iy智能终端”专题Ⅲi
物联网手机设计研究
凌泽军孙震强倪冰庄永昌张志荣中国电信股份有限公司北京研究院
【摘要1文章阐述了物联网的分层和物联网手机的概念，分析了物联网手机系统设计的几种方案及其忧缺点，并给出了通
过蓝牙、sD卡接口和USB接口技术在Android平台上实现物联网手机的具体方案。
【关键词】物联网手机蓝牙zigbeeUSBAndroid
1引言
物联网近年来发展很快．被视作下一个万亿级产
业。物联网一般可以从上至下分为三层，最下一层为感
知层，由各种传感器组成．目前大多是分散的，未来很可
能会组成传感网。它们完成各种场合下各种应用数据的采
集、汇聚、转发功能，甚至可以通过执行结构完成需要的
控制功能。在传感器和传感网的各种协议中．基于IEEE
8025．4标准的低功耗和低带宽Zigbee．是可以完成传感
器多节点、自组网功能的典型代表。中间层是网络层．包
括传统的固定网，以及近几年兴起的由手机、数据卡、
M2M模块、上网本、平扳电脑等组成的移动互联网．完
成数据的传输、标识和触发等功能。最上层是各种应用和
场合．也包括云计算组成的应用层，可以完成数据的融
合、提交和适配等功能。
物联网手机在基于物联网行业的应用中的作用如图1
所示
收稿日期：2012-06—19
责任编辑：左永君zuoyongjun@mbcomci3>>：=_
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物联网手机物联网手机是各燧ⅫJt：{‘H
鬟篙獬蹴薹蒸热；黧呈现体用连接器
感器感器
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而且随着开发者和开发公司的增加．应用还在不断迅速增
多。目前．物联网手机最缺乏的一环，就是接入感知层即
传感器和传感网的能力。
2物联网手机的设计
手机传统硬件系统主要分为主板、U1M／SIM卡、后
盖和通用外部接口。可以考虑从这四个方面来进行设计．
提高手机接八感知层的能力，让普通的互联网手机变为物
联网手机。
2．1物联网手机接口内置到主板上
随着手机对传感器需求的日益增长和传感器工艺的
改进，传感器物理尺寸越来越小．越来越多的传感器被
放到了手机的主板上．包括：摄像头传感器camera(对
图像的传感采集)，位置传感器GPS(对位置的感应、
定位)．重力传感器G—sensor(对重力的感应)．指南
针传感器compassscnsor(对方向的感应)．接近传感器
proximitysensor(对人和手机位置接近的感应)．光线感
应传感器lightsensor(对光线的感应)。
随着物联网的日益发展，对传感器网络接八的需求
也越来越强烈，RFID已经集成到了越来越多的手机产品
中。已经有厂家把Zigbee模块和蓝牙、wi．Fi一样，放在
手机的主板上，这样可以很好地和传感器网络连接起来。
而Zigbee模块和手机的其它硬件模块特别是应用处理器
AP之间，可以采用sPI、串口、USB、共享内存、GPIO、
总线等方式进行数据的交互、通信和控制。
◆方案优点：和手机主板一体化，强度好，方便使
用、接人物联网：
◆方案缺点：开发周期长、成本高．产品少，目前
用户普及度、认知度低；
◆已有产品：诺基亚内置NFC手机、七喜物联网手
机等。
2．2物联网手机接口内置到UIM／S1M卡上
把2．4GHz的RFID芯片设计到uIM，SIM卡中．手机通
过UIM／S1M卡访问RFID，进行移动支付等业务。这已是
中国移动等运营商和一些终端厂商主推的一种成熟的手机
产品，在此不再赘述。
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◆方案优点：和UIM／SIM卡绑定，可以直接由运营
商发行；
◆方案缺点：2．4GHz的RFID方式功耗高，与现有的
1356MHz标准不兼容．银联和银行排斥．推广困难；
◆已有产品：中国三大运营商都有了定制卡产品。
2．3物联网手机接口内置到后盖上
手机内除了主板可以加上传感器和一些接口外．电
池基本不能改动，而后盖是可以定制修改的，只是需要花
费比较多的人力和时间。一般需要定制后盏的外观．如果
后盖要加上电路，新加的电路也得重新设计．后盖也要因
此加厚。
图2是采用定制后盖的一种物联网手机技术设计方
案。在手机后盖内侧．可以放人心电传感器或者zigbee模
块，也可以是RFID、扫描头或其它传感器：手机后盖外
侧．可以放入心电采集电极或者Zigbee天线等。手机后盖
内的芯片电路供电，可以通过手机和后盖之间的供电触点
供电；手机和后盖之间．可以通过下列通信接口进行通
信，包括：串121、12C、SPI和通用I／O接口等。
手机后盖内侧心f蝴电传感．器RF、IO舀,鸡蓿手机后盖外侧
头或其它传感器
手机向传感器供电触点
三机兽毽鐾擎繁端黧裁口．包括串口、12C、。一。一
SPI和通用／O接口等
图2采用定制后盖的物联网手机技术设计方案
图3是一种采用定制后盖的Zigbee物联网手机技术参
考方案。在手机后盖中放置了天线、Zigbee通信模块和微
控制器硬件模块，Zigbee通信模块可以和外部带Zigbee的
