Android與ZigBee的遠程控制無線網關設計

方思維，張盼盼

（西安工程大學，西安710048）

方思維（碩士研究生），主要研究方向為無線傳感網、無線通信技術、嵌入式系統等；張盼盼（碩士研究生），主要研究嵌入式應用技術。

引 言

ZigBee技術是基于IEEE802.15.4標準協議的一種近距離無線通信技術，具有功耗低、成本低、容量大、安全性高、抗干擾性能強等特點，被廣泛應用在工業監控、傳感器網絡、家庭控制、安全系統等領域。如何將ZigBee網絡與以太網、WiFi網絡連接，實現便攜式設備（如手機、平板電腦等）對小型區域的實時監控？本文提出了一種基于Android系統的ZigBee無線網關設計方案。

1 系統概述

智能監控系統設計的目的是使用戶可以通過手機或者PC機上網遠程控制終端設備或對環境進行監測。其中網關是系統的核心，主要負責上行各無線終端結點信息的管理和處理，以及下行控制各無線終端結點運作，具有完成不同網絡間協議轉換的功能。本文網關的設計主要完成ZigBee協議與TCP／IP協議的轉換功能，利用 WiFi網絡將手持設備連接到以太網，用于控制家電、燈光等，分別完成手機和以太網信息與ZigBee信息之間的相互通信。網關在智能監控系統中的位置如圖1所示。

圖1 網關在智能監控系統中的位置

網關設計采用模塊化方案，由硬件層、系統層和應用層組成，如圖2所示。硬件層描述了網關的硬件組成；系統層是以SAM9M10為核心處理器的網關所移植的Android操作系統；應用層包括網關應用程序、應用協議層和應用地址適配層。

2 系統硬件設計

系統硬件設計采用模塊化設計思想，主要模塊包括SAM9M10核心處理模塊、ZigBee模塊、以太網模塊、LCD模塊、WiFi模塊、電源模塊等。

SAM9M10核心處理模塊包括一個基于ARM926的400MHz微處理器，支持133MHz的雙數據率DRAM（DDR2），并且集成了高速（480Mbps）USB主機和設備端口、片上收發器、以太網 MAC、兩個用于 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核心處理模塊負責ZigBee數據收發、以太網數據收發、LCD數據輸出、數據存儲等。

圖2 無線網關結構示意圖

ZigBee模塊的主芯片采用TI公司的第二代片上系統CC2530，相比以前的產品，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產生電路。ZigBee模塊負責與ZigBee網絡其他無線節點進行網絡通信，采用USART或SPI與主控制器通信，本文選擇SPI方式。

以太網模塊采用DAVICOM的DM9161芯片。DM9161是一款單芯片快速以太網PHY，DM9161通過可變電壓的MII或RMII標準數字接口連接到MAC層，支持HPAuto－MDIX，是目前常見的一款物理層收發器。

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

觸摸屏LCD模塊采用臺灣群創公司的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電源進行供電，由NS公司的芯片 LP38692 轉 換 為 3.3V、LP2983AIM5－1.0 轉 換 為1.0V，再由Anisem公司的芯片AS1301EHT－ad轉換為1.8V。系統硬件結構如圖3所示。

3 系統軟件設計

無線網關軟件設計主要從Android操作系統的移植、無線網關系統協議模型與網關應用程序3方面介紹。

3.1 Android在SAM9M10上的移植

Atmel以32位ARM926處理器為基礎的SAM9M10 ARM9器件為運行Android操作系統的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，支持攝像頭接口、硬件視頻解碼、軟件解碼、網頁瀏覽，可以使用以太網電纜或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。

圖3 無線網關結構

移植方面的工作主要有兩部分：Linux驅動和Android系統硬件抽象層。

Linux中的驅動工作在內核空間，Android系統硬件抽象層工作在用戶空間，有了這兩個部分的結合，就可以讓龐大的Android系統運行在特定的硬件平臺上。在具有了特定的硬件系統之后，通常需要在Linux中實現其驅動程序，這些驅動程序通常是Linux的標準驅動程序。主要實現的是Android系統中的硬件抽象層（Hardware Abstract Layer），硬件抽象層對下調用Linux中的驅動程序，對上提供接口，以供Android系統的其他部分（通常為Android本地框架層）調用。移植的主要工作如圖4所示。

