摘要
随着智能家居的发展，对智能家居系统的需求越来越大，智能家居系统的管理和监控也越来越安全方便。这种智能家居系统具有广阔的市场前景。本文采用MQTT协议，更适合智能家居系统的Internet环境中的通信安全问题。它通过尿布网络协议、MQTT协议和语音识别SDK实现照明系统的控制和远离。由于智能住宅在中国的受欢迎程度较低，许多用户对智能住宅的认可程度较低，成本较高，部署难度较大，限制了智能住宅的进一步推广。本文旨在开发一种工作简单、管理灵活、部署成本最高的智能家居系统，帮助用户体验智能家居的便利性、灵活性和低成本。ZigBee技术是一种新型的无线通信，是时代的产物。得益于智能手机行业的快速发展、互联网连接技术的快速变革以及互联网元器件的浪潮，智能家居逐渐成为了家庭家居发展的智能家居系统。免费家庭系统、MCU CC2530最小微芯片系统、智能电路、环境监控、中控、触摸屏、智能开关系统、控制线网络、第三方物理插件监控。 CC2530适配器通过rt5350组合网关连接，搭建WiFi和ZigBee通信桥。本文的软件系统主要涵盖Zig Bee网络软件项目，使用WiFi标签和Zig Bee标签进行模拟转换，使用TCP服务器和固定地址和网关号管理管理指令和查看登录屏幕，使用SQLite存储数据。此外，项目完成后，对无线智能家居系统的运行进行了测试。该系统在各项测试中表现优异，满足预期的系统要求。
关键词：Android；WIFI；ZigBee；智能家居系统
Abstract
With the development of smart homes, the demand for smart home systems is increasing, and the management and monitoring of smart home systems are becoming more secure and convenient. This smart home system has broad market prospects. This article adopts the MQTT protocol, which is more suitable for communication security issues in the Internet environment of smart home systems. It achieves control and distancing of the lighting system through the diaper network protocol, MQTT protocol, and speech recognition SDK. Due to the low popularity of smart homes in China, many users have low recognition of smart homes, high costs, and difficulty in deployment, which limits the further promotion of smart homes. This article aims to develop a smart home system with simple work, flexible management, and the highest deployment cost, helping users experience the convenience, flexibility, and low cost of smart homes. ZigBee technology is a new type of wireless communication and a product of the times.Thanks to the rapid development of the smartphone industry, the rapid transformation of internet connectivity technology, and the wave of internet components, smart homes have gradually become the smart home system for the development of home furnishings. Free home system, MCU CC2530 minimum microchip system, intelligent circuit, environmental monitoring, central control, touch screen, intelligent switch system, control line network, third-party physical plugin monitoring. The CC2530 adapter is connected through the rt5350 composite gateway to build a WiFi and ZigBee communication bridge. The software system in this article mainly covers the Zig Bee network software project, using WiFi tags and Zig Bee tags for analog conversion, using TCP servers and fixed addresses and gateway numbers to manage instructions and view login screens, and using SQLite to store data. In addition, after the project was completed, the operation of the wireless smart home system was tested. The system has performed well in various tests and meets the expected system requirements.
Key words: Android; WIFI； ZigBee； Intelligent Home Furnishing system
目录
第一章 绪论.
1.1 课题研究背景及意义.
1.2国内外研究现状.
第二章 相关技术介绍.
2.1 ZigBee芯片选型.
2.2 CC2530核心电路.
第三章 系统需求分析.
3.1需求分析.
3.2网络通信技术方案选择.
3.3无线智能家居系统的组成.
3.4控制终端操作系统的选择.
3.5系统用例分析.
第四章 系统设计.
4.1智能家居系统模块构成.
4.2系统整体功能模块.
4.3电源模块.
4.4子控制器硬件设计.
4.5 ZigBee无线网络的软件设计.
4.6射频无线网络的软件设计.
4.7 WIFI无线网络的软件设计.
4.8数据库设计.
第五章 系统实现.
5.1登录界面的设计与实现.
5.2主控界面的设计与实现.
5.3各房间界面的设计与实现.
5.4情景模式界面的设计与实现.
第六章 系统测试.
6.1智能灯测试.
6.2智能插座测试.
6.3智能窗帘测试.
6.4情景模式测试.
第七章 结论.
致谢.
参考文献.
