Android与ZigBee的远程控制无线网关设计

摘要：将ZigBee无线个域网与Android智能平台结合起来，设计出一种便于实现远程控制的无线网关。网关以Atmel公司ARM926EJ—S处理器SAM9M10为核心，Android为嵌入式操作系统，结合采用TI公司CC2530芯片的ZigBee无线通信技术。该网关设计将ZigBee网络、以太网和WiFi无线网络相融合，有效地实现便携式设备对监控区域的实时性监控。
关键词：Android；无线网关；ZigBee；CC2530；SAM9M10

引言
    ZigBee技术是基于IEEE802．15．4标准协议的一种近距离无线通信技术，具有功耗低、成本低、容量大、安全性高、抗干扰性能强等特点，被广泛应用在工业监控、传感器网络、家庭控制、安全系统等领域。如何将ZigBee网络与以太网、WiFi网络连接，实现便携式设备(如手机、平板电脑等)对小型区域的实时监控?本文提出了一种基于Android系统的ZigBee无线网关设计方案。

1 系统概述
    智能监控系统设计的目的是使用户可以通过手机或者PC机上网远程控制终端设备或对环境进行监测。其中网关是系统的核心，主要负责上行各无线终端结点信息的管理和处理，以及下行控制各无线终端结点运作，具有完成不同网络间协议转换的功能。本文网关的设计主要完成ZigBee协议与TCP／IP协议的转换功能，利用WiFi网络将手持设备连接到以太网，用于控制家电、灯光等，分别完成手机和以太网信息与ZigBee信息之间的相互通信。网关在智能监控系统中的位置如图1所示。

    网关设计采用模块化方案，由硬件层、系统层和应用层组成，如图2所示。硬件层描述了网关的硬件组成；系统层是以SAM9M10为核心处理器的网关所移植的Android操作系统；应用层包括网关应用程序、应用协议层和应用地址适配层。

2 系统硬件设计
    系统硬件设计采用模块化设计思想，主要模块包括SAM9M10核心处理模块、ZigBee模块、以太网模块、LCD模块、WiFi模块、电源模块等。
     SAM9M10核心处理模块包括一个基于ARM926的400 MHz微处理器，支持133 MHz的双数据率DRAM(DDR2)，并且集成了高速(480 Mbps)USB主机和设备端口、片上收发器、以太网MAC、两个用于MMC 4．3和SDIO／SD Card 2．0的接口，以及CMOS摄像头、音频接口和支持电阻式触摸屏的LCD控制器。SAM9M10核心处理模块负责ZigBee数据收发、以太网数据收发、LCD数据输出、数据存储等。
    ZigBee模块的主芯片采用TI公司的第二代片上系统CC2530，相比以前的产品，CC2530具有更卓越的RF性能、可编程的256 KB闪存、更小的封装尺寸和IR产生电路。ZigBee模块负责与ZigBee网络其他无线节点进行网络通信，采用USART或SPI与主控制器通信，本文选择SPI方式。
    以太网模块采用DAVICOM的DM9161芯片。DM9161是一款单芯片快速以太网PHY，DM9161通过可变电压的MII或RMII标准数字接口连接到MAC层，支持HPAuto—MDIX，是目前常见的一款物理层收发器。
    WiFi模块由AP(Access Point)和无线网卡组成，其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放区域覆盖范围广，方便与现有的有线以太网整合，组网的成本更低。
    触摸屏LCD模块采用台湾群创公司的AT102TN03模组，显示尺寸为10．2寸，显示比例为16：9，分辨率为800×480，采用LED背光，工作电压为5 V。
    电源模块由外接5 V电源进行供电，由NS公司的芯片LP38692转换为3．3 V、LP2983AIM5—1．0转换为1．0 V，再由Anisem公司的芯片AS1301EHT-ad转换为1．8 V。系统硬件结构如图3所示。

3 系统软件设计
    无线网关软件设计主要从Android操作系统的移植、无线网关系统协议模型与网关应用程序3方面介绍。
3．1 Android在SAM9M10上的移植
    Atmel以32位ARM926处理器为基础的SAM9M10ARM9器件为运行Android操作系统的SAM9M10-G45-EK板提供完整的板级支持包(BoardSupport Package，BSP)。Atmel公司的Android端口基于2．1版本，支持摄像头接口、硬件视频解码、软件解码、网页浏览，可以使用以太网电缆或H＆．D Wireless提供的WiFi SDIO加密器。通过SAM9M10-G45-EK板的BSP，可以很方便地将Android移植到SAM9M10上，由Nand Flash启动。
    移植方面的工作主要有两部分：Linux驱动和Android系统硬件抽象层。
    Linux中的驱动工作在内核空问，Android系统硬件抽象层工作在用户空间，有了这两个部分的结合，就可以让庞大的Android系统运行在特定的硬件平台上。在具有了特定的硬件系统之后，通常需要在Linux中实现其驱动程序，这些驱动程序通常是Linux的标准驱动程序。主要实现的是Android系统中的硬件抽象层(Hardware Abstract Layer)，硬件抽象层对下调用Linux中的驱动程序，对上提供接口，以供Android系统的其他部分(通常为Android本地框架层)调用。移植的主要工作如图4所示。

