基于Android平臺(tái)的無線WiFi控制方法

王 雷，藍(lán) 箭，陳雪娟，陳 峰

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來以及第三代通信技術(shù)的發(fā)展，各種智能移動(dòng)終端相繼問世，以Android平臺(tái)為代表的智能手機(jī)正伴隨著3G技術(shù)開始獲得人們的廣泛接受。在這場(chǎng)移動(dòng)設(shè)備的革命中，移動(dòng)終端設(shè)備己經(jīng)跨越了僅僅將通信作為唯一目標(biāo)的模式，而變成具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的計(jì)算、控制與管理的服務(wù)平臺(tái)。將智能手機(jī)與控制系統(tǒng)相結(jié)合，使傳統(tǒng)的PC機(jī)工作平臺(tái)具備便攜能力，為實(shí)現(xiàn)真正的移動(dòng)的通信方式提供了可能。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于Android手機(jī)的無線控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中Android手機(jī)可利用周圍無線網(wǎng)絡(luò)資源與其他設(shè)備進(jìn)行交互并實(shí)施控制，不僅為現(xiàn)有智能控制系統(tǒng)提供了新的控制方法，也為實(shí)現(xiàn)機(jī)器與人的信息交換提供了新的交互手段[1]。特別是在我國醞釀的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)與應(yīng)用的大潮中，這樣一種新型的控制方法，將對(duì)我們的工作方式及生活方式，甚至對(duì)周圍世界都產(chǎn)生著巨大的影響。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，是以一個(gè)嵌入式微處理器為核心的控制模塊負(fù)責(zé)提供服務(wù)并與用戶的Android手機(jī)通信。手機(jī)作為控制其他設(shè)備的管理器，提供交互界面，例如遙控停車入庫、入位，手機(jī)遠(yuǎn)程檢查并控制家居燈光和電器等[1]。這實(shí)際上是一個(gè)C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，以嵌入式微處理器為核心的控制器作為服務(wù)器，Android手機(jī)作為客戶端。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

用戶攜帶Android智能手機(jī)進(jìn)入控制區(qū)，手機(jī)客戶端接入無線網(wǎng)絡(luò)，搜索網(wǎng)絡(luò)中的可用設(shè)備服務(wù)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)備后與之進(jìn)行信息交互。Android手機(jī)與控制模塊通過Socket進(jìn)行通信，通過手機(jī)客戶端軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和管理[1]。

2 嵌入式控制模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)是基于 ARM920T架構(gòu)的處理器三星S3C2440，并采用802.11標(biāo)準(zhǔn)的D-LINK DWL-G122無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)通信。根據(jù)硬件資源和接口特性以及軟件開發(fā)復(fù)雜度的需要，系統(tǒng)搭建了嵌入式Linux開發(fā)平臺(tái)，基于2.6.31內(nèi)核開發(fā)ARM9平臺(tái)上的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用程序，從而可以利用開源項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)等控制功能模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 無線控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 嵌入式Linux及無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的移植

為了滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，針對(duì)ARM9開發(fā)平臺(tái)，需對(duì)Linux做必要的裁剪和配置后再安裝到目標(biāo)機(jī)中。具體過程：在安裝好Linux操作系統(tǒng)和針對(duì)目標(biāo)板的交叉編譯器的PC機(jī)上，對(duì)Linux源碼進(jìn)行必要的配置，包括添加PWM驅(qū)動(dòng)文件、修改makefile和kconfig文件、選擇處理器類型及板級(jí)支持；選擇對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和文件系統(tǒng)的支持[2]。完成配置之后進(jìn)行內(nèi)核編譯，生成定制的內(nèi)核鏡像。

為了支持系統(tǒng)所使用的D-Link DWL-G122無線網(wǎng)卡，需將RT73 wifi通信芯片組的驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)內(nèi)核。加載驅(qū)動(dòng)模塊后，下載 wireless-tools源碼并移植 iwconfig，iwlist等無線擴(kuò)充命令以配置無線網(wǎng)卡[2]。為使無線網(wǎng)卡自行啟動(dòng)，在ARM板上電運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)將初始化配置無線網(wǎng)絡(luò)的屬性，包括模式 MODE、ESSID、IP地址等，需編寫無線網(wǎng)卡配置腳本文件init_wireless如下：

