（通信与信息系统专业论文）基于android平台移动监控系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 伴随着知识经济时代的来l 临，信息的传输和获取对社会的发展、经济的增 长、生活品质的提高等有着十分重要且无可取代的作用，随时、随地、随心地 获得所关注的信息就越来越被各行各业所迫切地重视。以往由于科学技术的欠 缺，人们只能到固定的场合、通过特定的媒介去被动地获取所需要的信息，这 种状况与现代快节奏的社会格格不入，成为制约社会发展和人民生活品质提高 的瓶颈。可以预见，在便捷式移动终端上随时随地随心的获取特定场合的特定 信息，并实施快速有效的控制这一课题必将成为研究的热点。因此，本课题的 研究具有重大的研究价值和良好的前瞻性，能有力的推动相关技术的发展并创 造巨大的经济效益。 本课题研究基于z i g b e e 无线个域网和a n d r o i d 平台的监控系统。采用基于 i e e e8 0 2 1 5 4 协议的z i g b e e 规范构建稳定、可靠、健壮、低功耗、自组织的信 息通信网络。采用基于l i n u x 内核的a n d r o i d 平台研究操作简洁、响应迅速、界 面友好的信息显示和控制系统。本课题的工作量很大，并需要研究若干个核心 技术的解决方案：一是信息有效的采集和可靠的传输；二是信息在便携式移动 终端上人性化的显示。其中信息的传输是双向的，它包括数据信息的向上传递 和命令信息的向下传递，信息在便携式终端上的显示涉及到图形用户界面的设 计和复杂数据的交互处理。 本课题将移动监控系统划分为信息采集与传输系统子系统和信息处理与控 制子系统分别进行研究。信息采集与传输子系统采用z i g b e e 规范作为信息通信 协议，其硬件设计上采用了t i 的最新一代c c 2 5 3 0 作为主处理器，软件部分采 用基于优先级的o s a l 操作系统进行开发。信息处理与控制子系统主要用于展 现所监控地点的相关信息，并将用户的控制命令下达给信息采集与传输子系统， 后者分析命令内容并作出相应的响应。该部分的硬件设计上采用了基于a r m l l 核的$ 3 c 6 4 1 0s o c 作为主处理器，软件架构上采用了基于l i n u x 内核的a n d r o i d 平台。 关键词：a r m ll ；c c 2 5 3 0 ；z i g b e e ；a n d r o i d ；监控 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to ft h ek n o w l e d g ee c o n o m ye r a , t h et r a n s m i s s i o na n dr e t r i e v eo f i n f o r m a t i o nt a k eac r u c i a la n di r r e p l a c e a b l er o l ea ts o c i a ld e v e l o p m e n t , e c o n o m i c g r o w t ha n dl i f eq u a l i t yi m p r o v e m e n t c o n s e q u e n t l y ，t h er e t r i e v eo fc o n c e m e d i n f o r m a t i o na ta n y t i m e ，a n y w h e r ea n da n y h o wh a sb e e np a i dg r e a ta t t e n t i o nt ob y e v e r yi n d u s t r y d u et ot h el a c ko fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g yi nt h ep a s t ，p e o p l ec a no n l yg o t oaf i x e do c c a s i o nt og e tt h ei n f o r m a t i o np a s s i v e l y ，w h i c hi sn o ts u i t a b l e f o rt h e f a s t - p a c e dm o d e ms o c i e t ya n db e c o m e sab o t t l e n e c kr e s t r i c t i n gs o c i a ld e v e l o p m e n t a n di m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i f eq u a l i t y i tc a nb ep r e d i c t e dt h a tr e t r i e v ei n f o r m a t i o n v i ap o r t a b l em o b i l ed e v i c ea n di m p l e m e n t i n ga r a p i da n de f f e c t i v ec o n t r o li sb o u n dt o b e c o m ear e s e a r c hh o t , s p o t t h e r e f o r e ，t h i ss u b j e c th a ss i g n i f i c a n tr e s e a r c hv a l u ea n d p l e a s a n tp r o s p e c t , w h i c hc a np r o m o t et h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g i e sa n dc r e a t eh u g e e c o n o m i cb e n e f i t s t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h em o n i t o r i n gs y s t e m , w h i c hi sb a s e do nz i g b e ew i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r ka n da n d r o i dp l a t f o r m s z i g b e es p e c i f i c a t i o nb a s e do ni e e e 8 0 2 15 4 p r o t o c o l i su s e dt ob u i l das t a b l e ，r e l i a b l e ，r o b u s t , l o w - p o w e r , s e l f - o r g a n i z i n gi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h ea n d r o i di n t e l l i g e n t p l a t f o r m ，w h i c hi sb a s e do nl i n u xk e r n e l ，i su s e dt ob u i l das i m p l e ，q u i c kr e s p o n s e ， u s e r - f r i e n d l yi n f o r m a t i o nd i s p l a ya n dc o n t r o ls y s t e m t h i sp r o j e c t i so fh e a v y w o r k l o a da n dn e e dt os t u d yan u m b e ro fc o r et e c h n o l o g ys o l u t i o n s t h ef i r s ti st h e e f f e c t i v ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n dr e l i a b l et r a n s p o r t t h es e c o n di st h ed i s p l a yo f i n f o r m a t i o ni nap o r t a b l em o b i l et e r m i n a lm a c h i n e t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni s b i - d i r e c t i o n a l ，w h i c hi n c l u d e st h ed a t ai n f o r m a t i o np a s s e du pa n dc o m m a n d i n f o r m a t i o np a s s e dd o w n t h ed i s p l a yo fi n f o r m a t i o no np o r t a b l ee n dd e v i c ei n v o l v e s t h ed e s i g no fg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e sa n di n t e r a c t i v ep r o c e s s i n go fc o m p l e xd a t a t h em o b i l es u r v e i l l a n c e s y s t e m i sd i v i d e di n t ot w os u b s y s t e m s o n ei s i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n s u b s y s t e m ，t h e o t h e ri si n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n dc o n t r o ls u b s y s t e m t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n 武汉理工大学硕士学位论文 s u b s y s t e mt a k e sz i g b e es p e c i f i c a t i o n a st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h