基于android的智能家居软件设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1选题的目的

近年来经济快速发展，带动了人们对物质文化需求的增长，人们越来越追求一种简单、舒适、便捷、安全的生活方式。目前，智能家居已经开始逐渐走进了人们的日常生活，成为实现这一需求的有力工具。智能家居系统融合了网络通信、综合布线、家居安防、自动控制等技术，通过传感器网络使家居环境中的电器设备实现智能化控制管理^[1]。但由于现在市面上不同的智能家居产品，一般对家居设备的控制方式都有所不同，但无论在那一种智能家居系统中，对家居设备的控制都是通过网络通讯来实现的，因此适合家居环境的通讯控制协议，成为了实现家居智能化的关键^[2]。wifi协议和zigbee协议是近年来应用比较广泛的两种网络协议^[3]，它们广泛应用于智能家居的各个方面。本次设计的目的就是设计一个基于android的app，这个app能够通过wifi和zigbee来控制智能家居硬件设备。

1.2选题的意义

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

本文将智能家居系统按照物联网架构划分为应用层、网络层、感知层进行设计，主要目的是完成基于Android系统的使用WiFi接口的APP开发（完成物联网架构的应用层开发），并且能够使用Android手机端控制现有智能家电（能够实现应用层、网络层、感知层相互通信）。为了能够实现手机端控制智能家电的功能，必须制定一套能够同时在应用层，网络层，感知层通用的网络协议。

2.2研究目标

完成一套能够同时在应用层，网络层，感知层通用的网络协议，完成基于Android的APP各个模块设计，能够通过APP和网关进行通信，并且能够通过APP实现现有智能家居设备的动态添加\删除、识别、控制，能够保证通信的安全性和稳定性。

2.3智能家居层次分析

智能家居系统以物联网技术为基础，按照物联网架构采用分层体系结构，分为应用层、网络层、感知层3个层面：

(1)智能家居应用层：根据系统底层各种环境的检和家电的控制等功能设计用户接口，如照明窗口、出门模式窗口等，提供可视化、可操作服务，使控制终端通过网络连接、无线通信与家居内装置和环境进行对话^[9]。

(2)智能家居网络层：家庭内部组网支持有线方式和无线方式^[10]，其中有线方式有电话线HomePNA、以太网IEEE802.3、串行总线USB1.1、USB2.0和IEE1394等，无线方式包含ZigBee、蓝牙、WiFi、红外等。不同的网络类型通过网关进行接口转换以完成不同网络通信协议的互联互通操作。

(3)智能家居感知层：可以利用设备执行器执行终端传来的命令^[11]，如继电器、电动机、网络连接口等，也可以利用相关传感器探测家居环境，如压力传感器、光照传感器、温湿度传感器、气体传感器。

图1智能家居层次简图

2.4通信方式选择

目前智能家居的通信方式一般有：蓝牙传输、红外传输、ZigBee传输以及WiFi传输等几种方式。

蓝牙传输：蓝牙技术(Bluetooth)是一种无线数据与语音通信的开放性全球标准。其实质是为移动或固定终端设备之问的通信建立通用的短距无线接口，并进一步将通信技术与计算机技术结合，使各种设备在没有实体电缆互连的情况下，能够在近距离内实现数据交换或操作^[12]。蓝牙的通信半径在10m到100m，在智能家居系统中有很大几率出现大于蓝牙最大的通信半径，所以蓝牙技术存在着很大的局限性。而且蓝牙主机最多连接7个设备，蓝牙通信也越来越跟不上潮流。

红外传输：稳定性好，红外传输采用模拟传输方式，并不像蓝牙、RF无线射频等无线传输方式一样采用数字信号，所以几乎没有任何相似的信号能对它产生干扰。私密性强：由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以适合应用于短距离无线通信。成本低廉：红外传输技术已非常成熟，上下游产业链也极为发达，相对于蓝牙、ZigBee等无线传输技术，在成本上有明显的优势^[13]。但是，红外传输点对点的传输连接要求两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接，并且无法灵活的组成网络，这在智能家居环境中存在很大的局限性。

ZigBee传输：相比于其他无线通信技术，ZigBee主要具有以下几个特性：低速率、低成本、低功耗^[14]，主要用于自动控制和远程控制相关的传感器领域。

随着互联网技术的不断发展，ZigBee技术也越来越多的被更多的家庭用户所青睐。ZigBee技术在智能家居网络系统中的运用己经如火如荼，具有广阔的发展前景。

WiFi传输：WiFi的功耗高也是其很大的弱点，这也导致其在智能家居领域的应用有限。由于其功耗较高，WiFi将不能用在诸如智能门锁、红外转发控制器、各种传感器等产品内，但智能门锁是智能家庭不可或缺的产品之一，而温湿度传感器、光照传感器、烟雾探测器等各类传感器也是智能家居系统必不可少的部分。

