李寧

安卓系統(tǒng)WIFI模塊的優(yōu)化

李寧

（安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院云桂信息學(xué)院，安徽合肥230601）

筆者完成了安卓系統(tǒng)的移植，重新設(shè)計(jì)并優(yōu)化了安卓系統(tǒng)的WIFI模塊程序，提高了安卓系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間，并加強(qiáng)了安卓系統(tǒng)對WIFI模塊的支持，通過測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的實(shí)用性.

安卓系統(tǒng)；WIFI；安卓系統(tǒng)移植；WIFI驅(qū)動(dòng)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)使人們可以隨時(shí)隨地的無線上網(wǎng)，在此背景下移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)逐漸成為各大互聯(lián)網(wǎng)公司爭相競爭的主戰(zhàn)場.各IT巨頭紛紛推出自己的移動(dòng)操作系統(tǒng)，如微軟公司推出的Window phone操作系統(tǒng)，蘋果公司推出的IOS操作系統(tǒng)，都得到了眾多用戶的認(rèn)可和使用，其中最為突出的是Google公司推出的安卓操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)的開源性和兼容性，使得該系統(tǒng)迅速占領(lǐng)智能手機(jī)市場，并且市場份額在逐年遞增.隨著智能設(shè)備的不斷普及，之前的GPRS等2G網(wǎng)絡(luò)方式已經(jīng)無法滿足人們的需求，于是4G，WIFI等高速的接入方式開始普及.WIFI技術(shù)是一種近距離無線傳輸技術(shù)，它速度快，連接穩(wěn)定，價(jià)格便宜的特點(diǎn)，讓其受到各大廠商和用戶的青睞.

將WIFI驅(qū)動(dòng)程序移植到安卓系統(tǒng)內(nèi)核中，并對安卓系統(tǒng)中的WIFI程序進(jìn)行分析和改進(jìn)，增強(qiáng)了安卓系統(tǒng)對WIFI模塊的支持，對安卓系統(tǒng)WIFI模塊的開發(fā)提供了參考.

1關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1WIFI技術(shù)介紹

WIFI全稱是Wireless Fidelity，屬于短距離無線傳輸?shù)囊环N，現(xiàn)在最新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11ac，此標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)之上建立起來的，能夠支持最大8倍MIMO，并支持多個(gè)終端以MIMO方式連接，同時(shí)其支持2.4 GHz和5 GHz頻段，其無線傳輸速率最高可達(dá)1.3 Gbps，已經(jīng)超過了千兆的傳輸速度.同時(shí)，WIFI的造價(jià)低廉，廠商不用耗費(fèi)資金進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線接入，節(jié)省了大量的成本.WIFI的這些優(yōu)點(diǎn)使其成為智能設(shè)備必不可少的一部分，也成為物聯(lián)網(wǎng)中使用最廣的通訊協(xié)議.

1.2安卓系統(tǒng)介紹

安卓系統(tǒng)是Google公司推出的面向移動(dòng)設(shè)備的開源操作系統(tǒng)，其底層核心是Linux內(nèi)核，向上的結(jié)構(gòu)依次是中間件層，應(yīng)用程序框架層和應(yīng)用程序?qū)樱?］.

安卓系統(tǒng)應(yīng)用層和應(yīng)用程序框架層采用Java語言開發(fā)，中間件層包含安卓運(yùn)行時(shí)所需要的函數(shù)庫和Dalvik虛擬機(jī)，Linux內(nèi)核層是安卓系統(tǒng)軟件與硬件連接的抽象層，提供硬件抽象功能，提供安全機(jī)制、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧和驅(qū)動(dòng)程序等功能.

2安卓系統(tǒng)的移植

安卓系統(tǒng)移植的目標(biāo)是使安卓系統(tǒng)能夠運(yùn)行在處理器中，安卓系統(tǒng)運(yùn)行的核心文件是Bootloader，Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng).Bootloader可以初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間映射圖，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備條件；Linux內(nèi)核能夠均衡的分配硬件資源給軟件，統(tǒng)籌各進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間；文件系統(tǒng)主要是對文件進(jìn)行管理，包含文件數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu).開發(fā)者可以根據(jù)產(chǎn)品的需要對安卓的內(nèi)核進(jìn)行裁剪，只留下產(chǎn)品需要的功能，從而提高內(nèi)核的工作效率.在本系統(tǒng)中，采用三星的S3C6410 ARM處理器作為系統(tǒng)核心，外圍電路包括電源管理模塊，WIFI模塊，UART串口模塊，USB模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊.圖1是此系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框架圖.

