摘  要： 使用GPRS與ZigBee相結(jié)合的通信方式搭建了LED路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于Android的移動(dòng)終端軟件，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)路燈進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)以PC做為服務(wù)器對(duì)所有路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,Android移動(dòng)終端不與路燈節(jié)點(diǎn)直接通信，而是通過(guò)服務(wù)器向路燈發(fā)送命令并接收服務(wù)器發(fā)送的路燈狀態(tài)和報(bào)警信息。軟件采用Socket通信，采用了二級(jí)權(quán)限的設(shè)計(jì)方式，兼顧了移動(dòng)終端的安全性與方便性。最后對(duì)軟件進(jìn)行了測(cè)試，能夠達(dá)到所需的控制要求，可以應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中。
關(guān)鍵詞： Android； LED路燈； ZigBee； 移動(dòng)終端

    智能化、無(wú)線化是路燈照明系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。本文采用了ZigBee通信技術(shù)組網(wǎng)，并利用Android移動(dòng)終端來(lái)對(duì)路燈進(jìn)行監(jiān)控，重點(diǎn)是設(shè)計(jì)Android移動(dòng)終端軟件。利用手機(jī)監(jiān)控路燈，工作人員可以在任何時(shí)間地點(diǎn)控制路燈開、關(guān)，隨時(shí)掌握路燈運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈不亮、常亮、漏電等各種故障，有效提高對(duì)市政管理的工作效率。
    Android 是 Google 開發(fā)的基于Linux的開源移動(dòng)終端開發(fā)平臺(tái)，其構(gòu)架包括應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用程序構(gòu)架層、系統(tǒng)運(yùn)行層和Linux內(nèi)核層[1] 4層。Android系統(tǒng)在2005年加入開放手機(jī)聯(lián)盟(The Open Handset Alliance)，2008年10月第一款A(yù)ndroid系統(tǒng)的手機(jī)問(wèn)世。Android手機(jī)誕生后發(fā)展迅速，不僅應(yīng)用軟件數(shù)量巨大，而且做為移動(dòng)終端在對(duì)其他領(lǐng)域進(jìn)行監(jiān)控方面也有飛速發(fā)展[2-5]。羅飛教授將Android手機(jī)應(yīng)用于污水處理系統(tǒng),通過(guò)GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[4];畢經(jīng)平研究員用Android手機(jī)替代車載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了汽車狀態(tài)感知上傳、GPS定位等功能[5]；魏崇毓教授將Android手機(jī)用于視頻監(jiān)控，通過(guò)手機(jī)調(diào)整攝像頭的角度和焦距，并在手機(jī)上顯示監(jiān)控畫面[2];王秀敏教授設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Android平臺(tái)的橋梁檢測(cè)車安全監(jiān)控系統(tǒng),可以根據(jù)實(shí)際情況虛擬障礙物，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與障礙物碰撞的逼真模擬與報(bào)警[3]。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)由監(jiān)控中心及移動(dòng)控制端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、路燈節(jié)點(diǎn)3部分組成。監(jiān)控中心以PC做為服務(wù)器，工作人員通過(guò)服務(wù)器對(duì)路燈進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，Android移動(dòng)終端通過(guò)Socket與服務(wù)器相連接，工作人員用手持移動(dòng)終端向服務(wù)器傳遞信息并通過(guò)服務(wù)器查詢路燈的狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備對(duì)路燈的監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行通信。ZigBee是短距離、低功耗、低效率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)議棧緊湊簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)要求低[6]。GPRS模塊從Internet接收服務(wù)器的信息并通過(guò)RS232傳遞給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將信息傳遞給各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)中ZigBee模塊選用的是CC2530芯片，網(wǎng)絡(luò)采用樹狀連接，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器起著組織、管理網(wǎng)絡(luò)和發(fā)號(hào)施令的作用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，它會(huì)為新節(jié)點(diǎn)分配地址，因此不能掉電也不存在低功耗狀態(tài)。
    路燈節(jié)點(diǎn)由電源模塊、控制器和車輛檢測(cè)器、光傳感器和ZigBee路由器組成，完成通信數(shù)據(jù)的收發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及控制命令的處理、LED路燈及相關(guān)檢測(cè)器的啟動(dòng)關(guān)閉任務(wù)。路燈的控制器選用ATmega128芯片,LED驅(qū)動(dòng)芯片選用XN2115。
2 移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)以PC做為服務(wù)器來(lái)對(duì)路燈進(jìn)行集中控制， Android移動(dòng)終端可通過(guò)Socket來(lái)連接服務(wù)器進(jìn)而對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，而非直接與路燈節(jié)點(diǎn)連接通信。Android移動(dòng)終端可視界面對(duì)應(yīng)了Activity，不可視的任務(wù)由Service完成。軟件要完成路燈信息查詢、路燈控制、接收?qǐng)?bào)警等任務(wù),需要多個(gè)Activity和Service配合完成[7]。程序流程如圖2所示。

