手持智能化無線傳感網(wǎng)信息管理平臺設(shè)計

夏青

【摘 要】本文針對目前傳感器網(wǎng)絡(luò)管理與監(jiān)測平臺大多數(shù)以PC為主，提出設(shè)計了一種以ARM11芯片，Android2.3嵌入式操作系統(tǒng)為核心的手持智能化無線傳感網(wǎng)監(jiān)控平臺，該平臺體積小，重量輕，可同時對多個傳感器節(jié)點進行監(jiān)控，并結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)，Internet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對各傳感器節(jié)點的智能化管理和操作。

【關(guān)鍵詞】手持設(shè)備；智能化；無線傳感網(wǎng)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個新興領(lǐng)域，近年來受到了社會的普遍關(guān)注。其以用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量為核心，管理與監(jiān)測無線傳感網(wǎng)應(yīng)用平臺大多數(shù)以PC機作為平臺基礎(chǔ)，其運行穩(wěn)定，管理的傳感器節(jié)點多，處理的數(shù)據(jù)量大，適合于大型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，同時能與Internet網(wǎng)相連，能方便的對傳感網(wǎng)節(jié)點進行遠程監(jiān)控，但是其體積大，移動性差，操作復(fù)雜，不利于滿足移動化管理網(wǎng)絡(luò)的需求。

本文設(shè)計的手持智能化無線傳感器管理平臺，體積小，易于攜帶，操作簡單，具有同時管理多種傳感器網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)已實現(xiàn)對IEEE802.15.4e協(xié)議棧和IEEE802.15.6協(xié)議棧的管理），同時也能通過GPRS，WIFI與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，在緊急情況時，擁有智能處理功能，滿足了網(wǎng)絡(luò)控制移動化，實時性，可靠性的要求。

1 總體平臺設(shè)計

如圖1所示，整個手持智能化無線傳感網(wǎng)平臺主要由底層無線傳感器模塊，核心是無線傳感網(wǎng)智能終端，上層為各種終端設(shè)備組成。

底層的無線傳感器模塊，主要選擇發(fā)送頻率2.4GHz，發(fā)送內(nèi)容符合IEEE802.15.4E，IEEE802.15.6等無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的模塊，其目的是傳感器采集各種環(huán)境數(shù)據(jù)，并按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送到智能終端的無線傳感網(wǎng)接口。

中間層的無線傳感網(wǎng)智能終端是整個系統(tǒng)的核心，它可以分為無線傳感網(wǎng)接口，應(yīng)用層，智能決策層三個層次組成，且整個平臺軟件核心是基于Android系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)接口（現(xiàn)已實現(xiàn)與IEEE802.15.6協(xié)議棧和IEEE802.15.4E對接）主要是連接底層傳感網(wǎng)，為管理整個傳感網(wǎng)提供接口，其實現(xiàn)可分為硬件和軟件兩部分，硬件上對傳感網(wǎng)模塊的集成，軟件上調(diào)試傳感器模塊驅(qū)動，并保證傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的上行，下行穩(wěn)定。應(yīng)用層功能是實時顯示各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，為管理整個傳感網(wǎng)提供人機交互接口，存儲無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，分析各傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)等。而智能決策層是根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在緊急狀況下，人不能及時對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行控制，而導(dǎo)致嚴重的后果，如在體域網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶因為身體健康問題而喪失了行為能力，這時智能決策功能就對用戶尤其重要，當(dāng)無線傳感網(wǎng)智能終端監(jiān)測到由無線傳感器節(jié)點上傳的信息之后，就會顯示報警，如用戶長時間未回應(yīng)，智能終端就會通過短信或電話的方式向用戶家屬，相關(guān)醫(yī)療機構(gòu)報警。同時跟據(jù)google地圖，對用戶地點進行定位，以便減少援救的時間。

上層是其他的終端設(shè)備平臺，如智能手機，PC機，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等，無線傳感網(wǎng)智能終端通過WIFI和GPRS網(wǎng)絡(luò)與其相連，設(shè)計的目的是將無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)能夠與外界進行共享，外界可以訪問由智能終端上傳的數(shù)據(jù)，同時外界也可以通過智能終端對整個無線傳感網(wǎng)進行管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線傳感網(wǎng)智能終端CPU選擇了ARM1176JZF芯片，同時帶有兩塊128M DDR2存儲器，作為臨時儲存空間，配帶1G NAND FLASH作為程序儲存空間，外帶由GPRS模塊，作為電話模塊，WIFI模塊可以Internet網(wǎng)絡(luò)相連，同時集成無線傳感器模塊，實現(xiàn)了傳感網(wǎng)管理，傳感網(wǎng)與手機網(wǎng)絡(luò)，Internet網(wǎng)絡(luò)多網(wǎng)融合的功能，外帶4.3寸觸摸顯示屏，可以與用戶進行人機互動，外接USB，SD卡接口，保證了系統(tǒng)的可擴展性，6000mh的巨大容量電池，能夠保證智能終端的10小時巡航，最后搭載Android2.3系統(tǒng)的智能終端同樣也是用戶多媒體娛樂的重要設(shè)備。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能終端軟件平臺是以Android 2.3系統(tǒng)為基礎(chǔ)，Android系統(tǒng)是一個google研發(fā)的嵌入式開源系統(tǒng)，其底層核心是linux內(nèi)核，上層有HAL層，JNI層，java framework層，java層。Android平臺的開發(fā)可分為兩個部分Android應(yīng)用程序開發(fā)以及Android底層驅(qū)動，NDK，java framework層的開發(fā)。智能終端軟件設(shè)計共分為3層：Android系統(tǒng)平臺搭建，應(yīng)用軟件平臺，智能決策平臺。Android系統(tǒng)平臺搭建主要是基于Android底層開發(fā)；應(yīng)用軟件平臺，智能決策平臺主要是Android應(yīng)用軟件的開發(fā)。

