ZigBee和Android的智能移動監(jiān)控系統(tǒng)設計

瞿稻，楊繼峰，陳偉

（1.武漢理工大學信息學院，武漢430070；2.上海明波通信技術(shù)有限公司）

引 言

監(jiān)控系統(tǒng)是與傳感技術(shù)、信息傳遞處理技術(shù)和計算機技術(shù)等緊密相關(guān)的。監(jiān)控包括監(jiān)視和控制，意味著系統(tǒng)工作在全雙工模式。按通信方式可將監(jiān)控系統(tǒng)分為有線監(jiān)控系統(tǒng)和無線監(jiān)控系統(tǒng)［1］。以往由于信息在無線傳遞時容易受到干擾等一系列的原因?qū)е缕鋺眠h落后于有線監(jiān)控系統(tǒng)，近年來隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線信息傳遞越來越穩(wěn)定可靠，其抗干擾能力、糾錯能力和保密能力越來越強。而有線監(jiān)控系統(tǒng)存在著隱蔽性差、抗破壞能力弱等問題，在一些場合難以鋪設或鋪設成本高、周期長、費時費力?？梢灶A見，無線監(jiān)控系統(tǒng)的應用和研究將越來越廣泛。

基于IEEE 802.15.4標準［2］的ZigBee協(xié)議具有自組織、穩(wěn)定性好、抗干擾性強、功耗低等一系列優(yōu)點，在無線個域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和低功耗傳感網(wǎng)絡等領(lǐng)域得到了廣泛的應用［3］。Android是Google公司推出的一個基于Linux內(nèi)核的智能移動平臺的解決方案［4］，由于Android具有人機界面友好、可擴充性強、安全易用等特點，在推出后短短幾年就已經(jīng)占據(jù)了移動平臺的領(lǐng)軍地位。

當前，將ZigBee協(xié)議和Android智能平臺技術(shù)結(jié)合起來進行研究的課題十分稀少，相關(guān)的研究成果更是少之又少。因此，本課題的研究具有良好的前瞻性和啟發(fā)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能移動監(jiān)控系統(tǒng)由兩個主要的部分組成:信息采集與傳輸子系統(tǒng)和信息處理與控制子系統(tǒng)。信息采集與傳輸子系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議作為基礎，其主要功能是采集環(huán)境信息并將其發(fā)送至信息處理與控制子系統(tǒng)。同時，信息采集與傳輸子系統(tǒng)需要及時的響應來自信息處理與控制子系統(tǒng)的各種命令。信息處理與控制子系統(tǒng)是基于Android智能平臺的，需要實時地顯示自信息采集與傳輸子系統(tǒng)的環(huán)境信息，并將用戶的控制操作轉(zhuǎn)換成用戶命令下達至信息采集與傳輸子系統(tǒng)。智能移動監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

圖1 智能移動監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

信息采集與傳輸子系統(tǒng)采用CC2530作為硬件結(jié)構(gòu)的核心。CC2530內(nèi)部集成了業(yè)界領(lǐng)先的射頻收發(fā)器、豐富的片內(nèi)外設和強大的DMA控制器［5］。集成的射頻收發(fā)器的性能指標遠遠優(yōu)于IEEE 802.15.4標準所規(guī)定的要求。豐富的片內(nèi)外設，如AES協(xié)處理器、CSP協(xié)處理器和SPI等通信接口，為各種基于ZigBee、6LoWPAN和RF4CE等協(xié)議的應用提供了有力的支持。強大的DMA控制器為CC2530在高強度、高吞吐量以及實時性要求嚴格等領(lǐng)域的卓越表現(xiàn)提供了可靠的保證。LCD采用FSTN顯示模式的LM6059BCW液晶模塊。信息采集與傳輸子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信息采集與傳輸子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

