zigbee技术的数据采集监测系统的设计
摘 要近些年来，伴随着生产技术的不断发展，温度、湿度、气体浓度等指标对人们的生活的方方面面的影响越来越广泛。因此，温度、湿度、气体浓度等信息的采集被广泛地应用于众多场合。Zigbee技术是近些年来新兴起来的一种无线通信技术，当下使用Zigbee技术的信息监测与采集系统在许多领域都得到了广泛的使用。本文基于ZigBee技术的信息监测与采集系统包括三个组成部分：硬件组网的实现，它的组成包括三个传感器和一个协调器，能够实现无线传感网络的组建； PC端管理软件的设计，此模块实现了ZigBee组网的上位机软件平台，它的构成主要包括软件设计模块和通信模块两个部分； Android端管理软件的设计，此模块由三个部分组成，分别是UI设计模块、查询模块、通信模块。本文的重点介绍了基于ZigBee技术的信息监测与采集系统设计的一个子项目--Android管理软件的设计，设计基于Android操作系统的数据管理软件，实时显示一个区域内的温度、湿度、气体浓度等信息。同时，还能通过该软件对历史数据进行查询操作以及控制远程数据采集终端的操作。本文首先分析了用户需求，确定软件实现的具体功能。其次，根据整个数据采集系统的流程，确定管理软件的框架。第三，重点对Android端数据管理软件的设计与实现进行了详细阐述，对Android管理软件的三大模块（UI设计模块、数据查询模块、通信模块）进行了详细的设计。最后，当软件的设计工作完成后，对软件进行测试与结果分析。结果得出该Android管理软件的设计达到了课题的要求，对关于此类的Android软件开发方面也有一定的参考价值。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 IV
第一章 绪论 1
1.1 本课题研究的目的和意义 1
1.2 Zigbee技术简介 2
1.3 本课题的主要研究内容 4
第二章Android软件开发技术 6
2.1 Android简介 6
2.2 Android软件开发 8
第三章 系统方案设计 11
3.1 引言 11
3.2 无线数据采集系统 11
3.3 需求分析 13
3.4 方案设计 13
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第四章 Android管理软件的设计与实现 16
4.1 Android管理软件总体设计 16
4.2 Android管理软件的三大模块的设计与实现 18
4.2.1 UI设计 18
4.2.2 查询模块设计 21
4.2.3 通信模块设计 22
4.3 软件测试与结果分析 28
4.4 本章小结 31
第五章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 33
参考文献 34
附录： 36
第一章 绪论
1.1 本课题研究的目的和意义
当今社会，科学技术的发展日新月异。随着科技的高速发展，数据采集已经成为日常生活中应用最广的技术之一。在数据采集过程中，温度、湿度、气体浓度等数据与我们的日常生活息息相关。但是，以前的数据监测系统大多通过有线通信的方式进行数据的采集,但有线通信有着不可忽视的缺点，举例来说，有线通信的价格较高、扩展性较差、布线十分复杂，不便于对移动设施监测，也无法接收临时性的数据。所以，有线通信现在已无法彻底满足人们的需求了。在这种情况下，无线通信技术应运而生。一般情况下，根据传输范围的大小，无线通讯技术能够划分为无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）和无线个人网（WPAN）[1]。其中，无线个人网（WPAN）又被称为短距离无线网络，目前常用的短距离无线传输技术主要有蓝牙（Bluetooth）技术、Zigbee技术、WiFi技术等[2]。
在这3种短距离无线传输技术中，WiFi技术传输速度较快，传输距离更是达到了100米左右的范围，然而WiFi的价格过于高昂，构建网络的能力也比较差。对于蓝牙（Bluetooth）技术来说，它的价格比较便宜，但其传输距离较短，大概只在10米范围左右，构建网络的能力也同样较差。相比之下，Zigbee技术的成本最低，功耗也比较小，传输数据时的时延很短，而且它的网络容量很大，可靠度和安全性都比较高，此外，它的传输距离很远。所以，在一些特定的场合，Zigbee技术有着无法匹敌的优势，正是因为Zigbee的上面的几个特点，所以当下Zigbee技术的应用已经十分广泛，Zigbee技术被广泛地应用在诸如工业控制、农业自动化和医用设备控制等重要领域。
