基于Android平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)方案設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種基于Android平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)方案。該網(wǎng)關(guān)通過藍(lán)牙串口通信實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中WSN (無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))中心節(jié)點(diǎn)和Android網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸，在Android平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)WSN節(jié)點(diǎn)信息管理并通過Android的網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，從而在WSN與互聯(lián)網(wǎng)之間搭建一條透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，完成對(duì)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)控制。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；WSN；網(wǎng)關(guān)

    中國(guó)已成為第一大移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)非常廣闊，這將使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)深入到各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)泛在的接入。目前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)常見的嵌入式操作系統(tǒng)主要足Linux、WindowsCE、MeeGo、Android、Palm等；其中Android系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成性很高，被公認(rèn)為是一個(gè)基于Linux內(nèi)核并針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的操作系統(tǒng)。
    針對(duì)移動(dòng)終端融合物聯(lián)網(wǎng)具有很大的意義，而物聯(lián)網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)的瓶頸是網(wǎng)關(guān) 本文提出了基于Android平臺(tái)、采用藍(lán)牙連接物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)方案，從而有效避免了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的開發(fā)瓶頸。

1 基于Android平臺(tái)的WSN網(wǎng)關(guān)簡(jiǎn)介
    星云測(cè)控系統(tǒng)是由一個(gè)WSN主節(jié)點(diǎn)和很多WSN測(cè)控節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)分布式的測(cè)控系統(tǒng)，用于野外的暫時(shí)和長(zhǎng)期測(cè)量、橋梁檢測(cè)和大型結(jié)構(gòu)瞬態(tài)測(cè)試等?；贏ndroid平臺(tái)藍(lán)牙串口通信的星云測(cè)控(WSN)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

    網(wǎng)關(guān)采用基于Android的帶有藍(lán)牙和Wifi／WLAN功能的智能平板，采用藍(lán)牙連接基于STM32W的WSN測(cè)控系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)將實(shí)現(xiàn)顯示、存儲(chǔ)、人機(jī)交互、遠(yuǎn)距離通信和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。網(wǎng)關(guān)軟件在Android2．3操作系統(tǒng)下運(yùn)行，程序在Android Eclipse下開發(fā)完成。其工作過程大致為：將網(wǎng)關(guān)藍(lán)牙與ZigBee主控節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙進(jìn)行配對(duì)、連接和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)網(wǎng)關(guān)通過同一局域網(wǎng)的WiFi連接至遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)測(cè)控信息的顯示、存儲(chǔ)和控制等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的通信和管理，完成WSN和互聯(lián)網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸和控制。

2 Android平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案
    網(wǎng)關(guān)通過藍(lán)牙串口實(shí)現(xiàn)與WSN中心節(jié)點(diǎn)間的通信，在Android平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)WSN節(jié)點(diǎn)信息管理并通過Andrid的網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，從而在WSN與互聯(lián)網(wǎng)之間搭建一條透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，完成對(duì)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)控制。圖2為基于Android平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)框圖，Android平臺(tái)下的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)，需要完成以下步驟：
    (1)設(shè)置藍(lán)牙和Wi—Fi；
    (2)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)配對(duì)或者附近的藍(lán)牙設(shè)備；
    (3)連接設(shè)備；
    (4)在不同設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)；
    (5)使用Wi—Fi通過無(wú)線路南連接同一無(wú)線局域網(wǎng)，通過Socket建立基于TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。
    (6)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)WSN的管理。

    圖3為網(wǎng)關(guān)工作流程。 Android的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下功能：?jiǎn)?dòng)藍(lán)牙、啟動(dòng)Wi—Fi、藍(lán)牙設(shè)備是否可見、搜索藍(lán)牙、藍(lán)牙設(shè)備的配對(duì)與連接、藍(lán)牙串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)關(guān)管理。
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3 Android網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信
3．1 Android網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙串口通信
    “藍(lán)牙”是一種短距離的無(wú)線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代稱，實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是要建立通用的無(wú)線電空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信拓寬道路。Android的藍(lán)牙(Bluetooth)協(xié)議棧使用BlueZ (Linux官方的Bluetooth棧)來實(shí)現(xiàn)對(duì)GAP、SDP和RFCOMM等應(yīng)用規(guī)范提供支持，并獲得了SIG認(rèn)證。BlueZ的RFCOMM提供Bluetooth上的串行仿真，這使得串行端口應(yīng)用程序和協(xié)議不加更改地在Bluetooth上運(yùn)行。RFC OMM模塊和用戶模式dund的后臺(tái)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)了Bluetooth撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)。Bluetooth規(guī)范支持針對(duì)Bluetooth HCI數(shù)據(jù)分組的UART(通用異步接收器／傳送器)和USB傳輸機(jī)制。BluZ棧同時(shí)支持這兩個(gè)傳輸機(jī)制(drivers／Bluetooth／)。圖4為Android Bluetooth部分的關(guān)系圖。

    Android包含了對(duì)藍(lán)牙協(xié)議棧的支持，這使得藍(lán)牙設(shè)備能夠無(wú)線連接其他藍(lán)牙設(shè)備交換數(shù)據(jù)。Android的應(yīng)用程序框架提供了訪問藍(lán)牙功能API，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線交互功能。使用藍(lán)牙API，一個(gè)Android應(yīng)用程序能夠?qū)崿F(xiàn)下列功能：掃描其他藍(lán)牙設(shè)備、查詢本地藍(lán)牙適配器用于配對(duì)藍(lán)牙設(shè)備、建立RFCOMM信道、通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)連接其他設(shè)備、數(shù)據(jù)通信和管理多個(gè)連接。圖5為本設(shè)計(jì)的藍(lán)牙串口通信流程圖。實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙設(shè)備打開、可見、搜索和連接管理。

