学校编码：10384 分类号 密级

学号：X2012231132 UDC

工 程 硕 士 学 位 论 文

基于 ZigBee 技术和 Andriod 系统的智能家居

系统设计与实现

Design and Implementation of Smart Home System Base on

the Andriod System and ZigBee

吴伙土

指 导 教 师 ： 李 贵 林 副 教 授

专 业 名 称： 软 件 工 程

论文提交日期： 2 0 1 4 年 0 9 月

论文答辩日期： 2 0 1 4 年 1 0 月

学位授予日期： 年 月

指 导 教 师：

答辩委员会主席：

2014 年 10 月

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厦门大学学位论文原创性声明

本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。

本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中

以适当方式明确标明，并符合法律规范和《厦门大学研究生学术活动规

范（试行）》。

另外，该学位论文为（ ）课题（组）

的研究成果，获得（ ）课题（组）经费或实验室的资助，

在（ ）实验室完成。（请在以上括号内填写课题或课题

组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。）

声明人（签名）：

年 月 日

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厦门大学学位论文著作权使用声明

本人同意厦门大学根据《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》

等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论

文（包括纸质版和电子版），允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据

库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学

位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，

采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。

本学位论文属于：

（ ）1.经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于

年 月 日解密，解密后适用上述授权。

（ √ ）2.不保密，适用上述授权。

（请在以上相应括号内打“√”或填上相应内容。保密学位论文应

是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员

会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开

学位论文，均适用上述授权。）

声明人（签名）：

年 月 日

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摘 要

摘 要

随着科技发展和人民生活水平日益提高，人们对住宅的节能环保、安全防控、

远程控制等提出更高的要求。因此智能家居的概念引入现代化住宅中，融合了物

联网技术、移动互联技术的智能家居控制系统由此而生。

本文首先介绍智能家居国内发展现状，比较各种无线通信方式、服务端和客

服端系统的选择。最终采用 ZigBee 无线通信协议和完全真正意义上开源的

Android 操作平台。系统各个节点采集的数据通过 ZigBee 无线汇集到本地网关，

用户对网关进行各监控参数设置，网关将自动发报警短信提示；用户使用 Android

手机客户端访问网关对远程设备进行监控和控制。

本文设计的智能家居控制系统主要包括四部分：

1. 节点实时数据收集传输：各节点可实时采集数据并通过 ZigBee 无线通

信协议将实时采集的数据汇聚到网关。

2. 网关实时数据处理及显示：汇聚到网关的实时数据经过相应处理后存储

入网关的嵌入式 Sqlite3 数据库中并同时显示或者更新在网关上各节点

信息。

3. 短信报警：用户通过在网关进行短信设置和节点的报警阀值设置后，在

数据实时数据处理过程中，当数据超出设置范围时，网关将自动调用

GSM 短信发送模块向用户发送报警短信提示。

4. 远程设备监测控制：用户可使用 Android 手机客户端通过 Internet 网络

远程对用电设备进行监测和控制。

5. 对本文的工作进行总结和展望。

关键词：智能家居；ZigBee；Android；Sqlite3数据库

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Abstract

Abstract

With the development of science and technology and the people's living standard

increasing, people have an higher demand for energy conservation of residential,

security prevention and control, remote control, etc. So the concept of smart home is

brought into modern residence, melt with the IoT and MID of smart home control

system emerge in the mordern society.

This thesis introduces the state of the development of smart home at home and

abroad, compare various wireless communication mode, the choice of client and

service system.Finally adopt the ZigBee wireless communication protocol and

completely open source on real significance of the Android platform.Data from the all

nodes by ZigBee wireless system converge to a local gateway,setting each monitor

parameter of gateway by user, the gateway will automatically send alarm SMS;use the

Android mobile phone client access gateway to the remote device monitoring and

control.

The control system of smart home is composed of four parts:

1. The node real-time data collection transmission: each node can collect

real-time data and send real-time data to the gateway through the ZigBee wireless

communication protocol.

2. The real-time data processing and display by gateway: gathering after dealing

with the corresponding to the gateway of real-time data is stored into the embedded

Sqlite3 database and display or update the information of all nodes on the gateway at

the same time.

3. SMS alarm: the user through the gateway SMS alarm threshold Settings and

node Settings, in the process of data real-time data processing, when the data is

beyond the setting range, the gateway will automatically call the GSM SMS module

send alarm messages to the user.

4. Remote devices monitoring and control: the user can access Internet network

by the Android mobile phone client monitor and control the remote equipments.

