CN106793178A

CN106793178A - 一种Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法

Info

Publication number: CN106793178A
Application number: CN201611218460.7A
Authority: CN
Inventors: 魏松杰; 程浩; 吴超; 魏凡翔; 骆茜荣; 罗娜
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，系统包括用于实现区域无线链路的硬件单元、用于分布式拓扑结构感知和路由的网络系统构建方法，以及用于区域移动数据传输的软件平台。整个系统以Android智能终端为系统平台，通过增加无线数传模块扩展其自主通信功能，在不影响Android设备现有通信功能的前提下，不依赖于网络基础设施或移动通信运营商服务，构建基于移动自组网的无中心、无服务器的数据通信对等网络服务环境，并提供了软硬件解决方案。该系统可以提供数字通信、数据传输共享、用户管理、网络管理等基础服务功能。系统支持单播、组播、广播等多种形式，节点接入自由、功能对等、硬件廉价，具有良好的通用性、扩展性、可移植性。

Description

一种Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地说，是一种一种Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法。

背景技术

随着以信息互联网和移动数字通信为代表的21世纪信息技术时代的到来，移动网络的普及，包括Wi-Fi、3G/4G网络等在广阔国土面积和复杂室内外环境的覆盖率不断扩大，为移动数字服务的快速发展打下了良好的基础。另外，智能移动终端设备销量大增，尤其是以安卓平台为基础的智能手机、平板电脑、智能可穿戴设备的持续热销，让移动数字网络可以轻松连接到每一个智能终端的用户。而安卓系统的开放性又让移动应用软件得以实现快速的发展，在内容层面对移动互联网的发展形成了良好的支撑。此外，微信、QQ等移动社交工具的普及对移动互联网的发展也具有明显促进作用。其中的安卓智能设备由于其软件系统开源、价格低廉、操作简单等诸多优越性，逐渐取得了市场主导地位。随着安卓智能设备的日益普及，基于安卓平台开发的优秀App必将具有巨大的市场前景和广泛应用。

以目前使用最广泛的手机移动通信蜂窝网络而言，它的特点是移动终端和固定基站之间建立通信链路，但是移动终端不具备路由功能，基站负责路由和交换功能，即基站充当接入有线网络的网关。它的特点也决定了蜂窝移动网络的适用范围有限，它在特殊环境（如空旷无固定基站）、临时组网、应急响应（如自然灾害）、野外探险、军事战场中无法得到应用。新的应用需求与现有技术演化相互作用，促使新的移动自组网通信技术的发展和成熟，克服现有移动蜂窝网络的缺陷，为复杂的组网通信应用场景和灵活的网络应用服务，提供了全新的技术支撑。

移动自组网是一种特殊的无线网络，它的组建不依赖于预先存在的网络基础设施，如基站或接入点，而是由若干个带有无线收发器的移动节点构成。与传统的无线局域网不同，移动自组网是一个无中心、多跳、自组织的对等式无线通信网络，每个节点同时充当两种角色，既是终端主机又是中继路由器。由于自组网具有移动性、快速搭建性、自治性和对等性等特点，因而具有非常广泛的应用前景，比如在大学校园、城市的某个社区或邻居之间可以利用自组网构成社区网络。社区网络的构建非常灵活，允许区域内的用户方便地加入，并且共享网络内的资源。另外这类自组网也可以提供基于位置的服务，如社区内是否有可用的共享打印机，附近是否有加油站，或者为用户提供交通向导等等。因此，去中心化的按需组网、移动终端间的随遇接入成为了一种新型的组网趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，包括用于实现区域无线链路的硬件单元、用于分布式拓扑结构感知和路由的网络系统构建方法，以及用于区域移动数据传输的软件平台。可用于校园服务、商业活动、野外科考、抗灾救险、应急服务等无线移动自组织通信网络的快速构建与可靠服务。本发明利用Android智能终端连接外置无线数传模块，无需借助电信运营商的移动网络信号，实现终端间的多跳通信，延伸通信距离；在此基础上，开发了一个基于Android平台的去中心化、无服务器支持的用于区域移动数据传输的软件平台，实现了移动通信网络的用户管理、分组管理、数据管理、通信管理等基础服务功能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，所述用于实现区域无线链路的硬件单元，采用日趋廉价的Android智能终端为硬件基础和人机交互界面，通过增加外置无线数传模块来扩展Android智能终端的区域无线通信能力，在不影响Android智能终端原有的蜂窝网络和移动数据服务的前提下，构建基于区域无线移动数传的移动自组网能力和分布式P2P网络系统。