信息處理與控制子系統(tǒng)采用基于ARM1176JZF－S內(nèi)核的S3C6410微處理器［6］作為核心控制單元。ARM11系列是ARMv6架構(gòu)的第一代實現(xiàn)。采用兩片K4X51163PC Mobile DDR SDRAM芯片構(gòu)成128MB的內(nèi)存系統(tǒng)。采用1GB的K9G8G08U0ANAND Flash芯片作為非易失性存儲設備。采用7寸TFT觸摸屏作為主要的人機交互設備。采用100M以太網(wǎng)芯片DM9000AE構(gòu)建以太網(wǎng)接口，用于以太網(wǎng)訪問。信息處理與控制子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

信息采集與傳輸子系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。信息采集與傳輸子系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設計是基于OSAL操作系統(tǒng)的。用戶任務和ZDO等ZigBee系統(tǒng)任務一起在OSAL操作系統(tǒng)的調(diào)度下運行，其調(diào)度機制基于優(yōu)先級，用戶任務的優(yōu)先級是最低的。

圖3 信息處理與控制子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖4 信息采集與傳輸子系統(tǒng)軟件架構(gòu)

信息處理與控制子系統(tǒng)軟件部分的主體是Android應用程序。該Android應用程序?qū)崟r地顯示環(huán)境信息并及時地響應用戶的觸摸操作。Android應用程序的運行需要底層Linux硬件驅(qū)動［7］等的支持。本子系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 信息處理與控制子系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)

2.1 信息采集與傳輸子系統(tǒng)

信息采集與傳輸子系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)有很多，這里主要介紹ZigBee協(xié)議［8］。ZigBee協(xié)議從上到下由應用層APS、網(wǎng)絡層NWK、媒體訪問控制層MAC和物理層PHY組成［9］。應用層的主要功能與信息采集與傳輸密切相關(guān)。網(wǎng)絡層的功能包括配置設備、路由發(fā)現(xiàn)和維護，確保數(shù)據(jù)能安全、有效地傳輸?shù)侥康脑O備。媒體訪問控制層控制著設備接入無線信道的時間和方法，確保數(shù)據(jù)鏈路的可靠性。物理層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成信道的評估和射頻信號能量的測量等。本課題物理層工作在2.4 GHz的ISM頻段，調(diào)制方式為O－QPSK。ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)傳遞流程如圖6所示。應用層數(shù)據(jù)從一個ZigBee設備發(fā)送到另一個ZigBee設備，它是一個層層封裝，然后層層解析的過程。

圖6 ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)傳遞流程

從應用層來看，信息采集與傳輸子系統(tǒng)中存在信息采集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點兩種設備。信息采集系統(tǒng)與傳輸子系統(tǒng)的Profile ID為INFO＿GATHER＿PRF。信息采集結(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的端點號均被配置成INFO＿GATHER＿EPT。信息采集與傳輸子系統(tǒng)的兩種數(shù)據(jù)類型如圖7所示。信息采集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間存在兩種數(shù)據(jù)的交互:環(huán)境信息數(shù)據(jù)和用戶命令數(shù)據(jù)。信息采集結(jié)點向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送環(huán)境信息數(shù)據(jù)時采用的簇ID為ENV＿INFO＿CLU，網(wǎng)關(guān)節(jié)點向信息采集節(jié)點傳達用戶命令時使用的簇ID為USR＿CMD＿CLU。

圖7 信息采集與傳輸子系統(tǒng)的兩種數(shù)據(jù)類型

Profile ID號、端點號和簇ID都是ZigBee協(xié)議定義的重要的配置信息，請參見ZigBee協(xié)議。

環(huán)境信息數(shù)據(jù)和用戶命令數(shù)據(jù)最終都將填充到類型為afIncomingMSGPacket＿t的結(jié)構(gòu)體中，其定義如下:typedef struct｛

osal＿event＿hdr＿t hdr；

uint16groupId；

uint16clusterId；

afAddrType＿t srcAddr；

uint16macDestAddr；

uint8endPoint；

uint8wasBroadcast；

uint8LinkQuality；

uint8correlation；

int8rssi；

uint8SecurityUse；

uint32timestamp；

afMSGCommandFormat＿t cmd；

｝afIncomingMSGPacket＿t；

該結(jié)構(gòu)中clusterId填充的就是簇ID，endPoint填充的就是端點號，Profile ID隱藏在變量srcAddr中。變量cmd填充的就是與應用相關(guān)的數(shù)據(jù)，如環(huán)境信息編碼和用戶命令編碼。

