石 鑫，夏 青

(重慶郵電大學(xué) 光電學(xué)院 自動化學(xué)院，重慶 400065)

基于Android操作系統(tǒng)的實(shí)時系統(tǒng)監(jiān)控研究

石 鑫，夏 青

(重慶郵電大學(xué) 光電學(xué)院 自動化學(xué)院，重慶 400065)

針對大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)對實(shí)時性、穩(wěn)定性、可操作性等要求，在Android嵌入式操作系統(tǒng)中，集成傳感網(wǎng)模塊，設(shè)計(jì)普通、緊急監(jiān)控模塊，剖析Android內(nèi)核調(diào)度器工作原理等方法，提出了一種新的嵌入式實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。以體域網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控為平臺進(jìn)行測試，結(jié)果表明，該方案滿足對網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控實(shí)時性、可靠性的要求，方法具有良好的擴(kuò)展性，利于向智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中推廣。

安卓系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)；智能化；體域網(wǎng)

Android操作系統(tǒng)是一種以Linux為基礎(chǔ)的開源操作系統(tǒng)。最初由Andy Rubin開發(fā)并專為支持手機(jī)而設(shè)計(jì)。2005年被Google收購后，作為Google主推的智能手機(jī)操作系統(tǒng)，由于其開源性、良好的用戶體驗(yàn)、豐富的應(yīng)用支持，很快成為了最流行和占有量最大的移動終端操作系統(tǒng)，現(xiàn)在也逐漸擴(kuò)展到平板電腦機(jī)其他移動設(shè)備上。與此同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個新興領(lǐng)域，近年來受到了社會的普遍關(guān)注，以其用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量為核心，從而讓無線傳感網(wǎng)去監(jiān)控物理環(huán)境成為了可能。

目前，運(yùn)用Android設(shè)備通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，已在智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、人體醫(yī)療等領(lǐng)域有所發(fā)展，因此實(shí)時性、可靠性逐漸成為監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。文獻(xiàn)[2]提出了基于WINCE的老年健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)應(yīng)用于老年健康監(jiān)護(hù)，將ZigBee模塊集成在嵌入式終端設(shè)備平臺中，能實(shí)時顯示用戶的心率、血氧、脈搏、體溫等數(shù)據(jù)，但是其采用的是WINCE系統(tǒng)，相比其他嵌入式操作系統(tǒng)，操作比較復(fù)雜，界面不夠友好，并沒有考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和系統(tǒng)應(yīng)用軟件的可靠性等問題。文獻(xiàn)[3]提出了運(yùn)用Android系統(tǒng)對智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的控制，其界面友好、操作簡單，通過將家居設(shè)備的信息上傳至Internet，嵌入式Android平臺只需要訪問或發(fā)送信息在固定的網(wǎng)絡(luò)地址，就可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的上行或下行的操作，由于該家居網(wǎng)絡(luò)的信息全部需要從Internet網(wǎng)絡(luò)中獲取，這就大大影響了該系統(tǒng)實(shí)時性。文獻(xiàn)[4]是基于車聯(lián)網(wǎng)的車載智能終端的研究，其無線通信模塊建立了導(dǎo)航系統(tǒng)與交通監(jiān)控中心的連接，并實(shí)現(xiàn)了信息傳輸，但是其網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)為點(diǎn)到點(diǎn)的連接，沒有考慮到系統(tǒng)耗電量、數(shù)據(jù)發(fā)送接收實(shí)時性等問題。文獻(xiàn)[5-6]分別將Android系統(tǒng)運(yùn)用在IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)之中，其系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能豐富，但是可擴(kuò)展性與移植性不足。

本文設(shè)計(jì)和提出了一種基于Android操作系統(tǒng)的實(shí)時系統(tǒng)監(jiān)控平臺，深入研究了Android并結(jié)合了無線傳感網(wǎng)的優(yōu)勢，提出一套行之有效的監(jiān)控體系，保證了整個監(jiān)控過程的實(shí)時性、可靠性，為整個監(jiān)控系統(tǒng)提出完整的技術(shù)解決方案。

