崔世鋼　代鳳輝　梁帆

摘要：為了實(shí)現(xiàn)將植物生長(zhǎng)柜傳感器節(jié)點(diǎn)的信息傳輸?shù)紸ndroid系統(tǒng)下，同時(shí)在該系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示和控制。本研究在對(duì)Android平臺(tái)串口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行重點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多傳感器（包括2個(gè)溫度傳感器、1個(gè)濕度傳感器、1個(gè)光照傳感器、1個(gè)二氧化碳濃度傳感器）的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)顯示。Android平臺(tái)具有強(qiáng)大的功能，將多傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撈脚_(tái)下，為后續(xù)開(kāi)發(fā)提供廣闊空間。

關(guān)鍵詞：智能植物生長(zhǎng)柜；Android系統(tǒng)；智能控制；串口驅(qū)動(dòng)；多傳感器；

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274；S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002—1302（2016）01—0403—03

當(dāng)前，世界人口不斷增長(zhǎng)、物質(zhì)需求不斷增加，而資源卻不斷減少，環(huán)境不斷惡化，為解決全球資源與環(huán)境問(wèn)題，設(shè)施農(nóng)業(yè)越來(lái)越受到人們的推崇，得到了前所未有的發(fā)展與應(yīng)用。智能植物生長(zhǎng)柜作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的一部分，以節(jié)省資源、環(huán)境保護(hù)、安全、放心、健康為出發(fā)點(diǎn)，得到社會(huì)的廣泛關(guān)注與認(rèn)可。隨著城市的現(xiàn)代化建設(shè)步伐和環(huán)境污染速度越來(lái)越快，可利用農(nóng)業(yè)耕地面積越來(lái)越少，同時(shí)人們生活水平的提高，對(duì)生活質(zhì)量也提出了更高的要求。作為一種保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源和能生產(chǎn)出安全健康的新型植物生產(chǎn)系統(tǒng)，智能植物生長(zhǎng)柜有很強(qiáng)的應(yīng)用性。在我國(guó)，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控基本處于人工采樣、化學(xué)分析的人工監(jiān)測(cè)階段，實(shí)時(shí)性不好，少數(shù)便攜式儀表還存在使用維護(hù)困難等問(wèn)題，此外生長(zhǎng)柜對(duì)環(huán)境具有非常高的要求。Android系統(tǒng)作為開(kāi)源的操作系統(tǒng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，基于該平臺(tái)下的各類(lèi)控制系統(tǒng)很多大學(xué)與公司的研究方向。Android設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Android操作系統(tǒng)的重要組成部分，是軟件與硬件連接的“橋梁”，分析該系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)理，對(duì)于Android系統(tǒng)上層應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有重大的指導(dǎo)意義。

1材料與方法

1.1系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要分為執(zhí)行模塊、生長(zhǎng)柜監(jiān)控模塊、Android測(cè)控端等部分。本研究對(duì)Android系統(tǒng)內(nèi)核中的串口驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)了應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。試驗(yàn)利用FS_V210開(kāi)發(fā)板（運(yùn)行Android系統(tǒng)）為終端，由下位機(jī)STM32實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)其串口與運(yùn)行Android系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行通信，在開(kāi)發(fā)板顯示屏上實(shí)時(shí)顯示5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。FS_V210開(kāi)發(fā)板具有攝像頭、LCD觸摸屏、網(wǎng)口等豐富硬件資源，便于攜帶、交互性強(qiáng)、易于開(kāi)發(fā)，為智能植物生長(zhǎng)柜提供優(yōu)秀的控制系統(tǒng)平臺(tái)。Android系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2實(shí)現(xiàn)方法

1.2.1 Android串口驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā) 串口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程就是Android系統(tǒng)下的通信數(shù)據(jù)流和功能調(diào)用的過(guò)程。Android串口終端驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，串口驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)共分為4個(gè)層次，即驅(qū)動(dòng)層、HAL層（1ibhardware）、JNI層（java native inter-face）、Framework層和應(yīng)用層。

1.2.1.1串口驅(qū)動(dòng)層 Android內(nèi)核是由標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核修改而來(lái)的，最底層的Android硬件驅(qū)動(dòng)層就是Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，二者內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)方法是一樣的，都是以Linux模塊的方法實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)層是與硬件設(shè)備直接聯(lián)系的一層，通過(guò)訪問(wèn)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，在該層中定義串口設(shè)備文件的訪問(wèn)方法，主要定義串口的Open、Read和Write。此外，還執(zhí)行了串口設(shè)備的注冊(cè)和初始化操作。