#!/bin/sh，ifconfig wlan0 down，iwconfig wlan0 ap auto iwconfig wlan0 essid "raybotest"，ifconfig wlan0 192.168.0.12 ifconfig wlan0 up。然后將其拷貝到根文件系統(tǒng)的/bin目錄中，在根文件系統(tǒng)中的/etc/init.d/rcs最后一行添加/bin/init_wireless&，最后增加其可執(zhí)行屬性：chmod+x init_wireless[3]。這樣，就完成了RT73芯片組的驅(qū)動(dòng)移植。

2.2 PWM控制模塊軟硬件實(shí)現(xiàn)

PWM控制模塊是采用三星公司的S3C2440ARM芯片作為核心處理器，其內(nèi)部有5個(gè)16位的定時(shí)器。 其中定時(shí)器0、1、2、3有脈寬調(diào)制功能。每個(gè)定時(shí)器模塊從時(shí)鐘分頻器接收其自己的時(shí)鐘信號(hào)，其分頻器從相應(yīng)的8位預(yù)分頻器接收時(shí)鐘。8位的預(yù)分頻器是可編程的且根據(jù)裝載的值來分頻PCLK，其值存儲(chǔ)在TCFG0和TCFG1寄存器中[2]。

S3C2440芯片的PWM模塊，具有遞減計(jì)數(shù)器TCNTBn和比較計(jì)數(shù)器TCMPBn雙緩存觸發(fā)的特點(diǎn)，當(dāng)遞減計(jì)數(shù)寄存器的值遞減到與比較計(jì)數(shù)寄存器的值相同時(shí)，定時(shí)器控制邏輯就改變輸出電平，即遞減計(jì)數(shù)器的預(yù)存值與PWM輸出地頻率有關(guān)，比較寄存器的預(yù)存值與PWM輸出地占空比有關(guān)，兩者相協(xié)調(diào)即可得到所需的PWM波形。

在系統(tǒng)中，由定時(shí)器1直接作為舵機(jī)的控制信號(hào)，控制多級(jí)的方向。電機(jī)控制則采用兩片大功率BTS7960構(gòu)成的全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，需使兩路PWM控制信號(hào)存在占空比差，差越大電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。兩路PWM輸出頻率均為25kHz，以PWM1為基準(zhǔn)，通過控制PWM2輸出不同占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。控制器應(yīng)用層PWM控制程序部分代碼如下：

服務(wù)器端通信軟件是通過套接字編程的方法實(shí)現(xiàn)的，服務(wù)器要先于客戶機(jī)啟動(dòng)，首先使用Socket()方法建立一個(gè)Socket連接對(duì)象并設(shè)置一個(gè)訪問的端口號(hào)，以便服務(wù)器能偵聽客戶的連接請(qǐng)求，本系統(tǒng)設(shè)置為7070。然后調(diào)用bind方法將Socket與本地網(wǎng)絡(luò)地址綁定。之后就可以通過listen函數(shù)來偵聽是否有客戶端進(jìn)行連接。如果偵聽到客戶的請(qǐng)求，就調(diào)用accept()方法建立連接[1]。與客戶端連接建立成功后，按照控制流程的要求，使用收發(fā)函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器應(yīng)用程序流程圖，如圖3所示：

圖3 服務(wù)器通訊程序流程圖

3 Android手機(jī)平臺(tái)控制終端的設(shè)計(jì)

3.1 Android操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

Android是2007年11月由以Google公司牽頭組建的開放手機(jī)聯(lián)盟（Open Handset Alliance）發(fā)布的智能移動(dòng)設(shè)備軟件平臺(tái)。其前所未有的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性使Android操作系統(tǒng)成為一套真正意義上的開放性移動(dòng)設(shè)備綜合平臺(tái)[1]。

Android采用了層疊式的軟件架構(gòu)，它包括Linux內(nèi)核層、函數(shù)庫和組件庫以及虛擬機(jī)組成的中間層、應(yīng)用程序框架和應(yīng)用程序組成的上層，如圖4所示：

圖4 Android平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.2 Android應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)的搭建

