摘要：提出了一種基于Android平臺的物聯(lián)網網關方案。該網關通過藍牙串口通信實現(xiàn)物聯(lián)網中WSN (無線傳感器網絡)中心節(jié)點和Android網關的數(shù)據(jù)傳輸，在Android平臺上實現(xiàn)WSN節(jié)點信息管理并通過Android的網絡資源實現(xiàn)互聯(lián)網接入，從而在WSN與互聯(lián)網之間搭建一條透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，完成對無線節(jié)點的數(shù)據(jù)進行遠程和實時的監(jiān)測控制。
關鍵詞：物聯(lián)網；WSN；網關

    中國已成為第一大移動互聯(lián)網市場，在移動互聯(lián)網和物聯(lián)網的市場非常廣闊，這將使得物聯(lián)網應用借助移動互聯(lián)網平臺深入到各個領域，實現(xiàn)泛在的接入。目前移動互聯(lián)網平臺常見的嵌入式操作系統(tǒng)主要足Linux、WindowsCE、MeeGo、Android、Palm等；其中Android系統(tǒng)的網絡集成性很高，被公認為是一個基于Linux內核并針對移動設備的操作系統(tǒng)。
    針對移動終端融合物聯(lián)網具有很大的意義，而物聯(lián)網接入互聯(lián)網的瓶頸是網關 本文提出了基于Android平臺、采用藍牙連接物聯(lián)網的網關方案，從而有效避免了物聯(lián)網網關的開發(fā)瓶頸。

1 基于Android平臺的WSN網關簡介
    星云測控系統(tǒng)是由一個WSN主節(jié)點和很多WSN測控節(jié)點構成一個分布式的測控系統(tǒng)，用于野外的暫時和長期測量、橋梁檢測和大型結構瞬態(tài)測試等?；贏ndroid平臺藍牙串口通信的星云測控(WSN)網關結構示意圖如圖1所示：

    網關采用基于Android的帶有藍牙和Wifi／WLAN功能的智能平板，采用藍牙連接基于STM32W的WSN測控系統(tǒng)主節(jié)點；網關將實現(xiàn)顯示、存儲、人機交互、遠距離通信和網絡通信等功能。網關軟件在Android2．3操作系統(tǒng)下運行，程序在Android Eclipse下開發(fā)完成。其工作過程大致為：將網關藍牙與ZigBee主控節(jié)點藍牙進行配對、連接和數(shù)據(jù)傳輸，同時網關通過同一局域網的WiFi連接至遠程終端，實現(xiàn)對ZigBee網絡測控信息的顯示、存儲和控制等，實現(xiàn)網關的通信和管理，完成WSN和互聯(lián)網的雙向數(shù)據(jù)傳輸和控制。

2 Android平臺的物聯(lián)網網關的設計方案
    網關通過藍牙串口實現(xiàn)與WSN中心節(jié)點間的通信，在Android平臺上實現(xiàn)WSN節(jié)點信息管理并通過Andrid的網絡資源實現(xiàn)互聯(lián)網接入，從而在WSN與互聯(lián)網之間搭建一條透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，完成對無線節(jié)點的數(shù)據(jù)進行遠程和實時的監(jiān)測控制。圖2為基于Android平臺的網關設計框圖，Android平臺下的物聯(lián)網網關的軟件實現(xiàn)，需要完成以下步驟：
    (1)設置藍牙和Wi—Fi；
    (2)發(fā)現(xiàn)已經配對或者附近的藍牙設備；
    (3)連接設備；
    (4)在不同設備之間傳輸數(shù)據(jù)；
    (5)使用Wi—Fi通過無線路南連接同一無線局域網，通過Socket建立基于TCP／IP協(xié)議的網絡通信。
    (6)網關實現(xiàn)對WSN的管理。

    圖3為網關工作流程。 Android的物聯(lián)網網關的設計實現(xiàn)了以下功能：啟動藍牙、啟動Wi—Fi、藍牙設備是否可見、搜索藍牙、藍牙設備的配對與連接、藍牙串口通信和網絡通信和網關管理。
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3 Android網關的藍牙串口通信和網絡通信
3．1 Android網關的藍牙串口通信
    “藍牙”是一種短距離的無線連接技術標準的代稱，實質內容就是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標準。利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。Android的藍牙(Bluetooth)協(xié)議棧使用BlueZ (Linux官方的Bluetooth棧)來實現(xiàn)對GAP、SDP和RFCOMM等應用規(guī)范提供支持，并獲得了SIG認證。BlueZ的RFCOMM提供Bluetooth上的串行仿真，這使得串行端口應用程序和協(xié)議不加更改地在Bluetooth上運行。RFC OMM模塊和用戶模式dund的后臺進程實現(xiàn)了Bluetooth撥號網絡。Bluetooth規(guī)范支持針對Bluetooth HCI數(shù)據(jù)分組的UART(通用異步接收器／傳送器)和USB傳輸機制。BluZ棧同時支持這兩個傳輸機制(drivers／Bluetooth／)。圖4為Android Bluetooth部分的關系圖。

    Android包含了對藍牙協(xié)議棧的支持，這使得藍牙設備能夠無線連接其他藍牙設備交換數(shù)據(jù)。Android的應用程序框架提供了訪問藍牙功能API，實現(xiàn)點對點或點對多點的無線交互功能。使用藍牙API，一個Android應用程序能夠實現(xiàn)下列功能：掃描其他藍牙設備、查詢本地藍牙適配器用于配對藍牙設備、建立RFCOMM信道、通過服務發(fā)現(xiàn)連接其他設備、數(shù)據(jù)通信和管理多個連接。圖5為本設計的藍牙串口通信流程圖。實現(xiàn)了藍牙設備打開、可見、搜索和連接管理。

