基于Android操作系統的實時系統監控研究

石 鑫，夏 青

(重慶郵電大學 光電學院 自動化學院，重慶 400065)

基于Android操作系統的實時系統監控研究

石 鑫，夏 青

(重慶郵電大學 光電學院 自動化學院，重慶 400065)

針對大多數監控系統對實時性、穩定性、可操作性等要求，在Android嵌入式操作系統中，集成傳感網模塊，設計普通、緊急監控模塊，剖析Android內核調度器工作原理等方法，提出了一種新的嵌入式實時監控系統。以體域網系統監控為平臺進行測試，結果表明，該方案滿足對網絡監控實時性、可靠性的要求，方法具有良好的擴展性，利于向智能家居、物聯網等領域中推廣。

安卓系統；無線傳感網；智能化；體域網

Android操作系統是一種以Linux為基礎的開源操作系統。最初由Andy Rubin開發并專為支持手機而設計。2005年被Google收購后，作為Google主推的智能手機操作系統，由于其開源性、良好的用戶體驗、豐富的應用支持，很快成為了最流行和占有量最大的移動終端操作系統，現在也逐漸擴展到平板電腦機其他移動設備上。與此同時，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，以其用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量為核心，從而讓無線傳感網去監控物理環境成為了可能。

目前，運用Android設備通過無線傳感器網絡對設備進行監控，已在智能家居、物聯網、人體醫療等領域有所發展，因此實時性、可靠性逐漸成為監控系統的關鍵要素。文獻[2]提出了基于WINCE的老年健康監護系統設計，該系統應用于老年健康監護，將ZigBee模塊集成在嵌入式終端設備平臺中，能實時顯示用戶的心率、血氧、脈搏、體溫等數據，但是其采用的是WINCE系統，相比其他嵌入式操作系統，操作比較復雜，界面不夠友好，并沒有考慮到數據傳輸的實時性和系統應用軟件的可靠性等問題。文獻[3]提出了運用Android系統對智能家居網絡進行的控制，其界面友好、操作簡單，通過將家居設備的信息上傳至Internet，嵌入式Android平臺只需要訪問或發送信息在固定的網絡地址，就可以對網絡進行相應的上行或下行的操作，由于該家居網絡的信息全部需要從Internet網絡中獲取，這就大大影響了該系統實時性。文獻[4]是基于車聯網的車載智能終端的研究，其無線通信模塊建立了導航系統與交通監控中心的連接，并實現了信息傳輸，但是其網絡拓補為點到點的連接，沒有考慮到系統耗電量、數據發送接收實時性等問題。文獻[5-6]分別將Android系統運用在IEEE802.11網絡和醫療物聯網之中，其系統運行穩定，功能豐富，但是可擴展性與移植性不足。

本文設計和提出了一種基于Android操作系統的實時系統監控平臺，深入研究了Android并結合了無線傳感網的優勢，提出一套行之有效的監控體系，保證了整個監控過程的實時性、可靠性，為整個監控系統提出完整的技術解決方案。

1 實時監控系統的設計

1.1 系統架構

Android系統作為智能化的嵌入式操作系統，現已運用在許多終端設備之中。然而，把Android系統運用在實時監控中的實例還并不多。將搭載Android系統的終端設備作為監控系統的核心，同時保證監控的實時性、可靠性是系統監控的關鍵點。監控系統的設計如圖1所示，基于Android的實時監控平臺是整個監控系統的核心，它可以通過對無線通信模塊的控制，達到控制周圍傳感器節點的目的，同時監控平臺也可以通過2G/3G網絡與外界進行互聯報警等操作，從而避免了信息孤島的出現。

圖1 系統總體設計框架

為了保證系統監控的實時性，平臺在設計中將監控模式分為普通監控模式和緊急監控模式，而平臺判斷數據是否緊急，是通過數據結構中(如圖2)的報警標志位判斷的。這樣既有利于提高監控的可操作性，又保證了監控的實時性。

圖2 監控數據結構

1.2 普通、緊急監控模式設計

系統在監控的過程中，系統的監控實時性是評價系統好壞的有力指標。平臺的監控模塊分為兩個部分：普通監控模塊和緊急監控模塊。其中，普通監控模塊服務于日常的監控，它對監控的實時性要求不高，但需要很好的可操作性、顯示界面、數據分析與存儲等功能。在普通監控的過程中，如圖3所示，首先傳感器數據通過傳感器節點采集，然后通過節點的射頻模塊將數據發送給無線網絡協調器，經過相關處理后，通過RS-232或者USB接口將數據上傳至Android監控平臺，Android監控平臺通過數據檢測模塊檢查上傳數據報警標志位，判斷是進入普通模式還是緊急模式，若上傳數據中的報警標志位為0，則進入普通的監控進程，經過Android的framwork共享類以及自身apk方法類的處理，在用戶界面上顯示相應的監控信息，同時，用戶也可根據自身的需要通過觸摸等方式去下達指令，從而達到控制整個系統的目的。

圖3 普通監控模式原理

然而，在緊急狀態時，平臺也可自行進行監控的智能化處理，如圖4所示。報警數據在傳入Android監控平臺后，運行在內核態的監控模塊檢測到報警標志位為1，則立即對數據進行兩方面處理：一方面調用報警模塊經由2G/3G網絡向其他終端報警；第二，立即處理信息向協調器發送相應下行管理命令，從而達到監控整個系統的目的。