安卓系統(tǒng)的內(nèi)核是Linux內(nèi)核，所以在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行編譯.本系統(tǒng)選用Ubuntu作為安卓系統(tǒng)的編譯主機(jī)系統(tǒng)，安卓系統(tǒng)的大部分代碼是用Java語言編寫，所以在系統(tǒng)中安裝JAVA語言的運(yùn)行環(huán)境，安裝交叉編譯工具鏈，對Uboot進(jìn)行配置和編譯，Android內(nèi)核源代碼和系統(tǒng)源代碼，為后面系統(tǒng)移植建立開發(fā)環(huán)境.

圖1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖

圖2安卓系統(tǒng)與硬件的關(guān)系

2.1安卓系統(tǒng)內(nèi)核的配置和編譯

Linux是一個(gè)通用的操作系統(tǒng)內(nèi)核，當(dāng)這個(gè)內(nèi)核應(yīng)用在已嵌入式系統(tǒng)為主的移動(dòng)設(shè)備中時(shí)，既要保留傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，又有優(yōu)化和改進(jìn)的必要.安卓系統(tǒng)中的Linux內(nèi)核的目標(biāo)是：標(biāo)準(zhǔn)化Linux內(nèi)核與具體設(shè)備場景的結(jié)合［2］.安卓的內(nèi)核設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)遵從標(biāo)準(zhǔn)Linux的結(jié)構(gòu)，充分利用已有的機(jī)制，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容，并對多種外設(shè)做出必要的擴(kuò)展.安卓系統(tǒng)的Linux內(nèi)核中默認(rèn)包含多種硬件的驅(qū)動(dòng)程序，以提供對多種硬件的支持.在安卓系統(tǒng)中，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件抽象層，作為驅(qū)動(dòng)程序到安卓系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口，此接口的作用是將硬件和軟件連接起來.圖2為安卓系統(tǒng)與硬件的關(guān)系框架圖，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，安卓系統(tǒng)內(nèi)核的移植工作，其實(shí)就是對驅(qū)動(dòng)程序和硬件抽象層的實(shí)現(xiàn).

系統(tǒng)主要是針對WIFI模塊進(jìn)行開發(fā)，需要對安卓系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行裁剪，留下最基本的硬件驅(qū)動(dòng)程序，以提高Linux內(nèi)核的運(yùn)行效率，對安卓內(nèi)核的配置方法如下.

從Ubuntu系統(tǒng)終端中進(jìn)入到安卓內(nèi)核源碼的根目錄，并運(yùn)行make menuconfig后，運(yùn)行安卓系統(tǒng)的內(nèi)核配置主菜單（見圖3）.通過System Type選項(xiàng)，選擇S3C6410目標(biāo)板為平臺(tái).

根據(jù)需要，選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，對Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪.觀察每個(gè)選項(xiàng)，可以發(fā)現(xiàn)安卓系統(tǒng)的Linux內(nèi)核對多種外設(shè)都進(jìn)行了支持，比如鍵盤、USB接口，電源管理，ADC驅(qū)動(dòng)等，系統(tǒng)將對這些外設(shè)的支持裁減掉，以簡化Linux內(nèi)核運(yùn)行機(jī)制，提高內(nèi)核處理效率.Linux裁剪之后，生成新的zImage內(nèi)核鏡像文件，可以發(fā)現(xiàn)，裁剪后的內(nèi)核比未裁剪的內(nèi)核小很多，節(jié)省了芯片Ram的存儲(chǔ)空間，提高了芯片的運(yùn)行效率.

