(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121)

0 引言

目前車胎監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，車胎內(nèi)傳感器實(shí)時監(jiān)測胎溫胎壓信息，通過無線發(fā)送到無線接收端，無線接收端通常通過CAN總線傳送到儀表盤的專用的液晶顯示屏進(jìn)行顯示，當(dāng)超過相應(yīng)閾值，在液晶顯示屏進(jìn)行告警提醒并配合聲音告警[1-4]。在目前的車胎監(jiān)測實(shí)現(xiàn)方案中存在以下兩點(diǎn)不足：1)車胎告警閾值由硬件設(shè)定導(dǎo)致使用過程中不能動態(tài)調(diào)整告警閾值;2)液晶顯示屏通常只顯示車胎狀態(tài)異常，并不顯示實(shí)際胎溫和胎壓數(shù)值，因此告警顯示不夠具體、直觀，不便于駕駛員對車胎異常情況的精確判斷。

由于基于Android的中控大屏由于具有豐富的娛樂功能、方便與手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為高端新能源客車的流行配置。在配置Android大屏的客車上，司機(jī)需要同時關(guān)注Android中控大屏和車胎監(jiān)測信息顯示液晶屏，造成操作不方便。此外通過Android大屏進(jìn)行胎溫胎壓的顯示，可以更直觀顯示精確的胎溫胎壓數(shù)值，同時告警閾值為軟件設(shè)定值，可以動態(tài)地進(jìn)行告警閾值調(diào)整，使得駕駛員可以根據(jù)季節(jié)不同來選擇合適的告警閾值。因此有必要通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換模塊，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的Android端應(yīng)用軟件，將車胎監(jiān)測信息接到Android中控大屏進(jìn)行顯示，從而省去專用液晶屏，降低系統(tǒng)成本和方便司機(jī)操作，且可自行設(shè)定報(bào)警閾值,車胎監(jiān)測信息展示更直觀便捷。

本文介紹車胎監(jiān)測Android端應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，其綜合利用startService和bindService，實(shí)現(xiàn)程序界面前臺運(yùn)行時，實(shí)時接收車胎監(jiān)測報(bào)文并顯示胎溫胎壓實(shí)時值，若超過告警閾值，則相應(yīng)位置的車胎顯示異常告警；當(dāng)程序界面后臺運(yùn)行時，后臺Service持續(xù)接收車胎監(jiān)測報(bào)文，當(dāng)超過相應(yīng)閾值，調(diào)出程序界面進(jìn)行顯示和告警，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用滿足了實(shí)時車胎監(jiān)測的功能。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。上半部分，輪胎模塊和TPMS節(jié)點(diǎn)模塊采用目前市場主流的商用車胎監(jiān)測系統(tǒng)。由于車胎監(jiān)測系統(tǒng)通常接入CAN總線，而Android中控大屏通常使用USB通信接口，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊?？紤]到TTL轉(zhuǎn)USB串口(CH340芯片)的模塊較為通用，因此設(shè)計(jì)CAN接口轉(zhuǎn)TTL的模塊和通用的TTL轉(zhuǎn)USB模塊相連接，完成CAN總線接口和USB接口的轉(zhuǎn)換。Android中控大屏支持USB OTG接口，其作為USB主設(shè)備與USB從設(shè)備進(jìn)行USB串口通信。車胎監(jiān)測系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)成USB接口接到Android系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的運(yùn)行原理如下：在車輛行駛時，車輪處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，安裝在車輪內(nèi)的監(jiān)測傳感器將被觸發(fā)，并每隔100 ms通過無線方式發(fā)送車胎監(jiān)測數(shù)據(jù)。TPMS節(jié)點(diǎn)無線接收模塊收到無線上報(bào)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過CAN總線接口發(fā)送到CAN總線。利用自行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換模塊，從CAN總線接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)變USB串口數(shù)據(jù)向上發(fā)送給Android中控大屏。車胎監(jiān)測系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)Android應(yīng)用程序，并安裝部署在中控大屏上。該Android應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^USB串口接收傳感器周期上報(bào)的每個車胎的胎溫和胎壓數(shù)據(jù)報(bào)文。每個數(shù)據(jù)報(bào)文固定10個字節(jié)，格式如圖2所示。

圖2 胎溫胎壓監(jiān)測報(bào)文格式

程序根據(jù)報(bào)文計(jì)算胎溫t和胎壓p，計(jì)算公式如下(D[i]表示車胎監(jiān)測報(bào)文除去報(bào)文頭部分中下標(biāo)為i的字節(jié)的8位無符號整數(shù)值)：

t(Kpa)=D[1]*5.5

(1)

p(℃)=(D[3]*256+D[2])*0.03125-273

(2)

系統(tǒng)軟件定義胎溫上限閾值tH、胎壓下限閾值pL和胎壓上限閾值pH。當(dāng)t>=tH或p<=pL或p>=pH任一條件滿足時，表示車胎狀態(tài)異常，程序產(chǎn)生告警提醒駕駛員。

2 軟件總體模塊設(shè)計(jì)

Android中控大屏的車胎監(jiān)測應(yīng)用程序需要持續(xù)接收上報(bào)的USB串口數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行胎溫和胎壓的數(shù)據(jù)展示，當(dāng)胎溫或胎壓超過指定閾值時，進(jìn)行相應(yīng)的告警，同時告警閾值可進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。本文設(shè)計(jì)的車胎監(jiān)測應(yīng)用程序總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 胎壓監(jiān)測程序架構(gòu)

