李松濤，尹清爽

(河南工程學(xué)院 計算機學(xué)院,河南 鄭州 451191)

基于Android和ZigBee的移動環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

李松濤，尹清爽

(河南工程學(xué)院 計算機學(xué)院,河南 鄭州 451191)

針對遠程監(jiān)控的需求和特點，在分析Android智能手機平臺結(jié)構(gòu)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新的移動環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成Android智能終端和ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)采集和遠距離的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)硬件平臺由ZigBee節(jié)點和Tiny6410嵌入式開發(fā)平臺組成，ZigBee節(jié)點采用高性能CC2430芯片，多個節(jié)點自組織成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸?；赟3C6410微控制器的Tiny6410作為網(wǎng)關(guān)，其上運行Android系統(tǒng)，用戶使用智能終端可以遠程訪問運行于網(wǎng)關(guān)的Web服務(wù)器，通過瀏覽器獲取監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有低成本、高可靠性等特點，可以滿足移動環(huán)境監(jiān)測的需要。

Android；ZigBee；遠程監(jiān)控；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

隨著無線通信技術(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[1]。而有線監(jiān)控系統(tǒng)存在著鋪設(shè)成本高、建設(shè)周期長、抗破壞能力弱等一系列問題。在遠程監(jiān)控領(lǐng)域，無線技術(shù)取代有線將是大勢所趨。

伴隨移動通信技術(shù)的發(fā)展，手機成為新的獲取信息的終端。由于現(xiàn)在智能手機的主頻頻率、內(nèi)存容量不斷提升，而且集成了越來越多的傳感器，特別是基于Android的智能手機的快速普及，使手機成為一種新型的智能監(jiān)控終端[2-3]。

Android智能手機是一種全新的開源系統(tǒng)架構(gòu)，有強大的應(yīng)用層和豐富的傳感器功能，其開放的平臺有利于開發(fā)者開發(fā)出各類應(yīng)用軟件[4]。由于Android基于Linux系統(tǒng)，因此可以使用C語言訪問底層硬件，對硬件進行功能擴展，能夠與其他模塊進行有線或無線的數(shù)據(jù)通信[5]。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)，作為一種新型的短距離無線通信技術(shù)，特別適用于多點分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無線通信。

文中提出一種基于Android和ZigBee技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)中使用以S3C6410為核心處理器的Tiny6410開發(fā)板作為Android系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，其上運行Web服務(wù)程序，服務(wù)程序通過ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)交互，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。用戶可以通過3G網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)關(guān)，獲取監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 Android開源平臺

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，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。

Android操作系統(tǒng)自頂向下分為4個層次，即應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、本地框架和Java運行環(huán)境以及Linux內(nèi)核層[6]。應(yīng)用層是系統(tǒng)自帶的或者由用戶開發(fā)的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序使用Java編寫。應(yīng)用框架層提供方便復(fù)用的組件，可以調(diào)用該層的組件構(gòu)建應(yīng)用程序。本地框架使用C/C++實現(xiàn)，包含C庫，多媒體庫，瀏覽器引擎，2D、3D圖形引擎等。Android中使用Dalvik作為Java虛擬機，每個Android應(yīng)用程序都擁有一個獨立的Dalvik虛擬機實例，在各自的線程中運行。開發(fā)者可以通過應(yīng)用程序框架調(diào)用這些庫函數(shù)，實現(xiàn)滿足特定領(lǐng)域需求的應(yīng)用程序[7]。Android底層是一個基于Linux內(nèi)核開發(fā)的獨立操作系統(tǒng)。該層用來提供系統(tǒng)的底層服務(wù)，包括安全機制、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧及一系列的驅(qū)動模塊。作為一個虛擬的中間層，該層位于硬件與其他的軟件層之間。

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)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[8]，在無線局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和低功耗傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9]。ZigBee技術(shù)基于IEEE802.15.4標準，該標準滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，ZigBee實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