1 實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

Android系統(tǒng)作為智能化的嵌入式操作系統(tǒng)，現(xiàn)已運(yùn)用在許多終端設(shè)備之中。然而，把Android系統(tǒng)運(yùn)用在實(shí)時監(jiān)控中的實(shí)例還并不多。將搭載Android系統(tǒng)的終端設(shè)備作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心，同時保證監(jiān)控的實(shí)時性、可靠性是系統(tǒng)監(jiān)控的關(guān)鍵點(diǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示，基于Android的實(shí)時監(jiān)控平臺是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它可以通過對無線通信模塊的控制，達(dá)到控制周圍傳感器節(jié)點(diǎn)的目的，同時監(jiān)控平臺也可以通過2G/3G網(wǎng)絡(luò)與外界進(jìn)行互聯(lián)報警等操作，從而避免了信息孤島的出現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

為了保證系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時性，平臺在設(shè)計(jì)中將監(jiān)控模式分為普通監(jiān)控模式和緊急監(jiān)控模式，而平臺判斷數(shù)據(jù)是否緊急，是通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中(如圖2)的報警標(biāo)志位判斷的。這樣既有利于提高監(jiān)控的可操作性，又保證了監(jiān)控的實(shí)時性。

圖2 監(jiān)控數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.2 普通、緊急監(jiān)控模式設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在監(jiān)控的過程中，系統(tǒng)的監(jiān)控實(shí)時性是評價系統(tǒng)好壞的有力指標(biāo)。平臺的監(jiān)控模塊分為兩個部分：普通監(jiān)控模塊和緊急監(jiān)控模塊。其中，普通監(jiān)控模塊服務(wù)于日常的監(jiān)控，它對監(jiān)控的實(shí)時性要求不高，但需要很好的可操作性、顯示界面、數(shù)據(jù)分析與存儲等功能。在普通監(jiān)控的過程中，如圖3所示，首先傳感器數(shù)據(jù)通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集，然后通過節(jié)點(diǎn)的射頻模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，經(jīng)過相關(guān)處理后，通過RS-232或者USB接口將數(shù)據(jù)上傳至Android監(jiān)控平臺，Android監(jiān)控平臺通過數(shù)據(jù)檢測模塊檢查上傳數(shù)據(jù)報警標(biāo)志位，判斷是進(jìn)入普通模式還是緊急模式，若上傳數(shù)據(jù)中的報警標(biāo)志位為0，則進(jìn)入普通的監(jiān)控進(jìn)程，經(jīng)過Android的framwork共享類以及自身apk方法類的處理，在用戶界面上顯示相應(yīng)的監(jiān)控信息，同時，用戶也可根據(jù)自身的需要通過觸摸等方式去下達(dá)指令，從而達(dá)到控制整個系統(tǒng)的目的。

圖3 普通監(jiān)控模式原理

然而，在緊急狀態(tài)時，平臺也可自行進(jìn)行監(jiān)控的智能化處理，如圖4所示。報警數(shù)據(jù)在傳入Android監(jiān)控平臺后，運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的監(jiān)控模塊檢測到報警標(biāo)志位為1，則立即對數(shù)據(jù)進(jìn)行兩方面處理：一方面調(diào)用報警模塊經(jīng)由2G/3G網(wǎng)絡(luò)向其他終端報警；第二，立即處理信息向協(xié)調(diào)器發(fā)送相應(yīng)下行管理命令，從而達(dá)到監(jiān)控整個系統(tǒng)的目的。

圖4 緊急監(jiān)控模式原理

1.3 系統(tǒng)實(shí)時性實(shí)現(xiàn)

在對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的過程中，影響系統(tǒng)實(shí)時性的因素很多，如硬件處理器速度、內(nèi)核調(diào)度器的調(diào)度策略、軟件自身的運(yùn)行效率等[7]。就Android系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的調(diào)度策略依賴于Linux BFS調(diào)度策略，其進(jìn)程劃分為實(shí)時進(jìn)程和普通進(jìn)程[8]。普通進(jìn)程大多時候運(yùn)行在系統(tǒng)用戶態(tài)中，優(yōu)先級較低，實(shí)時性較差，易受其他普通進(jìn)程的干擾，但是可操作性強(qiáng)。實(shí)時進(jìn)程運(yùn)行在系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)中，優(yōu)先級高，實(shí)時性好，不受其他普通進(jìn)程的干擾[9-11]，然而可操作性差，用戶不易對進(jìn)程進(jìn)行相應(yīng)的操控。針對以上特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了普通監(jiān)控模式和緊急監(jiān)控模式。普通監(jiān)控模式基于普通進(jìn)程，服務(wù)于普通的監(jiān)控場景；而緊急監(jiān)控模式基于系統(tǒng)進(jìn)程，服務(wù)于在緊急狀態(tài)下監(jiān)控的實(shí)時性需求。