重力、温度或湿度传感器采集模块通过Zigbee杉J,议进行无
线通信．再把相关信息发送给徽控制器MCU进行信息处
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万方数据
理。而手机和后盖之间，可以通过下列通信触点和接口进捷的远程医疗、保健服务。
行通信．包括：串口、12C、sPI和通用I，o接口等。血压仪
外部带Zigbee的重力、温度
或湿度等传感器采集模块
Zigbee处理模块
天线盏；；藉裟搬控制器通信电平变换
供电触点通信触点
供电触点通信触点
图3采用定制后盖的zigbee物联网手机技术设计方案
◆方案优点：相对于主板方案，其开发、推广成本
较低；
◆方案缺点：一体化程度较低，强度、耐用度需要
提高；
◆已有产品：中国三大运营商的移动支付手机。
3采用通用外部接口的韵联网手机设计
在中高端手机中．蓝牙、SD卡、USB都已经成为基
本配置．手机可以通过这些标准接口．对外扩展、接八到
物联网感知层，下面分别加以阐述。
3．1物联同手机通过蓝牙接口外接
经过近20年的发展．不同厂家的蓝牙芯片、手机之
间的互联互通和互操作已经非常成熟。很多传感器设备都
可以做成标准蓝牙外设的方式，通过蓝牙协议和手机进行
信息交互。
以下是通过蓝牙实现和医疗／健康设备的通信、信息
交互的物联网手机实例。系统硬件架构如图4所示．可以
基于Android等智能手机平台．通过蓝牙通信传输方式实
现血压／血糖监测仪、心电监测仪的数据采集、本地存储
和客户端查询展示．把用户的监测数据通过中国电信移动
网络发送到远程健康服务管理平台上．提供医生诊断及健
康指导，并把分析结果及时反馈到用户手机终端，实现便
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i¨智能终端”专题东ii；
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图4基于蓝牙的物联网手机系统硬件架构
Android平台中
系统软件架构如图5
所示．血压、血氧、
血糖、心电等健康
传感器的健康数据通
过蓝牙硬件物理层．
分层通过MAC驱动
层、网络和安全层
(包括TcP仃啉议、
蓝牙SPP协议)往上
层上传，经过应用框
架层、应用概要层，
最后在上层应用层完
成健康数据的采集、
显示、存储和网络上
圈5基于蓝牙的物联网手机
系统软件架构
传功能。软件功能主要包括：自动更新，外设管理．用户
信息配置，数据采集通讯。数据加工存储．血压、血糖、
能量、心电数据查询．数据上传处理，诊断信息查询等。
系统软件由业务层、数据管理层与协议层组成：
(I)业务层：进行相关业务处理。包括：血压采
集、血压查询、血糖}查询、心电采集、心电查询、心电图
展示、用户管理、系统配置和设备管理等。
(2)数据管理层：进行数据的管理与交互。包括：
数据上传、蓝牙采集、SQLite数据存取和XML配置存取
等。
(3)协议层：负责通讯与传输协议．包括：Socket
通讯、蓝牙通讯。
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万方数据
鍪Ⅲy智能终端”专题；；
方案优点：
◆蓝牙已是中高端手机特别
是智能手机的标准配置；
◆协议成熟，标准化程度
高；
◆设备互通性、互操作性
好；
◆开发成本低、推广容易，
用户使用方便。
缺点：
◆传输距离较近；
◆蓝牙相对Zigbee的功耗较
高；
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暑灌度传盛嚣网结Zlgbee采集横块
ZigbeeJ目l仨
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信息分新量务嚣GSM／CDMA／WCDMA
网络
图6；基-T-sDzl曲cc实现温湿度采集的物联网手机系统硬件架构
◆蓝牙可以实现同时连接的
节点l：LZigbee少。
3．2物联网手机通过SD卡接口外接
物联网手机还可以通过标准SD卡接口外接。目前
已经可以把Zigbee模块做到MiniSD卡大小，随着工艺
的改进和发展，未来将会做成MicroSD也就是T-Flash卡
大小。可以把同样的SD卡，插到不同的系统平台上，
包括WindowsPhone、WindowsCE、Linux、Android、
iPhone、Symbian、BlackBerry和Brew等．不需要开发驱
动程序，只需要开发不同的客户端软件；甚至可以把客户
端内置到带存储功能的SD卡上，用户可以即插即用．非
常方便。所以这种外置的方式更现实、更灵活，也更容易
推广，具有更大的应用空间。其缺点是外插的物联网SD
卡因为工艺和空间尺寸的限制．一般不具有存储功能．而
存储功能正是用户非常需要的。
下面介绍一个适用干中国电信天翼手机终端的基于
Zigbee的物联网手机系统实例。基于Android智能手机平
台．通过Zigbee模块之间的通信．经手机的sD卡接121，
实现对温湿度数据的采集、显示、存储、查询和上传。未
来可以考虑利用监测到的各种数据，通过中国电信物联网
服务管理平台，提供包括温湿度等各种参数的远程检测监