el a t e s t c c 2 5 3 0i su s e dt od e s i g nt h eh a r d w a r ep a r ta n dt h eo s a lo p e r a t i n gs y s t e mi su s e d t o d e v e l o pt h e s o r w a r ec o u n t e r p a r t t h ei n f o r m m i o np r o c e s s i n ga n dc o n t r o l s u b s y s t e mi sm a i n l yu s e dt os h o wt h ei n f o r m a t i o no ft h em o n i t o r e dl o c a t i o n s ，a n d f o r w a r dt h eu s e rc o m m a n dt ot h ef i r s ts u b s y s t e m t h i ss u b s y s t e mu s e st h e $ 3 c 6 410 s o cb a s e do na r m11t od e s i g nt h eh a r d w a r e t h ec o r r e s p o n d i n gs o r w a r et a k e s a d v a n t a g eo ft h ea n d r o i dp l a t f o r mb a s e do nl i n u xk e r n e l k e yw o r d s ：a r m i1 ：c c 2 5 3 0 z i g b e e ：a n d r o i d ：m o n i t o rs y s t e m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 移动监控系统是半导体学科、传感学科、通信学科、计算机学科、微电机 系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i s ms y s t e m , m e m s ) 学科等多领域跨学科的重要结 合点之一。传统的监控系统需要利用大型的计算机作为显示和控制枢纽，人们只 能到特定的场所，如监控室，才能对所被监控的领域进行观察。这种弊端就导 致需要投入大量的人力、物力才能及时地处理一些突发的紧急事件，造成巨大 的资源浪引。另一方面，目前大多监控系统的构建十分繁琐，往往需要铺设专 用的线路，而且其稳定性、防破坏性、抗干扰性、保密性、安全性、健壮性都 得不到有效地保障。基于此，对便携式的、可随身携带的监控系统进行研究就 具有重大的研究价值和深远的理论意义。同时，由于社会的发展，人们的生活 水平得到了迅速的提高，智能家居，绿色家居、安全家居等概念越来越深入人 , 6 , t 2 3 ，人们希望不在家就能随时随地的了解家里的状况并控制家里的各种家用电 器。如果能将监控系统嵌入到人们随身携带的物品上去，如手机，而不必为此 携带额外的设备，那么必将极大的方便人们的生产生活，并能迅速的推动无线 个域网、物联网、智能终端等高新产业的发展。 移动监控系统的研究有助于解决社会生产生活中一系列的重大问题。近年 来，我国的经济发展十分迅速，各行各业都以经济发展为中心。但是，有些企 业和个人唯利是图，以次充好，鱼目混珠，思想道德败坏，目无法纪法规，甚 至将一些明知对人体有害的有毒物质添加到食品之中。对这类严重的问题，一 方面要加强道德和法律宣传，但更重要的是要加强监管，要让监管人员能随时 随地的监视生产加工过程中的每一个环节并能随时对不符合规定之处进行纠 正，消除相关单位和人员的侥幸心理。可以说，从促进工农业生产到维护社会 稳定，从提高人民生活水平到加强公民道德文化素质建设，都离不开可靠的监 管措施，都需要有效的监管措施去纠正和解决社会发展中遇到的各种问题。 移动监控系统的研究能产生巨大的社会经济效益，提高国家的综合竞争力。 在当今知识经济时代，要想提高经济发展速度，要想加快工农业生产效率，就 武汉理工大学硕士学位论文 必须要大力推广机械化、自动化、智能化，让机械化自动化智能化大生产取代 效率低下的手工劳动。在这一过程中，就必须要建立起有效的监控系统以保证 生产过程能安全、稳定、持续的进行下去。与此同时，在一些人们不能够或不 适合直接接触的环境，方便、迅速、可靠的组建一个监控系统就能极大的促进 相关产业的发展。另外，移动监控系统在防洪抗旱、航空航天、国家安全等等 一系列关系国计民生的重大领域都有着无可取代的作用 移动监控系统的研究能极大的推动相关科学理论和技术的发展。移动监控 系统涉及到许多高新科技技术。从数据采集到数据处理，从信息传递到信息安 全再到人机交互等等，都需要有一系列的科学理论和高新技术进行支撑。本课 题将研究的重点放在数据处理、信息传递、信息安全和人机交互上。本课题研 究基于i e e e8 0 2 1 5 4 协议【3 】的z i g b e e 规范1 4 l 构建安全、可靠、稳定、自组织、 低功耗的信息传输网络，独自设计出一种数据处理协议，并研究在移动终端上 采用a n d r o i d 平台实现可随时随地随心进行监控的人机交互系统。 