數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊嵌入在Android的核心庫中，它的作用是檢測數(shù)據(jù)的報警標(biāo)志位是否1，從而判斷需要創(chuàng)建的進(jìn)程是普通進(jìn)程還是系統(tǒng)進(jìn)程。如圖5所示，RS-232或USB驅(qū)動上傳的數(shù)據(jù)流進(jìn)入數(shù)據(jù)檢測模塊，經(jīng)過數(shù)據(jù)檢測模塊的處理，若為0，則進(jìn)入普通監(jiān)控模塊，由Zygote進(jìn)程創(chuàng)建普通監(jiān)控進(jìn)程；若為1，則進(jìn)入緊急監(jiān)控模塊，由Zygote進(jìn)程創(chuàng)建緊急監(jiān)控進(jìn)程，它與普通進(jìn)程不同的是，它是繼承于System server相關(guān)類的資源，它運(yùn)行在系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)中，具有高優(yōu)先級，不易被普通進(jìn)程所干擾，具有較好的實(shí)時性與可靠性，所以當(dāng)數(shù)據(jù)檢測模塊判斷出信息異常后，監(jiān)控進(jìn)入緊急狀態(tài)，保證了監(jiān)控的實(shí)時性，可靠性。而普通監(jiān)控進(jìn)程，運(yùn)行于系統(tǒng)用戶態(tài)，它可以解析數(shù)據(jù)類型，并分類顯示和存儲，以便用戶進(jìn)一步的處理。

圖5 Android系統(tǒng)中的監(jiān)控流程圖

2 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺的實(shí)時性、可靠性，及其基本功能，搭建了硬件以ARM11處理器為核心，軟件以Android平臺為核心的體域網(wǎng)醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。體域網(wǎng)是監(jiān)控人體生命體征的無線網(wǎng)絡(luò)，由附在人體周圍或嵌入人體內(nèi)部的、小巧的、可通信的傳感器、IEEE802.15.6通信協(xié)議棧和智能終端組成，其中智能終端就相當(dāng)于嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺的角色。

2.1 基本功能測試

為了測試平臺監(jiān)控數(shù)據(jù)的上下行，以及存儲、異常數(shù)據(jù)處理等附加功能，搭建了由4個網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)與體域網(wǎng)智能監(jiān)控平臺組成的一個星型網(wǎng)。

圖6所示為人體體征監(jiān)控上下行數(shù)據(jù)的功能測試結(jié)果，圖中左側(cè)為用戶手持體域網(wǎng)監(jiān)控平臺；中間為監(jiān)控平臺顯示用戶的心率、體溫信息，探測到心率數(shù)據(jù)異常報警；右側(cè)為用sniffer抓包軟件獲取的通信數(shù)據(jù)包，圖中反映出當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，平臺通過下行命令控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)包頻率。

圖6 監(jiān)控平臺上下行功能測試(截圖)

圖7為平臺數(shù)據(jù)管理，報警等附加功能的測試，圖中左側(cè)為運(yùn)用Sqlite數(shù)據(jù)庫對體征數(shù)據(jù)的存儲；中間是對心率監(jiān)控的心率曲線；右邊為對異常數(shù)據(jù)處理后，通過GPRS模塊進(jìn)行的短信報警。

圖7 監(jiān)控平臺附加功能測試(截圖)