1.2 Zigbee技术简介
Zigbee，国内大部分人按其英文简单地称之为“紫色的蜜蜂”。它是一种短距离的无线组网通信技术，它具有一些其它无线通信技术所无法比拟的优势，它的功耗很小，价格也很便宜，而且数据传输的速率较低，网络时延短的同时网络容量又很大。在2000年左右时，IEEE工作组成立的任务组TG4开发了IEEE?802.15.4标准[6]。这个标准的创建目的是能耗低、速率传输低、成本低。对几个设备之间的低速无线通信来讲，IEEE?802.15.4提供了统一规范，这个规范便是如今的Zigbee无线通信技术。当前，Zigbee在无线通信行业内得到了普遍的运用。
Zigbee协议是基于由IEEE?802.15.4和Zigbee联盟共同制定的IEEE?802.15.4标准[10]，换句话说就是这个标准便是Zigbee协议的根本。然而，IEEE标准有一个很明显的缺陷，它只能够管理低级层次的协议，所以，Zigbee联盟后来在IEEE 802.15.4的基础上扩展了IEEE标准，对它的API和网络层协议进行了标准化[10]。Zigbee协议栈结构如图1.1。
图1.1 Zigbee协议栈结构
如图1.1所示，Zigbee协议由物理层、 MAC层、网络层，安全服务提供层及应用层五块内容组成[9]。其中，物理层和MAC层是由IEEE?802.15.4标准定义的，而MAC层之上的网络层，应用层及安全服务规范层则是由Zigbee联盟的Zigbee标准定义的[10]。
Zigbee技术具有如下的八个特征：
成本低廉：Zigbee技术成本较低的原因具体有两个：一是因为Zigbee模块有着较低的初始成本，它的硬件开发只用到了一些普通的电子设备，并未采用昂贵的高级电子设备；二是因为Zigbee协议是免专利费的，所以在使用Zigbee协议时不需要向任何人或机构缴纳专利费。
功耗小：Zigbee设施功耗较小的缘由大体有三点：第一点是Zigbee的传输数据量小，第二点是Zigbee的传输速度较低，最后一点是因为Zigbee采用了休眠模式。
速率低：由于Zigbee的数据传输量小，多数情况下它的数据传输速率比较低，范围大概在20到250kbps之间。?
时延较短：通常情况下，大部分的的相关设施的时延都在30ms上下 ，而Zigbee只需要15ms就能够从休眠状态转换到工作环境下。Zigbee有着十分快速的响应速度，它的时延很短。
网络容量大：Zigbee可以采用的网络结构有好几种，包括星型、树型和网状等等[4]。并且1片地域内最多允许同时存有100个Zigbee网络，1个Zigbee网络又可以包含1个主设备和254个从设备[7]。因此，Zigbee技术的网络容量非常大。?
可靠性高：因为在发送数据的过程中可能会存在竞争和冲突，为了避免数据发送出错，Zigbee技术主要采用了两种方法：一是采取了碰撞避免策略，二是专门预留了一些专用时隙给某些特定的业务[6]。同时，MAC层的数据传输使用的模型得到了充分证实，只有在接收到接收方发来的确认反馈后发送方的数据报才继续发送，所以Zigbee技术的可靠性是比较高的。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 IV
第一章 绪论 1
1.1 本课题研究的目的和意义 1
1.2 Zigbee技术简介 2
1.3 本课题的主要研究内容 4
第二章Android软件开发技术 6
2.1 Android简介 6
2.2 Android软件开发 8
第三章 系统方案设计 11
3.1 引言 11
3.2 无线数据采集系统 11
3.3 需求分析 13
3.4 方案设计 13
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第四章 Android管理软件的设计与实现 16
4.1 Android管理软件总体设计 16
4.2 Android管理软件的三大模块的设计与实现 18
4.2.1 UI设计 18
4.2.2 查询模块设计 21
4.2.3 通信模块设计 22
4.3 软件测试与结果分析 28
4.4 本章小结 31
第五章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 33
参考文献 34
附录： 36
第一章 绪论
1.1 本课题研究的目的和意义