其中Android智能终端作为本系统的应用层软件开发平台，用于实现人机交互和用户界面显示功能；外置无线数传模块用于实现区域无线链路的链路控制、网络层的路由机制功能以及无线信号的发射、接收，例如采用支持ZigBee协议栈的无线数传模块；两者之间通过驱动连接转换模块实现通信接口的互联互通，该驱动连接转换模块包括但不限于通过有线方式连接的USB转UART串口驱动模块、通过无线方式连接的蓝牙驱动模块；为了实现无线信号通信距离的扩展、无线信号的增强，引入天线增益模块或者功放模块用于无线信号的增益放大。

所述用于分布式拓扑结构感知和路由的网络系统构建方法，借鉴成熟的移动自组织网络的组网理论，组建以所述硬件单元为底层硬件基础的分布式自组网系统，其中分布式自组网的拓扑感知、路由计算、数据转发过程采用以下路由寻找选择方法，其具体过程描述如下：

（1）主动发送信息的Android智能终端以广播的形式向其相邻的所有Android智能终端发出一个包含目的Android智能终端信息的路由请求数据包；

（2）接收到路由请求数据包的Android智能终端判断本机地址是不是目的地址，如果是，则该Android智能终端为目的Android智能终端，执行步骤（4），如果不是，执行步骤（3）；

（3）接收到路由请求数据包的Android智能终端判断接收的数据包是否被重复接收过，如果是，则丢弃该数据包，否则Android智能终端将本机地址加入该路由请求数据包并继续广播该路由请求数据包，执行步骤（2）；

（4）目的Android智能终端将本机地址加入到每一个接收到的路由请求数据包后，按照每一个路由请求数据包的发送路由反向回应一个路由应答数据包给一开始主动发送信息的Android智能终端，在每条反向路由上的中继Android智能终端将本机地址加入到该路由应答数据包；

（5）主动发送信息的Android智能终端接收到路由应答数据包后，从数据包中读取出完整的路由信息，并根据该完整的路由信息向目的Android智能终端发送反馈信息，由此主动发送信息的Android智能终端获得一条通往目的Android智能终端的完整路由；

经过多个相邻Android智能终端的转发，主动发送信息的Android智能终端能够获得多条通往目的Android智能终端的路由，即在主动发送信息的Android智能终端和目的Android智能终端之间建立了多条完整路由，并通过该方法建立的路由表进行上层数据包的中继转发。

所述用于区域移动数据传输的软件平台，该软件平台在所述的分布式自组网系统中，完成通信网络的基本功能需求，由于该平台作为基于Android智能终端软件开发平台的特殊性，其提供的服务包括但不限于用户管理服务、分组管理服务、数据管理服务以及以文本消息、语音消息、资源共享为典型代表的通信管理服务，同时为今后的应用功能扩展提供无线组网通信的基础服务软件接口。

其中的用户管理服务主要实现对用户节点信息包括国际移动设备身份码（IMEI）、昵称、显示ID、分组ID等进行设置、修改、保存功能；分组管理服务主要实现应用层创建分组、管理分组、删除分组等分组通信功能；数据管理服务实现通信数据在Android智能终端上的存储管理功能；通信管理服务实现文本消息、语音消息、共享资源等典型通信数据的发送、接收功能。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）快速组网，随遇接入：本发明中的每部Android智能终端仅需要连接廉价的外置无线数传模块和安装本发明公开的App应用程序即可接入到临时组建的分布式自组网系统；（2）覆盖范围广，通信距离长：本发明采用移动自组网的多跳、中继通信方式，完全可以达到日常生活的应用需求，同时本发明可以通过增强通讯模块，例如提高信号发射功率、采用高灵敏度天线，实现更远距离的信息传输；（3）无需流量、服务费用：本发明的数据流量传输不依赖于任何电信运营商的蜂窝移动通信网络，同时打破了电信服务运营商的各类服务限制，所以整个系统的传输无需昂贵的流量费用、服务费用；（4）支持单播、组播、广播传输方式：本发明支持通过单播方式进行数字通信，同时支持通过组播、广播方式实现一对多的数字通信，以避免单播方式对网络带宽和节点资源的浪费，通信方式多样、灵活简单、资源利用率高。

