Android与ZigBee的远程控制无线网关设计

方思维，张盼盼

（西安工程大学，西安710048）

方思维（硕士研究生），主要研究方向为无线传感网、无线通信技术、嵌入式系统等；张盼盼（硕士研究生），主要研究嵌入式应用技术。

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。

图1 网关在智能监控系统中的位置

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400MHz微处理器，支持133MHz的双数据率DRAM（DDR2），并且集成了高速（480Mbps）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。

图2 无线网关结构示意图

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256KB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AT102TNO3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5V。

电源模块由外接5V电源进行供电，由NS公司的芯片 LP38692 转 换 为 3.3V、LP2983AIM5－1.0 转 换 为1.0V，再由Anisem公司的芯片AS1301EHT－ad转换为1.8V。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SAM9M10 ARM9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（Board Support 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。

图3 无线网关结构

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间，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。

图4 Android系统移植的主要工作

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ZStack－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Zig－Bee 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。ZigBee协议栈架构如图5所示。

图5 ZigBee协议栈框架

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IEEE802局域网。TCP／IP协议栈框架如图6所示。

图6 TCP／IP协议栈框架

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。

图7 网关系统协议模型

图8 数据包发送流程图

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。

图9 Android客户端应用程序实现流程图

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Profile，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 Public 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zel－General－SendOnOff＿Cmd－Toggle（）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。

图10 应用程序、Profile及ZCL与其他层接口层次框图

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。

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