控服务。
系统硬件架构如图6所示。温湿度传感器感知环境的
温湿度，Zigbee采集模块和温湿度传感器通信，采集温湿
28I磊暑暑薷
度的数据．通过Zibee通信传给SD卡形式的Zigbee模块．
Zigbee模块通过SD卡接口．把数据传输给手机．手机便
完成了数据的采集，再进行数据显示、存储、查询．手机
和PC通过USB或者蓝牙实现数据上传，手机和网络间通
过wi．Fi、CDMAEV-DO／IX、GSM／GPRS实现温湿度数据
的上传。
Android平台中的系统软件架构如图7所示，温湿度
等传感器采集的实时数据通过SD卡形式的Zigbee模块采
图7基于SDZigbce实现温湿度采
集的物联网手机系统软件架构
集．再经过SD卡
的硬件物理层、
MAc驱动层、
网络和安全层
(包括TCP／IP协
议、SD和Zigbee
协议)往上层上
传，经过应用框
架层、应用概要
层，最后在上层
应用层完成温湿
度传感器实时数
据的采集、显
示、存储和上传
：0：责任编辑：左永君zuoyongjun@mbcom．CR
●
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●
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虽
万方数据
的功能。软件功能主要包括：自动更新、外设管理、用户
信息配置、数据采集、数据加工存储、温湿度传感器数据
的查询和数据上传处理等。
方案优点：
◆SD卡已经是中高端手机特别是智能手机标准配
置；
◆卡接口成熟，标准化程度高；
◆接口互通性、互操作性好；
◆卡方案开发成本低、推广容易，用户使用方便。
缺点：
◆受工艺和空间尺寸限制，一般不具有存储功能；
◆目前的工艺和器件水平只能做至lJMiniSD卡大小，
还做不§lJMicroSD卡大小，而现有很多手机只有支持
MicroSD卡的插槽．因此该方案不方便使用推广。
3．3物联网手机通过USB接口外接
物联网手机同样可以通过USB接口外接。已经有产品
把Zigbee模块做成USB盘方式，接口包括Micro、Mini等
方式。但usB方式和-T-帆连接。需要手机支持USBHost或
者OTG方式，而目前很少有手机支持。可以把同样zigbee
模块的USB盘插到不同的系统平台上，包括Windows
Phone、WindowsCE、Linux、Android、iPhone、
Symbian、BlackBerry和Brew等，只需要开发不同的客户
端软件。只需把图6的SD卡换成USB，就可以实现和上节
类似的USB物联网手机设计。
方案优点：
OUSB口是中高端手机特别是智能手机的标准配置；
◆接[21成熟．标准化程度高；
◆接口互通性、互操作性好；
◆方案开发成本低、推广容易．用户使用方便。
缺点：
◆需要手机支持USBHost或者OTG方式。而现有大
多数手机还无法支持．现有方案不方便使用推广。
4结语
物联网是近年来的发展趋势，和物联网相关的M2M
模块已经积累了不少应用经验；而物联网手机、物联网
网关目前正处于起步阶段，随着各个行业物联网应用的增
责任编辑：左永君zuoyongJun@mbcomcn>jj
；¨智能终端”专题Ⅲii；
加，以及终端厂商的跟进和开发者的增加，未来将有很大
的发展空间。
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[2]工业和信息化部TC5一WG3—2010—060rl无线传感器
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2010f61：31-35
【4]韩超，梁泉Android系统原理及开发要点详解[M】北京：
电子工业出版社，2010：6-58，267-280-k
凌泽军：高级工程师，现就职
于中国电信股份有限公司北京
研究院宽带与互联网创新中
心，从事智能终端、物联网和
LTE终端方面的技术研究，曾长
期从事嵌入式系统开发和掌上
电脑、智能手机的产品软件开
发，定制及项目管理I作。
孙震强：中国电信股份有限公
司北京研究院网络技术研究部
副主任，中国电信集团科技委
员会委员，北京邮电大学客座
教授，I学博士。
倪冰：高级工程师，现任中国
电信股份有限舟司北京研究院
行业应用与集团产品研发部产
品．总监，长期从事医卫健康行
业应用开发与研究，对区域卫
生信息平台、医院信息化、健
康管理信息化等领域有深刻理
解。
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万方数据
物联网手机设计研究
作者：凌泽军，孙震强，倪冰，庄永昌，张志荣
作者单位：中国电信股份有限公司北京研究院
刊名：移动通信
英文刊名：MobileCommunications
年，卷(期)：2012,36(15)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ydtx201215006.aspx
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