综上所述对移动监控系统这一课题进行研究具有非常重要的意义： 1 ) 有助于解决社会生产生活中遇到的一系列重大问题。移动监控系统的研 究能建立起有效、可靠、稳定、具有威慑力的监管体系，因此可以消除侥幸心 理，从源头上预防并解决社会发展中遇到的一系列问题，有助于促进良好的公 民道德文化素质建设。此外，移动监控系统在人民生活品质提升、自然灾害预 警处理、国家安全建设等领域都有着无可取代的作用。 2 ) 可以产生巨大的社会经济效益，提高国家的综合竞争力。移动监控系统 的研究能加快自动化、信息化的推进步伐，提高工农业生产效率，大大的节约 人力、物力以及各种自然资源，实现节能减排，进一步提高生产力，从而有效 的提高国家的综合竞争力。 3 ) 有助于促进相关科学理论和高新技术的发展。移动监控系统是多学科跨 领域的结合热点之一，它涉及到半导体学科、网络技术、通信技术、信息采集 处理、计算机学科等等许多领域的高新知识。本课题研究基于z i g b e e 规范和 a n d r o i d 移动平台的监控系统，势必将大大推动无线个域网、l i n u x 操作系统、 a n d r o i d 平台等高新技术的研究和应用。 1 2 国内外研究的现状 本课题研究的移动j l i 控系统是z i g b e e 无线个域网、a n d r o i d 平台、嵌入式 武汉理工大学硕士学位论文 等众多高新领域紧密结合的研究热点之一。 无线个域网是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线 无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。无线个域网能够有效地解决“最 后的几米电缆 【5 】的问题，进而将无线联网进行到底。目前，i e e e 、i t u 和h o m e r f 等组织都致力于无线个域网标准的研究和推广，其中i e e e 组织针对无线个域网 的规范标准主要集中在i e e e8 0 2 1 5 系列。国内外流行的无线个域网标准主要有 蓝牙，u w b 以及z i g b e e 等等【6 】。1 9 9 8 年2 月，5 个跨国大公司，包括爱立信、 诺基亚、i b m 、东芝及i n t e l 组成了一个特殊兴趣小组s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) ， 他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙。自 1 9 9 9 年发布蓝牙技术规范以来，总共有超过4 0 0 0 家公司成为蓝牙特别兴趣小组 的成员。同时，市场上蓝牙产品的数量也成倍的迅速增长，安装的基站数量在 2 0 0 5 年底也可能达到5 亿个1 7 j 。u w b 的历史悠久，现代意义上的超宽带u w b 无线技术，出现于1 9 6 0 年。与传统通信技术不同的是，u w b 是一种无载波通 信技术，即它不采用载波，而是利用微秒乃至纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数 据，因此其所占的频谱范围很宽。按照f c c 的规定，从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 之 间的7 5 g h z 的带宽频率为u w b 所使用的频率范围。u w b 适用于高速、近距 离的无线个人通信。对工业自动化，家庭智能化和遥测遥控领域而言，蓝牙技 术显得太复杂。另外蓝牙技术的高功耗，传输距离近，组网规模太小等也是其 不可忽视的缺点。而目前u w b 技术最大的挑战就是没有一个统一的标准，因此 基于u w b 的产品的兼容性是一个很严重的问题，这就阻碍了u w b 技术的大规 模推广和应用1 8 】。z i g b e e 技术的出现可以很好的解决蓝牙技术和u w b 技术面临 的问题。z i g b e e 协议在2 0 0 3 年通过后，并于2 0 0 4 正式对外公布，该版本称为 z i g b e e 2 0 0 4 。2 0 0 6 年1 2 月进行标准修订，推出z i g b e e 2 0 0 6 版本。截止到现在， 最新的z i g b e e 规范是2 0 0 7 年发布的z i g b e e 2 0 0 7 p r o 。z i g b e e 技术是随着工业 自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，基于z i g b e e 技术的无线个域 网具有低功耗、网络规模大、稳定性强、成本低、安全性高等等一些列优点， 可广泛应用于各种工业、农业和服务业的自动控制等领域【9 】。 a n d r o i d 是g o o g l e 公司在2 0 0 7 年1 1 月5 日正式发布的智能开源移动平台。 a n d r o i d 的底层是基于l i n u x 内核的，其基本架构主要分为四部分：l i n u x 核心 层、系统运行库层、应用程序框架层和应用程序层。它最大的优势在于平台的 开放性，允许任何移动终端厂商加入到a n d r o i d 联盟中来，开源的代码也使其拥 3 武汉理工大学硕士学位论文 有更多的开发者，从而带来更丰富的软硬件资源【1 0 】。g o o g l e 的一些优秀服务如 地图、邮件、搜索等将与a n d r o i d 实现无缝结合。