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基于Android的物联网家居系统分析与实现.pdf

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Study and Implementation of IOT Home Based on Android A thesis ted to XIDIAN UNIVERSITY in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Mechanical Manufacturing and Automation By Chen ming ming Supervisor Associate. Prof. Du shu xing December 2014 西安电子科技大学 学位论文独创性(或创新性)声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德, 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作 了明确 的 说明并表示了谢意。 学位论文若有不实之处,本人承担一切 法律责任。 本人签名 日 期 西 安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 于 西安电子科技大学 。 学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅 、 借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内容,允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证, 获得学位后结合学位论文研究 成果 撰 写的文章 ,署名单位 为西安电子科技大学。 保密 的学位论文 在 年解密后适用本授权书 。 本人签名 导师签名 日 期 日 期 摘要 I 摘 要 随着科学技术的发展与进步,人们对提高生活品质的需求日趋强烈。家居作为日常生活中必不可少一部分, 逐渐成为人们 关注 的焦点, 小米科技创始人雷军在世界互联网大会上 发表 的 智能家居引领未来世界 , 提出了一种 围绕小米手机展开 的 智能 硬件生态链 与 软件和互联网结合在一起 的 物联网 家居 新模式 ,未来 实现生活数据化、数据模型化、模型产品化是 物联网 家居 的 最终目标 。 现今的 物联网技术、计算机技术、通信技术以及传感器技术为物联网家居发展奠定坚实的基础 。 论 文在 借鉴 前人的研究基础上, 根据中国电子熊猫集团物联网家居高新项目的任务需求, 研究并实现 了 一种基于 android 的物联网家居系统。 该系统包括客户端、智能网关单元、无线感知网络单元三个部分。客户端应用程序通过 TCP/IP 协议实现对物联网家居系统的 控制。智能网关单 元 作为 家庭网络的核心部分,实现网络接入、远程报警以及无线连接感知网络单元等功能。无线感知网络单元 实现对数据信息进行采集并通过串口与智能网关单元进 行通信 。当处于紧急 状态下,智能网关单元 可 通过 GSM 模块发送信息到客户端实现远程报警的作用。 本文根据无线 物联网家居 系统软硬件 的 需求以 及 对 主流通讯方式 的对比 分析, 选 用 Cortex-A8 处理器为硬件平台, android 操作系统为软件平台, zigbee 技术作为无线通讯手段 。 选择 TI 公司 AM335x 为主控芯片配以扩展电路作为网关,CC2530 系列 的 zigbee 模块 组建无线感知网络。在手机客户端与网关之间, 论 文分析 了 android 4.2 系统内核在网关硬件平台上的移植和裁剪过程, 完成了 网关服务器程序编写与调试。针对局 域 网数据通讯安全性问题, 论 文 利用协议 的连接、会话、握手、密级转化等原理, 在客户端和网关进行连接和数据传输时采用 SSL协议加密技术, 并 给出了 分级加密技术的 实现方式 ,保证了系统的 安全性 和 高效性 。在网关与无线感知网络 之间 , 设计了基于 TI CC2530 开发板基础上 的 相应电路模块 ,包括 RGB 灯控电路、电机开关控制电路、智能插座电路等, 并在 zigbee的 Z-stack 协议栈的基础上进行二次开发,完成手机端应用程序的编写 。 本文设计的 基于 android 的物联网家居系统,主要实现了 对用户需要的温湿环境感知、厨房烟雾报警、家 电控制、 RGB 多彩灯、电机窗帘 的智能控制 。 其采用的分级 加密手段 ,有效保证了系统的 安全可靠 , 为用户生活带来方便。 关 键 词 物联网家居 , 分级加密 , android, zigbee 论文类型 应用基础研究类 西安电子科技大学硕士学位论文 II ABSTRACT III ABSTRACT With the development and progress of science and technology, the demand for improving the quality of life is becoming more intense. Home as an essential part of everyday life, has gradually become the focus of people. The World Internet Conference, millet technology founder lei jun entitled “smart Home to lead the future of the world“ speech, A new model is proposed to expand around the millet phone, the entire ecological chain binding intelligent hardware and software and the Internet together. The final target of IOT Home is to realize the life digitization, data modeling, model commercialization in the future. Today IOT technology, computer technology, communication technology and sensor technology for IOT Home development lay a solid foundation. In this paper, on the basis of predecessors research, according to the China Electronic Panda Group IOT Home high-tech project requirements, study and implement a IOT Home system based on android. The system architecture consists of three parts client, intelligent gateway unit, a wireless sensing network unit. The client application achieve to control of IOT Home system through TCP/IP protocol. The intelligent gateway unit is the core part of Home network, it mainly realizes the network access, remote alarm and wireless connectivity sensing network unit, and so on. Wireless sensor networks unit mainly to collect ination and data through the serial port to communicate with the intelligent gateway unit. When in a state of emergency, intelligent gateway unit sends the ination to the client to realize the role of remote alarm by GSM module. According to the demand of wireless IOT Home system software and hardware as well as the comparison and analysis of mainstream communication s, This paper uses Cortex-A8 processor as the hardware plat, the android system as the software plat, the zigbee technology as a means of wireless communication. This system chooses the main chip of TI s AM335x with expansion circuit as a gateway, CC2530 series zigbee module to establish wireless sensing network. Between the client and gateway, this paper mainly discusses the Android 4.2 system kernel transplant and cutting process in the gateway hardware plat, and achieves writing and debugging programs at the gateway server. Aiming at the safety problem of data communication, 西安电子科技大学硕士学位论文 IV this paper uses the principle of the connection, session, handshake protocol, gives approach to the hierarchical encryption technology and the way to come true it when