1.2.1.2 HAL層 硬件驅(qū)動(dòng)程序一方面分布在Linux內(nèi)核中，另一方面分布在用戶(hù)空間的硬件抽象層中，在該層中增加串口的硬件抽象層模塊訪問(wèn)Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序。按照An-droid硬件抽象層規(guī)范的要求，分別定義模塊ID（UART_HARDWARE_MODULE_ID）、模塊結(jié)構(gòu)體（struct uart_module_t）以及硬件接口結(jié)構(gòu)體（struct uart_control_device_t）。在硬件接口結(jié)構(gòu)體中，fd表示設(shè)備文件描述符，HAL層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2.1.3 JNI層 Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序是用Java語(yǔ)言編寫(xiě)的，而硬件驅(qū)動(dòng)程序是用c語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用程序要調(diào)用串口驅(qū)動(dòng)程序操作硬件必須通過(guò)Java本地調(diào)用JNI來(lái)調(diào)用硬件抽象層接口。JNI層主要實(shí)現(xiàn)Java與C/C++之間的過(guò)渡，不涉及復(fù)雜的邏輯，只根據(jù)規(guī)則為上層函數(shù)調(diào)用串口的下層接口。該層定義HAL的模塊ID和2個(gè)全局變量sUartDe-vice和sUartModule，在Uart_init函數(shù)中，通過(guò)Android硬件抽象層提供的hw_get_module方法來(lái)加載模塊ID為UART_HARDWARE_MODULE_ID的硬件抽象層模塊，其中HELLO_HARDWARE_MODULE_ID是在中定義的。Android硬件抽象層會(huì)根據(jù)UART_HARDWARE_MOD-ULE_ID的值在Android系統(tǒng)的/system/lib/hw目錄中找到相應(yīng)的模塊，然后加載起來(lái)，并且返回hw_module_t接口給調(diào)用者使用。

1.2.1.4 Framework層 為硬件抽象層模塊編寫(xiě)完串口的JNI方法后，須要為Android系統(tǒng)的Application Frameworks層增加硬件訪問(wèn)服務(wù)MyUartService，通過(guò)該層提供的硬件服務(wù)來(lái)調(diào)用JNI方法，進(jìn)而調(diào)用底層的硬件抽象層接口去訪問(wèn)硬件。在Application Frameworks層中包含自定義的硬件服務(wù)MyUartService，在Android系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載MyUartSer-vice。這時(shí)應(yīng)用程序就可以通過(guò)Java接口來(lái)訪問(wèn)uart硬件服務(wù)了。

1.2.2串口應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā) 本研究中實(shí)現(xiàn)的功能是由單片機(jī)STM32實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)溫度傳感器（為區(qū)分2個(gè)溫度傳感器的值，顯示分別命名為根部溫度、溫度）、1個(gè)濕度傳感器、1個(gè)光照強(qiáng)度傳感器、1個(gè)CO₂濃度傳感器數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)其串口將接收到的5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)在開(kāi)發(fā)板上實(shí)時(shí)顯示。底層編寫(xiě)的串口驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)的功能是1個(gè)字節(jié)的讀和字符串的寫(xiě)，在應(yīng)用程序?qū)诱{(diào)用字符型函數(shù)GpsDataUpdate（）實(shí)現(xiàn)1個(gè)字節(jié)的讀取，整型函數(shù)GpsDataUpdate_write（string s）實(shí)現(xiàn)字符串的寫(xiě)。為實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的正確顯示，須要在上層對(duì)串口應(yīng)用程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和部分代碼如下：（1）在Android系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)軟件eclipse中新建工程，然后在該工程新建Uart類(lèi)，這個(gè)類(lèi)主要用來(lái)加載SO文件（uart_runtime.so），通過(guò)JNI的方式打開(kāi)關(guān)閉串口。

（2）為實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口接收到的所有數(shù)據(jù)的顯示，定義1個(gè)字符串s1，用于存放通過(guò)GpsDataUpdate（）讀取到的1個(gè)字節(jié)（以下代碼是把該字節(jié)先讀取到sbuffer，再由sbuffer存放于s1辛），在這里有1個(gè)while循環(huán)用于判斷是否數(shù)據(jù)接收完，未接收完就繼續(xù)接收，并把接收到的值放到s1，接收完就跳出。在區(qū)里加1個(gè)線程將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，睡眠時(shí)間為1 s。

（3）實(shí)現(xiàn)以上代碼的功能，可以讀到5個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，但是須要將5個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)分開(kāi)，分別顯示在5個(gè)EditText中。利用split根據(jù)給定的參數(shù)把原來(lái)的分割為幾個(gè)子字符串。核心代碼如下：

在本例中，下位機(jī)STM32串口發(fā)送的1串?dāng)?shù)據(jù)中開(kāi)頭與結(jié)尾分別加上字母b，中間的每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)之間都加上字母a。以上代碼strView.split（“b”）中，將字符串strView根據(jù)參數(shù)b分割為3個(gè)部分，取中間的傳感器數(shù)據(jù)部分，再根據(jù)參數(shù)a進(jìn)行分割，可以準(zhǔn)確得到5組數(shù)據(jù)，分別存放于字符串strView0、strViewl等5個(gè)字符串中。updateView（）為刷新函數(shù)，數(shù)據(jù)不斷更新。

2結(jié)果與分析

本例中使用Android第3方圖形庫(kù)AndroidPlot繪制圖形，先創(chuàng)建1個(gè)數(shù)組保存繪制用的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)組轉(zhuǎn)換為XYSeries，將數(shù)組中的傳感器值繪制在圖形庫(kù)中，生成曲線圖。試驗(yàn)結(jié)果以植物生長(zhǎng)柜的空氣溫度為例，如圖5所示。

3結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)Android系統(tǒng)下的串口驅(qū)動(dòng)原理的具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)分析的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)FS_V210開(kāi)發(fā)板與單片機(jī)STM32的串口通信，完成對(duì)智能植物生長(zhǎng)柜中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)信息的接收與顯示，為實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)柜的智能化、網(wǎng)絡(luò)化打下基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)實(shí)例，開(kāi)發(fā)Android系統(tǒng)的串口應(yīng)用程序，接收到5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)串口驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行驗(yàn)證分析，對(duì)智能植物生長(zhǎng)柜在Android系統(tǒng)下的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。