附图说明

图1是系统应用场景示意图。

图2是系统体系结构图。

图3是硬件单元连接图。

图4是网络构建方法路由建立流程图。

图5是软件平台开发框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详述。

图1所示为本发明的应用场景示意图，本发明是一个完整的移动自组织网络生态系统，通过多部连接外置无线数传模块的Android智能终端组成了移动自组织网络。每部Android智能终端上都安装了本发明设计开发的基于分布式自组网的区域便携移动通信App软件。当一个智能手机终端启动并运行该App软件后，会和周围一定范围内（取决于外置无线数传模块的通信范围）其它启动并运行了相同App软件的Android智能终端组成分布式的移动自组织网络。

图2所示为本发明的系统体系结构图，本发明是一个技术成熟、功能完整、硬件独立、使用方便的区域移动自组网生态系统，包括用于实现区域无线链路的硬件单元、用于分布式拓扑结构感知和路由的网络系统构建方法，以及用于区域移动数据传输的软件平台。

图3所示为硬件单元的连接图，为了在不影响Android智能终端正常通过内置Wi-Fi模块联网功能的前提下，实现提出的分布式自组网系统，同时也为了增强分布式自组网的通信距离和容错性、抗毁性，本发明引入了无线数传模块，通过驱动连接转换模块将二者连接起来，通过天线增益模块对传输信号进行增益放大扩展节点单跳通信距离，从而完成分布式自组网的硬件单元连接组成。

其中的Android智能终端作为本系统的应用层软件平台，具有人机交互和用户界面显示功能；外置无线数传模块用于实现区域无线链路的链路控制、网络层的路由机制功能以及无线信号的发射、接收，其中的链路控制协议既可以采用ZigBee协议栈中的链路控制协议标准IEEE 802.15.4，也可以采用IEEE 802.11系列协议定义的物理层、数据链路层协议规范，网路层的路由机制拟采用系统资源消耗较少的改进自OLSR路由协议的自定义路由寻找选择方法；连接Android智能终端和无线数传模块的驱动连接转换模块包括但不限于通过有线方式连接的USB转UART串口驱动模块、通过无线方式连接的蓝牙驱动模块等各类模块。

图4所示为分布式自组网系统的路由建立流程示意图，借鉴成熟的移动自组织网络的组网理论，组建以所述硬件设备为底层硬件基础的分布式自组网系统，其中分布式自组网的拓扑感知、路由计算过程采用以下路由寻找选择方法，其具体过程描述如下：

图5所示为软件平台的开发框架图，本发明设计开发的基于分布式自组网的Android平台基础通信软件可以完成通信网络的基本功能需求，包括但不限于用户管理服务、分组管理服务、数据管理服务以及通信管理服务，同时为今后的应用功能扩展提供基础软件函数接口。下面对所述软件平台涉及到的主要功能模块做一个详细介绍：

用户管理服务模块主要实现对用户节点的信息进行保存、交互的功能，达到用户之间的身份识别与通信交流。用户信息包括国际移动设备身份码（IMEI）、昵称、显示ID、分组ID、地理位置的经纬度等，其中IMEI用于唯一确定用户身份，显示ID用于地图上的简易显示与标识，昵称则能方便用户之间的通信交流，分组ID表示该用户节点所属于的小组网络。

分组管理服务模块主要是针对移动自组网内分组管理功能的实现模块，主要功能包括创建分组、管理分组、删除分组网络。特别指出，用户只有加入某一分组，才具有小组通信交流的功能。

数据管理服务模块主要是针对通信数据在Android智能终端上的存储管理。用户节点信息主要通过Android平台的SharedPreferences机制保存于XML文件中；通信过程中的文本消息、语音消息保存于SQLite数据库中；而对于共享的文件、图片、视频等多媒体资源的存储，为了避免出现某一用户终端占用过多自身存储空间用于保存网内共享资源，所有的共享资源均以分布式存储方式存在于整个自组网内，并有多份副本备份，避免了某一节点的失效导致共享资源的丢失。