结合上述分析，可知WiFi无线通信技术具有的优势有：使用全球通用的免费频段、传输速度快、传输距离远、技术成熟、市场普及度高等^[15]。，ZigBee传输主要具有以下几个特性：低速率、低成本、低功耗，主要用于自动控制和远程控制相关的传感器领域。因此本次设计在上位机和网关通信时采用WiFi通信，而在网关和智能家具设备之间采用ZigBee通信。这样既可以节约成本，又可以保证智能家居的设备占用的网络带宽不会太大。

表1几种主流近距离无线通信技术比较

2.5数据传输格式

目前来说基于Web通信的一般有两种数据格式XML格式以及JSON格式，其中XML格式的优点是：格式统一, 符合标准，容易与其他系统进行远程交互, 数据共享比较方便。但是缺点也很明显：XML文件格式文件庞大, 格式复杂, 传输占用带宽。服务器端和客户端解析XML花费资源和时间，不论服务器端和客户端代码变的异常复杂和不容易维护，客户端不同浏览器之间解析XML的方式不一致, 需要重复编写很多代码。JSON数据格式比较简单, 易于读写, 格式都是压缩的, 占用带宽小，且易于解析。此外JSON格式能够直接为服务器端代码使用, 大大简化了服务器端和客户端的代码开发量, 但是完成的任务不变, 且易于维护。综上所述，本次设计选用JSON数据格式作为通信的数据格式。

2.6 Android客户端基本设计

本次设计的Android客户端需要和网关之间进行TCP/IP协议的通信，而网关通过读取Android客户端传过来的数据，然后将数据传到ZigBee模块上，通过网关上面的ZigBee模块和智能家居设备进行通信，为了达到本次设计的目的，必须设计用户密码管理、设备的动态添加\删除、设备的识别、设备的控制等功能。

图2智能家居APP模块

密码管理：本次设计要实现Android客户端控制智能家居设备，由于网关的初始密码都是相同的，为了保证智能家居安全性的要求，必须要求本次设计需要重新更改密码。因此需要先将网关设置为AP模式，通过APP连接网关修改网关密码，然后再将网关设置为STA模式。这样就可以达到修改网关密码的目的。

设备的动态添加\删除：为了实现设备的动态添加\删除，点击添加设备后，网关会开始通过ZigBee搜索设备，将不同设备的信息存放在一个链表中，然后通过WiFi模块将该链表中储存的信息发送到手机APP端。这样就可以实现设备动态添加。点击删除设备按钮后，APP端会将一个特殊的删除命令发送给网关，网关会删除链表中相对应的项，然后网关将数据同步到APP端，这样就可以实现设备的动态添加\删除。

设备的识别：每一类下位机设备都会有一个自己类型的编码，为了区分不同的下位机，每一个下位机的名称都会使用下位机所在ZigBee网络中分配的短地址加上下位机自己的类型码，这样就可以保证下位机名称的唯一性，同时也可以识别网络所连接的下位机的类型。

设备的控制：本次设计需要实现的下位机包括不同的智能家居设备，由于不同的智能家居设备的要求控制的类型不同，因此在识别智能家居设备的类型后，必须对不同智能家具设备给与不同的控制界面，这样我们就可以控制不同的智能家具设备了。

2.7相关法律法规

在20世纪90年代末，我国开始踏足智能家居。1999年，我国的智能化建筑因建设部勘察设计部、建设部产业化办公室联合启动的全国智能化住宅小区示范工程而进入新的发展阶段^[16]，随后发展起来的智能家居系统海尔“e家佳”和联想“闪联”更是达到了我国信息产业的标准^[17]。2006年，国家召开“国际智能家居高峰论坛”，此会议为支持智能家居的推广而出台了扶持政策，会上指出了智能家居的发展方向，是在住宅的基础上，通过计算机技术、通讯技术等手段，对家居环境实施一体化管理^[18]。

目前，智能家居产品的消费观念还未形成，但随着市场推广普及的进一步落实，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的。国家政策的扶持也使得智能家居产业具有很大的发展空间，未来发展前景广阔。2013年2月，工信部发布物联网“十二五”发展规划，把智能家居列入9个重点领域应用示范工程。9月初，工信部、发改委等15部委又联合发布了《物联网发展专项行动计划》，“推动智能家居应用”被列为重点任务，将在在大中城市选择20个重点社区，开展超过l万个家庭的智能家居试点应用和推广^[19]。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，对系统要求进行分析，确定方案，完成外文文献翻译和开题报告。

第4-5周：完成基于android的智能家居app的总体设计，包括软件结构设计、系统功能模块划分和数据结构设计等。

第6-8周：完成智能家居app的详细设计和代码编写。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 童晓渝,房秉毅,张云勇. 物联网智能家居发展分析[j]. 移动通信,2010,34(9):16-20.

[2] 吕红海. 基于android的智能家居无线控制系统的设计与实现[d]. 成都:电子科技大学计算机系,2012.

[3] 徐振福. zigbee技术在智能家居系统中的应用研究[d]. 中国科学院大学工程管理与信息技术学院:控制工程系, 2014.