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着经济的发展和科技的进步，人们的生活质量不断提高。 1980年代初，使用电子产品的家用电器开始出现在美国[1]。 1988年，在美国、欧洲和日本等发达国家，建立了使用公共汽车的各种建筑物的通信、电气化和安全的商业控制和管理系统。 1990年代初，智能家居逐渐在东南亚和港澳地区发展起来。 1995年前后，“智能家居”的概念出现在中国大陆。 90年代后期，智能建筑、智能家居和智能社区开始蓬勃发展。智能家电连接电脑、无线通讯、自动控制设备等高科技设备，让用户在家中感觉更舒适、更高效、更安全。智能家居电脑是系统的大脑，负责管理家居系统，并为用户提供与系统通信的窗口。巧妙的自制通讯作品——它是一个神经系统，可以让你从上到下执行各种命令。智能家居自动化设备是可以简化所有类型家庭作业的系统的一部分。智能家居系统可以通过多种方式改善生活条件：光敏传感器可以通过中央控制实时响应室内的亮度。当光强低于预定阈值时，中控发出指令，根据用户的规则控制照明系统的光，并调节打开窗帘的内部光。温湿度传感器将记录的家庭温度实时报告给中央控制器[2]。中央控制器根据用户的规则控制空调、空调等家用电器，保证房间内空气流通。家庭总是处于最佳状态。当燃气探测器检测到每个房间的烟雾或厨房的天然气等燃烧气体高于一定标准时，就会向控制中心发出警报，提醒用户注意危险。用户可以通过手机实时查看家用相机拍摄的照片。此功能不仅可以防盗，还可以监控老人和儿童，为工作人员提供更多便利；当系统处于强化状态时，如果门被打开，安装在门内的磁场传感器向中央控制器发出警报，家庭环境发出警报，警告用户非法侵入居住环境。借助在线通信技术、自动控制技术和信息技术，用户与家电之间的通信，即使是在家居环境中，也可以变得自然而简单。此处未列出的智能家居系统有很多用途。
随着智能家居的发展，对智能家居系统的需求越来越大，智能家居系统的管理和监控也越来越安全方便[3]。这种智能家居系统具有广阔的市场前景。本文采用MQTT协议，更适合智能家居系统的Internet环境中的通信安全问题。它通过尿布网络协议、MQTT协议和语音识别SDK实现照明系统的控制和远离。由于智能住宅在中国的受欢迎程度较低，许多用户对智能住宅的认可程度较低，成本较高，部署难度较大，限制了智能住宅的进一步推广。本文旨在开发一种工作简单、管理灵活、部署成本最高的智能家居系统，帮助用户体验智能家居的便利性、灵活性和低成本。ZigBee技术是一种新型的无线通信，是时代的产物。随着人们进入快速发展的时代，对舒适的智能住宅和家用电器的需求越来越大[4]。ZigBee技术正是在这种背景下发明的。ZigBee技术使我们能够开发和生产简单的智能家居产品，满足人们的需求。这节约了人们的时间，方便了人们的生产和生活，大大提高了时间的有效利用，提高了经济效益，提高了人们的整体生活水平。ZigBee技术在国外发展迅速，成为欧美市场的新星。相关智能产品在国际市场的销量正在增长。越来越多的国内用户使用智能家居产品来舒适生活。为了适应节日的快速发展和对智能设备等智能产品日益增长的需求，研究ZigBee技术在智能家居系统中的应用变得越来越重要。
研究智能家居系统中的ZigBee技术，有助于智能家居产品制造商开发和生产满足人们需求的智能家居产品[5]。对智能产品的研究揭示了原有技术的缺点和不足。同时，我们将继续推广和开发与原有技术相关的解决方案，采用新旧技术，并开发和生产更加科学、合理、实用、高效的智能产品。这不仅有助于人们获得舒适健康的生活环境，而且有助于ZigBee技术在智能家居系统中的有效应用，提高智能家居产品的科学性和实用性，最大限度地提高智能家居产品的开发水平。ZigBee技术广泛应用于医疗保健、公共资源共享、交通管理、停车管理、考勤管理和远程监控等领域。随着市场经济的不断发展，人们对生活水平提出了更高的要求，积极改善和提高了当前的环境和生活条件。owych互联网信息技术的飞速发展，使计算机通信技术、网络技术、自动控制技术和传感技术同时发展[6]。因此，人们提出了智慧家园的概念，希望通过信息技术创造更聪明的生活。智能箱采用多领域、多工艺的系统设计，它整合了各种资源，包括智能设备、家用电脑、家庭安全设备等。智能控件用于管理和显示数据。用户可以使用智能家庭终端来控制各种工作流参数，并且可以在舒适的环境中使用。