硬件设备：华清远见嵌入式教学用ARM Cortex-A8开发平台、物联网开发用ARM Cortex-M0平台以及基于Android系统的智能设备； （3）PC机，Keil等软件； （4）学校提供了专业的实验室及专门的老师指导； （5）有一定的汇编语言、C语言、Java编程基础以及硬件接口电路设计、51单片机开发、ARM开发、无线通讯技术和网络通信技术基础。 2．待解决的问题 （1）熟练使用Linux下的基本命令、管理配置和编辑器，包括VIM编辑器、GCC编译器，GDB调试器和 Make 项目管理工具； （2）熟悉Java编程、Linux下的c语言编程、Linux应用编程、Android应用编程； （3）了解嵌入式项目开发流程以及Cortex-A8平台和Cortex-M0平台的硬件电路各模块原理； （4）熟悉ARM处理器架构、指令集等底层开发基础； （5）回顾复习常用接口开发及硬件电路设计基础； （6）熟悉嵌入式Linux系统开发、内核开发基础，并掌握嵌入式Linux驱动开发； （7）熟悉嵌入式Linux开发常用软件及软硬件调试技术； （8）熟悉RFID、Zigbee、WIFI、GPRS等无线通信技术及协议； （9）熟悉μC/OS操作系统移植。 3．拟采取的研究方法 研究方法主要是通过自学、查阅资料及培训掌握相关知识，而后进行试验及相关研究。 通过自学和培训掌握嵌入式Linux系统设计、内核设计、驱动程序设计、应用程序设计，并掌握Android下应用编程；通过查阅资料，对RFID技术、蓝牙技术、WLAN技术、Zigbee技术、GPRS技术进行研究，了解其原理和使用方法。通过JTAG仿真器对ARM处理器及无线传输模块进行数据传输测试及通讯状态，通过观察试验现象来确定程序运行是否正常，是否实现预定功能。 4.技术路线 （1）系统总体方案框图如下图1

基于S5PC100的Android平台 Zigbee模块 蓝牙RFID模块 WIFI 基于LPC11C14微控制器的核心板 家居系统单元 图1 系统总体方案 本系统的控制端采用基于NXP公司LPC11C14微控制器的核心板，用户端采用基于SAMSUNG公司S5PC100位微处理器的Android平台。LPC11C14是恩智浦公司基于ARM Cortex—M0内核开发的一款32位中低端MCU，用于替代在工控领域广泛应用的51系列单片机。它不仅低功耗、低成本，而且还具有丰富的外设资源，是51单片机不可比拟。S5PC100是三星公司基于ARM Cortex—A8内核开发的一款嵌入式微处理器，S5PC100处理器采用64位内部总线构架，包括强大的硬件加速器，如：动态视频处理，显示控制和缩放。支持多种格式的硬件编解码：MPEF-1/2/4、H263/H264、CV-1、DivX。其硬件加速功能支持实时的视频会议和模拟电视输出，支持NTSC和PAL模式的HDMI。提供了24bit LCD接口、TVout接口、Camera输入接口、4路串口、SD卡接口、SPI、100M网口、USB2.0-OTG接口，USB Host接口、音频输入输出接口、按键接口、I2C接口等硬件资源，具有更高的主频和更丰富外设，能适用于对性能和处理能力有更高要求的嵌入式系统应用场合。 （2）Zigbee模块采用CEL公司的ZICM2410芯片，内核芯片结构如图2。CEL公司的ZICM2410是兼容ZigBee和IEEE802.15.4的完整单片无线解决方案。它包含一个带有基带调制解调器的RF收发器、硬连线MAC以及一个带有内部闪存的嵌入式8051微控制器。该器件提供多个通用I/O引脚、定时器和UART等外围设备功能，并且它是第一个提供嵌入式声音CODEC的器件，是超低功耗应用的理想选择。

图2 ZICM2410内核结构 （3）RFID模块 RFID模块采用CY-14443A-P系列射频模块，利用SPI总线与控制器通信。CY-14443A系列射频读写模块采用基于ISO14443 标准的非接触卡读卡机专用芯片。模块引脚如下图3所示，RFID模块程序流程设计如图4. 图3 CY14443RFID模块

