Android與ZigBee的遠(yuǎn)程控制無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

摘要：將ZigBee無線個(gè)域網(wǎng)與Android智能平臺(tái)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一種便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的無線網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)以Atmel公司ARM926EJ—S處理器SAM9M10為核心，Android為嵌入式操作系統(tǒng)，結(jié)合采用TI公司CC2530芯片的ZigBee無線通信技術(shù)。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)相融合，有效地實(shí)現(xiàn)便攜式設(shè)備對監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)性監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：Android；無線網(wǎng)關(guān)；ZigBee；CC2530；SAM9M10

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。

    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400 MHz微處理器，支持133 MHz的雙數(shù)據(jù)率DRAM(DDR2)，并且集成了高速(480 Mbps)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。
    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256 KB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AT102TN03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5 V。
    電源模塊由外接5 V電源進(jìn)行供電，由NS公司的芯片LP38692轉(zhuǎn)換為3．3 V、LP2983AIM5—1．0轉(zhuǎn)換為1．0 V，再由Anisem公司的芯片AS1301EHT-ad轉(zhuǎn)換為1．8 V。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SAM9M10ARM9器件為運(yùn)行Android操作系統(tǒng)的SAM9M10-G45-EK板提供完整的板級(jí)支持包(BoardSupport 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)。
    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)核空問，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。

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ZStaek-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ZigBee 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。Z igBee協(xié)議棧架構(gòu)如圖5所示。

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IEEES02局域網(wǎng)。TCP／IP協(xié)議棧框架如圖6所示。

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。
    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。

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ProfiIe，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 Pub lic 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zelGeneral-SenclOnOff_CmdToggle()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。

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。