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Abstract

5. Conclude the work of this thesis and envision the future work.

Key Words：Smart Home; ZigBee; Android; Sqlite3 Database

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目 录

目 录

第一章 绪论.................................................................................. 1

1.1 论文研究背景与意义 .................................................................... 1

1.2 国内外发展现状 ............................................................................ 2

1.3 论文结构安排 ................................................................................ 2

第二章 关键技术介绍 ................................................................. 4

2.1 ZigBee 概述 ................................................................................... 4

2.2 Andriod 开发技术......................................................................... 6

2.2.1 JavaJNI 技术 ........................................................................ 7

2.2.2 Sqlite 数据库技术 ............................................................... 7

2.2.3 Socket 通信技术 .................................................................. 7

2.3 本章小结 ........................................................................................ 7

第三章 智能家居系统架构及总体设计 ..................................... 9

3.1 系统功能需求概述 ........................................................................ 9

3.2 智能家居系统架构 ........................................................................ 9

3.3 系统软件设计与分析 .................................................................. 10

3.3.1 ZigBee 拓扑结构选择 ....................................................... 12

3.3.2 CC2530 开发环境简介 ..................................................... 12

3.3.3 Android 应用程序开发环境和平台搭建 ......................... 13

3.4 本章小结 ...................................................................................... 15

第四章 系统软件设计与实现 ................................................... 16

4.1 ZigBee 无线网络软件设计 ......................................................... 16

4.1.1 ZigBee 网络建立 ............................................................... 16

4.1.2 ZigBee 无线网络通信设计 ............................................... 20

4.2 温湿度传感器节点的软件设计 .................................................. 23

4.3 智能电表传感器节点的软件设计 .............................................. 25

4.4 遥控器节点的软件设计 .............................................................. 28

4.5 智能家居网关软件设计 .............................................................. 32

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目 录

4.5.1 网关嵌入式数据库设计 .................................................... 32

4.5.2 网关应用程序设计 ............................................................ 35

4.6 手机客户端软件设计 .................................................................. 44

4.7 本章小结 ...................................................................................... 52

第五章 系统功能整体测试 ....................................................... 54

5.1 网关功能测试 .............................................................................. 54

5.2 客户端功能测试 .......................................................................... 62

5.3 本章小结 ...................................................................................... 65

第六章 总结与展望 ................................................................... 67

6.1 总结 .............................................................................................. 67

6.2 展望 .............................................................................................. 67

参考文献 ..................................................................................... 69

致谢…….. ..................................................................................... 71

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Content

Content

Chapter1 Preface ......................................................................................1

1.1 Research Backgroud and Meaing ............................................................. 1

1.2 International and Domestic Developmen ................................................. 2

1.3 Thesis Structure Arrangement .................................................................. 2

Chapter2 Key Technologies Introduction ..............................................4

2.1 ZigBee Technology Overview .................................................................... 4

2.2 Andriod Development Technology ............................................................ 6

2.2.1 JavaJNI Technology ........................................................................... 7

2.2.2 Sqlite Database Technology ............................................................... 7

2.2.3 Socket Communication Technology .................................................. 7

2.3 Summary ..................................................................................................... 7

Chapter3 Smart Home System Architecture and Design .....................9

3.1 Summary of System Functional Requirements ....................................... 9

3.2 Smart Home System Architecture............................................................. 9

3.3 System Software Design and Analysis .................................................... 10

3.3.1 ZigBee Topology Selection .............................................................. 12

3.3.2 CC2530 Development Environment Overview ............................. 12

3.3.3 Android Application Development Environment and Platform ...... 13

3.4 Summary ................................................................................................... 15

Chapter4 System Software Design and Implementation .................. 16

4.1 ZigBee Wireless Network Software Design ............................................ 16

4.1.1 Establishment ZigBee Wireless Network ........................................ 16

4.1.2 Design ZigBee Wireless Network Communication ......................... 20

4.2 Software Design of Temperature and Humidity Sensor Node ............. 23

4.3 Smart Meters of Software Design of Sensor Nodes ............................... 25

4.4 Remote Node Software Design ................................................................ 28

4.5 Smart Home Gateway Software Design ................................................. 32

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Content

4.5.1 Gateway Embedded Database Design ............................................. 32

4.5.2 Gateway Application Design ........................................................... 35

4.6 Mobile Phone Client Software Design .................................................... 44

4.7 Summary ................................................................................................... 52

Chapter5 System Function Overall Test ............................................. 54

5.1 Gateway Function Test ............................................................................. 54

5.2 Client Function Test ................................................................................. 62

5.3 Summary ................................................................................................... 65

Chapter6 Conclusions and Envisions .................................................. 67

6.1 Conclusions ............................................................................................... 67

6.2 Envisions .................................................................................................... 67

References… ........................................................................................... 69

Acknowledgements ................................................................................ 71

