崔世鋼　代鳳輝　梁帆

摘要：為了實現(xiàn)將植物生長柜傳感器節(jié)點的信息傳輸?shù)紸ndroid系統(tǒng)下，同時在該系統(tǒng)下實現(xiàn)對各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)顯示和控制。本研究在對Android平臺串口驅(qū)動進行重點分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸和實時顯示。Android平臺具有強大的功能，將多傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撈脚_下，為后續(xù)開發(fā)提供廣闊空間。

關(guān)鍵詞：智能植物生長柜；Android系統(tǒng)；智能控制；串口驅(qū)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(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)境問題，設(shè)施農(nóng)業(yè)越來越受到人們的推崇，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、安全、放心、健康為出發(fā)點，得到社會的廣泛關(guān)注與認可。隨著城市的現(xiàn)代化建設(shè)步伐和環(huán)境污染速度越來越快，可利用農(nóng)業(yè)耕地面積越來越少，同時人們生活水平的提高，對生活質(zhì)量也提出了更高的要求。作為一種保護環(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)，智能植物生長柜有很強的應(yīng)用性。在我國，對于農(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)測階段，實時性不好，少數(shù)便攜式儀表還存在使用維護困難等問題，此外生長柜對環(huán)境具有非常高的要求。Android系統(tǒng)作為開源的操作系統(tǒng)、操作簡單、功能強大，基于該平臺下的各類控制系統(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)動運行機理，對于Android系統(tǒng)上層應(yīng)用程序的設(shè)計開發(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、生長柜監(jiān)控模塊、Android測控端等部分。本研究對Android系統(tǒng)內(nèi)核中的串口驅(qū)動程序進行了詳細的分析，并在此基礎(chǔ)上編寫了應(yīng)用程序，實現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。試驗利用FS_V210開發(fā)板（運行Android系統(tǒng)）為終端，由下位機STM32實現(xiàn)對5個傳感器數(shù)據(jù)的采集，通過其串口與運行Android系統(tǒng)的上位機進行通信，在開發(fā)板顯示屏上實時顯示5個傳感器數(shù)據(jù)。FS_V210開發(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、易于開發(fā)，為智能植物生長柜提供優(yōu)秀的控制系統(tǒng)平臺。Android系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2實現(xiàn)方法

1.2.1 Android串口驅(qū)動開發(fā) 串口驅(qū)動的實現(xiàn)過程就是Android系統(tǒng)下的通信數(shù)據(jù)流和功能調(diào)用的過程。Android串口終端驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖2所示，串口驅(qū)動結(jié)構(gòu)共分為4個層次，即驅(qū)動層、HAL層（1ibhardware）、JNI層（java native inter-face）、Framework層和應(yīng)用層。

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

1.2.1.2 HAL層 硬件驅(qū)動程序一方面分布在Linux內(nèi)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(nèi)核驅(qū)動程序。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語言編寫的，而硬件驅(qū)動程序是用c語言來實現(xiàn)的，應(yīng)用程序要調(diào)用串口驅(qū)動程序操作硬件必須通過Java本地調(diào)用JNI來調(diào)用硬件抽象層接口。JNI層主要實現(xiàn)Java與C/C++之間的過渡，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個全局變量sUartDe-vice和sUartModule，在Uart_init函數(shù)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(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，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層增加硬件訪問服務(wù)MyUartService，通過該層提供的硬件服務(wù)來調(diào)用JNI方法，進而調(diào)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(wù)MyUartService，在Android系統(tǒng)啟動時自動加載MyUartSer-vice。這時應(yīng)用程序就可以通過Java接口來訪問uart硬件服務(wù)了。

1.2.2串口應(yīng)用程序的開發(fā) 本研究中實現(xiàn)的功能是由單片機STM32實現(xiàn)對2個溫度傳感器（為區(qū)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(shù)據(jù)的采集，通過其串口將接收到的5個傳感器數(shù)據(jù)在開發(fā)板上實時顯示。底層編寫的串口驅(qū)動程序，實現(xiàn)的功能是1個字節(jié)的讀和字符串的寫，在應(yīng)用程序?qū)诱{(diào)用字符型函數(shù)GpsDataUpdate（）實現(xiàn)1個字節(jié)的讀取，整型函數(shù)GpsDataUpdate_write（string s）實現(xiàn)字符串的寫。為實現(xiàn)各個傳感器數(shù)據(jù)的正確顯示，須要在上層對串口應(yīng)用程序進行開發(fā)。程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和部分代碼如下：（1）在Android系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)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(guān)閉串口。

（2）為實現(xiàn)通過串口接收到的所有數(shù)據(jù)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(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個線程將接收到的數(shù)據(jù)實時顯示，睡眠時間為1 s。

（3）實現(xiàn)以上代碼的功能，可以讀到5個傳感器的數(shù)據(jù)，但是須要將5個傳感器的數(shù)據(jù)分開，分別顯示在5個EditText中。利用split根據(jù)給定的參數(shù)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(fā)送的1串數(shù)據(jù)中開頭與結(jié)尾分別加上字母b，中間的每個傳感器數(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個部分，取中間的傳感器數(shù)據(jù)部分，再根據(jù)參數(shù)a進行分割，可以準確得到5組數(shù)據(jù)，分別存放于字符串strView0、strViewl等5個字符串中。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AndroidPlot繪制圖形，先創(chuàng)建1個數(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中，生成曲線圖。試驗結(jié)果以植物生長柜的空氣溫度為例，如圖5所示。

3結(jié)論

本研究通過對Android系統(tǒng)下的串口驅(qū)動原理的具體實現(xiàn)方法進行詳細分析的狀態(tài)下，實現(xiàn)FS_V210開發(fā)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(jié)點信息的接收與顯示，為實現(xiàn)生長柜的智能化、網(wǎng)絡(luò)化打下基礎(chǔ)。設(shè)計實例，開發(fā)Android系統(tǒng)的串口應(yīng)用程序，接收到5個傳感器數(shù)據(jù)，對串口驅(qū)動程序進行驗證分析，對智能植物生長柜在Android系統(tǒng)下的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。