聪明的生活才刚刚开始。概念噪音大，内容缺乏，标准不一致，复盖范围窄。一些制造商使用烟雾报警器、指纹扫描仪、视频监控等被认为是智能家居环境的功能来概括和夸大产品的功能。设备连接薄弱，连接难以扩展。传统的智能家居控制主要使用led显示屏，该显示屏有许多局限性和明显的缺点:移动距离有限，布线复杂，后续维护困难。此外，原有的产品界面功能多，使用相当复杂，大大减少了用户体验，在市场上无法识别。目前，智能家居比较成熟，广泛用于无线技术，如Wi - Fi、Zig Bee和IoT。智能家居正逐渐发展成为无线网络,智能家居将成为未来家居设计的最新发展方向[7]。本文建议使用Zig Bee无线技术为家庭计算机收集原始数据，有效监控设备的工作状态，并在家庭网关和数据库之间建立通信。客户可以查看收集的数据和操作状态。系统开发可以提供重要的环境评价参数，如温度、湿度、有害气体持续时间、光照强度、火灾信息等。同时，与正常阈值相比，智能系统成为当前研究的重点，其研究具有重要的应用价值和现实意义。
1.2国内外研究现状
智能家居诞生于家电时代,在家庭自动化时代，智能家居已经发展。 现代智能家居系统已经做了很多工作。 最近最先进的家庭系统将计算机警卫、无线通信和自动化设备结合到建筑物中，并将以前绝缘的家庭设备和无线通信和自动化设备结合到一个有机系统中。 用户可以在计算机上实时控制和管理这个有机系统的硬件。 随着世界上所有更严重的环境问题，世界各国政府对能源密集型建筑的重视程度越来越高。所有领导人都承诺支持节能建筑。当然，世界各地都在建造绿色建筑。如何将风能、太阳能等可再生能源结合到智能家居经济中，理解智能建筑与低能耗建筑的联合发展正日益成为智能家居的核心系统。
2005年，Perlsfor对智能家居市场进行了详细研究。在美国，其中 14.86% 将用于在线打造“智能”家居[8]。在欧洲国家，约 37.68% 的德国家庭、36.54% 的瑞典和英国家庭以及 34.5% 的法国和意大利家庭使用某种类型的智能家居产品[9]。亚洲国家、日本、韩国和中国的智能机器入侵率也在上升，日本达到27.31%。欧盟和美国不仅房价成熟、稳定、价格高，长效智能家居系统的研发还有很长的路要走[10]。近年来，微软、摩托罗拉等知名公司的介入，影响了智能家居系统的发展；更活跃、更知名。在亚洲、日本、韩国等国家，欧美知名企业纷纷投入巨资研发最先进的智能家居系统。美国的X-10系统、德国的EIB系统、新加坡的8x系统，都是国外市场流行的智能家居[11]。
1995年前后，智能家居的概念逐渐传入中国，并逐渐从深圳、上海蔓延至国内城市[12]。因此，与发达国家相比，我国智能家居经济起步较晚，智能家居系统建设水平较高。但是，没有统一的国家价值。中国市场的智能家居系统往往直接与各家公司生产的智能家居材料相结合。尚未创建不同制造商制造的子系统之间的通信配置文件。在这些情况下，很难在计算机网络中开发和利用 ICT 的优势和可能性。如果没有适当的协调和沟通，用户就无法对家庭环境进行统一控制。发达国家主导智能家居市场，而国内智能家居业主体验差，成本高。随着中国经济的发展和人口购买力的提高，中国知识产权市场的发展前景无限[13]。得益于无形的市场需求，国内知名企业越来越多地在欧美国家投入人力和财力。近年来，智能家居经济已经在日常生活中使用国内公司生产的智能硬件和软件发展起来。国内智能家居产品成本高、占地面积小、用户体验差等问题正在逐步改善。 “冰雨之家”和“奇华”是中国企业自主研发的智能家居系统。综上所述，我们的智能住宅起步晚、标准参差不齐、成本高、参与度极低、用户体验差等等。中国GDP排名世界第二。国内购买力的增强严重扰乱了智能家居市场。在市场的影响下，国内知名企业和企业家纷纷投身于知识产权领域的研发工作[14]。我国的智家家政已经发展到一定程度，但与欧洲等发达国家的差距远大于美国，仍然存在。未能统一行业标准一直是我们聪明的家庭主妇的耻辱。此外，更低的能耗、更高效的可再生能源利用和更高的智能化也是未来中国智能家居系统发展的必经之路。
