張佳進(jìn)，陳立暢，唐秀英，楊曉東，唐君君

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，昆明650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院）

引 言

Android本意指“機(jī)器人”，是Google公司于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺(tái)的開源手機(jī)操作系統(tǒng)，是當(dāng)今三大智能手機(jī)操作系統(tǒng)之一。它包括操作系統(tǒng)、用戶界面、中間件和應(yīng)用程序，擁有移動(dòng)電話工作所需的全部軟件，同時(shí)，其開放性保證該平臺(tái)不存在任何阻礙移動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的專有權(quán)障礙。因此，其市場份額增長迅速，軟件生態(tài)系統(tǒng)日漸成熟，大量軟件開發(fā)人員投身到Android應(yīng)用程序開發(fā)中來。

當(dāng)前Android手機(jī)主要集成了WiFi、藍(lán)牙通信接口，它們具有傳輸速率高、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。但是在普適計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，大量傳感器、控制設(shè)備往往采用傳統(tǒng)的串行通信、I／O 控制等技術(shù)。目前，Android手機(jī)往往缺乏這些接口，雖然可以采用藍(lán)牙轉(zhuǎn)RS232等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)與外部物理設(shè)備的通信與控制，但是藍(lán)牙技術(shù)有通信距離短、不可靠、功耗高等缺點(diǎn)。特別是在低功耗物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，我們很難采用藍(lán)牙、WiFi通信技術(shù)。因此這在某種程度上制約了Android 手機(jī)在以上領(lǐng)域的應(yīng)用［3］。

IOIO是SparkFun公司出品的一款專門為Android1.5版本以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用型開源控制模塊，它給開發(fā)者提供了免費(fèi)的系統(tǒng)電路圖及系統(tǒng)主板MCU 的Firmware，同時(shí)也提供了豐富的Java API［1］接口。IOIO 通過USB 接口與Android 手機(jī)相連，高度集成了數(shù)字I／O 端口、PWM、模擬輸入端口、I2C 總線、SPI，以及UART 控制器等功能組件，只需通過簡單、直觀的Java API驅(qū)動(dòng)程序即可直接操作外部硬件I／O 端口，既無需嵌入式編程，又不用外部編程器，使用方便靈活。因此，通過IOIO 模塊，Android手機(jī)可以方便地整合3G 通信網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙通信、觸摸屏交互技術(shù)、各類傳感器與外圍物理設(shè)備相連，從而增強(qiáng)了手機(jī)與物理世界的信息交互能力，為Android手機(jī)的創(chuàng)新應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。目前，許多國際著名品牌的Android手機(jī)和平板電腦都兼容支持IOIO 模塊，例如Google、Samsung、HTC、LG、Motorola等［2］。

1 IOIO 硬件結(jié)構(gòu)

IOIO 主要采用了低功耗PIC 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，IOIO 模塊實(shí)物圖如圖1所示。IOIO 硬件電路板上集成了模擬輸入、I2C 總線、SPI、UART、GPIO 等多個(gè)功能接口部件。主要引腳功能分類如表1所列。

圖1 IOIO 模塊實(shí)物圖

表1 IOIO 模塊主要引腳功能分類

2 IOIO 開發(fā)環(huán)境

2.1 Android應(yīng)用程序開發(fā)簡介

Android操作系統(tǒng)自上向下分成應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、組件庫層、虛擬機(jī)和Linux內(nèi)核層［56］。其構(gòu)架如圖2所示。

圖2 Android框架

應(yīng)用層（Application layer）。Android操作系統(tǒng)和一系列核心應(yīng)用模塊一起發(fā)布，其核心應(yīng)用模塊主要包括電話短信功能、網(wǎng)頁瀏覽器、聯(lián)系簿等。

應(yīng)用框架層（Application Framwork layer）。開發(fā)者通過使用核心應(yīng)用程序來調(diào)用Android框架提供的API組件。

