基于Android平臺串口驅動的多傳感器數據傳輸的實現

崔世鋼　代鳳輝　梁帆

摘要：為了實現將植物生長柜傳感器節點的信息傳輸到Android系統下，同時在該系統下實現對各傳感器節點的數據顯示和控制。本研究在對Android平臺串口驅動進行重點分析的基礎上，設計并實現多傳感器（包括2個溫度傳感器、1個濕度傳感器、1個光照傳感器、1個二氧化碳濃度傳感器）的數據傳輸和實時顯示。Android平臺具有強大的功能，將多傳感器數據傳輸到該平臺下，為后續開發提供廣闊空間。

關鍵詞：智能植物生長柜；Android系統；智能控制；串口驅動；多傳感器；

中圖分類號：TP274；S126 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0403—03

當前，世界人口不斷增長、物質需求不斷增加，而資源卻不斷減少，環境不斷惡化，為解決全球資源與環境問題，設施農業越來越受到人們的推崇，得到了前所未有的發展與應用。智能植物生長柜作為設施農業的一部分，以節省資源、環境保護、安全、放心、健康為出發點，得到社會的廣泛關注與認可。隨著城市的現代化建設步伐和環境污染速度越來越快，可利用農業耕地面積越來越少，同時人們生活水平的提高，對生活質量也提出了更高的要求。作為一種保護環境、節約資源和能生產出安全健康的新型植物生產系統，智能植物生長柜有很強的應用性。在我國，對于農業生產環境的監控基本處于人工采樣、化學分析的人工監測階段，實時性不好，少數便攜式儀表還存在使用維護困難等問題，此外生長柜對環境具有非常高的要求。Android系統作為開源的操作系統、操作簡單、功能強大，基于該平臺下的各類控制系統很多大學與公司的研究方向。Android設備驅動程序是Android操作系統的重要組成部分，是軟件與硬件連接的“橋梁”，分析該系統下的設備驅動運行機理，對于Android系統上層應用程序的設計開發有重大的指導意義。

1材料與方法

1.1系統方案

系統主要分為執行模塊、生長柜監控模塊、Android測控端等部分。本研究對Android系統內核中的串口驅動程序進行了詳細的分析，并在此基礎上編寫了應用程序，實現多傳感器的數據傳輸。試驗利用FS_V210開發板（運行Android系統）為終端，由下位機STM32實現對5個傳感器數據的采集，通過其串口與運行Android系統的上位機進行通信，在開發板顯示屏上實時顯示5個傳感器數據。FS_V210開發板具有攝像頭、LCD觸摸屏、網口等豐富硬件資源，便于攜帶、交互性強、易于開發，為智能植物生長柜提供優秀的控制系統平臺。Android系統結構框圖如圖1所示。

1.2實現方法

1.2.1 Android串口驅動開發 串口驅動的實現過程就是Android系統下的通信數據流和功能調用的過程。Android串口終端驅動結構如圖2所示，串口驅動結構共分為4個層次，即驅動層、HAL層（1ibhardware）、JNI層（java native inter-face）、Framework層和應用層。

1.2.1.1串口驅動層 Android內核是由標準的Linux內核修改而來的，最底層的Android硬件驅動層就是Linux設備驅動層，二者內核驅動程序的編寫方法是一樣的，都是以Linux模塊的方法實現的。驅動層是與硬件設備直接聯系的一層，通過訪問相應驅動程序直接對硬件進行操作，在該層中定義串口設備文件的訪問方法，主要定義串口的Open、Read和Write。此外，還執行了串口設備的注冊和初始化操作。

1.2.1.2 HAL層 硬件驅動程序一方面分布在Linux內核中，另一方面分布在用戶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Linux內核驅動程序。按照An-droid硬件抽象層規范的要求，分別定義模塊ID（UART_HARDWARE_MODULE_ID）、模塊結構體（struct uart_module_t）以及硬件接口結構體（struct uart_control_device_t）。在硬件接口結構體中，fd表示設備文件描述符，HAL層結構如圖3所示。