另外a n d r o i d 还包含一些技术 方面的优势；支持多种硬件平台、使用众多的标准化技术、完善的s d k 、文档 和完善的辅助开发工具等。 a r m il 系列微处理器是a r m 公司近年推出的新一代r i s c 处理器，它是 a r m 新指令架构a r m v 6 的第一代设计实现【1 1 】。该系列主要有a r m l1 3 6 j ， a r m l1 5 6 i 2 和砧蝴11 7 6 j z 三个内核型号，分别针对不同应用领域。a r m v 6 架构是根据下一代的消费类电子、无线设备、网络应用和汽车电子产品等需求 而制定的。a r m l l 的多媒体处理能力、低功耗、高性能等诸多特点，使得其特 别适用于无线和消费类电子产品。另外a r m l1 的高数据吞吐量和运算能力也使 得其非常适合网络处理应用。 目前国内外诸多的研究成果为本课题的研究提供了强大的理论基础和技术 积累。在z i g b e e 开发方面，从2 0 0 3 年1 2 月，c h i p c o n 推出业界第一款z i g b e e 收发器c c 2 4 2 0 以来，先后有多家半导体公司推出与z i g b e e 收发芯片匹配的专 业处理器。2 0 0 6 年2 月t i 公司收购c h i p c o n 公司，并对z i g b e e 解决方案进 行了不断的修订。2 0 0 9 年，1 1 推出了第二代z i g b e e 片上系统解决方案 c c 2 5 3 0 ，它具有一系列独特的优点，并配套有z s t a c kz i g b e e 协议栈【l2 1 。在 a n d r o i d 平台开发方面，g o o g l e 为我们提供了十分丰富的技术文档和开发套件， 如n d k 、a d t 、a n d r o i d 模拟器等等。e c l i p s e 集成开发环境为研发a n d r o i d 应 用程序提供了十分优秀的工具。基于a r m l l 内核的s 3 c 6 4 1 0 微处理器，是一款 十分强大的嵌入式片上系统，它拥有十分丰富的片内外设，其工作频率可以高 达6 0 0 多兆赫兹，它支持d m a ，m m u 以及数据指令缓存等等【”】。著名的i p h o n e 4 就是基于$ 3 c 6 4 1 0 进行开发的。 将a n d r o i d 移动平台和z i g b e e 无线个域网结合起来，并采用业内先进的 c c 2 5 3 0 微处理器和基于a r m i l 内核的$ 3 c 6 4 1 0 微处理器研发移动监控系统是 一个具有重大科研意义和应用前景的创新性课题。另外，由于本课题涉及到很 多高新的理论和技术，如通信协议解析、网络组建、l i n u x 驱动研发等，而且所 采用的芯片的应用资料十分稀少，因此，本课题的研究具有相当的前瞻性和挑 战性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题的研究内容和本文的组织结构 1 3 1 课题的研究内容 本课题是一个较大型的研究课题，其研究内容涉及到z i g b e e 协议的工作原 理，z i g b e e 网络的建立，环境信息的采集，数据的传输与处理，a n d r o i d 应用程 序的开发、l i n u x 底层驱动的设计以及各个硬件模块的操控等等。总体而言，本 课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的z i g b e e 协议。在认真的查阅研究z i g b e e 工 作原理之后，对基于z i g b e e 网络的信息采集与传输子系统的硬件电路设计到软 件架构的布局，都进行了仔细的研究。 ( 2 ) a n d r o i d 应用程序的设计。a n d r o i d 应用程序的设计主要包括人机界面 的设计和所监控数据的实时显示。这需要对a n d r o i d 平台的w i d g e t 模型，事件 处理机制和线程设计模式进行深入的了解和研究。 ( 3 ) l i n u x 底层驱动的设计。l i n u x 内核是a n d r o i d 平台的基础，它操控具 体的硬件，向a n d r o i d 上层提供一系列的服务。本课题对l i n u x 的底层驱动进行 了精心的设计，使得a n d r o i d 应用程序具有十分优良的实时性。 ( 4 ) 移动监控系统的测试。在精心设计了信息采集与传输子系统和信息处 理与控制子系统两个主要的子系统之后，本课题对设计成果进行了详细的测试， 对用户命令的下达与响应，对环境数据的获取与处理，对人际界面的灵活性与 健壮性等等关键技术指标，都进行了严格的测试。 1 3 2 本文的组织结构 本论文共分六章。各章节内容的安排如下： 第1 章：绪论。介绍本课题的研究目的和意义，分析了国内外的研究现状 和动态，概述了本文的研究内容及论文结构。 第2 章：介绍移动监控所涉及到的关键技术主要包括z i g b e e 协议、a n d r o i d 平台和l i n u x 内核等等。 第3 章：研究移动监控系统的硬件设计。本章主要分为信息采集与传输子 系统和信息处理与控制子系统进行研究。 第4 章：研究移动监控系统的软件实现，这也是本论文所介绍的重点。