方思維，張盼盼

（西安工程大學(xué)，西安710048）

方思維（碩士研究生），主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)、無線通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等；張盼盼（碩士研究生），主要研究嵌入式應(yīng)用技術(shù)。

引 言

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的一種近距離無線通信技術(shù)，具有功耗低、成本低、容量大、安全性高、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭控制、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域。如何將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)便攜式設(shè)備（如手機(jī)、平板電腦等）對小型區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控？本文提出了一種基于Android系統(tǒng)的ZigBee無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)概述

智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是使用戶可以通過手機(jī)或者PC機(jī)上網(wǎng)遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備或?qū)Νh(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。其中網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)上行各無線終端結(jié)點(diǎn)信息的管理和處理，以及下行控制各無線終端結(jié)點(diǎn)運(yùn)作，具有完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。本文網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)主要完成ZigBee協(xié)議與TCP／IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能，利用 WiFi網(wǎng)絡(luò)將手持設(shè)備連接到以太網(wǎng)，用于控制家電、燈光等，分別完成手機(jī)和以太網(wǎng)信息與ZigBee信息之間的相互通信。網(wǎng)關(guān)在智能監(jiān)控系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)在智能監(jiān)控系統(tǒng)中的位置

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)采用模塊化方案，由硬件層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層組成，如圖2所示。硬件層描述了網(wǎng)關(guān)的硬件組成；系統(tǒng)層是以SAM9M10為核心處理器的網(wǎng)關(guān)所移植的Android操作系統(tǒng)；應(yīng)用層包括網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序、應(yīng)用協(xié)議層和應(yīng)用地址適配層。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要模塊包括SAM9M10核心處理模塊、ZigBee模塊、以太網(wǎng)模塊、LCD模塊、WiFi模塊、電源模塊等。

SAM9M10核心處理模塊包括一個(gè)基于ARM926的400MHz微處理器，支持133MHz的雙數(shù)據(jù)率DRAM（DDR2），并且集成了高速（480Mbps）USB主機(jī)和設(shè)備端口、片上收發(fā)器、以太網(wǎng) MAC、兩個(gè)用于 MMC 4.3和SDIO／SD Card 2.0的接口，以及CMOS攝像頭、音頻接口和支持電阻式觸摸屏的LCD控制器。SAM9M10核心處理模塊負(fù)責(zé)ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)、LCD數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

圖2 無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

ZigBee模塊的主芯片采用TI公司的第二代片上系統(tǒng)CC2530，相比以前的產(chǎn)品，CC2530具有更卓越的RF性能、可編程的256KB閃存、更小的封裝尺寸和IR產(chǎn)生電路。ZigBee模塊負(fù)責(zé)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)其他無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，采用USART或SPI與主控制器通信，本文選擇SPI方式。

以太網(wǎng)模塊采用DAVICOM的DM9161芯片。DM9161是一款單芯片快速以太網(wǎng)PHY，DM9161通過可變電壓的MII或RMII標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口連接到MAC層，支持HPAuto－MDIX，是目前常見的一款物理層收發(fā)器。

WiFi模塊由AP（Access Point）和無線網(wǎng)卡組成，其主要特性為：速度快，可靠性高，在開放區(qū)域覆蓋范圍廣，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)整合，組網(wǎng)的成本更低。

觸摸屏LCD模塊采用臺(tái)灣群創(chuàng)公司的AT102TNO3模組，顯示尺寸為10.2寸，顯示比例為16∶9，分辨率為800×480，采用LED背光，工作電壓為5V。

電源模塊由外接5V電源進(jìn)行供電，由NS公司的芯片 LP38692 轉(zhuǎn) 換 為 3.3V、LP2983AIM5－1.0 轉(zhuǎn) 換 為1.0V，再由Anisem公司的芯片AS1301EHT－ad轉(zhuǎn)換為1.8V。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)主要從Android操作系統(tǒng)的移植、無線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)協(xié)議模型與網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序3方面介紹。

3.1 Android在SAM9M10上的移植

Atmel以32位ARM926處理器為基礎(chǔ)的SAM9M10 ARM9器件為運(yùn)行Android操作系統(tǒng)的SAM9M10－G45－EK板提供完整的板級支持包（Board Support Package，BSP）。Atmel公司的Android端口基于2.1版本，支持?jǐn)z像頭接口、硬件視頻解碼、軟件解碼、網(wǎng)頁瀏覽，可以使用以太網(wǎng)電纜或H＆D Wireless提供的WiFi SDIO加密器。通過SAM9M10－G45－EK板的BSP，可以很方便地將Android移植到SAM9M10上，由Nand Flash啟動(dòng)。

圖3 無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

移植方面的工作主要有兩部分：Linux驅(qū)動(dòng)和Android系統(tǒng)硬件抽象層。

Linux中的驅(qū)動(dòng)工作在內(nèi)核空間，Android系統(tǒng)硬件抽象層工作在用戶空間，有了這兩個(gè)部分的結(jié)合，就可以讓龐大的Android系統(tǒng)運(yùn)行在特定的硬件平臺(tái)上。在具有了特定的硬件系統(tǒng)之后，通常需要在Linux中實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)程序通常是Linux的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序。主要實(shí)現(xiàn)的是Android系統(tǒng)中的硬件抽象層（Hardware Abstract Layer），硬件抽象層對下調(diào)用Linux中的驅(qū)動(dòng)程序，對上提供接口，以供Android系統(tǒng)的其他部分（通常為Android本地框架層）調(diào)用。移植的主要工作如圖4所示。