2.2 信息處理與控制子系統(tǒng)

信息處理與控制子系統(tǒng)是在Android智能移動平臺上研發(fā)的。Android智能平臺體系從上到下由應用程序、應用程序框架、外部庫、Android運行時庫、硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）和Linux內(nèi)核組成［10］。

Android智能移動平臺的研發(fā)需要借助Eclipse、NDK和JNI等工具和方法。信息處理與控制子系統(tǒng)的MVC模式如圖8所示。本文是按MVC模式研發(fā)信息處理與控制子系統(tǒng)的。

圖8 信息處理與控制子系統(tǒng)的MVC模式

Android應用程序的設計必須要遵循單線程模型。當Android應用程序啟動時，Android系統(tǒng)會同時啟動一個對應的主線程即UI線程，用于處理與用戶界面UI（User Interface）相關(guān)的事件。UI線程不是線程安全的。

此設計需要將環(huán)境信息實時地顯示在Android應用程序上，同時需要及時地將用戶操作轉(zhuǎn)換成用戶命令發(fā)送至信息采集與傳輸子系統(tǒng)。因此，為了避免阻塞UI線程，設計了一個守候線程并采用了基于zbHandler的消息傳遞機制。UI線程和守候線程的關(guān)系如圖9所示。

守候線程是借助于本地方法獲取Linux底層驅(qū)動環(huán)境信息的。信息處理與控制子系統(tǒng)中的本地方法被封裝在一個名為ZigBeeJni的類中，其定義如下:

public class ZigBeeJni｛

static｛

System.loadLibrary（"zbjni"）；

｝

public static native int init（）；public static native int close（）；

public static native int readNodeInfo（int node＿id）；

public static native int sendCmd（int node＿id，int cmd）；

｝

圖9 UI線程和守候線程

結(jié) 語

本文研究了基于ZigBee網(wǎng)絡和Android智能移動平臺的監(jiān)控系統(tǒng)的設計。經(jīng)過嚴格的測試，本系統(tǒng)能夠完成對環(huán)境信息的實時監(jiān)測，并能及時地響應用戶發(fā)出的各種控制命令，系統(tǒng)的設計達到了預期的目標。

［1］謝恒義，郭勇.基于現(xiàn)代通信技術(shù)的家庭無線監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.信息通信，2008（3）.

［2］LAN／MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.IEEE Std 802.15.4－2006Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks（LR－WPANs）［S］.

［3］劉建兵，蔣朝根.基于ZigBee技術(shù)的無線嵌入式溫度采樣儀設計［J］.西南科技大學學報，2007（1）.

［4］公磊，周聰.基于Android的移動終端應用程序開發(fā)與研究［J］.計算機與現(xiàn)代化，2008（8）.

［5］TI.CC253xSystem－on－Chip Solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4and ZigBee Applications User's Guide［EB／OL］.［2012－02－06］.http:／／www.ti.com／.

［6］Samsung Electronics.S3C6410XRISC Microprocessor USER'S MANUAL，Rev 1.20［EB／OL］.［2012－02－06］.http:／／www.samsungsemi.com／.

［7］Jonathan Corbet，Alessandro Rubini，Greg Kroah Hartman.Linux設備驅(qū)動程序［M］.魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.3版.北京:中國電力出版社，2006.

［8］ZigBee Alliance.ZigBee Specification Datasheet，2008.

［9］Shahin Farahani.ZigBee Wireless Networks and Transceivers［M］.USA:Elsevier，2008.

［10］姚昱旻，劉衛(wèi)國.Android的架構(gòu)與應用開發(fā)研究［J］.計算機系統(tǒng)應用，2008（11）.