本 武汉理工大学硕士学位论文 章也是将整个系统分为信息采集与传输子系统和信息处理与控制子系统进行研 究的。本章一开始介绍了软件开发所需要的开发环境及开发工具。对信息采集 与传输子系统而言，重点介绍了z - s t a c k 协议栈、i a r 集成开发环境和c c d e b u g g e r 等。对信息处理与控制子系统，则主要介绍了n d k 、e c l i p s e 和其它 a n d r o i d 开发工具。然后，本章分别对信息采集与传输子系统和信息处理与控制 子系统的关键技术难点进行了详细的介绍，如o s a l 调度机制，z i g b e e 网络数 据类型，两个子系统间的通信协议，a n d r o i d 消息机制以及l i n u x 底层驱动线程 设计等等。 第5 章：系统软件调试及功能测试。包括测试方案的选择、测试结果以及 结果分析。 第6 章：总结与展望。对本文所作的工作加以总结，对下一步的工作提出 建议。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动监控系统方案及技术基础 2 1 移动监控系统方案 本课题研究的移动监控系统可以分成两个主要的子系统：信息采集与传输 系统和信息处理与控制系统。移动监控系统的总体架构如图2 1 所示。 固 固 f ：t q7 譬r 、 图2 1移动监控系统总体架构 信息采集与传输系统主要由信息采集结点和网关节点组成。信息采集节点 被配置在所关心的区域，如家庭、楼字或厂房，用于采集周围的环境信息，然 后通过z i g b e e 网络传递到网关节点。另一方面，信息采集节点同时监听z i g b e e 网络中的命令请求，经解析处理后做出相应的响应。网关节点是信息采集与传 输系统中的重要组成部分。网关节点有两个十分重要的功能，一是接收来自 z i g b e e 网络的环境数据信息，将其按一定的格式组装成环境信息帧，然后通过 通信接口传递给信息处理与控制系统。网关节点的第二个重要功能是接收来自 信息处理与控制系统的用户命令帧，然后解析之，再通过z i g b e e 网络下达至特 定的信息采集结点。 信息处理与控制系统是移动监控系统中的中央处理单元。一方面，信息处 理与控制系统接收来自信息采集与传输系统的环境信息帧，经过解析后，实时 的湿示在基于a n d r o i d 的人机交互界面上。另外，信息处理与控制系统还需要实 时的响应用户的各种操作，将用户的操作转换成用户命令并及时的下达给信息 采集与传输系统。 趣眦 一 向 ” 聃 副 腑 医 一 一 匈 武汉理工大学硕士学位论文 移动监控系统的设计主要按照硬件设计、软件设计、系统测试几个重要的 阶段进行。硬件设计和软件设计都是按照上述的两个子系统分别进行，然后进 行整机测试。 2 2 移动监控系统技术基础 移动监控系统是一个结构精细，技术高新的综合系统。它涉及到许多学科 的前沿知识，本节主要对z i g b e e 无线个域网协议和a n d r o i d 平台相关的关键技 术进行介绍。 2 2 1z i g b e e 无线个域网协议 z i g b e e 无线个域网协议是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的。如图2 2 所示，z i g b e e 无线个域网协议从上到下可以分为应用层a p l ( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ，网络层n w k ( n e t w o r kl a y e r ) ，媒体访问控制层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r ) 和物 理层p h y ( p h y s i c a ll a y e r ) 。另外，还有一个安全服务提供者s s p ( s e c u r i t ys e r v i c e p r o v i d e r ) 。 安全服务 提供者 ( s s p ) 应用层a p l 蕊娑譬五- 吲z 批设备对钇d 0 壁累对象2 4 ：d卜l字用对象1l - = = 一 。( 在端点。上) 掣a p s 黧d es 崭a p 且嵩a p 划s d es a pk a p 而s d e 丽s a p 几 1i - l 应用支撑子层a p s n l m e s a p 厂丽：矿 l 窒全竺里i 网络层n k w 匿b r o k e r 回 l 消息ff ”。_ 8i r l 网络管理i 1一 媒体访问控制层m a c 物理层p h y 图2 - 2 z i g b e e 无线个域网协议层次架构 8 武汉理工大学硕士学位论文 其中，a p l 层、n w k 层和s s p 都是由z i g b e e 联盟( z i g b e e a l l i a n c e ) 定义 的，m a c 层和p h y 层是由i e e e 组织定义的1 1 4 】。每一层的具体功能和数据包格 式请参见8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 规范。 除了最高层a p l 层外，每层都提供了两个服务访问节点s a p ( s e r v i c ea c c e s s p o i n t ) ，一个为数据访问节点，另一个为管理访问节点。上层通过数据访问节点 与下层发生数据交互，并通过管理节点去管理下层节点。