圖4 Android系統(tǒng)移植的主要工作

3.2 無線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)協(xié)議模型

3.2.1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧采用TI司的ZStack，具體版本號(hào)為ZStack－CC2530－2.5.0。它支持ZigBee 2007（包括 ZigBee和ZigBee PRO）協(xié)議，在本網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)中，采用了Zig－Bee PRO協(xié)議。ZigBee PRO在繼承ZigBee技術(shù)全部優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了無線網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、易用性和安全性。ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)議?？蚣?/p>

3.2.2 TCP／IP協(xié)議棧

從協(xié)議分層模型方面來將，TCP／IP 由 4 個(gè) 層 次 組成：鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。實(shí)際上，TCP／IP協(xié)議可以通過鏈路層連接到任何網(wǎng)絡(luò)上，例如IEEE802局域網(wǎng)。TCP／IP協(xié)議?？蚣苋鐖D6所示。

圖6 TCP／IP協(xié)議?？蚣?/p>

3.2.3網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)協(xié)議模型

在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)層的ZigBee協(xié)議棧和TCP／IP協(xié)議棧之上添加一個(gè)應(yīng)用地址適配層和應(yīng)用協(xié)議層。應(yīng)用地址適配層的作用在于將ZigBee地址（MAC值或短地址）、以太網(wǎng)地址（IP地址）與應(yīng)用層地址形成映射關(guān)系，即將不同類型的網(wǎng)絡(luò)地址適配到應(yīng)用地址上來，使得節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用層同屬于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用協(xié)議層是在應(yīng)用地址適配層的基礎(chǔ)上通過制定統(tǒng)一的應(yīng)用協(xié)議，規(guī)范節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換的格式，從而實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)字信息交換功能，即實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)關(guān)的功能。

無線網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)接收指令將數(shù)據(jù)打包，簡單封裝后向上發(fā)送給本地ARP，通過ARP解析出該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)MAC地址，確定要發(fā)送的以太網(wǎng)地址；然后向上發(fā)送給網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序，經(jīng)分析后發(fā)送到對應(yīng)的以太網(wǎng)UDP或TCP處理，向下發(fā)送到以太網(wǎng)端口MAC地址。這樣就完成了數(shù)據(jù)從ZigBee網(wǎng)絡(luò)向以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換過程。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)協(xié)議模型如圖7所示。

3.3 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序

網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序主要指的是在網(wǎng)關(guān)應(yīng)用協(xié)議層的規(guī)范基礎(chǔ)上，傳遞的信息數(shù)據(jù)以Android任務(wù)的形式組織運(yùn)行，在以太網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信中，信息是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送和接收的，數(shù)據(jù)包發(fā)送流程如圖8所示。

圖7 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)協(xié)議模型

圖8 數(shù)據(jù)包發(fā)送流程圖

在無線WiFi網(wǎng)絡(luò)中，通過以太網(wǎng)與無線AP相連接的PC機(jī)是服務(wù)器端，而無線網(wǎng)關(guān)作為Android客戶端通過TCP／IP協(xié)議與PC服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接，通過Socket通信，可以在實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和客戶端網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸和接收。

因此，無線網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序要實(shí)現(xiàn)下面的功能：

① 建立客戶端（無線網(wǎng)關(guān)）和服務(wù)器（PC機(jī)）的Socket網(wǎng)絡(luò)連接，為他們之間的數(shù)據(jù)交換提供必要條件。

②將無線ZigBee模塊接收到的來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)讀進(jìn)緩沖區(qū)，然后寫入U(xiǎn)SB無線網(wǎng)卡，USB無線網(wǎng)卡會(huì)將數(shù)據(jù)打包成WiFi協(xié)議格式，送入無線WiFi網(wǎng)絡(luò)。

Android客戶端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖9所示。

圖9 Android客戶端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

4 燈光控制功能的實(shí)現(xiàn)

ZigBee將應(yīng)用劃分為不同的域，每個(gè)應(yīng)用域都有自己的Profile，ZigBee Profile為這個(gè)應(yīng)用域提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和設(shè)備定義，使得不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的針對同一應(yīng)用領(lǐng)域的ZigBee設(shè)備之間能互通。ZigBee在智能家居、家庭自動(dòng)化中采用的Profile是ZigBee Home Automation Public Appliation Profile。通過該P(yáng)rofile及ZCL（ZigBee Cluster Library）的引入，實(shí)現(xiàn)了對ZigBee燈光家電設(shè)備的控制。例如網(wǎng)關(guān)對燈光進(jìn)行開關(guān)控制，只需調(diào)用zel－General－SendOnOff＿Cmd－Toggle（）函數(shù)。應(yīng)用程序、Profile及ZCL與其他層的接口的層次框圖如圖10所示。

圖10 應(yīng)用程序、Profile及ZCL與其他層接口層次框圖

結(jié) 語

本文研究了基于Android系統(tǒng)和ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)體積小，功耗低，使ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)以及WiFi網(wǎng)絡(luò)融合為一體，在ZigBee近距離無線通信和以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制之間搭建了一座橋梁，實(shí)現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與無線互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)字信息交互，可以廣泛應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)中。

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