ZigBee由實現(xiàn)不同功能的節(jié)點通過無線通信組成星狀、網(wǎng)狀和樹狀網(wǎng)絡(luò)，為降低成本，網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點只實現(xiàn)了全功能的一個子集，稱為精簡功能設(shè)備，而另外一些節(jié)點實現(xiàn)了通信、路由數(shù)據(jù)等功能，稱為全功能設(shè)備。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)整體上是一個C/S結(jié)構(gòu)。ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點組成了一個短距離無線網(wǎng)絡(luò)，負責傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸。系統(tǒng)使用基于Android的系統(tǒng)作為網(wǎng)關(guān)，其上運行Web服務(wù)程序，服務(wù)程序可以和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點交互，獲取來自ZigBee路由節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)。用戶可以通過手機遠程訪問網(wǎng)關(guān)、獲取實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Android網(wǎng)關(guān)起到一個協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用，實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的處理和傳輸。它一方面接收來自用戶的數(shù)據(jù)請求，另一方面與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點交互，獲取ZigBee節(jié)點檢測到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)[2]。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了系統(tǒng)的采集和無線近距離傳輸功能，分布在監(jiān)測點的路由節(jié)點采集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。同時，協(xié)調(diào)器節(jié)點會向路由節(jié)點發(fā)送各類控制命令。

2.1 Android網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

Android網(wǎng)關(guān)的硬件平臺采用Tiny6410嵌入式開發(fā)板，Tiny6410使用ARM11(S3C6410)處理器芯片作為嵌入式核心板，板載256 M DDR RAM，256 M/2 GB Nand Flash存儲器，開發(fā)板接口資源豐富，集成了多個串行口、USB口等，支持SD卡啟動、通過2.0 mm間距的排陣，引出ARM芯片引腳，便于系統(tǒng)擴展。由于Tiny6410豐富的板上資源及可擴展性，非常適合進行二次開發(fā)[10]。

網(wǎng)關(guān)運行Android 2.3系統(tǒng)，通過串口實現(xiàn)了與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點的通信，并可以利用有線或GPRS的形式實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與Internet的連接。Android應(yīng)用程序在Activity中通過應(yīng)用框架和硬件抽象層調(diào)用串口通信函數(shù)，獲取來自ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，串口通信函數(shù)使用C語言編寫，最終編譯成so文件。傳感器采集到的數(shù)據(jù)保存在Android內(nèi)置的SQLite數(shù)據(jù)庫中。運行在Android系統(tǒng)上的服務(wù)軟件可以將溫度、濕度等數(shù)據(jù)通過Web服務(wù)器向外發(fā)布。網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Android網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)

2.2 ZigBee節(jié)點設(shè)計

近距離無線網(wǎng)絡(luò)由ZigBee節(jié)點組成。在系統(tǒng)中設(shè)定了兩種類型的節(jié)點：協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點。前者負責ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和管理、與Android網(wǎng)關(guān)的通信。后者與傳感器模塊相連，可以自動加入已經(jīng)存在的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，建立路由及進行數(shù)據(jù)采集。

(1)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)。

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由節(jié)點都采用CC2430作為硬件結(jié)構(gòu)的核心[11]。CC2430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(shè)和強大的DMA控制器，以及高性能的射頻收發(fā)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點不需要外接傳感器，但需要用到UART口和網(wǎng)關(guān)通信。

ZigBee路由節(jié)點需要連接傳感器，傳感器用于將各種物理量轉(zhuǎn)換為計算機能夠處理的數(shù)字量[12]。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

系統(tǒng)中采用SHT11作為溫濕度傳感器來采集分散的環(huán)境數(shù)據(jù)。該傳感器為具有二線串行接口的單片全校數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器，具有數(shù)字式輸出、免標定、免外圍電路、壽命長、適用性廣等優(yōu)點，在管道、溫室、機房等場合得到了廣泛應(yīng)用。

SHT11將傳感器、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、串行接口集成到一個芯片內(nèi)，可以很方便地實現(xiàn)與微處理器的連接[13]。