各层之间都是通过服 务原语进行联系的【”】。如图2 3 所示，z i g b e e 规定了四种类型的原语：请求 ( r e q u e s t ) ，响应( r e s p o n s e ) ，确认( c o n f i r m ) 和指示( i n d i c a t i o n ) 。 第n + l 层 服务使用者 第n 层 服务提供者 叩+响产+ i i 确认指示 图2 3 z i g b e e 协议中的四种原语 上层向下层发送请求原语，下层收到上层的请求原语后，将回应确认原语。 当下层有事件需要通知上层时，将向上层发出指示原语，当上层收到来自下层 的指示原语后，将回应响应原语。 z i g b e e 开发一个很重要之处就是a p p l i c a t i o np r o f i l e 。a p p l i c a t i o np r o f i l e 又 称为z i g b e ep r o f i l e ，它可以提高z i g b e e 应用的兼容性和互操作性0 6 1 a p p l i c a t i o n p r o f i l e 的组成如图2 - 4 所示。 z i r , b e , 描述符 簇属性和命令 设备描述符组 节点描述符 i 1 6 位 1 6 位i 属性标识 i 设备描述符l 节点电湃描述符l 麓标示i 属性标识 l 啦l 1 6 位 复杂描述符；l 、 簇标示 i 命令 设备描述符 命令 ； 用户描述符 i 图2 - 4a p p l i c a t i o np r o f i l e 的构成 每一个a p p l i c a t i o np r o f i l e 都是由1 6 位二进制i d 号进行标识的，它由设备 描述符，z i g b e e 描述符，簇i d 等组成。关于它们各自的内容和功能，请参见 z i g b e e 协议，这里不再赘述。 用户应用数据首先打包成应用层协议数据单元a p d u ( a p p l i c a t i o np r o t o c o l 9 武汉理1 大学硕士学位论文 d a t au n i t ) ，然后层一层向下传递，每次向下传时，都会加上该层的相关信息， 到物理层形成物理层协议数据单元p p d u ( p h y s i c a lp r o t o c o ld a t au n i t ) ，经过 o q p s k l l 7 等调至方式调至后发送出去，接收端解调接收后一层一层向上传递， 层层解析，最终得到原始的用户数据。 2 2 2a n d r o i d 移动平台 本移动监控系统采用a n d r o i d 平台来研发信息处理与控制系统。a n d r o i d 是 以l i n u x 内核为基础的开放平台，其结构图如图2 5 所示。 图2 5a n d r o i d 平台体系架构 a n d r o i d 平台体系从上到下由应用程序，应用程序框架，库，a n d r o i d 运行 时，硬件抽象层h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 和l i n u x 内核组成。 h a l 的引入是为了保护某些硬件提供商的知识产权，以避开l i n u x 的g p l 束缚【l 引。当前存在两种h a 架构，这两种架构的实现分别存在于a n d r o i d 源码的 l i b h a r d w a r el e g a c y 和l i b h a r d w a r e 目录下。 l i b h a r d w a r el e g a c y 目录下的h a l 架构是将s o 格式的库文件当作共享库来 使用。应用程序或应用程序框架可以利用j a v a 本地接口j n i ( j a v an a t i v e i n t e r f a c e ) 以直接函数调用的方式使用h a l 模块，从而操作驱动程序。除此之 外，应用程序或应用程序框架也可以通过直接加载s o 格式文件的做法调用s o 文 件里的方法。不论通过哪种方式，上层都是直接操作硬件，其原理图如图2 - 6 所示。 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 传统的m 地工作原理 l i b h a r d w a r e 目录下的地地架构采用了代理人的概念。s t u b 虽然仍是以 文件的形式存在，但m 也已经将s o 格式的文件档进行了隐藏。s t u b 向m 虬提 供操作函数，而a n d r o i dr u n t i m e 则是通过乩让取得特定模块的操作集，再回 调这些操作函数。这种以间接函数调用的架构，让h a l 与s t u b 之间变成包含与 被包含的关系。a n d r o i dr u n t i m e 只要说明类型，即m o d u l ei d ，就可以取得操作 函数，其工作原理如图2 7 所示。 a n d r o i d 应用程序 a n d r o i d 应用程序框架 外部库和a n d r o i d 运行时 h a l 司圈医 l i n u x 硬件驱动 图2 - 7 现代的h a l 工作原理 a n d r o i d 平台的开发还涉及到许多关键技术，限于篇幅，这里就不再赘述。 