GPRS模块程序流程 图4 RFID模块程序流程 （4）GPRS模块设计 GPRS是通用分组无线技术的简称。它是二代和三代移动通信技术之间的一种标准，理论最高传输速率达到171Kbps。GPRS模块即有数据传输功能的GSM模块，相当于一个精简版的手机。我们可以使用AT命令并通过开发板（电脑）上的RS232串口对GSM模块进行控制，进行发送接收短信和拨打电话等操作。 （5）温湿度、光照 温湿度测量采用的是DHT11。它是一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器 传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，幵与一个高性能8位单片机相连接。光照采集采用的是ISL29003光传感器，IS29003具有灵敏度高，增益可选，中断功能和I2C接口。

5. 实验方案 深入学习ARM处理器的体系结构、指令集、外围接口电路等相关知识，查阅S5PC100、LPC11C14的技术资料。学习WIFI、Zigbee、GPRS、RFID等相关知识，阅读各模块技术资料，掌握其使用原理与方法。查看所用实验平台的电路原理图，掌握各芯片的引脚分配及使用。在充分掌握各单元硬件原理的基础上进行各部分协议栈、驱动程序设计，逐个测试各模块链接、通信情况。在完成各模块测试基础上进行多单元测试，最后进行全系统软硬件联调联试。实验方案设计如下： （1）检测S5PC100、LPC11C14等各芯片是否正常工作； （2）完成传感单元搭建，编写程序测试其工作情况并改进； （3）进行传感单元、RFID模块与LPC11C14核心板的通信、控制实验并改进； （3）完成A8平台与M0平台的通信实验并查找不足； （4）搭建GPRS模块，编写程序，进行与手机终端的GPRS通信，查找不进行改进； （5）进行全系统测试并进行相关改进。 通过以上的学习与实践，掌握进行模块化设计应具备的知识，先将各模块功能独立实现，再进行功能衔接，并进行调试，以实现整体功能。 主要参考文献 [1] 李宁.ARM Cortex-A8处理器原理与应用[M].北京航空航天大学出版社.2012,04. [2] 赵军辉.射频识别技术与应用[M].机械工业出版社.2008，07. [3] 张佐军. 射频识别技术研究[D]. 2008,4. [4] 蒋挺， 赵成林. 紫蜂技术与应用[M]. 北京邮电大学出版社，2006，06. [5] 瞿雷，胡咸斌. ZigBee技术及应用[M]. 北京航空航天大学出版社，2007，09. [6] 金纯. ZigBee技术基础与案例分心[M]. 国防工业出版社，2008，8. [7] 李文仲. ZigBee无线网络技术入门与实战[M]. 北京航空航天大学出版社， 2008. [8] NicholsH.M.C.， BernardC.B.， M.H..Remote. Instrument Diagnosis on the Internet[J]. IEEE Intelligent System，1998，(5):70-76. [9] 朱文凯，陶波，何岭松. 基于Internet的测控系统——网络化仪器[J]. 中国计量， 2004，7:53-54. [10] 柳树春. 基于Web 3-Tier客户、服务器体系的应用系统开发与实现[J]. 计算机工程与应用，2004. [11] 曹军义，刘曙光. 基于Internet的远程测控技术[J]. 2001，6：17-21. [12] 孙德明，何正嘉. 快速构建基于Web的远程测控系统[J]. 计算机工程与应用. 2003，23：l60-162. [13] 朱文凯，陶波，何岭松. 基于Internet的测控系统[J]. 中国计量.2004，7：53-54. [14] 杨叔子，史铁林，李东晓. 分布式监测诊断系统的开发与设计[J]. 振动、测试与诊断，1997，17(1):1-6. [15] 朱文凯，何岭松，丁汉等. 基于Internet的嵌入式Web传感器[J]. 传感器技术，2002，8:1-4.

指导教师审查意见 指导教师（签名）： 年 月 日 教研室论证意见 ____________教研室主任（签名）： 年 月 日 二级学院院长或系、部主任审查意见 ____________二级学院、系（部）院长（主任）（签名）： 年 月 日

指导教师审查意见 指导教师（签名）： 年 月 日 教研室论证意见 ____________教研室主任（签名）： 年 月 日 二级学院院长或系、部主任审查意见 ____________二级学院、系（部）院长（主任）（签名）： 年 月 日

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