組件庫層（Libraries layer）。Android包含了一套C／C＋＋函數(shù)庫，主要包括libc、Media Framework、WebKit、OpenGLES、FreeType、SQLite等，這些功能通過Android應(yīng)用框架展現(xiàn)給開發(fā)人員。

運(yùn)行時(shí)環(huán)境（Android Runtime）。Android包括了一個(gè)核心庫，該核心庫提供了Java編程語言核心庫的大多數(shù)功能。每一個(gè)Android 應(yīng)用程序都擁有一個(gè)獨(dú)立的Dalvik虛擬機(jī)實(shí)例。

Linux內(nèi)核層（Linux kernel layer）。Android底層核心是一個(gè)基于Linux 2.6.23內(nèi)核開發(fā)的獨(dú)立操作系統(tǒng)。主要是加了一個(gè)名為Goldfish的虛擬CPU 以及Android運(yùn)行所需的特定驅(qū)動(dòng)代碼。該層用來提供系統(tǒng)的底層服務(wù)，包括安全機(jī)制、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧及一系列的驅(qū)動(dòng)模塊［6］。

2.2 IOIO軟件開發(fā)環(huán)境要求

IOIO 模塊的應(yīng)用開發(fā)需要安裝以下軟件工具［4］：

◆ Eclipse IDE（Integrated Development Environment）；

◆Android SDK（Software Development Kit），只能采用V6.0版本；

◆JDK（Java Development Kit）；

◆下載IOIOLib庫。它為Android手機(jī)提供了豐富的接口API，例如Digital I／O、模擬輸入、PWM 輸出、Pulse輸入、串行UART、SPI、I2C總線等。

圖3為IOIO 軟件開發(fā)環(huán)境界面。

圖3 IOIO 開發(fā)環(huán)境界面

3 IOIO 應(yīng)用開發(fā)實(shí)例——LED亮滅控制

IOIO 模塊引腳0連接的是板載LED的正極，LED 負(fù)極接地，因此高電平點(diǎn)亮，低電平熄滅，實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示。

該演示程序核心Java代碼如下：

圖4 Android手機(jī)控制LED亮滅實(shí)驗(yàn)效果

從以上LED控制實(shí)例中可以發(fā)現(xiàn)，基于IOIO 的IOIOLib庫，可以方便快速地構(gòu)建Android手機(jī)電子互動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，IOIO 具有簡單易用的優(yōu)勢。

結(jié) 語

IOIO 是一個(gè)開放的人機(jī)互動(dòng)平臺(tái)，為Android手機(jī)提供了豐富的I／O 接口資源，拓展了Android手機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，增強(qiáng)了Android手機(jī)與物理世界的信息交互能力，相信在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代會(huì)不斷涌現(xiàn)出大量Android移動(dòng)創(chuàng)新應(yīng)用系統(tǒng)，這將有利于信息物理系統(tǒng)的發(fā)展。

［1］SparkFun Electronics.IOIO for Android［EB／OL］.［2012-09-14］.https：／／www.sparkfun.com／products／10748.Last accessed on 20October 2012.

［2］GitHub.Supported Devices［EB／OL］.［20- 10-2012］.https：／／github.com／ytai／ioio／wiki／Supported-Devices.

［3］R Chaudhri，W Brunette，M Goel，et al.Open data kit sensors：mobile data collection with wired and wireless sensors［C］／／In Proc of the 2nd ACM Symposium on Computing for Development，MIT，USA，2012：1- 10.

［4］Cheng Minlin，Kuo Chenlang，Yi Lunchu，et al.An Implementation for Connecting Android Powered Device to External World［C］／／The 2nd International Conference on Innovations in Bio-inspired Computing and Applications（BICA 2011），Shenzhen，Guangdong，2011：303- 325.

［5］耿東久，索岳，陳渝，等.基于Android手機(jī)的遠(yuǎn)程訪問和控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31（2）：559- 561.

［6］楊豐盛.Android應(yīng)用開發(fā)揭秘［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.