2 3 本章小结 本章首先介绍了移动监控系统的总体方案设计。本课题将移动监控系统的 设计分成信息采集与传输和信息处理与控制两个重要的子系统来进行，并分别 介绍了其主要功能。然后，本章对移动监控系统研发中所涉及到的关键技术进 武汉理工大学硕士学位论文 行了介绍。首先介绍了信息采集与传输系统中所使用到的z i g b e e 无线个域网协 议，分析了协议的架构，各层级的主要功能。然后介绍了信息处理与监控系统 中涉及到的a n d r o i d 移动平台，对a n d r o i d 移动平台的体系结构及各组成部分进 行了分析和介绍。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章移动监控系统硬件设计 3 1 信息采集与传输系统硬件设计 信息采集与传输系统的主要功能是采集所关注的信息并将其有效的、可靠 的、稳定的并且安全的传输给信息处理与控制系统。 3 1 1z i g b e e 网络芯片的设计 信息采集与传输系统的硬件设计首先要满足能方便、迅速地构建基于 z i g b e e 协议的无线个域网这一要求。经过调研后发现，目前业界能生产符合 z i g b e e 协议的半导体厂商主要有飞思卡尔( f r e e s e a l e ) 、瑞萨( r e n e s a s ) 、德州 仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) 和微芯( m i e r o e h i p ) 等【l9 1 。这些半导体厂商生产的 芯片总体上可以分为两类：一类是符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的收发器芯片；另外 一类除了包含符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的收发器之外，还在芯片内部集成了一个 微控制器。对于第一类芯片而言，其功能是完成o q p s k 射频信号与m a c 帧的 相互转换。此类芯片单独不能构建z i g b e e 网络，它必须和一个运行有z i g b e e 协议栈的微控制器进行联合，才能成为z i g b e e 网络中的一个节点，如z e d 、z r 或z c ，原理如图3 1 所示。t i 研发的c c 2 5 2 0 、f r e e s c a l e 研发的m c l 3 2 0 3 等都 是此类芯片的代表产品。 微控制器 i e e e8 0 2 15 4 运行z i g b e e 争 射频收发器 协议栈 图3 1 i e e e8 0 2 1 5 4 无线收发器构建z i g b e e 网络原理图 第二类芯片则是将图3 1 中的m c u 和i e e e8 0 2 1 5 4r a d i o 一起集成到一个 芯片内部了，即片上集成系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。由于此类芯片将m c u 核和i e e e8 0 2 1 5 4r a d i o 封装在芯片内部，因此单从硬件上就可以省略布线、 减小p c b 版面积，节约成本，降低功耗，增加抗干扰能力，提高系统的可靠性。 而且相对于第一类芯片，还可以方便软件的开发。因为很多o e m 厂商仅仅提供 针对某一系列s o c 的z i g b e e 协议栈，所提供的z i g b e e 协议栈仅能在某一s o c 武汉理工大学硕士学位论文 上获得最优的效果。如果单独采用另一款处理器，那么就必须将z i g b e e 协议栈 移植到该处理器上，然后通过s p i 总线或其它总线与i e e e8 0 2 1 5 4r a d i o 进行 通信，协调一致完成z i g b e e 网络的构建，但是这往往需要耗费大量的人力和时 间的。另一方面，由于z i g b e e 协议是一个完善、全面和强大的无线个域网协议， 协议严格规定了一系列的事件、消息和命令等的处理和响应，因此z i g b e e 协议 栈往往运行在一个操作系统上，因此要移植z i g b e e 协议栈，就必须先将该z i g b e e 协议栈所依赖的操作系统移植到目标处理器上，这就进一步增加了软件研发的 工作量，而且往往得不到最优的效果。事实上，目前很多o e m 厂商所提供的 z i g b e e 协议栈并不是完全开源的，其底层所需要的功能是通过链接库来提供的， 这些库是预先编译的，是针对特定架构的处理器的，是依赖特定硬件的。如果 得不到这些库的源代码，弄清其工作原理后重新编译，那么移植z i g b e e 协议栈 是不可能成功的。 因此，为了减少不必要元器件的使用，省略冗余的布线铺铜，响应国家节 能减排的号召，同时也为压缩最终研制出的成品的体积，降低系统的功耗，提 高系统的可靠性，在最大程度上优化z i g b e e 网络，本课题将采用集成有m c u 和i e e e8 0 2 1 5 4r a d i o 的第二类芯片作为构建z i g b e e 网络的解决方案。利用此 类芯片构建z i g b e e 网络时，网络中节点工作时的总体架构如图3 2 所示。 z i g b e e 节点 片上系统s o c 图3 2 z i g b e e 网络中节点工作时的总体架构 经调查后发现，目前将微控制器和i e e e8 0 2 1 5