3.1 系統(tǒng)軟件平臺搭建

Android系統(tǒng)雖說是一個嵌入式系統(tǒng)，但是它主要是服務(wù)于手機平臺，ARM11作為一個工業(yè)系統(tǒng)主控芯片，在以Android系統(tǒng)為平臺的應(yīng)用還比較少。將Android系統(tǒng)運用在無線傳感網(wǎng)控制上在國內(nèi)尚屬新興領(lǐng)域，其中由于傳感器模塊通過串口線與ARM11芯片直接相連，所以在linux底層驅(qū)動上，傳感器模塊可直接調(diào)用串口驅(qū)動，傳感器模塊的集成在智能終端上的軟件工作集中在Android framwork層以上，其中主要工作在于開發(fā)JNI模塊libserial.so，在java framework層添加Serial_Port類，運用接收和發(fā)送兩個線程分別處理數(shù)據(jù)上行、下行等問題。

由于Android系統(tǒng)對于ARM11芯片的支持并不是十分完整，如電源管理，屏幕背光等功能并未支持，其后果是引起系統(tǒng)耗電量增大，降低了用戶體驗等問題，作為一個手持設(shè)備，為了達到在正常工作下運行10個小時，且運行流暢等要求，就必須對當(dāng)前的Android系統(tǒng)進行改動，對缺少的模塊進行移植。最后達到符合智能管理無線傳感網(wǎng)終端設(shè)備的需要。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件平臺

實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)智能終端Android系統(tǒng)平臺搭建后，需要根據(jù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測，管理等應(yīng)用，在Android平臺上編寫應(yīng)用軟件以滿足以應(yīng)用的需要，通過對本系統(tǒng)的應(yīng)用分析，構(gòu)建了如下的功能模塊：

1）實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊：實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊是智能終端應(yīng)用軟件平臺的核心，它主要是處理上行的傳感器數(shù)據(jù)，并使其能正常顯示。該模塊可分為：多傳感器實時數(shù)據(jù)顯示；歷史數(shù)據(jù)顯示；特殊傳感器數(shù)據(jù)顯示三部分。

（1）多傳感網(wǎng)實時數(shù)據(jù)顯示模塊：該模塊對無線傳感網(wǎng)采集的對不同傳感器數(shù)據(jù)，進行分類，然后實時顯示。

（2）歷史數(shù)據(jù)查詢：該模塊去訪問存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)，并顯示出來。

（3）特殊傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊：一般傳感器數(shù)據(jù)如溫度，煙塵，濕度，體溫，血氧等只需要實時顯示當(dāng)前傳感器的數(shù)值即可，但對于如心率傳感器，僅僅顯示數(shù)值是不夠的，他需要顯示一個連續(xù)的心率曲線才有意義。而特殊傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊的作用就是處理此種問題。

2）數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊用于對上傳的數(shù)據(jù)進行分析，如遇到異常數(shù)據(jù)通過界面的形式，對用戶進行報警，同時儲存不同傳感器的數(shù)據(jù)，以便以后查詢。

3）傳感網(wǎng)管理接口模塊：該模塊提供了對于整個傳感器網(wǎng)絡(luò)管理的接口，用戶通過此接口選擇采集何種傳感器數(shù)據(jù)，采集的頻率是多少，節(jié)點的功率等內(nèi)容。

4）人機交互界面：該模塊用戶提供一切操作的界面支持。

4 結(jié)束語

本文對系統(tǒng)監(jiān)控提出了基于Android系統(tǒng)解決方案，并且針對監(jiān)控系統(tǒng)對實時性，穩(wěn)定性，可操作性，功能性的需求給出了解決方案。在測試過程中，以ARM11，Android平臺，體域網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，測試了包括監(jiān)控基本功能，監(jiān)控實時性等一系列指標(biāo)，由結(jié)果可知，監(jiān)控平臺具有穩(wěn)定可靠實時性高等特點，并且其諸多問題的解決方法具有良好的可擴展性，利于推廣。

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[責(zé)任編輯：劉帥]