1.2.1.3 JNI層 Android系統的應用程序是用Java語言編寫的，而硬件驅動程序是用c語言來實現的，應用程序要調用串口驅動程序操作硬件必須通過Java本地調用JNI來調用硬件抽象層接口。JNI層主要實現Java與C/C++之間的過渡，不涉及復雜的邏輯，只根據規則為上層函數調用串口的下層接口。該層定義HAL的模塊ID和2個全局變量sUartDe-vice和sUartModule，在Uart_init函數中，通過Android硬件抽象層提供的hw_get_module方法來加載模塊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硬件抽象層會根據UART_HARDWARE_MOD-ULE_ID的值在Android系統的/system/lib/hw目錄中找到相應的模塊，然后加載起來，并且返回hw_module_t接口給調用者使用。

1.2.1.4 Framework層 為硬件抽象層模塊編寫完串口的JNI方法后，須要為Android系統的Application Frameworks層增加硬件訪問服務MyUartService，通過該層提供的硬件服務來調用JNI方法，進而調用底層的硬件抽象層接口去訪問硬件。在Application Frameworks層中包含自定義的硬件服務MyUartService，在Android系統啟動時自動加載MyUartSer-vice。這時應用程序就可以通過Java接口來訪問uart硬件服務了。

1.2.2串口應用程序的開發 本研究中實現的功能是由單片機STM32實現對2個溫度傳感器（為區分2個溫度傳感器的值，顯示分別命名為根部溫度、溫度）、1個濕度傳感器、1個光照強度傳感器、1個CO₂濃度傳感器數據的采集，通過其串口將接收到的5個傳感器數據在開發板上實時顯示。底層編寫的串口驅動程序，實現的功能是1個字節的讀和字符串的寫，在應用程序層調用字符型函數GpsDataUpdate（）實現1個字節的讀取，整型函數GpsDataUpdate_write（string s）實現字符串的寫。為實現各個傳感器數據的正確顯示，須要在上層對串口應用程序進行開發。程序設計流程圖如圖4所示。

開發的關鍵技術和部分代碼如下：（1）在Android系統應用程序開發軟件eclipse中新建工程，然后在該工程新建Uart類，這個類主要用來加載SO文件（uart_runtime.so），通過JNI的方式打開關閉串口。

（2）為實現通過串口接收到的所有數據的顯示，定義1個字符串s1，用于存放通過GpsDataUpdate（）讀取到的1個字節（以下代碼是把該字節先讀取到sbuffer，再由sbuffer存放于s1辛），在這里有1個while循環用于判斷是否數據接收完，未接收完就繼續接收，并把接收到的值放到s1，接收完就跳出。在區里加1個線程將接收到的數據實時顯示，睡眠時間為1 s。

（3）實現以上代碼的功能，可以讀到5個傳感器的數據，但是須要將5個傳感器的數據分開，分別顯示在5個EditText中。利用split根據給定的參數把原來的分割為幾個子字符串。核心代碼如下：

在本例中，下位機STM32串口發送的1串數據中開頭與結尾分別加上字母b，中間的每個傳感器數據之間都加上字母a。以上代碼strView.split（“b”）中，將字符串strView根據參數b分割為3個部分，取中間的傳感器數據部分，再根據參數a進行分割，可以準確得到5組數據，分別存放于字符串strView0、strViewl等5個字符串中。updateView（）為刷新函數，數據不斷更新。

2結果與分析

本例中使用Android第3方圖形庫AndroidPlot繪制圖形，先創建1個數組保存繪制用的數據，然后將數組轉換為XYSeries，將數組中的傳感器值繪制在圖形庫中，生成曲線圖。試驗結果以植物生長柜的空氣溫度為例，如圖5所示。

3結論

本研究通過對Android系統下的串口驅動原理的具體實現方法進行詳細分析的狀態下，實現FS_V210開發板與單片機STM32的串口通信，完成對智能植物生長柜中各個傳感器節點信息的接收與顯示，為實現生長柜的智能化、網絡化打下基礎。設計實例，開發Android系統的串口應用程序，接收到5個傳感器數據，對串口驅動程序進行驗證分析，對智能植物生長柜在Android系統下的開發具有指導意義。