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3．2 Android網(wǎng)絡(luò)通信
    Android完全支持JDK本身的TCP、UDP網(wǎng)絡(luò)通信的API，可以使用SeverSocket、Socket來建立基于TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，也可以使用DatagramSocket、Datagrampacket、MulticastSocket來建立UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。本設(shè)計(jì)采用TCP／IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，通信流程如圖6所示。

    本設(shè)計(jì)只實(shí)現(xiàn)客戶端編程，服務(wù)端用SocketTool TCP／IP通信調(diào)試工具V2．2在PC端建立。使用Socket來實(shí)現(xiàn)客戶端的步驟如下：
    (1)通過IP地址和端口實(shí)例化Socket，請(qǐng)求連接服務(wù)器。
    (2)獲取Socket上的流以進(jìn)行讀寫。
    (3)把流包裝進(jìn)BufferedReader的實(shí)例。
    (4)對(duì)Socket進(jìn)行讀寫
    (5)關(guān)閉打殲的流程。
    關(guān)鍵代碼如下：
   

4 網(wǎng)關(guān)的管理功能及實(shí)現(xiàn)
    網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)WSN的管理，主要包括安全認(rèn)證、時(shí)間統(tǒng)一、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、節(jié)點(diǎn)定位和遠(yuǎn)程傳輸功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)臨控和管理。功能設(shè)計(jì)如下：
    (1)安全認(rèn)證：協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在安全認(rèn)汪中，將申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)的ID發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)查找配置表中的授權(quán)入網(wǎng)節(jié)；如果該節(jié)點(diǎn)ID在表中，則通知協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)允許入網(wǎng)，否則不允許入網(wǎng)。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)可以顯示、添加或修改節(jié)點(diǎn)配置表中的授權(quán)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。
    如圖8—1所示，網(wǎng)關(guān)插入配置表信息，該實(shí)驗(yàn)為四個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為0080E102001BC94D、0080E102001BCE91、0080E102001BC204和0080E102001BCF51。ZigBee組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，網(wǎng)關(guān)可以采集到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，并用綠燈顯示該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的是1號(hào)節(jié)點(diǎn)和3號(hào)節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，紅燈表明處于非工作狀態(tài)。[!--empirenews.page--]
    (2)時(shí)間統(tǒng)一：在進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)一的過程中，首先通過NTP協(xié)議對(duì)網(wǎng)關(guān)校時(shí)，并以此時(shí)間為基準(zhǔn)，把時(shí)間發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，從而校準(zhǔn)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和網(wǎng)內(nèi)子節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間統(tǒng)一。如圖7(a)所示，網(wǎng)關(guān)的最下方顯示了NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的校時(shí)。

    (3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集：在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位的過程中，網(wǎng)關(guān)可以采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、提取節(jié)點(diǎn)號(hào)和RSSI值。如圖7(h)所示，上方滾動(dòng)串口顯示了收到的來自ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的串口數(shù)據(jù)。
    (4)節(jié)點(diǎn)定位：ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用RSSI測(cè)距法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位，網(wǎng)關(guān)采集節(jié)點(diǎn)RSSI值解算出了節(jié)點(diǎn)大概位置。
    (5)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：接收節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并定期以文件形式保存到本地的SD卡中。如圖8—2截取的存儲(chǔ)至SD卡的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)，命名為Bluetooth．txt。

5 測(cè)試結(jié)果
    系統(tǒng)所需的硬件平臺(tái)為：Android平板電腦一部、BMX藍(lán)牙模塊、PC機(jī)一臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)所需的軟件平臺(tái)為：SSCOM32串口調(diào)試助手、Socket Tool網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和TCP／UDP開發(fā)丁具、Ecplise JAVA開發(fā)環(huán)境和Android SDK開發(fā)包。網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置的IP地址為：192．168．0．190，端口號(hào)為：30000。

    運(yùn)行主要結(jié)果如圖8所示。圖8 (a)為設(shè)備連接界面，主要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙連接和網(wǎng)絡(luò)連接，觸發(fā)搜索設(shè)備按鈕顯示設(shè)備列表，點(diǎn)擊所需設(shè)備名稱建立藍(lán)牙連接。觸發(fā)wifi按鈕建立網(wǎng)絡(luò)連接，觸發(fā)測(cè)試按鈕，測(cè)試通信信道是否建立，建立成功顯示”success connection”。該網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)關(guān)管理，如圖8(b)，8(c)。傳輸過程分為以下三種情況：
    (1)藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給Android網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程終端，Android網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程終端顯示”xi’antechnological universitv”表明測(cè)試成功。
    (2)Android網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)給藍(lán)牙設(shè)備和遠(yuǎn)程終端，藍(lán)牙設(shè)備和遠(yuǎn)程終端顯示“I am Lei Bin”表明測(cè)試成功。
    (3)遠(yuǎn)程終端發(fā)送數(shù)據(jù)給Android網(wǎng)關(guān)，Andiroid網(wǎng)關(guān)顯示“Success of socket communication”表明測(cè)試成功。網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)果如圖8(d)所示。

6 結(jié)束語(yǔ)
    由于采用藍(lán)牙串行通信技術(shù)連接物聯(lián)網(wǎng)，避免了在Android平臺(tái)上的硬件開發(fā)，使得在對(duì)現(xiàn)有Android智能平臺(tái)無(wú)需硬件改造及編寫底層驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)管理及和互聯(lián)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)傳輸，大大降低了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用難度和成本。
    在該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)控制，這使得在移動(dòng)終端融合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成為可能。