(2)節(jié)點的軟件設(shè)計。

節(jié)點的軟件設(shè)計建立在ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，TI推出了一種針對CC2430的協(xié)議棧Z-stack，該協(xié)議?；贠SAL操作系統(tǒng)[14]。應(yīng)用程序被分成一個個不同的用戶任務(wù)，用戶任務(wù)和ZDO等ZigBee系統(tǒng)任務(wù)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(wù)的優(yōu)先級是最低的。無線網(wǎng)絡(luò)開始工作時，首先由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點檢測并加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器給每一個加入網(wǎng)絡(luò)的路由器分配唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址。在編程時，為每一個節(jié)點設(shè)定不同的設(shè)備號。路由器節(jié)點周期性地向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集到的傳感器數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器接收并區(qū)分來自不同路由器節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示。協(xié)調(diào)器與路由器節(jié)點之間的交互如圖4所示。

在一個節(jié)點之上可以運行多個任務(wù)，任務(wù)之間通過消息和事件進行通信。在協(xié)調(diào)器上運行串口收發(fā)任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，在路由節(jié)點上運行數(shù)據(jù)采集和無線傳輸任務(wù)。不同節(jié)點的任務(wù)通過命令簇建立起連接。

圖4 協(xié)調(diào)器與路由器節(jié)點之間的交互

通過簇建立起來的通信模型如圖5所示。

圖5 節(jié)點之間基于簇的鏈接模型

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點采用廣播的方式向各個路由器節(jié)點發(fā)送命令，路由器節(jié)點接收到來自協(xié)調(diào)器的命令后，自動匹配自己的命令簇。如果相同，路由器節(jié)點響應(yīng)協(xié)調(diào)器的命令并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成操作，如啟動傳感器的工作，同時將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)運行時，首先啟動ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，由ZigBee協(xié)調(diào)器掃描可用的信道，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后依次啟動各個ZigBee路由節(jié)點并自動加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。最后啟動運行在Android平臺之上的Web服務(wù)程序，服務(wù)程序?qū)碜訸igBee協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)，保存到Android內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)庫中，用戶就可以通過PC或者智能手機的瀏覽器獲取遠程監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)。終端的顯示界面如圖6所示。

圖6 手機客戶端運行界面

4 結(jié)束語

將ZigBee技術(shù)和Android智能平臺技術(shù)軟硬件資源的多樣性結(jié)合起來，在Android網(wǎng)關(guān)上構(gòu)建服務(wù)器程序，實現(xiàn)了客戶的遠程訪問。該系統(tǒng)具有部署方便、可擴充性強等特點，可以充分利用Android系統(tǒng)的軟硬件資源，是對遠程監(jiān)控在移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的一次有效嘗試。適用于小范圍、低數(shù)據(jù)量的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計達到了預(yù)期目標。

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Mobile Environmental Monitoring System Based on Android and ZigBee

LI Song-tao，YIN Qing-shuang

(School of Computer,Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 451191,China)

In accordance with the applicable demands and features of remote monitoring,on the base of the analysis of Android smart phone platform structure and the characteristics of ZigBee,a new mobile environment monitoring system is designed.The system which consists of Android intelligent terminal and ZigBee sensor network can achieve regional environmental data and remote data communications.ZigBee node and Tiny6410 are used to build hardware platform.ZigBee node adopts high performance CC2430 chip.In order to achieve and transfer data,multiple nodes are self-organized into wireless sensor networks.Tiny6410 based on S3C6410 microcontroller is used as a gateway.Not only in local but also through the network，user can access to data on Android phone.The test results show that the system is of low cost and high liability.It can meet the requirements for environmental monitoring.

Android；ZigBee；remote monitoring；wireless sensor network

2015-05-21

2015-10-13

時間：2017-02-17

河南省科技攻關(guān)計劃項目(122102310443)

李松濤(1971-)，男，講師，碩士，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1623.010.html

TP311.5

A

1673-629X(2017)03-0197-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.042