摘要：將ZigBee無線個域網(wǎng)和Android智能平臺聯(lián)合起來進行研究，并設計出一個便于維護的智能移動監(jiān)控系統(tǒng)。它具有穩(wěn)定性強、可靠性高、擴展性好等優(yōu)點，能夠廣泛地應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務業(yè)等各領域。系統(tǒng)采用CC2530和S3C6410等高性能處理器構建硬件平臺。數(shù)據(jù)的傳輸采用ZigBee協(xié)議，人機交互程序在Android平臺上開發(fā)，能實現(xiàn)環(huán)境信息的實時顯示和用戶控制命令的及時響應。
關鍵詞：ZigBee；Android；CC2530；S3C6410

引言
    監(jiān)控系統(tǒng)是與傳感技術、信息傳遞處理技術和計算機技術等緊密相關的。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)。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導致其應用遠落后于有線
監(jiān)控系統(tǒng)，近年來隨著通信技術的發(fā)展，無線信息傳遞越來越穩(wěn)定可靠，其抗十擾能力、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)絡等領域得到了廣泛的應用。Android是Google公司推出的一個基于Linux內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)了移動平臺的領軍地位。
    當前，將ZigBee協(xié)議和Android智能平臺技術結合起來進行研究的課題十分稀少，相關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)結構
    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予系統(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)的整體結構如圖1所示。

1．1 硬件結構
    信息采集與傳輸子系統(tǒng)采用CC2530作為硬件結構的核心。CC2530內部集成了業(yè)界領先的射頻收發(fā)器、豐富的片內外設和強大的DMA控制器。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液品模塊。信息采集與傳輸子系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

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    信息處理與控制子系統(tǒng)采用基于ARM1176JZF-S內核的S3C6410微處理器作為核心控制單元。ARM11系列是ARMv6架構的第一代實現(xiàn)。采用兩片K4X51163PC Mobile DDR SDRAM芯片構成128 MB的內存系統(tǒng)。采用1GB的K9G8G08UOA NAND 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)的硬件結構如圖3所示。

1．2 軟件結構
    信息采集與傳輸子系統(tǒng)軟件架構如圖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)的調度下運行，其調度機制基于優(yōu)先級，用戶任務的優(yōu)先級是最低的。

    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應用程序實時地顯示環(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硬件驅動等的支持。本子系統(tǒng)的軟件架構如圖5所示。

2 系統(tǒng)關鍵技術和實現(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)中的關鍵技術有很多，這里主要介紹ZigBee協(xié)議。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。應用層的主要功能與信息采集與傳輸密切相關。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2．4GHz的ISM頻段，調制方式為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。

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    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_GATH ER_PRF。信息采集結點和網(wǎng)關節(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)。信息采集結點向網(wǎng)關節(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。

    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aflncomingMSGPacket_t的結構體中，其定義如下：
   
    該結構中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的數(shù)據(jù)，如環(huán)境信息編碼和用戶命令編碼。[!--empirenews.page--]
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、Andr oid運行時庫、硬件抽象層HAL(Hardware Abstraction Laycr)和Linux內核組成。
    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。

    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換成用戶命令發(fā)送至信息采集與傳輸子系統(tǒng)。岡此，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系如圖9所示。

    守候線程是借助于本地方法獲取Linux底層驅動環(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：
   

結語
    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。