圖4 緊急監控模式原理

1.3 系統實時性實現

在對系統進行監控的過程中，影響系統實時性的因素很多，如硬件處理器速度、內核調度器的調度策略、軟件自身的運行效率等[7]。就Android系統而言，系統的調度策略依賴于Linux BFS調度策略，其進程劃分為實時進程和普通進程[8]。普通進程大多時候運行在系統用戶態中，優先級較低，實時性較差，易受其他普通進程的干擾，但是可操作性強。實時進程運行在系統的內核態中，優先級高，實時性好，不受其他普通進程的干擾[9-11]，然而可操作性差，用戶不易對進程進行相應的操控。針對以上特點，本文設計了普通監控模式和緊急監控模式。普通監控模式基于普通進程，服務于普通的監控場景；而緊急監控模式基于系統進程，服務于在緊急狀態下監控的實時性需求。

數據監控模塊嵌入在Android的核心庫中，它的作用是檢測數據的報警標志位是否1，從而判斷需要創建的進程是普通進程還是系統進程。如圖5所示，RS-232或USB驅動上傳的數據流進入數據檢測模塊，經過數據檢測模塊的處理，若為0，則進入普通監控模塊，由Zygote進程創建普通監控進程；若為1，則進入緊急監控模塊，由Zygote進程創建緊急監控進程，它與普通進程不同的是，它是繼承于System server相關類的資源，它運行在系統內核態中，具有高優先級，不易被普通進程所干擾，具有較好的實時性與可靠性，所以當數據檢測模塊判斷出信息異常后，監控進入緊急狀態，保證了監控的實時性，可靠性。而普通監控進程，運行于系統用戶態，它可以解析數據類型，并分類顯示和存儲，以便用戶進一步的處理。

圖5 Android系統中的監控流程圖

2 系統驗證

為了驗證本文提出的嵌入式無線網絡監控平臺的實時性、可靠性，及其基本功能，搭建了硬件以ARM11處理器為核心，軟件以Android平臺為核心的體域網醫療監控系統。體域網是監控人體生命體征的無線網絡，由附在人體周圍或嵌入人體內部的、小巧的、可通信的傳感器、IEEE802.15.6通信協議棧和智能終端組成，其中智能終端就相當于嵌入式無線網絡監控平臺的角色。

2.1 基本功能測試

為了測試平臺監控數據的上下行，以及存儲、異常數據處理等附加功能，搭建了由4個網絡傳感器節點與體域網智能監控平臺組成的一個星型網。

圖6所示為人體體征監控上下行數據的功能測試結果，圖中左側為用戶手持體域網監控平臺；中間為監控平臺顯示用戶的心率、體溫信息，探測到心率數據異常報警；右側為用sniffer抓包軟件獲取的通信數據包，圖中反映出當發現異常數據時，平臺通過下行命令控制網絡發包頻率。

圖6 監控平臺上下行功能測試(截圖)

圖7為平臺數據管理，報警等附加功能的測試，圖中左側為運用Sqlite數據庫對體征數據的存儲；中間是對心率監控的心率曲線；右邊為對異常數據處理后，通過GPRS模塊進行的短信報警。

圖7 監控平臺附加功能測試(截圖)

2.2 監控平臺實時性測試

為了保證整個體域網監控系統的實時性，由體域網個人監控平臺下行管理命令的處理時間應小于體域網的超幀周期。超幀的結構(如圖8)可分為3個階段：信標幀發送階段(B)，命令幀發送階段(CAP)，數據幀發送階段(CFP)。信標幀階段分配1個時隙，CAP階段分配6個時隙，CFP階段分配9個時隙，每個時隙30 ms，所以信標幀階段所占時間為 30 ms， CAP階段6×30=180 ms，CFP階段為9×30=270 ms， 于是總的超幀周期為16×30=480 ms。

圖8 體域網超幀周期示意圖

圖9是兩種監控模式的測試結果。圖中兩種方式的所測得到的時間皆小于480 ms，說明系統發送下行命令所需時間皆在一個超幀周期之內，基本滿足監控實時性的需要。而在緊急情況下，監控平臺的監控時間為121 ms<180 ms，說明監控平臺在緊急情況下，監控命令在一個超幀周期的CAP階段就有很大概率被發送，這就保證了緊急狀態處理的實時性。

圖9 實時性測試結果

3 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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Research on Real-time System Monitor Based on Android System

SHI Xin，XIA Qing

(CollegeofElectroningEngineering,CollegeofAutomation,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunication，Chongqing400065，China)

Considering most monitoring system demands in real-time performance，stability and maneuverability，sensor network module is integrated and normal or emergency monitoring module is designed in Android system. Meanwhile，by analyzing the working principle in Android kernel scheduler. A new embedded real-time monitoring system is proposed. The experimental results show the proposed approach meets the requirements of real-time network monitoring and reliability，which also has good expansibility and easily popularized.

Android system；wireless sensor network；intellectualization；body area network

TP277

B

10.16280/j.videoe.2015.16.017

2015-05-21

【本文獻信息】石鑫，夏青.基于Android操作系統的實時系統監控研究[J].電視技術,2015，39(16).

石 鑫(1982— )，碩士，講師，主研無線傳感器網絡、無線通信、信號處理技術等。

責任編輯：時 雯