Android以Java作為開發(fā)語言，以開源IDE Eclipse作為開發(fā)環(huán)境，使用Android SDK、Java開發(fā)包JDK、開發(fā)插件ADT進(jìn)行軟件開發(fā)與調(diào)試。如此強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)完全能夠滿足手機(jī)終端的Java應(yīng)用開發(fā)。下面介紹在Windows XP下開發(fā)應(yīng)用程序的環(huán)境搭建方法[1]。

[1]JDK的安裝和Java開發(fā)環(huán)境的配置

安裝 Eclipse的開發(fā)環(huán)境需要 JRE的支持，下載Windows XP下的最新JDK并設(shè)置JDK的環(huán)境變量[1]。

[2]Eclipse和Android SDK的安裝和配置

完整安裝好JDK和Eclipse后，下載所要使用的Andriod SDK，這里使用了2.3版本并把tools目錄添加到Windows XP的PATH環(huán)境變量中。

[3]安裝和配置ADT

啟動(dòng)Eclipse，依次點(diǎn)擊"Help->Software Update...-> Ava ilable Software->Add Site..."，輸入dl-ssl.Google.com/android/eclipse/，點(diǎn)擊OK完成。依次選擇"Preferences-> Android"，點(diǎn)擊"Browse..."選擇Android SDK的安裝路徑，設(shè)置Android SDK主目錄從而把Eclipse與SDK綁定在一起[1]。

至此，經(jīng)過上述安裝配置過程 Android應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)搭建完成。可以在Eclipse中創(chuàng)建Android項(xiàng)目了。從 Android1.5開始就引入了 AVD（Android Virtual Device）的概念[1]。AVD是一個(gè)經(jīng)過配置的模擬器，在運(yùn)行程序時(shí)，Eclipse可以自動(dòng)運(yùn)行虛擬機(jī)，因此運(yùn)行和調(diào)試Android應(yīng)用程序可以脫離實(shí)體手機(jī)，極大地方便了應(yīng)用程序的開發(fā)。PC機(jī)上運(yùn)行Android虛擬機(jī)的界面，如圖5所示：

圖5 模擬器運(yùn)行界面

3.3 手機(jī)控制終端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

Android應(yīng)用程序是以許多Android API組件為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)的，下面是幾種主要的API組件：

當(dāng)前活動(dòng)程序 Activity是最常用的應(yīng)用程序組件，可以把Activity簡(jiǎn)單的理解成一個(gè)用戶所看到的屏幕，稱之為“活動(dòng)”[1]。它主要用于處理程序的整體性工作，通過調(diào)用onCreate ()、onStart()、onRestart ()、onResume ()、onStop()、onDestory ()等方法來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、暫停、停止等狀態(tài)。例如監(jiān)聽按鍵、觸摸屏等事件，指定圖像顯示 View，啟動(dòng)其他Activity。Android用Intent類實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)其他Activity，它調(diào)用startActivity (myIntent)方法觸發(fā)解析myIntent動(dòng)作，新的Activity接收到myIntent通知后，開始運(yùn)行，例如通過Activity的切換實(shí)現(xiàn)顯示布局的切換。ContentProvider類是一個(gè)特殊的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的類型，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與共享。Service是運(yùn)行在后臺(tái)的應(yīng)用程序組件，不直接與用戶交互。當(dāng)前活動(dòng)程序可以使用Context.StartService ()開啟一項(xiàng)后臺(tái)服務(wù),還可以通過Context.bindService ()與后臺(tái)服務(wù)通信[1]。

系統(tǒng)以PWM控制器的Android控制界面為例，介紹了Android應(yīng)用界面的創(chuàng)建過程[4]：

1、通過 File -> New -> Project 菜單，建立新項(xiàng)目"Android Project"。

2、填寫新項(xiàng)目的所在文件夾名稱、包名、主類名和應(yīng)用程序標(biāo)題。

3、編輯自動(dòng)生成的代碼模板。

打開一個(gè)Android項(xiàng)目的main.xml文件，即可以切換到UI設(shè)計(jì)界面，通過Layouts中的線性布局完成界面的布局排版，如圖6所示：

圖6 Android界面布局編輯器

在界面編輯器（圖6）中完成布局之后，添加按鈕的觸控事件，編輯應(yīng)用程序代碼。在Android的Java程序中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的控件是通過事件處理的，需要指定控件所用的事件監(jiān)聽器[4][5]。事件響應(yīng)部分代碼如下：