从21世纪开始，部署相对成熟的智能系统，如微软的“智能系统”、IBM的“家庭动态系统”和苹果的“家庭动态系统”的成本相对较高[15]。随着通信技术的发展，许多发达国家已经制定了智能家居的统一标准，如美国的X10、欧洲的EBI和新加坡的8X协议。通过桑切斯·安东尼奥和其他专家对电子设备的引进和推广，提出了智能家居系统中的数据挖掘算法，并结合机器学习算法，优化各种电子设备的整体性能。然而，由于各种生态系统协议、属性和规格的多样性，在Internetin中，访问提供完全用户管理的独特界面仍有一些障碍。家庭自动化系统中的大规模碎片限制了兼容性，增加了开发的复杂性和成本。Simeoniezequiel等人提供了一个安全且可扩展的智能通信通道，用于集成特定技术。tushirbhaghyashri和他的同事量化了分布式服务攻击(DDoS)和DDoS能量输出攻击对智能Wi - Fi设备的影响，并从攻击者、受害者设备和接入点的角度讨论了根本原因。在中国，整合空调和冰箱移动管理终端的IEEE系统是由清华电子公司开发的，华为的智能板，汉威家居安全产品和一系列微智能产品。钟建国利用Wi - Fi技术改造了电网，并通过访问网站，成功开发了各种在线家电后台服务系统。杨丽娜等人提出了一种基于DES加密的智能家居隐私保护方法，并改进了最小关联度(LSB)数据隐藏算法。从智能住宅市场来看，到2019年底，中国已成为全球最大的互联网产品市场。中国工商学院预测，2022年，中国智能住宅市场将增长65，160亿美元。人民币。国内智力企业的数量也从2016年的24，600家增加到2021年的1，777，900家。随着中国市场经济的快速发展，人们的生活质量与日俱增，智能生活水平也与日俱增。聪明的生活已经成为研究的热点。但是，由于中国的公共信息建设水平较低，物联网技术的应用还不够多，智能家居系统也处于发展阶段。随着家庭环境的恶化，许多专门的家庭环境监控软件公司在中国成立，专门从事智能家居系统的研发，推出一系列成熟的跟踪和移动产品。但电缆技术系统存在明显的不足。首先，系统布线复杂，负载大，布线复杂，而且容易损坏房屋内部。第二，系统的安装和维护费用很高，需要购买大量电缆和固定设备，以及以下节点变更。第三，系统的可扩展性较差，改变监控对象可能会给无线技术带来压力。17.最后，机动性较差，影响外观和室内设计。1984年，联合技术大厦系统首次推出智能家居，并将其应用于城市广场大厦，充分运用建筑信息技术和各种硬件资源的集成。1997年，比尔·盖茨花了大量的时间和金钱，建立了一座智能建筑，将所有的家具和设备都连接到电脑上进行管理，并建立了一个快速稳定的网络后台管理系统。
1998年，新加坡创新地推出了智能系统“未来之家”，希望它能更快地推动各种普通家庭。美国已经开发了一个X - 10通讯协议，允许许多普通的美国家庭使用这个系统。目前，许多西方国家已经建立了标准的有线智能家居系统，如美国的X - 10 CEBus、日本的HBS和欧洲的EBI。然而，现有智能产品通常通过有线网络布局直接相连，形成家庭网络结构，消耗大量电缆和劳动力，并创建多个终端设备。无线通信技术可以有效地解决这些问题。Zigbee技术作为一种短载波、低功耗的无线通信技术，实现了各种低复杂度、自组织和低数据速率设备的自动控制和远程控制。技术形成了联盟。数以百计的Zig Bee联盟成员致力于开发和支持这项技术。z波技术作为一种短波无线通信技术，其特点是在各种建筑物上设置自己的无线标准，能够读取各种设备的特定值，包括干扰和干扰。本世纪初这种智能家居的研发具有广阔的市场前景。这些公司实施并积极规划产品开发和系统建立流程。经过连续抛光、升级改造，该产品于2004年正式上市。然而，智能家居行业在中国面临许多困难。首先，没有统一的行业标准，也没有专门的协会或组织来管理这些标准。产品种类繁多，兼容性差。其次，技术已经成熟，但技术人员并没有完全了解市场需求，也没有根据用户的具体需求开发产品，这是不切实际的，而且操作过程很复杂。第三，企业缺乏足够的创新能力、可靠的生产线和大规模生产，导致价格高企。在智能家居T & K、华为的国家团队中，世界级的公司在性能、安全性、技术、实用性等方面仍存在诸多不足。栋需要进一步研究和改进Zig Bee无线技术，主要用于智能家居，中国国家信息产业部和中国情报自动化委员会负责无线频率范围的管理。