3．2 无线网关系统协议模型
3．2．1 ZigBee协议栈
    ZigBee协议栈采用TI司的ZStack，具体版本号为ZStaek-CC2530-2．5．0。它支持ZigBee 2007(包括ZigBee和ZigBee PRO)协议，在本网关软件设计中，采用了ZigBee PRO协议。ZigBee PRO在继承ZigBee技术全部优点的基础上，增强了无线网络的可扩展性、易用性和安全性。Z igBee协议栈架构如图5所示。

3．2．2 TCP／IP协议栈
    从协议分层模型方面来将，TCP／IP由4个层次组成：链路层、网络层、传输层、应用层。每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。实际上，TCP／IP协议可以通过链路层连接到任何网络上，例如IEEES02局域网。TCP／IP协议栈框架如图6所示。

3．2．3 网关系统协议模型
    在网关系统层的ZigBee协议栈和TCP／IP协议栈之上添加一个应用地址适配层和应用协议层。应用地址适配层的作用在于将ZigBee地址(MAC值或短地址)、以太网地址(IP地址)与应用层地址形成映射关系，即将不同类型的网络地址适配到应用地址上来，使得节点在应用层同属于一个网络；应用协议层是在应用地址适配层的基础上通过制定统一的应用协议，规范节点间数据交换的格式，从而实现ZigBee网络与IP网络之间的数字信息交换功能，即实现ZigBee网关的功能。
    无线网络中的ZigBee节点接收指令将数据打包，简单封装后向上发送给本地ARP，通过ARP解析出该节点的网络MAC地址，确定要发送的以太网地址；然后向上发送给网关应用程序，经分析后发送到对应的以太网UDP或TCP处理，向下发送到以太网端口MAC地址。这样就完成了数据从ZigBee网络向以太网协议的转换过程。网关系统协议模型如图7所示。

3．3 网关应用程序
    网关应用程序主要指的是在网关应用协议层的规范基础上，传递的信息数据以Android任务的形式组织运行，在以太网与ZigBee网络的数据通信中，信息是以数据包的形式发送和接收的，数据包发送流程如图8所示。
    在无线WiFi网络中，通过以太网与无线AP相连接的PC机是服务器端，而无线网关作为Android客户端通过TCP／IP协议与PC服务器建立网络连接，通过Socket通信，可以在实现服务器和客户端网络连接的基础上，完成数据的转发、传输和接收。
    因此，无线网关应用程序要实现下面的功能：
    ①建立客户端(无线网关)和服务器(PC机)的Socket，网络连接，为他们之间的数据交换提供必要条件。
    ②将无线ZigBee模块接收到的来自ZigBee网络的数据读进缓冲区，然后写入USB无线网卡，USB无线网卡会将数据打包成WiFi协议格式，送入无线WiFi网络。
    Android客户端应用程序实现流程如图9所示。

4 灯光控制功能的实现
    ZigBee将应用划分为不同的域，每个应用域都有自己的ProfiIe，ZigBee Profile为这个应用域提供标准的接口和设备定义，使得不同生产商生产的针对同一应用领域的ZigBee设备之间能互通。ZigBee在智能家居、家庭自动化中采用的Profile是ZigBee Home Automation Pub lic Appliation Profile。通过该Profile及ZCL(ZigBee Cluster Library)的引入，实现了对ZigBee灯光家电设备的控制。例如网关对灯光进行开关控制，只需调用zelGeneral-SenclOnOff_CmdToggle()函数。应用程序、Profile及ZCL与其他层的接口的层次框图如图10所示。

结语
    本文研究了基于Android系统和ZigBee技术的无线网关，该网关体积小，功耗低，使ZigBee网络和以太网以及WiFi网络融合为一体，在ZigBee近距离无线通信和以太网远程控制之间搭建了一座桥梁。实现了无线传感网与无线互联网之间的数字信息交互，可以广泛应用到物联
网中。