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3．2 Android網絡通信
    Android完全支持JDK本身的TCP、UDP網絡通信的API，可以使用SeverSocket、Socket來建立基于TCP／IP協(xié)議的網絡通信，也可以使用DatagramSocket、Datagrampacket、MulticastSocket來建立UDP協(xié)議的網絡通信。本設計采用TCP／IP協(xié)議來實現(xiàn)網絡通信，通信流程如圖6所示。

    本設計只實現(xiàn)客戶端編程，服務端用SocketTool TCP／IP通信調試工具V2．2在PC端建立。使用Socket來實現(xiàn)客戶端的步驟如下：
    (1)通過IP地址和端口實例化Socket，請求連接服務器。
    (2)獲取Socket上的流以進行讀寫。
    (3)把流包裝進BufferedReader的實例。
    (4)對Socket進行讀寫
    (5)關閉打殲的流程。
    關鍵代碼如下：
   

4 網關的管理功能及實現(xiàn)
    網關在應用層實現(xiàn)對WSN的管理，主要包括安全認證、時間統(tǒng)一、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、節(jié)點定位和遠程傳輸功能，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時臨控和管理。功能設計如下：
    (1)安全認證：協(xié)調節(jié)點在安全認汪中，將申請節(jié)點的ID發(fā)給網關，網關查找配置表中的授權入網節(jié)；如果該節(jié)點ID在表中，則通知協(xié)調節(jié)點允許入網，否則不允許入網。同時，網關可以顯示、添加或修改節(jié)點配置表中的授權入網節(jié)點。
    如圖8—1所示，網關插入配置表信息，該實驗為四個節(jié)點組成的ZigBee網絡，節(jié)點編號分別為0080E102001BC94D、0080E102001BCE91、0080E102001BC204和0080E102001BCF51。ZigBee組成的無線傳感器網絡實現(xiàn)點對點通信，網關可以采集到節(jié)點數(shù)據(jù)信息，并用綠燈顯示該網絡實現(xiàn)的是1號節(jié)點和3號節(jié)點之間的點對點通信，紅燈表明處于非工作狀態(tài)。[!--empirenews.page--]
    (2)時間統(tǒng)一：在進行時間統(tǒng)一的過程中，首先通過NTP協(xié)議對網關校時，并以此時間為基準，把時間發(fā)給協(xié)調器節(jié)點，從而校準協(xié)調節(jié)點的時間和網內子節(jié)點的時間，實現(xiàn)網絡中節(jié)點的時間統(tǒng)一。如圖7(a)所示，網關的最下方顯示了NTP協(xié)議實現(xiàn)的校時。

    (3)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集：在進行節(jié)點定位的過程中，網關可以采集節(jié)點數(shù)據(jù)、提取節(jié)點號和RSSI值。如圖7(h)所示，上方滾動串口顯示了收到的來自ZigBee無線傳感器網絡的串口數(shù)據(jù)。
    (4)節(jié)點定位：ZigBee網絡使用RSSI測距法實現(xiàn)節(jié)點定位，網關采集節(jié)點RSSI值解算出了節(jié)點大概位置。
    (5)存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)：接收節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)并定期以文件形式保存到本地的SD卡中。如圖8—2截取的存儲至SD卡的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)，命名為Bluetooth．txt。

5 測試結果
    系統(tǒng)所需的硬件平臺為：Android平板電腦一部、BMX藍牙模塊、PC機一臺。本實驗所需的軟件平臺為：SSCOM32串口調試助手、Socket Tool網絡調試和TCP／UDP開發(fā)丁具、Ecplise JAVA開發(fā)環(huán)境和Android SDK開發(fā)包。網絡通信設置的IP地址為：192．168．0．190，端口號為：30000。

    運行主要結果如圖8所示。圖8 (a)為設備連接界面，主要實現(xiàn)藍牙連接和網絡連接，觸發(fā)搜索設備按鈕顯示設備列表，點擊所需設備名稱建立藍牙連接。觸發(fā)wifi按鈕建立網絡連接，觸發(fā)測試按鈕，測試通信信道是否建立，建立成功顯示”success connection”。該網關實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)傳輸和網關管理，如圖8(b)，8(c)。傳輸過程分為以下三種情況：
    (1)藍牙設備發(fā)送數(shù)據(jù)給Android網關和遠程終端，Android網關和遠程終端顯示”xi’antechnological universitv”表明測試成功。
    (2)Android網關發(fā)送數(shù)據(jù)給藍牙設備和遠程終端，藍牙設備和遠程終端顯示“I am Lei Bin”表明測試成功。
    (3)遠程終端發(fā)送數(shù)據(jù)給Android網關，Andiroid網關顯示“Success of socket communication”表明測試成功。網絡通信結果如圖8(d)所示。

6 結束語
    由于采用藍牙串行通信技術連接物聯(lián)網，避免了在Android平臺上的硬件開發(fā)，使得在對現(xiàn)有Android智能平臺無需硬件改造及編寫底層驅動即可實現(xiàn)無線傳感網絡管理及和互聯(lián)網間的數(shù)據(jù)傳輸，大大降低了物聯(lián)網網關的應用難度和成本。
    在該設計的基礎上，可以進一步實現(xiàn)對無線傳感器網絡的實時控制，這使得在移動終端融合物聯(lián)網應用成為可能。