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第一章 绪论

1

第一章 绪论

1.1 论文研究背景与意义

智能家居是物联网的主要应用之一，它以家庭住宅为平台，兼备建筑、网络

通信、信息家电、设备自动化，讲各种家用设备进行集中的管理和控制，从而创

造出便利、舒适、环保、高效、安全的生活住宅环境[1]。目前智能家居通常被定

义为使用网络和综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统通过家庭信息管

理平台进行有机结合的一个系统[2]。

智能家居目前分为有线布线和无线组网两种[3]。有线布线方式：所有的控制

信号必须通过有线方式连接，控制信号多而密集，如果遇到问题，要排查就比较

困难，此外缺点也较为突出，例如：布线复杂、工程量大、价格较高、维护麻烦、

可扩展性差等[4]。无线组网方式：低功耗、稳定、易于扩展组网。因此无线组网

成为智能家居最佳的选择方式。 无线通信组网主要蓝牙、 Wi-Fi 、

315MHz/433MHz、ZigBee 等。

蓝牙：一种数十米近距离无线通信的技术，通信距离短，采用点对点方式进

行通讯，不满足智能家居的要求[5]。虽然蓝牙 4.0 标准已推出，尽管采用低功耗

设计，通信频率也是 2.4GHz，但组网能力弱、安全性不高、抗干扰能力不够，

没有网络自恢复功能。

Wi-Fi：一种短距离的无线通讯技术，通讯距离一般在数百米以内，特点是

能够方便地接入因特网。但由于功耗高、组网能力差、安全性低。不适合在智能

家居中应用，一般作为辅助或补充。

315MHz/433MHz：这个频段通常运用在数据采集、环境监控、设备遥控、

射频标签等场合。但它的抗干扰能力比较差、组网能力弱、标准混乱、可靠性差、

安全性一般，不太适合在智能家居中应用，因此主流厂商大多不采用。

ZigBee：一种新兴的低速率、低功耗、短距离的无线网络技术，因其复杂度

较低、可靠性强、安全性高、自组网等特点。较适合用在自动控制、远程监测等

场合，各种设备可较方便嵌入进去。非常适合日益快速发展的智能家居领域的应

用[6]。

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基于 ZigBee 技术和 Android 系统的智能家居系统设计与实现