圖3安卓系統(tǒng)內(nèi)核配置主菜單

2.2制作安卓的文件系統(tǒng)

安卓系統(tǒng)十分龐大，編譯一次的時(shí)間很長，為了方便使用，需要使用3個(gè)腳本分別編譯和創(chuàng)建安卓系統(tǒng)，分別是build-android、genrootfs-s.sh和genrootfs.sh.首先通過build-android工具編譯安卓系統(tǒng)，然后通過genrootfs工具提取安卓系統(tǒng)的文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)會(huì)生成在rootfs_dir目錄中，通過mkext3image工具將提取出來的安卓文件系統(tǒng)制作成EXT3格式的映像文件，好處是此映像文件可以直接在SD卡中運(yùn)行，不必?zé)龑懙絅and Flash中，節(jié)省了Nand Flash空間.至此，安卓移植工作需要的3個(gè)核心文件都已經(jīng)創(chuàng)建完成，用相應(yīng)指令將3個(gè)核心文件安裝到硬件平臺(tái)上，就可以運(yùn)行安卓系統(tǒng)了.

3WIFI模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安卓系統(tǒng)的Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序中，對WIFI模塊進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，在內(nèi)核接口上，與普通的有線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)區(qū)別不大，在驅(qū)動(dòng)之上是WIFI的連接程序，負(fù)責(zé)直接操作WIFI驅(qū)動(dòng)［3］.安卓的應(yīng)用層通過硬件抽象層接口完成對WIFI連接程序的操作，硬件抽象層接口抽象出一套統(tǒng)一的接口以供WIFI服務(wù)使用，該服務(wù)維護(hù)WIFI的狀態(tài)，并對WIFI發(fā)出各種操作指令.用戶通過UI層操作WIFI服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對WIFI硬件的控制.

這種標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)雖然能夠提供WIFI的功能，但是也還有需要改進(jìn)的地方.比如對IP設(shè)置比較繁瑣，電源管理模塊不夠完善等.系統(tǒng)拋棄部分標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，對WIFI模塊重新設(shè)計(jì)，提高WIFI模塊的性能.

圖4是系統(tǒng)WIFI模塊設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)，包括對設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫，中間層的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用層的設(shè)計(jì).中間層包括對硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)和利用系統(tǒng)庫選擇合適的WIFI連接程序，打通硬件和軟件連接的橋梁.

3.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)

WIFI模塊與CPU的通信必須借助于某種總線，因此WIFI模塊的驅(qū)動(dòng)是由WIFI硬件部分和通信部分組成的［4］.系統(tǒng)采用Marvell公司推出的88w8688系列WIFI模塊，Marvell公司提供了這款WIFI模塊的Linux版驅(qū)動(dòng)，但是其SPI總線的驅(qū)動(dòng)不是基于S3C6410平臺(tái)的，需要自己編寫SPI的驅(qū)動(dòng)程序.系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)劃分為I/O通信層和WIFI功能層，通過SPI總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由I/O功能層實(shí)現(xiàn)，WIFI功能層用于控制WIFI的硬件，二者通過一套函數(shù)接口完成交互.這樣做的好處是最大限度的實(shí)現(xiàn)了代碼的可重用性，簡化了開發(fā)流程.圖5為WIFI驅(qū)動(dòng)的整體架構(gòu)圖.

CPU通過SPI控制器與I/O通信層和WIFI功能層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信的方式采用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，通過I/O通信層提供的接口函數(shù)register_user()，gspi_register_irq ()完成WIFI設(shè)備的初始化，WIFI模塊通過register_user()向SPI總線注冊設(shè)備，通過wlan_add_card()初始化和注冊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，完成WIFI模塊在系統(tǒng)中的注冊，使WIFI驅(qū)動(dòng)在內(nèi)核中運(yùn)行起來.

3.2中間層的實(shí)現(xiàn)

圖4WIFI子系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖5WIFI驅(qū)動(dòng)整體架構(gòu)

中間層是安卓系統(tǒng)的系統(tǒng)庫函數(shù)部分，這一層包括系統(tǒng)C庫、字體庫、圖形庫，以及應(yīng)用軟件運(yùn)行所必需的Dalvik虛擬機(jī)［5］.中間層的作用是為系統(tǒng)的應(yīng)用程序提供運(yùn)行時(shí)的支持，為應(yīng)用程序操作驅(qū)動(dòng)程序提供接口函數(shù)，提供WIFI連接時(shí)的認(rèn)證程序.圖6為WIFI模塊的中間層整體框架.

