摘  要： 使用GPRS與ZigBee相結(jié)合的通信方式搭建了LED路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)。重點設(shè)計了基于Android的移動終端軟件，實現(xiàn)了通過移動終端對路燈進行監(jiān)控。系統(tǒng)以PC做為服務(wù)器對所有路燈節(jié)點進行監(jiān)控,Android移動終端不與路燈節(jié)點直接通信，而是通過服務(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)和報警信息。軟件采用Socket通信，采用了二級權(quán)限的設(shè)計方式，兼顧了移動終端的安全性與方便性。最后對軟件進行了測試，能夠達到所需的控制要求，可以應(yīng)用于實際工程當(dāng)中。
關(guān)鍵詞： Android； LED路燈； ZigBee； 移動終端

    智能化、無線化是路燈照明系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。本文采用了ZigBee通信技術(shù)組網(wǎng)，并利用Android移動終端來對路燈進行監(jiān)控，重點是設(shè)計Android移動終端軟件。利用手機監(jiān)控路燈，工作人員可以在任何時間地點控制路燈開、關(guān)，隨時掌握路燈運行情況，及時發(fā)現(xiàn)路燈不亮、常亮、漏電等各種故障，有效提高對市政管理的工作效率。
    Android 是 Google 開發(fā)的基于Linux的開源移動終端開發(fā)平臺，其構(gòu)架包括應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序構(gòu)架層、系統(tǒng)運行層和Linux內(nèi)核層[1] 4層。Android系統(tǒng)在2005年加入開放手機聯(lián)盟(The Open Handset Alliance)，2008年10月第一款A(yù)ndroid系統(tǒng)的手機問世。Android手機誕生后發(fā)展迅速，不僅應(yīng)用軟件數(shù)量巨大，而且做為移動終端在對其他領(lǐng)域進行監(jiān)控方面也有飛速發(fā)展[2-5]。羅飛教授將Android手機應(yīng)用于污水處理系統(tǒng),通過GSM技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控[4];畢經(jīng)平研究員用Android手機替代車載設(shè)備，實現(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手機用于視頻監(jiān)控，通過手機調(diào)整攝像頭的角度和焦距，并在手機上顯示監(jiān)控畫面[2];王秀敏教授設(shè)計并實現(xiàn)了基于Android平臺的橋梁檢測車安全監(jiān)控系統(tǒng),可以根據(jù)實際情況虛擬障礙物，實現(xiàn)機械臂與障礙物碰撞的逼真模擬與報警[3]。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    系統(tǒng)由監(jiān)控中心及移動控制端、無線網(wǎng)絡(luò)、路燈節(jié)點3部分組成。監(jiān)控中心以PC做為服務(wù)器，工作人員通過服務(wù)器對路燈進行監(jiān)控。同時，Android移動終端通過Socket與服務(wù)器相連接，工作人員用手持移動終端向服務(wù)器傳遞信息并通過服務(wù)器查詢路燈的狀態(tài)，進而實現(xiàn)移動設(shè)備對路燈的監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    無線網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合進行通信。ZigBee是短距離、低功耗、低效率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)議棧緊湊簡單，實現(xiàn)要求低[6]。GPRS模塊從Internet接收服務(wù)器的信息并通過RS232傳遞給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將信息傳遞給各個路燈節(jié)點。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)號施令的作用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點加入時，它會為新節(jié)點分配地址，因此不能掉電也不存在低功耗狀態(tài)。
    路燈節(jié)點由電源模塊、控制器和車輛檢測器、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)場數(shù)據(jù)及控制命令的處理、LED路燈及相關(guān)檢測器的啟動關(guān)閉任務(wù)。路燈的控制器選用ATmega128芯片,LED驅(qū)動芯片選用XN2115。
2 移動終端軟件設(shè)計
    系統(tǒng)以PC做為服務(wù)器來對路燈進行集中控制， Android移動終端可通過Socket來連接服務(wù)器進而對路燈進行遠程控制，而非直接與路燈節(jié)點連接通信。Android移動終端可視界面對應(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、接收報警等任務(wù),需要多個Activity和Service配合完成[7]。程序流程如圖2所示。