2

目前智能家居行业在国内处于开始阶段，在人机交互这一方面，国内大多数

厂家的产品，还没有形成一个统一的标准。将 Android 系统作为智能家居终端设

备上的操作系统，还没先例。鉴于时下各种便携设备，如手机、平板电脑、电纸

书等，有很大一大部分运行的都是 Android 系统，自 Android 系统诞生以来，发

展相当迅速，涵盖了大多数种便携设备。据推测有可能成为今后几年主流的嵌入

式操作系统[7]。在智能家居终端运用 Android 系统，将为这个行业内的产品提供

一个统一的操作系统。而且 Andriod 系统上应用丰富，有利于智能家居控制方案

上今后改进的扩展。

1.2 国内外发展现状

智能家居这一概念首先是由经济较发达的国家（美国、加拿大、欧洲、澳大

利亚等）提出的[8]。美国联合科技公司在 1984 年将建筑设备信息化、整合化概

念 应 用 于 美 国 康 涅 狄 格 州 的 哈 特 福 德 市 的 CityPlace-Bullding ， 对

CityPlace-Bullding 的空调、电梯、照明等设备采用计算机系统进行监测和控制，

同时还提供语音通讯、电子邮件和情报资讯等方面的信息服务[9]，首栋智能型建

筑的出现，揭开了全世界智能家居的序幕[10]。

目前“智能家居系统”已在美国、日本、新加坡和韩国等得到大量运用。近

来，一批国际知名企业，以微软及摩托罗拉等为首的公司，先后加入到智能家居

的研发领域，如：微软的“梦幻之家”、IBM 的“家庭主任”、摩托罗拉的“居

所之门”等。此外，3COM 也一直向互联网推广智能家居这一概念，研发的家用

无线网关等产品。智能家居的诱人前景和市场潜力巨大，吸引了大批厂商争先恐

后地涉足[11]。

我国的智能家居系统尚处于初级发展阶段，还没形成统一标准，各大厂家也

推出相应的智能家居系统，如清华同方的“e-Home 数字家园”、海信的“智能家

居控制系统”、科龙集团的“智能网络家居系统”等，大有风行正健之势[12]。

1.3 论文结构安排

本文主要针对国内现阶段智能家居发展的需求，基于 ZigBee 节点、嵌入式

Android 本地网关和使用 Android 手机客户端，设计并实现一个具有实际应用价

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第一章 绪论

3

值的智能家居控制系统。本文重点对以下几个方面的问题进行了研究：

第一章绪论。结合相关领域国内外的研究现状介绍了本文的研究背景、国内

外研究现状和研究意义。比较各种无线通信方式、服务端和客服端系统的选择。

最终采用 ZigBee 无线通信协议和完全真正意义上开源的 Android 操作平台

第二章关键技术介绍。介绍了 ZigBee 和 Android 系统的智能家居系统所涉

及的一些关键技术，包括 ZigBee 标准协议和节点组网结构、Android 开发关键技

术等，最后总结本系统中开发所涉及到的 Andriod 技术。

第三章系统架构及总体设计。本章首先介绍了系统整体构架，随后对系统的

软件设计与分析做简要介绍，并讨论了 ZigBee 拓扑结构的选择。最后介绍终端

节点 ZigBee 开发环境、Andriod 开发平台介绍与搭建，并总结本系统所涉及到的

开发平台软件名称、版本、语种。

第四章系统软件的设计与实现。本章是对智能家居系统的软件进行设计，包

括 ZigBee 无线网络建立、组网、节点终端传感器软件设计；网关 Andriod 工程

运用软件设计；Andriod 手机客户端运用软件设计

第五章系统集成与测试。本章首先 ZigBee 技术和 Android 系统的智能家居

系统整体测试和功能验证，包括网关运用软件设置和操作、手机客户运用软件操

作。

第六章总结与展望。对本文工作进行总结，同时对未来的研究工作提出了几

点设想。

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基于 ZigBee 技术和 Android 系统的智能家居系统设计与实现

4

第二章 关键技术介绍

2.1 ZigBee 概述

ZigBee 技术是一种在短距离上复杂度低、功耗低、成本低的无线通讯技术

[13]，它是一种基于 IEEE 802.15.4[14]标准开发的通讯技术。

ZigBee 的分层架构是根据市场和应用的实际需要在 OSI 七层模型的基础上

定义的。其中底层协议（物理层和媒体访问控制层）由 IEEE 802.15.4-2003 标准

定义。而网络层和应用层架构是由 ZigBee 联盟在此基础上定义的[15]。应用支持

子层和 ZigBee 设备对象是由应用层内提供的。用户自定义的应用一般在 APL

中实现。协议栈体系结构如图 2-1 所示。

图 2-1 协议栈体系结构

ZigBee 分层结构与 Z-Stack 代码文件夹对应表 2-1 所示[16]。

表 2-1 ZigBee 分层结构与 Z-Stack 代码文件夹对应表

ZigBee 分层结构 Z-Stack 代码文件夹

物理层（PHY） 硬件层（HAL）

介质接入控制子层（MAC） 链路层（MAC 和 Zmac）

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第二章 关键技术介绍

5

网络层（NWK） 网络层（NWK）

应用支持层(APS) 网络层（NWK）

应用程序框架（AF） 配置文件（Profile）和应用程序

（sapi）

ZigBee 设备对象（ZDO） 设备对象（ZDO）

根据应用的需要可以组织成星形、树形、网状这三种 ZigBee 网络拓扑结构，

如图 2-2 所示。

图 2-2 ZigBee 的三种拓扑结构

在星形拓扑中，所有节点都与中心节点（协调器）通信，这种简单的拓扑中

路由器是没有路由作用的，协调器一般使用外部供电，而其它节点采用独立供电；

星形拓扑适合个人健康护理、计算机外设等家庭自动化相关小范围的室内应用。

网状网络(Mesh)与星形网络不同，只要彼此在对方的无线通信范围内，任意两个

FFD 设备之间都能直接通信，网络中的每一个 FFD 设备都具有网络路由器的功

能，可以实现对网络报文的转发。但是网状网络在构建时比较复杂，各节点要维

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基于 ZigBee 技术和 Android 系统的智能家居系统设计与实现

6

护的信息较多。因此树状网络实际上可以看作是一个特殊的星形网络，或是由多

个简单的星形网络组成的，在树状网络中，协调器、路由器和终端设备的功能清

晰，相对于网状网络，网络构建起来比较简单，所需资源较少，同样可以实现网

络的路由转发功能，因而扩大网络的通讯范围[17]。

2.2 Andriod 开发技术

Android 在 05 年被谷歌收购，经过改良打造后，谷歌公司在 2007 年 11 月 5

日正式发布了这个以 Linux 为系统内核的移动终端设备操作系统，由于 Linux 是

众所周知的开源操作系统，使得 Android 移动设备操作平台成为完全真正意义上

开源的支持移动设备的平台[18]。谷歌的这一举动，使得 Android 在全世界开始风

靡，各种基于 Android 操作系统的应用软件在各行各业也开始层出不穷。Android

的系统架构包含四层分别是 Application、Application Framework、Libraries 和

Android Runtime、Linux Kernel，其系统架构图如图 2-3 所示。

图 2-3 Android 系统架构图

由图 2-3 可见 Andriod 分为 4 层，从上到下分别是：应用层、应用框架层、

系统运行库层和 Linux 内核层。

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