通信管理服务模块是为满足移动通信网络平台服务的完整性设计的便捷通信核心功能模块。在此功能模块中，既能够提供基于点对点通信的单播数字通信服务，也能够提供基于点对多点通信的组播、广播数字通信服务，同时还支持文档、图片、视频等多媒体资源在节点间基于数字通信的上传、下载和共享。

本发明可以避免当前基于手机网络的移动网络系统对于设备频率、通信模式、固定基站、接入点等基本技术和设施的依赖，实现了一个基于无固定网络结构、无服务限制、无管理中心、灵活开放的无线移动通信系统和应用软件开发平台。通过对本发明实现的快速组网、随遇接入、数据交换等服务进行应用扩展、二次开发，可以针对性的实现不同应用场景、技术指标、服务模式的区域无线通信和社交移动App，广泛应用于校园服务、商业活动、野外科考、抗灾救险、应急服务等无线移动自组织通信网络的快速构建与可靠服务。

Claims

1.一种Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，其特征在于：包括以下组成部分

用于实现区域无线链路的硬件单元；

用于分布式拓扑结构感知和路由的网络系统构建方法；

用于区域移动数据传输的软件平台。

2.根据权利要求1所述的Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，其特征在于：所述用于实现区域无线链路的硬件单元，依托于Android平台，在不改变现有Android智能终端结构与功能的前提下，利用驱动连接转换模块、无线数传模块、天线增益模块，扩展Android智能终端作为移动通信终端的无线通信能力。

3.根据权利要求2所述的Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，其特征在于：所述Android智能终端作为本系统的应用层软件开发平台，用于实现人机交互和用户界面显示功能；所述驱动连接转换模块用于实现Android智能终端和无线数传模块的互联互通，该模块包括通过有线方式连接的USB转UART串口驱动模块、通过无线方式连接的蓝牙驱动模块；所述无线数传模块用于实现区域无线链路的链路控制、网络层的路由机制以及无线信号的发射、接收；所述天线增益模块用于无线信号的增益放大，实现无线信号通信距离的扩展。

4.根据权利要求1或2所述的Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，其特征在于：所述用于分布式拓扑结构感知和路由的网络系统构建方法，根据移动自组织网络的组网理论，组建硬件设备为底层硬件基础的分布式自组网系统，其中分布式自组网的拓扑感知、路由计算、数据转发过程采用基于以下自定义的路由寻找选择方法，其具体过程如下：

主动发送信息的Android智能终端以广播的形式向其相邻的所有Android智能终端发出一个包含目的Android智能终端信息的路由请求数据包；

接收到路由请求数据包的Android智能终端判断本机地址是不是目的地址，如果是，则该Android智能终端为目的Android智能终端，执行步骤（4），如果不是，执行步骤（3）；

接收到路由请求数据包的Android智能终端判断接收的数据包是否被重复接收过，如果是，则丢弃该数据包，否则Android智能终端将本机地址加入该路由请求数据包并继续广播该路由请求数据包，执行步骤（2）；

目的Android智能终端将本机地址加入到每一个接收到的路由请求数据包后，按照每一个路由请求数据包的发送路由反向回应一个路由应答数据包给一开始主动发送信息的Android智能终端，在每条反向路由上的中继Android智能终端将本机地址加入到该路由应答数据包；

主动发送信息的Android智能终端接收到路由应答数据包后，从数据包中读取出完整的路由信息，并根据该完整的路由信息向目的Android智能终端发送反馈信息，由此主动发送信息的Android智能终端获得一条通往目的Android智能终端的完整路由；

5.根据权利要求1或3所述的Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，其特征在于：所述用于区域移动数据传输的软件平台，该软件平台在组建的分布式自组网系统中，完成通信网络的基本功能需求，该平台作为基于Android智能终端的软件开发平台，提供的服务包括用户管理服务、分组管理服务、数据管理服务以及以文本消息、语音消息、资源共享为典型代表的通信管理服务。

6.根据权利要求5所述的Android区域便携移动自组网的软硬件系统构建方法，其特征在于：所述用户管理服务实现对用户节点信息包括国际移动设备身份码（IMEI）、昵称、显示ID、分组ID进行设置、修改、保存功能；所述分组管理服务实现创建分组、管理分组、删除分组网络功能；所述数据管理服务实现通信数据的存储管理功能；所述通信管理服务实现文本消息、语音消息、共享资源的发送、接收功能。