系统聪明的房子做了许多研究。以高磊为例，文章针对物联网安全，对物联网住宅智能监控系统进行了研究与设计。在安全系数下，您的系统分为上下两层。内部结构包括终端设备和网关，以及使用无线传感器技术的数据传输和交互。网关中心由多个传感元件组成。CC2530通信模块用于收集数据，然后通过互联网传输到网关，再传输到服务器。传感器经常在数据采集和交互过程中生成假消息和其他事件，而改进的健康数据分析算法为跟踪做了更好的准备。上层结构包括数据库、客户端和服务器。模块化设计通过移动电话设计，简化了系统管理和升级，实现了远程数据连接和传输，以及无线管理和数据交互。它可以实时跟踪人们的移动，并在智能家居和医疗监控领域跟踪数据并与之交互。文章通过对江原浩物联网智能系统建设的研究，首先总结了物联网智能系统的现状，然后结合实际，研究了其总体架构和专项设计。宋晓东、沈航等开发了基于Zig Bee技术的实用智能家居系统，开发了基于Zig Bee物联网的智能家居系统，并收集和管理了上层应用和移动应用的信息。芯片设计和Z - Stack用户协议CC2530包可以快速改善硬件系统的可扩展性和系统软件开发的便利性。文章中，高燕超基于物联网的智能机场家居系统介绍了基于物联网技术的业务设计，包括语音智能、网络管理和语音控制，以监控整个家居系统的使用情况。系统研究了智能系统的逻辑结构和设计方法，并利用传输协议架构对智能系统的运行进行详细设计和设计，分析了系统设计的可行性。
第二章 相关技术介绍
2.1 ZigBee芯片选型
ZigBee芯片的选择是智能家居子控制器设计的第一步，目前市场上最重要的ZigBee芯片是Ti cc240和CC2530系列芯片以及飞思卡尔mc13224。
为选择简单、相关且有利可图的 ZigBee 代币，根据表 2-1 对三种芯片进行比较。
表2-1 ZigBee芯片比较
项目.cC2430.cc2530.MC13224
电压.2.Ov-3.6v.2.Ov-3.6v.2.Ov-3.6v
大小.×mm.×6mm.9.5×9.5mm
微控制器.8051单片机.8051单片机.ARMTTDMI-S
ROM.32/64/128KB.32/64/128/256KB.128KB
RAM.8KBSRAM,4KB Data.8KB.96KB,80K ROM
支持标准.ZigBee04/06/SimpliciTI.ZigBee07/PRO/RF4CE/
SimpliciTI.ZigBee07/PRO/RF4CE
功耗.Rx: 27mA
Tx: 24mA.RX: 22mA
Tx: 25mA.Rx: 28mA
TX: 29mA
低功耗.挂起: 0.9uA掉电: 1uA.挂起:0.8uA
掉电: 0.6uA.挂起:: 0.4uA
掉电:0.3uA
ADC.8-14位.7-12位.12位
经过分析比较，本工作选用CC2530芯片作为ZigBee通信系统。 主要原因如下：（1）如图2-1所示，8051组装的CC2530微机的内部积木可能会跟随智能家居管理任务的核心和内存单元； IO口、定时器、电源管理模块和RF模块。 （2）CC2530芯片相比CC2430芯片，内存空间更大。 (3)CC2530芯片的内存空间比mc13224芯片大，CC2530 包含紧凑的 8051 内核。 (4) 相比其他两款芯片，CC2530芯片组合最大，占用空间更小。
图2-1 cc2530的内部结构框图
2.2 CC2530核心电路
c2530的核心电路如图2-2所示。 c2530射频系统在收发ZigBee信号中起着重要的作用，因此无线收发模块中使用了图2-3所示的不平衡转换器电路，以消除系统独占天线与差分c2530的区别射频端口； 使用如图 2-4 所示的特殊电源电路，以确保 RF 稳定性和 ADC 精度。
图2-2 CC2530单片机核心电路原理图
图2-3 巴伦电路图
该环用于减少系统的单相天线结构与 CC2530 的差异。其表面如图 2-3 所示。气球环的变化直接影响天线中射频系统的功能。但是，面包圈的变化也因天线的标准和类型不同而有所不同。因此，根据 Ti 数据反复纠错后，系统可以从不平衡变换中得到最佳的危机值。电流质量直接决定了 12 位 ADC 的射频信号稳定性、传输距离、灵敏度和精度。安装电源时应考虑压痕的特性和高频信号的准确性。所以本节要明确，在选择外设时，要特别注意使用高精度电阻，误差要控制在0.5%以内，对电容材料有特殊要求。为了降低整个系统的功耗，CC2530在电源中插入了一个大电源和一个大电源，连接电源的RF部分设置在单片机所有功耗旁边。良好的功率效率不仅有助于提高射频系统的性能，还可以提高系统的广告精度。 CC2530 的具体功率转换如图 2-4 所示。