当今社会，科学技术的发展日新月异。随着科技的高速发展，数据采集已经成为日常生活中应用最广的技术之一。在数据采集过程中，温度、湿度、气体浓度等数据与我们的日常生活息息相关。但是，以前的数据监测系统大多通过有线通信的方式进行数据的采集,但有线通信有着不可忽视的缺点，举例来说，有线通信的价格较高、扩展性较差、布线十分复杂，不便于对移动设施监测，也无法接收临时性的数据。所以，有线通信现在已无法彻底满足人们的需求了。在这种情况下，无线通信技术应运而生。一般情况下，根据传输范围的大小，无线通讯技术能够划分为无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）和无线个人网（WPAN）[1]。其中，无线个人网（WPAN）又被称为短距离无线网络，目前常用的短距离无线传输技术主要有蓝牙（Bluetooth）技术、Zigbee技术、WiFi技术等[2]。
在这3种短距离无线传输技术中，WiFi技术传输速度较快，传输距离更是达到了100米左右的范围，然而WiFi的价格过于高昂，构建网络的能力也比较差。对于蓝牙（Bluetooth）技术来说，它的价格比较便宜，但其传输距离较短，大概只在10米范围左右，构建网络的能力也同样较差。相比之下，Zigbee技术的成本最低，功耗也比较小，传输数据时的时延很短，而且它的网络容量很大，可靠度和安全性都比较高，此外，它的传输距离很远。所以，在一些特定的场合，Zigbee技术有着无法匹敌的优势，正是因为Zigbee的上面的几个特点，所以当下Zigbee技术的应用已经十分广泛，Zigbee技术被广泛地应用在诸如工业控制、农业自动化和医用设备控制等重要领域。
1.2 Zigbee技术简介
Zigbee，国内大部分人按其英文简单地称之为“紫色的蜜蜂”。它是一种短距离的无线组网通信技术，它具有一些其它无线通信技术所无法比拟的优势，它的功耗很小，价格也很便宜，而且数据传输的速率较低，网络时延短的同时网络容量又很大。在2000年左右时，IEEE工作组成立的任务组TG4开发了IEEE?802.15.4标准[6]。这个标准的创建目的是能耗低、速率传输低、成本低。对几个设备之间的低速无线通信来讲，IEEE?802.15.4提供了统一规范，这个规范便是如今的Zigbee无线通信技术。当前，Zigbee在无线通信行业内得到了普遍的运用。
Zigbee协议是基于由IEEE?802.15.4和Zigbee联盟共同制定的IEEE?802.15.4标准[10]，换句话说就是这个标准便是Zigbee协议的根本。然而，IEEE标准有一个很明显的缺陷，它只能够管理低级层次的协议，所以，Zigbee联盟后来在IEEE 802.15.4的基础上扩展了IEEE标准，对它的API和网络层协议进行了标准化[10]。Zigbee协议栈结构如图1.1。
图1.1 Zigbee协议栈结构
如图1.1所示，Zigbee协议由物理层、 MAC层、网络层，安全服务提供层及应用层五块内容组成[9]。其中，物理层和MAC层是由IEEE?802.15.4标准定义的，而MAC层之上的网络层，应用层及安全服务规范层则是由Zigbee联盟的Zigbee标准定义的[10]。
Zigbee技术具有如下的八个特征：
成本低廉：Zigbee技术成本较低的原因具体有两个：一是因为Zigbee模块有着较低的初始成本，它的硬件开发只用到了一些普通的电子设备，并未采用昂贵的高级电子设备；二是因为Zigbee协议是免专利费的，所以在使用Zigbee协议时不需要向任何人或机构缴纳专利费。
功耗小：Zigbee设施功耗较小的缘由大体有三点：第一点是Zigbee的传输数据量小，第二点是Zigbee的传输速度较低，最后一点是因为Zigbee采用了休眠模式。
速率低：由于Zigbee的数据传输量小，多数情况下它的数据传输速率比较低，范围大概在20到250kbps之间。?
时延较短：通常情况下，大部分的的相关设施的时延都在30ms上下 ，而Zigbee只需要15ms就能够从休眠状态转换到工作环境下。Zigbee有着十分快速的响应速度，它的时延很短。
网络容量大：Zigbee可以采用的网络结构有好几种，包括星型、树型和网状等等[4]。并且1片地域内最多允许同时存有100个Zigbee网络，1个Zigbee网络又可以包含1个主设备和254个从设备[7]。因此，Zigbee技术的网络容量非常大。?
可靠性高：因为在发送数据的过程中可能会存在竞争和冲突，为了避免数据发送出错，Zigbee技术主要采用了两种方法：一是采取了碰撞避免策略，二是专门预留了一些专用时隙给某些特定的业务[6]。同时，MAC层的数据传输使用的模型得到了充分证实，只有在接收到接收方发来的确认反馈后发送方的数据报才继续发送，所以Zigbee技术的可靠性是比较高的。
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