圖4 Android系統移植的主要工作

3.2 無線網關系統協議模型

3.2.1 ZigBee協議棧

ZigBee協議棧采用TI司的ZStack，具體版本號為ZStack－CC2530－2.5.0。它支持ZigBee 2007（包括 ZigBee和ZigBee PRO）協議，在本網關軟件設計中，采用了Zig－Bee PRO協議。ZigBee PRO在繼承ZigBee技術全部優點的基礎上，增強了無線網絡的可擴展性、易用性和安全性。ZigBee協議棧架構如圖5所示。

圖5 ZigBee協議棧框架

3.2.2 TCP／IP協議棧

從協議分層模型方面來將，TCP／IP 由 4 個 層 次 組成：鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層。每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求。實際上，TCP／IP協議可以通過鏈路層連接到任何網絡上，例如IEEE802局域網。TCP／IP協議棧框架如圖6所示。

圖6 TCP／IP協議棧框架

3.2.3網關系統協議模型

在網關系統層的ZigBee協議棧和TCP／IP協議棧之上添加一個應用地址適配層和應用協議層。應用地址適配層的作用在于將ZigBee地址（MAC值或短地址）、以太網地址（IP地址）與應用層地址形成映射關系，即將不同類型的網絡地址適配到應用地址上來，使得節點在應用層同屬于一個網絡；應用協議層是在應用地址適配層的基礎上通過制定統一的應用協議，規范節點間數據交換的格式，從而實現ZigBee網絡與IP網絡之間的數字信息交換功能，即實現ZigBee網關的功能。

無線網絡中的ZigBee節點接收指令將數據打包，簡單封裝后向上發送給本地ARP，通過ARP解析出該節點的網絡MAC地址，確定要發送的以太網地址；然后向上發送給網關應用程序，經分析后發送到對應的以太網UDP或TCP處理，向下發送到以太網端口MAC地址。這樣就完成了數據從ZigBee網絡向以太網協議的轉換過程。網關系統協議模型如圖7所示。

3.3 網關應用程序

網關應用程序主要指的是在網關應用協議層的規范基礎上，傳遞的信息數據以Android任務的形式組織運行，在以太網與ZigBee網絡的數據通信中，信息是以數據包的形式發送和接收的，數據包發送流程如圖8所示。

圖7 網關系統協議模型

圖8 數據包發送流程圖

在無線WiFi網絡中，通過以太網與無線AP相連接的PC機是服務器端，而無線網關作為Android客戶端通過TCP／IP協議與PC服務器建立網絡連接，通過Socket通信，可以在實現服務器和客戶端網絡連接的基礎上，完成數據的轉發、傳輸和接收。

因此，無線網關應用程序要實現下面的功能：

① 建立客戶端（無線網關）和服務器（PC機）的Socket網絡連接，為他們之間的數據交換提供必要條件。

②將無線ZigBee模塊接收到的來自ZigBee網絡的數據讀進緩沖區，然后寫入USB無線網卡，USB無線網卡會將數據打包成WiFi協議格式，送入無線WiFi網絡。

Android客戶端應用程序實現流程如圖9所示。

圖9 Android客戶端應用程序實現流程圖

4 燈光控制功能的實現

ZigBee將應用劃分為不同的域，每個應用域都有自己的Profile，ZigBee Profile為這個應用域提供標準的接口和設備定義，使得不同生產商生產的針對同一應用領域的ZigBee設備之間能互通。ZigBee在智能家居、家庭自動化中采用的Profile是ZigBee Home Automation Public Appliation Profile。通過該Profile及ZCL（ZigBee Cluster Library）的引入，實現了對ZigBee燈光家電設備的控制。例如網關對燈光進行開關控制，只需調用zel－General－SendOnOff＿Cmd－Toggle（）函數。應用程序、Profile及ZCL與其他層的接口的層次框圖如圖10所示。

圖10 應用程序、Profile及ZCL與其他層接口層次框圖

結 語

本文研究了基于Android系統和ZigBee技術的無線網關，該網關體積小，功耗低，使ZigBee網絡和以太網以及WiFi網絡融合為一體，在ZigBee近距離無線通信和以太網遠程控制之間搭建了一座橋梁，實現了無線傳感網與無線互聯網之間的數字信息交互，可以廣泛應用到物聯網中。

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