the connection and data transmission between the client and gateway, which both improve security and ensure the high efficiency. Between the gateway and wireless sensor networks, the corresponding circuit modules are designed based on CC2530 development board, including the RGB lamp control circuit, a motor switch control circuit, intelligent socket circuit etc. This paper re-develop on the basis of the Z-stack protocol stack, finish writing the mobile terminal applications at the same time. In this paper, the IOT Home system mainly realizes to control to the temperature and humidity environment perception, the kitchen smoke alarm, the Home appliance control, the RGB multi-colored lights, the electrical curtain intelligently. This system which uses encryption makes sure it safe and reliable effectively, and brings convenience for users. Keywords IOT Home, Hierarchical encryption, android, zigbee Type of Dissertation Applied Basic Research 插图索引 V 插图索引 图 2.1 系统的整体布局与节点布控图 ....................................................................................... 6 图 2.2 系统总体框架图 ......................................................................................................... 8 图 2.3 操作节点流程图 ......................................................................................................... 9 图 3.1 网关系统架构图 ....................................................................................................... 11 图 3.2 网关硬件架构图 ....................................................................................................... 12 图 3.3 网关电源供电图 ....................................................................................................... 13 图 3.4 网关 PCB 布局图 ..................................................................................................... 14 图 3.5 GSM 模块启动电路图 ............................................................................................. 15 图 3.6 SIM 卡接口电路图 ................................................................................................... 16 图 3.7 android 系统框架图 ................................................................................................. 17 图 3.8 Ubuntu 安装完成界面图 .......................................................................................... 19 图 3.9 Makefile 修改界面图 ............................................................................................... 20 图 3.10 Nandflash 配置界面 图 ........................................................................................... 21 图 3.11 TI 的 OMAP 配置界面图 ....................................................................................... 22 图 3.12 UBIFS 配置界面图 ................................................................................................ 22 图 3.13 网卡驱动配置界面图 ............................................................................................. 23 图 3.14 nandflash 烧写成功界面图 .................................................................................... 24 图 3.15 系统移植成功界面图 ............................................................................................. 24 图 3.16 SSL 协议握手过程图 ............................................................................................. 25 图 3.17 SSL 会话恢复过程图 ............................................................................................. 26 图 3.18 网关应用程序框架图 ............................................................................................. 28 图 3.19 线程池执行流程图 ................................................................................................. 29 图 3.20 TCP/IP 通信原理图 ................................................................................................ 30 图 3.21 网关数据收发示意图 ............................................................................................. 31 图 3.22 GSM 模块初始化流程 图 ....................................................................................... 33 图 3.23 GSM 模块与网关通信流程图 ............................................................................... 34 图 3.24 SQLite 数据存取流程图 ........................................................................................ 35 图 3.25 JNI 技术实现流程图 .............................................................................................. 36 图 4.1 zigbee 网络体系架构 图 ........................................................................................... 41 图 4.2 zigbee 网络拓扑结构 图 ........................................................................................... 42 图 4.3 zigbee 组网初始化流程 图 ....................................................................................... 43
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