安卓系統(tǒng)已經(jīng)提供了對網(wǎng)絡(luò)接口的配置，只需要完成硬件抽象層的編寫，并調(diào)用WIFI連接程序，完成中間層的編寫.WIFI子系統(tǒng)硬件抽象層包括WIFI連接程序的抽象，應(yīng)用程序通過硬件抽象層調(diào)用WIFI連接程序，完成與硬件的交互.系統(tǒng)采用的WIFI連接程序是第三方程序Wpa_supplicant，好處是簡化了開發(fā)流程，提高了程序的可靠性.修改安卓的啟動(dòng)腳本，使系統(tǒng)在啟動(dòng)后自動(dòng)加載WIFI模塊.

3.3應(yīng)用層設(shè)計(jì)

應(yīng)用層處于中間層之上，基本由JAVA語言編寫，包括安卓系統(tǒng)的圖形系統(tǒng)，并且為應(yīng)用程序提供各種系統(tǒng)服務(wù)［6］.在WIFI應(yīng)用層，與用戶直接交互的有4個(gè)類：WirelessSettings負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有無線設(shè)備的設(shè)置；WifiSettings負(fù)責(zé)打開和關(guān)閉WIFI；AdvancedSettings負(fù)責(zé)選擇WIFI休眠策略；AccessPointDialog用于設(shè)置AP的密碼.在這4個(gè)UI類之下，是WIFI的服務(wù)類，負(fù)責(zé)WIFI與系統(tǒng)的事務(wù)性操作，主要包括：WifiService負(fù)責(zé)為需要使用WIFI的進(jìn)程提供服務(wù)；WifiManager用于管理WIFI數(shù)據(jù)與WifiService的連接；WifiStateTracker和WifiMonitor負(fù)責(zé)監(jiān)視WIFI的狀態(tài)變化；WifiNative是一系列JNI調(diào)用接口，是應(yīng)用層與中間層的紐帶.對WIFI應(yīng)用層的程序編寫，就是完成這些主要類的編寫工作，圖7為WIFI應(yīng)用層的整體框架.

在應(yīng)用層上，系統(tǒng)改進(jìn)了應(yīng)用程序框架中提供的WIFI服務(wù)，增加了針對AP網(wǎng)路設(shè)置靜態(tài)IP的功能.在安卓系統(tǒng)中，IP設(shè)置由一個(gè)系統(tǒng)程序完成，需要修改屬于安卓系統(tǒng)的Settings類的程序，完成在安卓的WIFI服務(wù)中設(shè)置靜態(tài)IP的功能.首先建立名為APSettingActivity的活動(dòng)，通過Preference類設(shè)計(jì)活動(dòng)的用戶界面，添加靜態(tài)IP設(shè)置的按鈕，并為每個(gè)Preference類注冊名為onPreferenceChangeListener()的方法，在每個(gè)Listener()方法中設(shè)置用戶點(diǎn)擊界面按鈕時(shí)改變的系統(tǒng)默認(rèn)值，通過安卓系統(tǒng)自帶的SQLite輕量級數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)用戶的設(shè)置，將新的IP設(shè)置通過intent以廣播的形式傳送給APSettingActivity()活動(dòng)，然后調(diào)用updateUI()方法刷新系統(tǒng)界面，完成在WIFI模塊程序中添加靜態(tài)IP功能.

