手持智能化無線傳感網信息管理平臺設計

夏青

【摘 要】本文針對目前傳感器網絡管理與監測平臺大多數以PC為主，提出設計了一種以ARM11芯片，Android2.3嵌入式操作系統為核心的手持智能化無線傳感網監控平臺，該平臺體積小，重量輕，可同時對多個傳感器節點進行監控，并結合GPRS網絡，Internet網絡，實現了對各傳感器節點的智能化管理和操作。

【關鍵詞】手持設備；智能化；無線傳感網

0 引言

無線傳感器網絡作為一個新興領域，近年來受到了社會的普遍關注。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，管理與監測無線傳感網應用平臺大多數以PC機作為平臺基礎，其運行穩定，管理的傳感器節點多，處理的數據量大，適合于大型無線傳感器網絡的管理，同時能與Internet網相連，能方便的對傳感網節點進行遠程監控，但是其體積大，移動性差，操作復雜，不利于滿足移動化管理網絡的需求。

本文設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絡（現已實現對IEEE802.15.4e協議棧和IEEE802.15.6協議棧的管理），同時也能通過GPRS，WIFI與Internet網絡連接，在緊急情況時，擁有智能處理功能，滿足了網絡控制移動化，實時性，可靠性的要求。

1 總體平臺設計

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

底層的無線傳感器模塊，主要選擇發送頻率2.4GHz，發送內容符合IEEE802.15.4E，IEEE802.15.6等無線協議標準的模塊，其目的是傳感器采集各種環境數據，并按照協議標準發送到智能終端的無線傳感網接口。

中間層的無線傳感網智能終端是整個系統的核心，它可以分為無線傳感網接口，應用層，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。無線傳感網接口（現已實現與IEEE802.15.6協議棧和IEEE802.15.4E對接）主要是連接底層傳感網，為管理整個傳感網提供接口，其實現可分為硬件和軟件兩部分，硬件上對傳感網模塊的集成，軟件上調試傳感器模塊驅動，并保證傳感網數據的上行，下行穩定。應用層功能是實時顯示各傳感器節點數據，為管理整個傳感網提供人機交互接口，存儲無線傳感器節點數據，分析各傳感器網絡節點數據等。而智能決策層是根據無線傳感器網絡在緊急狀況下，人不能及時對傳感器網絡進行控制，而導致嚴重的后果，如在體域網系統中，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，當無線傳感網智能終端監測到由無線傳感器節點上傳的信息之后，就會顯示報警，如用戶長時間未回應，智能終端就會通過短信或電話的方式向用戶家屬，相關醫療機構報警。同時跟據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備平臺，如智能手機，PC機，網絡服務器等，無線傳感網智能終端通過WIFI和GPRS網絡與其相連，設計的目的是將無線傳感網的數據能夠與外界進行共享，外界可以訪問由智能終端上傳的數據，同時外界也可以通過智能終端對整個無線傳感網進行管理。

2 系統硬件設計

無線傳感網智能終端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網絡相連，同時集成無線傳感器模塊，實現了傳感網管理，傳感網與手機網絡，Internet網絡多網融合的功能，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系統的智能終端同樣也是用戶多媒體娛樂的重要設備。

3 系統軟件設計

智能終端軟件平臺是以Android 2.3系統為基礎，Android系統是一個google研發的嵌入式開源系統，其底層核心是linux內核，上層有HAL層，JNI層，java framework層，java層。Android平臺的開發可分為兩個部分Android應用程序開發以及Android底層驅動，NDK，java framework層的開發。智能終端軟件設計共分為3層：Android系統平臺搭建，應用軟件平臺，智能決策平臺。Android系統平臺搭建主要是基于Android底層開發；應用軟件平臺，智能決策平臺主要是Android應用軟件的開發。

3.1 系統軟件平臺搭建

Android系統雖說是一個嵌入式系統，但是它主要是服務于手機平臺，ARM11作為一個工業系統主控芯片，在以Android系統為平臺的應用還比較少。將Android系統運用在無線傳感網控制上在國內尚屬新興領域，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底層驅動上，傳感器模塊可直接調用串口驅動，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JNI模塊libserial.so，在java framework層添加Serial_Port類，運用接收和發送兩個線程分別處理數據上行、下行等問題。

由于Android系統對于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，其后果是引起系統耗電量增大，降低了用戶體驗等問題，作為一個手持設備，為了達到在正常工作下運行10個小時，且運行流暢等要求，就必須對當前的Android系統進行改動，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終端設備的需要。

3.2 系統應用軟件平臺

實現無線傳感網智能終端Android系統平臺搭建后，需要根據無線傳感網監測，管理等應用，在Android平臺上編寫應用軟件以滿足以應用的需要，通過對本系統的應用分析，構建了如下的功能模塊：

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

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

（2）歷史數據查詢：該模塊去訪問存儲在數據存儲模塊中的數據，并顯示出來。

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

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

3）傳感網管理接口模塊：該模塊提供了對于整個傳感器網絡管理的接口，用戶通過此接口選擇采集何種傳感器數據，采集的頻率是多少，節點的功率等內容。

4）人機交互界面：該模塊用戶提供一切操作的界面支持。

4 結束語

本文對系統監控提出了基于Android系統解決方案，并且針對監控系統對實時性，穩定性，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，體域網系統為基礎，測試了包括監控基本功能，監控實時性等一系列指標，由結果可知，監控平臺具有穩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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[責任編輯：劉帥]