摘要：將ZigBee無線個域網(wǎng)與Android智能平臺結合起來，設計出一種便于實現(xiàn)遠程控制的無線網(wǎng)關。網(wǎng)關以Atmel公司ARM926EJ—S處理器SAM9M10為核心，Android為嵌入式操作系統(tǒng)，結合采用TI公司CC2530芯片的ZigBee無線通信技術。該網(wǎng)關設計將ZigBee網(wǎng)絡、以太網(wǎng)和WiFi無線網(wǎng)絡相融合，有效地實現(xiàn)便攜式設備對監(jiān)控區(qū)域的實時性監(jiān)控。
關鍵詞：Android；無線網(wǎng)關；ZigBee；CC2530；SAM9M10

引言
    ZigBee技術是基于IEEE802．15．4標準協(xié)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(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭控制、安全系統(tǒng)等領域。如何將ZigBee網(wǎng)絡與以太網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)便攜式設備(如手機、平板電腦等)對小型區(qū)域的實時監(jiān)控?本文提出了一種基于Android系統(tǒng)的ZigBee無線網(wǎng)關設計方案。

1 系統(tǒng)概述
    智能監(jiān)控系統(tǒng)設計的目的是使用戶可以通過手機或者PC機上網(wǎng)遠程控制終端設備或對環(huán)境進行監(jiān)測。其中網(wǎng)關是系統(tǒng)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(wǎng)絡間協(xié)議轉換的功能。本文網(wǎng)關的設計主要完成ZigBee協(xié)議與TCP／IP協(xié)議的轉換功能，利用WiFi網(wǎng)絡將手持設備連接到以太網(wǎng)，用于控制家電、燈光等，分別完成手機和以太網(wǎng)信息與ZigBee信息之間的相互通信。網(wǎng)關在智能監(jiān)控系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

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

2 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)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(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主機和設備端口、片上收發(fā)器、以太網(wǎng)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(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模塊負責與ZigBee網(wǎng)絡其他無線節(jié)點進行網(wǎng)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(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標準數(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電源進行供電，由NS公司的芯片LP38692轉換為3．3 V、LP2983AIM5—1．0轉換為1．0 V，再由Anisem公司的芯片AS1301EHT-ad轉換為1．8 V。系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
    無線網(wǎng)關軟件設計主要從Android操作系統(tǒng)的移植、無線網(wǎng)關系統(tǒng)協(xié)議模型與網(wǎng)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SAM9M10ARM9器件為運行Android操作系統(tǒng)的SAM9M10-G45-EK板提供完整的板級支持包(BoardSupport 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(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。
    移植方面的工作主要有兩部分：Linux驅動和Android系統(tǒng)硬件抽象層。
    Linux中的驅動工作在內(nèi)核空問，Android系統(tǒng)硬件抽象層工作在用戶空間，有了這兩個部分的結合，就可以讓龐大的Android系統(tǒng)運行在特定的硬件平臺上。在具有了特定的硬件系統(tǒng)之后，通常需要在Linux中實現(xiàn)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(xiàn)的是Android系統(tǒng)中的硬件抽象層(Hardware Abstract Layer)，硬件抽象層對下調用Linux中的驅動程序，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)調用。移植的主要工作如圖4所示。

3．2 無線網(wǎng)關系統(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)關軟件設計中，采用了ZigBee PRO協(xié)議。ZigBee PRO在繼承ZigBee技術全部優(yōu)點的基礎上，增強了無線網(wǎng)絡的可擴展性、易用性和安全性。Z igBee協(xié)議棧架構如圖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個層次組成：鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層。每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡來完成自己的需求。實際上，TCP／IP協(xié)議可以通過鏈路層連接到任何網(wǎng)絡上，例如IEEES02局域網(wǎng)。TCP／IP協(xié)議?？蚣苋鐖D6所示。

3．2．3 網(wǎng)關系統(tǒng)協(xié)議模型
    在網(wǎng)關系統(tǒng)層的ZigBee協(xié)議棧和TCP／IP協(xié)議棧之上添加一個應用地址適配層和應用協(xié)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(wǎng)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(wǎng)絡地址適配到應用地址上來，使得節(jié)點在應用層同屬于一個網(wǎng)絡；應用協(xié)議層是在應用地址適配層的基礎上通過制定統(tǒng)一的應用協(xié)議，規(guī)范節(jié)點間數(shù)據(jù)交換的格式，從而實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與IP網(wǎng)絡之間的數(shù)字信息交換功能，即實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)關的功能。
    無線網(wǎng)絡中的ZigBee節(jié)點接收指令將數(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)點的網(wǎng)絡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)關應用程序，經(jīng)分析后發(fā)送到對應的以太網(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)絡向以太網(wǎng)協(xié)議的轉換過程。網(wǎng)關系統(tǒng)協(xié)議模型如圖7所示。

3．3 網(wǎng)關應用程序
    網(wǎng)關應用程序主要指的是在網(wǎng)關應用協(xié)議層的規(guī)范基礎上，傳遞的信息數(shù)據(jù)以Android任務的形式組織運行，在以太網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡的數(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)絡中，通過以太網(wǎng)與無線AP相連接的PC機是服務器端，而無線網(wǎng)關作為Android客戶端通過TCP／IP協(xié)議與PC服務器建立網(wǎng)絡連接，通過Socket通信，可以在實現(xiàn)服務器和客戶端網(wǎng)絡連接的基礎上，完成數(shù)據(jù)的轉發(fā)、傳輸和接收。
    因此，無線網(wǎng)關應用程序要實現(xiàn)下面的功能：
    ①建立客戶端(無線網(wǎng)關)和服務器(PC機)的Socket，網(wǎng)絡連接，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)絡的數(shù)據(jù)讀進緩沖區(qū)，然后寫入USB無線網(wǎng)卡，USB無線網(wǎng)卡會將數(shù)據(jù)打包成WiFi協(xié)議格式，送入無線WiFi網(wǎng)絡。
    Android客戶端應用程序實現(xiàn)流程如圖9所示。

4 燈光控制功能的實現(xiàn)
    ZigBee將應用劃分為不同的域，每個應用域都有自己的ProfiIe，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(chǎn)商生產(chǎn)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 Pub lic Appliation Profile。通過該Profile及ZCL(ZigBee Cluster Library)的引入，實現(xiàn)了對ZigBee燈光家電設備的控制。例如網(wǎng)關對燈光進行開關控制，只需調用zelGeneral-SenclOnOff_CmdToggle()函數(shù)。應用程序、Profile及ZCL與其他層的接口的層次框圖如圖10所示。

結語
    本文研究了基于Android系統(tǒng)和ZigBee技術的無線網(wǎng)關，該網(wǎng)關體積小，功耗低，使ZigBee網(wǎng)絡和以太網(wǎng)以及WiFi網(wǎng)絡融合為一體，在ZigBee近距離無線通信和以太網(wǎng)遠程控制之間搭建了一座橋梁。實現(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，可以廣泛應用到物聯(lián)
網(wǎng)中。