2.1 通信方式
    軟件在啟動后需要主動與服務(wù)器進行連接，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)出的報警信號。移動終端與服務(wù)器連接時可采用WebServices或者Socket。WebServices比較穩(wěn)定但不能進行雙向通信(可與服務(wù)器主動連接，但是無法接收服務(wù)器主動發(fā)出的報警信號)，且占用內(nèi)存比較大； Socket技術(shù)構(gòu)架存在不穩(wěn)定問題，但建立連接后服務(wù)器與客戶端都可以主動向?qū)Ψ桨l(fā)出信息。這里使用Socket技術(shù)進行通信。
    客戶端與服務(wù)端建立連接后，通過InputStream和InputStream進行雙向通信。使用Socket需要訪問網(wǎng)絡(luò)，在AndroidManifest.xml 文件中要加入訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限。
2.2 安全性
    移動終端的安全問題是制約其發(fā)展的主要問題之一，即當(dāng)手機丟失后，必須保證得到手機的人不能通過手機來控制路燈系統(tǒng)。軟件采用了兩級權(quán)限的設(shè)計方式，查詢權(quán)限與控制權(quán)限分離開，一級密碼、二級密碼分別對應(yīng)了不同的權(quán)限。軟件啟動后輸入一級密碼進行登錄獲得查詢權(quán)限，可以查看所有的路燈信息、接收服務(wù)器報警信息，但是不能對路燈進行控制；當(dāng)退出系統(tǒng)時自動退出一級密碼登錄。對路燈進行控制需要輸入二級密碼獲取控制權(quán)限，輸入二級密碼后系統(tǒng)會自動生成密碼文件并進行計時(此處計時2 min)，對路燈進行控制時系統(tǒng)自動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密碼信息，若密碼正確，則按要求控制路燈。計時結(jié)束后，系統(tǒng)自動刪除密碼文件，若要繼續(xù)對路燈進行控制，則需要重新輸入二級密碼。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的控制時間。其界面如圖3所示。軟件中計時部分不在界面中顯示，所以不采用復(fù)雜的計時器，而是直接使用線程計時。

2.3 報警模塊
    軟件啟動后,要隨時準備接收服務(wù)器的報警信息。因為系統(tǒng)何時報警并不確定，客戶端無法通過主動查詢的方式去獲取報警信息，只能被動地等待服務(wù)器報警。Socket的一個優(yōu)點是連接一旦建立，服務(wù)器與客戶端的區(qū)別就不再明顯，雙方都可以主動向?qū)Ψ桨l(fā)送信息。路燈節(jié)點的XN2115芯片會自動檢測路燈是否出現(xiàn)故障，若出現(xiàn)故障，將會通過無線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送報警信號。服務(wù)器接收到路燈的報警信號后，會將這一信息傳遞給手機，手機通過鈴聲來向工作人員發(fā)出警報，并在報警歷史文件中更新報警信息。
    Socket技術(shù)框架存在不穩(wěn)定問題，為了增加軟件的的可靠性，當(dāng)客戶端接到報警信息后會發(fā)給服務(wù)器一個反饋信息。若服務(wù)器發(fā)送了報警信息卻在2 s內(nèi)收不到反饋信息，則重新發(fā)送報警信息。若持續(xù)5次仍然沒有收到反饋，則系統(tǒng)認為網(wǎng)絡(luò)連接斷開。
2.4 查詢模塊
    服務(wù)器每隔1 min會查詢路燈節(jié)點的工作狀態(tài)，并生成或者更新工作狀態(tài)記錄文件。持有移動終端的工作人員在輸入一級密碼之后，軟件連接服務(wù)器并自動讀取工作狀態(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。也可以通過“刷新”按鈕來獲取新的工作狀態(tài)記錄文件。
3 實驗驗證與結(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ADB動態(tài)下載、卸載指定的APK文件。新的APK文件在下載成功后，包管理器會對其進行分析，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，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)進行了測試。測試手機使用三星I5200，服務(wù)器程序是在Eclipse環(huán)境下用JAVA編寫的。手機客戶端可以控制單片機上LED燈的啟動與關(guān)閉，路燈的工作情況、報警信息也可以在手機上顯示。程序工作界面如圖4所示。

    通過Android移動終端、PC、GPRS和ZigBee來組建LED路燈控制網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)移動終端對路燈的遠程監(jiān)控,為工作人員帶來了極大的方便,具有較大的應(yīng)用價值。
參考文獻
[1] 詹成國,朱偉,徐敏.基于Android的測控裝置人機界面的設(shè)計與開發(fā)[J].電力自動化設(shè)備,2012,32(1):119-122.
[2] 魏崇毓,張菲菲. 基于Android平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程,2012,38(14):214-216.
[3] 張麒,王秀敏,任建新.基于Android的橋梁檢測車安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J] .吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版）,2012,30(3):285-290.
[4] 盧伯澎, 羅飛. 基于Android和GSM的遠程污水處理系統(tǒng)[J].計算機工程,2011,37(S1):300-308.
[5] 高峰,畢經(jīng)平,郭景峰,等.汽車狀態(tài)感知系統(tǒng)的Android客戶端[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2011,51(S1):1393-1396.
[6] KWON Y, KIM H. Efficient group key management of  ZigBee network for home automation[C]. 2012 IEEE International Conference on Consumer Electronics(ICCE)，IEEE, 2012:378-379.
[7] 楊豐盛.Android應(yīng)用開發(fā)揭秘[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.