圖6WIFI中間層整體框架

圖7WIFI應(yīng)用層整體框架

圖8WIFI省電模式設(shè)置

系統(tǒng)對WIFI模塊的電源管理也進(jìn)行了優(yōu)化，在安卓系統(tǒng)中，針對WIFI的電源管理有3個(gè)選項(xiàng)，分別是永不休眠，屏幕關(guān)閉時(shí)休眠和充電時(shí)不休眠.這3種方式有些簡單，有些時(shí)候不能起到很好的省電的作用.出于這些考慮，本系統(tǒng)在原有休眠方式的基礎(chǔ)上添加了兩種更加省電的休眠方式：一種是判斷無數(shù)據(jù)傳送時(shí)休眠，一種是電量過低時(shí)提示用戶關(guān)閉WIFI模塊.WIFI省電模式界面見圖8，第一種休眠方式是通過檢測WIFI模塊的數(shù)據(jù)流量大小來判斷是否休眠，當(dāng)數(shù)據(jù)流量足夠小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為用戶在這段時(shí)間不需要使用WIFI模塊，從而啟動(dòng)WIFI休眠模式，達(dá)到省電的目的.具體實(shí)施方法是在系統(tǒng)的休眠策略對話框中，添加“當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸x秒后休眠”的選項(xiàng)，通過ListPrefernece類彈出對話框讓用戶設(shè)置超時(shí)時(shí)間，然后通過onPreferenceChange()方法將其寫入屬性系統(tǒng)，系統(tǒng)通過讀取網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)情況來判斷WIFI是否處于閑置狀態(tài)，一旦系統(tǒng)判斷WIFI處于閑置狀態(tài)，就通過廣播的形式通知WIFI模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，達(dá)到省電的目的.第二種方法和第一種方法的實(shí)現(xiàn)方法相同，只是將判斷條件改為“電量過低時(shí)關(guān)閉WIFI”，在此不再贅述.

4系統(tǒng)測試與分析

將原生安卓系統(tǒng)和優(yōu)化后的安卓系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)中，每3 h分別記錄剩余電量，并保證兩個(gè)系統(tǒng)做相同操作的條件下，連續(xù)正常使用系統(tǒng)24 h后，分別記錄系統(tǒng)的耗電情況.經(jīng)過WIFI優(yōu)化后的安卓系統(tǒng)，在24 h的測試后，剩余電量為20%，而原生安卓系統(tǒng)的剩余電量為10%（見表1）.經(jīng)對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的安卓系統(tǒng)大大延長了系統(tǒng)的使用時(shí)間.

優(yōu)化后的安卓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定連接WIFI信號并且降低了智能設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)下的功耗，提高了智能設(shè)備的續(xù)航能力，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值（見表1）.

測試時(shí)間3 h 6 h 9 h 1 2 h 1 5 h 1 8 h 2 1 h 2 4 h原生安卓系統(tǒng)剩余電量9 1 % 8 2 % 7 5 % 5 9 % 4 6 % 3 3 % 2 1 % 1 0 %優(yōu)化后的安卓系統(tǒng)剩余電量9 5 % 9 0 % 8 0 % 6 8 % 5 6 % 4 3 % 3 2 % 2 0 %

［1］仲元昌，王靖欣，胡江坤，等.Android內(nèi)核移植及在遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，25(1)：102-106.

［2］張燁.基于Android平臺(tái)WIFI的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

［3］裴超.基于Android平臺(tái)Wi-Fi模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

［4］王柯，馬宏斌，王一圣.基于Android平臺(tái)的軟件開發(fā)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測繪與空間地理信息，2014(9)：14-16.

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［6］Zahid I，Ali M A，Nassr R.Android smartphone：Battery saving service[C]//2011 International Conference on Research and Innovation in Information Systems，IEEE，2011：1-4.

The Implementation and Application of WIFI Module Based on Android System

LI Ning
（Cloud Computing and Information College，Anhui Finance and Trade Vocational College，Hefei 230601，Anhui，China）

In this paper,by translating Android system,it redesigned and optimized the WIFI module based on Android system,improved the battery life of the Android system,and strengthened the support of android system of WIFI module.The test shows that this system runs stably with a strong practicability.

Android system；WIFI；the transplantation of Android；WIFI-drived

TP273.5；TP274%

A%%%

1007-5348（2017）03-0034-05

（責(zé)任編輯：歐愷）

2016-12-05

李寧（1981-），女，天津人，安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院云桂信息學(xué)院講師，碩士研究生；研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，軟件開發(fā)與應(yīng)用.