2.1 通信方式
    軟件在啟動(dòng)后需要主動(dòng)與服務(wù)器進(jìn)行連接，還要能夠從服務(wù)器讀取路燈信息、向服務(wù)器傳遞控制指令、接收服務(wù)器發(fā)出的報(bào)警信號(hào)。移動(dòng)終端與服務(wù)器連接時(shí)可采用WebServices或者Socket。WebServices比較穩(wěn)定但不能進(jìn)行雙向通信(可與服務(wù)器主動(dòng)連接，但是無(wú)法接收服務(wù)器主動(dòng)發(fā)出的報(bào)警信號(hào))，且占用內(nèi)存比較大； Socket技術(shù)構(gòu)架存在不穩(wěn)定問(wèn)題，但建立連接后服務(wù)器與客戶端都可以主動(dòng)向?qū)Ψ桨l(fā)出信息。這里使用Socket技術(shù)進(jìn)行通信。
    客戶端與服務(wù)端建立連接后，通過(guò)InputStream和InputStream進(jìn)行雙向通信。使用Socket需要訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，在AndroidManifest.xml 文件中要加入訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限。
2.2 安全性
    移動(dòng)終端的安全問(wèn)題是制約其發(fā)展的主要問(wèn)題之一，即當(dāng)手機(jī)丟失后，必須保證得到手機(jī)的人不能通過(guò)手機(jī)來(lái)控制路燈系統(tǒng)。軟件采用了兩級(jí)權(quán)限的設(shè)計(jì)方式，查詢權(quán)限與控制權(quán)限分離開，一級(jí)密碼、二級(jí)密碼分別對(duì)應(yīng)了不同的權(quán)限。軟件啟動(dòng)后輸入一級(jí)密碼進(jìn)行登錄獲得查詢權(quán)限，可以查看所有的路燈信息、接收服務(wù)器報(bào)警信息，但是不能對(duì)路燈進(jìn)行控制；當(dāng)退出系統(tǒng)時(shí)自動(dòng)退出一級(jí)密碼登錄。對(duì)路燈進(jìn)行控制需要輸入二級(jí)密碼獲取控制權(quán)限，輸入二級(jí)密碼后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成密碼文件并進(jìn)行計(jì)時(shí)(此處計(jì)時(shí)2 min)，對(duì)路燈進(jìn)行控制時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)讀取密碼文件信息并加載到控制信息中，服務(wù)器接收控制信息并分離二級(jí)密碼信息，若密碼正確，則按要求控制路燈。計(jì)時(shí)結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)刪除密碼文件，若要繼續(xù)對(duì)路燈進(jìn)行控制，則需要重新輸入二級(jí)密碼。這樣就兼顧了軟件的安全性和方便性：非工作人員得到手機(jī)后能查看信息但不能控制路燈；工作人員要控制路燈不需要每次都輸入二次密碼，輸入一次后就有2 min的控制時(shí)間。其界面如圖3所示。軟件中計(jì)時(shí)部分不在界面中顯示，所以不采用復(fù)雜的計(jì)時(shí)器，而是直接使用線程計(jì)時(shí)。

2.3 報(bào)警模塊
    軟件啟動(dòng)后,要隨時(shí)準(zhǔn)備接收服務(wù)器的報(bào)警信息。因?yàn)橄到y(tǒng)何時(shí)報(bào)警并不確定，客戶端無(wú)法通過(guò)主動(dòng)查詢的方式去獲取報(bào)警信息，只能被動(dòng)地等待服務(wù)器報(bào)警。Socket的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是連接一旦建立，服務(wù)器與客戶端的區(qū)別就不再明顯，雙方都可以主動(dòng)向?qū)Ψ桨l(fā)送信息。路燈節(jié)點(diǎn)的XN2115芯片會(huì)自動(dòng)檢測(cè)路燈是否出現(xiàn)故障，若出現(xiàn)故障，將會(huì)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信號(hào)。服務(wù)器接收到路燈的報(bào)警信號(hào)后，會(huì)將這一信息傳遞給手機(jī)，手機(jī)通過(guò)鈴聲來(lái)向工作人員發(fā)出警報(bào)，并在報(bào)警歷史文件中更新報(bào)警信息。
    Socket技術(shù)框架存在不穩(wěn)定問(wèn)題，為了增加軟件的的可靠性，當(dāng)客戶端接到報(bào)警信息后會(huì)發(fā)給服務(wù)器一個(gè)反饋信息。若服務(wù)器發(fā)送了報(bào)警信息卻在2 s內(nèi)收不到反饋信息，則重新發(fā)送報(bào)警信息。若持續(xù)5次仍然沒(méi)有收到反饋，則系統(tǒng)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)連接斷開。
2.4 查詢模塊
    服務(wù)器每隔1 min會(huì)查詢路燈節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并生成或者更新工作狀態(tài)記錄文件。持有移動(dòng)終端的工作人員在輸入一級(jí)密碼之后，軟件連接服務(wù)器并自動(dòng)讀取工作狀態(tài)記錄文件，然后按照工作狀態(tài)記錄文件中的內(nèi)容將路燈狀態(tài)顯示出來(lái)。也可以通過(guò)“刷新”按鈕來(lái)獲取新的工作狀態(tài)記錄文件。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論
    Android應(yīng)用程序可在Eclipse環(huán)境下開發(fā)，需要下載Android SDK開發(fā)工具包。Android可以通過(guò)ADB動(dòng)態(tài)下載、卸載指定的APK文件。新的APK文件在下載成功后，包管理器會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析，讀取應(yīng)用程序的相關(guān)信息，并將它加入到應(yīng)用程序列表。更換模塊時(shí)，只需要換上相應(yīng)的APK即可，而不像其他系統(tǒng)那樣需要重新編譯和替換所有模塊。
    本系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試手機(jī)使用三星I5200，服務(wù)器程序是在Eclipse環(huán)境下用JAVA編寫的。手機(jī)客戶端可以控制單片機(jī)上LED燈的啟動(dòng)與關(guān)閉，路燈的工作情況、報(bào)警信息也可以在手機(jī)上顯示。程序工作界面如圖4所示。

    通過(guò)Android移動(dòng)終端、PC、GPRS和ZigBee來(lái)組建LED路燈控制網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)終端對(duì)路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控,為工作人員帶來(lái)了極大的方便,具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
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