2.2 監(jiān)控平臺實(shí)時性測試

為了保證整個體域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時性，由體域網(wǎng)個人監(jiān)控平臺下行管理命令的處理時間應(yīng)小于體域網(wǎng)的超幀周期。超幀的結(jié)構(gòu)(如圖8)可分為3個階段：信標(biāo)幀發(fā)送階段(B)，命令幀發(fā)送階段(CAP)，數(shù)據(jù)幀發(fā)送階段(CFP)。信標(biāo)幀階段分配1個時隙，CAP階段分配6個時隙，CFP階段分配9個時隙，每個時隙30 ms，所以信標(biāo)幀階段所占時間為 30 ms， CAP階段6×30=180 ms，CFP階段為9×30=270 ms， 于是總的超幀周期為16×30=480 ms。

圖8 體域網(wǎng)超幀周期示意圖

圖9是兩種監(jiān)控模式的測試結(jié)果。圖中兩種方式的所測得到的時間皆小于480 ms，說明系統(tǒng)發(fā)送下行命令所需時間皆在一個超幀周期之內(nèi)，基本滿足監(jiān)控實(shí)時性的需要。而在緊急情況下，監(jiān)控平臺的監(jiān)控時間為121 ms<180 ms，說明監(jiān)控平臺在緊急情況下，監(jiān)控命令在一個超幀周期的CAP階段就有很大概率被發(fā)送，這就保證了緊急狀態(tài)處理的實(shí)時性。

圖9 實(shí)時性測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文對系統(tǒng)監(jiān)控提出了基于Android系統(tǒng)解決方案，并且針對監(jiān)控系統(tǒng)對實(shí)時性、穩(wěn)定性、可操作性、功能性的需求給出了解決方案。在測試過程中，以ARM11、Android平臺、體域網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，測試了包括監(jiān)控基本功能、監(jiān)控實(shí)時性等一系列指標(biāo)，由結(jié)果可知，監(jiān)控平臺具有穩(wěn)定可靠實(shí)時性高等特點(diǎn)，并且其諸多問題的解決方法具有良好的可擴(kuò)展性，利于推廣。

[1] 程國達(dá).嵌入式系統(tǒng)的硬/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2011.

[2] 軒運(yùn)動，趙湛，方震.基于無線體域網(wǎng)技術(shù)的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)研究發(fā)展，2011(48)：356-359.

[3] 呂洪海.基于Android的智能家居無線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[4] 夏國平.基于Android的車載智能導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[5] 李黎國.Android健康服務(wù)終端無線技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[6] 唐偉.基于Android平臺的11N無線終端研究與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

[7] WILLIAM S.操作系統(tǒng)——精髓與設(shè)計(jì)原理[M].陳向群，陳渝，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[8] 羅升陽.Android系統(tǒng)源代碼情景分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] FEITELSON D G. Perpetual development：a model of the Linux kernel life cycle[J]. The Journal of System and Software，2012，85(15)：859-875.

[10] SALAH K，MANEA A，ZEADALLY S. On Linux starvation of CPU-bound processes in the presence of network I/O[J]. Computers and Electrical Engineering，2011，37(23)：1090-1105.

[11] CAO Ping，SONG Kezhu，YANG Junfeng. A real-time data transmission method based on Linux for physical experimental readout systems[J]. Fusion Engineering and Design，2012，87(21)：1693-1699.

Research on Real-time System Monitor Based on Android System

SHI Xin，XIA Qing

(CollegeofElectroningEngineering,CollegeofAutomation,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunication，Chongqing400065，China)

Considering most monitoring system demands in real-time performance，stability and maneuverability，sensor network module is integrated and normal or emergency monitoring module is designed in Android system. Meanwhile，by analyzing the working principle in Android kernel scheduler. A new embedded real-time monitoring system is proposed. The experimental results show the proposed approach meets the requirements of real-time network monitoring and reliability，which also has good expansibility and easily popularized.

Android system；wireless sensor network；intellectualization；body area network

TP277

B

10.16280/j.videoe.2015.16.017

2015-05-21

【本文獻(xiàn)信息】石鑫，夏青.基于Android操作系統(tǒng)的實(shí)時系統(tǒng)監(jiān)控研究[J].電視技術(shù),2015，39(16).

石 鑫(1982— )，碩士，講師，主研無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信、信號處理技術(shù)等。

責(zé)任編輯：時 雯