程序的通信部分采用了C/S 的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器與客戶端通過Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。手機(jī)客戶端Socket編程實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端有所不同，在使用socket()方法創(chuàng)建完套接字接口后，直接通過connect()方法與服務(wù)器端建立鏈接并可使用收發(fā)函數(shù)進(jìn)行控制命令的數(shù)據(jù)傳輸[1]。使用close()方法可以斷開鏈接。客戶端應(yīng)用程序流程圖，如圖7所示：

圖7 客戶端通信程序流程圖

客戶端應(yīng)用程序開發(fā)完成之后，可以將應(yīng)用程序打包調(diào)試。為使Android應(yīng)用程序可以在模擬器上運(yùn)行，必須創(chuàng)建AVD。模擬器創(chuàng)建步驟如下[1]：

1、在Eclipse工具欄中，依次選擇Windows -> Android SDK and AVD Manager。

2、在Virtual Devices新建一個(gè)模擬器。

3、填寫Name，選擇Target的API、SD Card大小、Skin、以及Hardware配置。

4、點(diǎn)擊Create AVD即可創(chuàng)建AVD。

完成模擬器上的調(diào)試后，可以在項(xiàng)目文件夾下 bin目錄中的Carcontroller目錄中找到Carcontroller.apk文件，即為本程序的發(fā)布apk包。可將此apk包安裝實(shí)體手機(jī)并啟動(dòng)。運(yùn)行界面，如圖8所示：

圖8 測(cè)試效果圖

經(jīng)過在中興U880上反復(fù)測(cè)試，如圖8所示。手機(jī)連接控制模塊的時(shí)間小于5s，遠(yuǎn)端服務(wù)器對(duì)手機(jī)控制命令的響應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)，基本上完成了手機(jī)無線PWM控制功能。

無線網(wǎng)卡工作在2.4GHz頻段，其信號(hào)頻率高，波長(zhǎng)短，使其具有較弱的障礙物的穿透能力。再加上發(fā)射功率不大（一般小于100mw）如果遇電磁干擾比較大或者較為封閉的環(huán)境下，會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸效果。根據(jù)無線信號(hào)在自由空間傳播時(shí)的通信距離的計(jì)算方法：通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān)。有傳播損耗公式：

其中Lbs為傳輸損耗,d為傳輸距離,f為工作頻率。

對(duì)于工作在2.4GHZ的無線網(wǎng)卡，f=2400MHZ,則有無線網(wǎng)卡自由空間損耗距離公式：

傳播損耗與傳播距離的關(guān)系，如表1所示：

表1 WLAN信號(hào)在自由空間傳播的損耗與距離關(guān)系

實(shí)際中，信號(hào)還會(huì)受到障礙物阻擋、物體吸收、反射等影響。一般穿透一層木板，信號(hào)衰減5dB；穿透一堵磚墻，信號(hào)衰減8dB；穿透鋼筋混凝土墻，信號(hào)衰減25dB。系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得在在室內(nèi)可達(dá)65m，在有障礙物的環(huán)境下，隔一堵墻傳輸可達(dá)30m，而隔兩堵墻時(shí)，最大控制距離降為10m，室外環(huán)境下無線信號(hào)最大控制距離可達(dá)100m。

4 結(jié)語

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種基于Android系統(tǒng)下的無線PWM控制模塊設(shè)計(jì)，并在遙控模型汽車上測(cè)試成功。系統(tǒng)采用了嵌入式ARM9平臺(tái)作為硬件控制模塊，完成了Android應(yīng)用程序開發(fā)，編寫了一個(gè)手機(jī)客戶端軟件，解決了手機(jī)與控制器端之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)遠(yuǎn)程控制 PWM 調(diào)速等功能。

該嵌入式控制系統(tǒng)能夠在日常環(huán)境下一定距離范圍內(nèi)成功地實(shí)現(xiàn)了無線PWM控制功能，可廣泛應(yīng)用于智能家居、智能停車以及不易布線的PWM控制場(chǎng)合。設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處，在于系統(tǒng)將智能手機(jī)通過無線通訊技術(shù)與控制系統(tǒng)相結(jié)合，擴(kuò)大了智能終端的應(yīng)用范圍并為現(xiàn)有智能控制系統(tǒng)提供了新的控制方法，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了一種新穎的實(shí)現(xiàn)途徑。

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