MainActivity 是主操作界面，用來實(shí)時展示傳感器上報(bào)的車輛所有車胎的胎溫胎壓信息。為了滿足主操作界面后臺運(yùn)行時亦能持續(xù)接收胎壓監(jiān)測報(bào)文，通過TireService后臺服務(wù)進(jìn)行USB-OTG串口數(shù)據(jù)接收和胎壓監(jiān)測報(bào)文解析操作，當(dāng)超出相應(yīng)胎溫和胎壓閾值時調(diào)出程序主界面進(jìn)行告警顯示。胎溫和胎壓閾值可手動進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過點(diǎn)擊設(shè)置按鈕彈出對話框SettingDialog進(jìn)行胎溫和胎壓閾值設(shè)置。

AutoStartBroadcastReceiver用于實(shí)現(xiàn)當(dāng)Android開機(jī)啟動完成后，自動打開本監(jiān)測程序進(jìn)行接收胎壓胎溫報(bào)文信息。當(dāng)車胎監(jiān)測硬件斷開連接后，監(jiān)測程序應(yīng)當(dāng)結(jié)束運(yùn)行，通過UsbDetachedBroadcastReceiver實(shí)現(xiàn)。

3 軟件詳細(xì)實(shí)現(xiàn)

3.1 程序運(yùn)行流程

程序運(yùn)行流程如圖4所示。系統(tǒng)開機(jī)和轉(zhuǎn)換模塊插入Android系統(tǒng)后，跳轉(zhuǎn)到本程序運(yùn)行。程序運(yùn)行后，啟動后臺服務(wù)TireService，TireService創(chuàng)建USB串口數(shù)據(jù)接收線程ReadThread，在接收線程中打開USB串口設(shè)備，并循環(huán)接收USB串口車胎監(jiān)測報(bào)文，通過Callback回調(diào)機(jī)制更新到Activity界面。

圖4 程序軟件流程圖

3.2 USB串口通信編程實(shí)現(xiàn)

Android系統(tǒng)使用USB Host API與USB接口的轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行通信。主要用到的API類包括UsbManager類(用來管理USB設(shè)備的類)、UsbDevice類(代表一個USB設(shè)備的類)、UsbInterface類(表示USB設(shè)備的一個接口)、UsbEndpoint類(表示一個接口的某個節(jié)點(diǎn))以及UsbConnection類(用連接進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù))[5-6]。

與一般USB設(shè)備不同，USB串口設(shè)備還需要配置串口傳輸?shù)牟ㄌ芈?、?shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位等信息[7-8]。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換模塊采用的TTL和USB轉(zhuǎn)換芯片為CH340芯片，網(wǎng)絡(luò)上可以搜索到該芯片的免驅(qū)動Android USB Host模式的參考代碼，在實(shí)現(xiàn)USB串口通信代碼編程時，可參照進(jìn)行剪裁。

3.3 程序啟動退出代碼實(shí)現(xiàn)

1)系統(tǒng)開機(jī)啟動

AutoStartBroadcastReceiver采用靜態(tài)注冊接收BOOT_COMPLETED，重寫OnReceive()方法，并在該方法中通過startActivity啟動程序[9]。其在AndroidManifest.xml設(shè)置為：

AutoStartBroadcastReceiver實(shí)現(xiàn)如下：

public class AutoStartBroadcastReceiver extends BroadcastReceiver {

@Override

public void onReceive(Context context, Intent intent) {

String action = "android.intent.action.MAIN";

String category = "android.intent.category.LAUNCHER";

Intent myIntent = new Intent(context, MainActivity.class);

myIntent.setAction(action);

myIntent.addCategory(category); myIntent.addFlags(Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK);

context.startActivity(myIntent);

}

}

2)設(shè)備插入啟動

程序主界面MainActivity采用單例模式singleInstance，并監(jiān)聽轉(zhuǎn)換模塊插入動作USB_DEVICE_ATTACHED，并對USB插入動作設(shè)置過濾條件為對應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊的PID和VID[5]。主界面在AndroidManifest.xml中設(shè)置如下：

android:name=".MainActivity" android:launchMode="singleInstance">

android:resource="@xml/device_filter" />

其中device_filter.xml文件定義了轉(zhuǎn)換模塊USB設(shè)備的product-id和vendor-id。

3)設(shè)備拔出退出

當(dāng)車胎監(jiān)測USB設(shè)備從安卓拔出時，監(jiān)測程序程序需要停止程序運(yùn)行。因此在程序正常啟動后，通過代碼動態(tài)注冊廣播接收器usbDetachedBroadcastReceiver監(jiān)聽USB設(shè)備拔出動作USB_DEVICE_DETACHED。

usbDetachedBroadcastReceiver=new UsbDetachedBroadcastReceiver();

intentFilter = new IntentFilter();

intentFilter.addAction("android.hardware.usb.action.USB_DEVICE_DETACHED");

registerReceiver(usbDetachedBroadcastReceiver,intentFilter);

usbDetachedBroadcastReceiver在代碼實(shí)現(xiàn)時，重寫OnReceive()方法，判斷為轉(zhuǎn)換模塊拔出，則設(shè)置退出標(biāo)記。

public void onReceive(Context context, Intent intent) {

UsbDevice device = (UsbDevice)intent.getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);//獲取當(dāng)前撥出的USB設(shè)備

if (device != null)

{if(device.getProductId()==29987&&device.getVendorId()==6790) {//判斷拔出設(shè)備為車胎監(jiān)測轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)置退出標(biāo)記

Intent myIntent = new Intent(context, MainActivity.class);

myIntent.putExtra("IsUsbDetached",true);

context.startActivity(myIntent);

}

}

}

在MainActivity中重寫onNewIntent()方法，判斷退出標(biāo)志為真，調(diào)用finish方法結(jié)束程序[10]。

protected void onNewIntent(Intent intent) {

boolean IsUsbDetached=

intent.getBooleanExtra("IsUsbDetached",false);

if(IsUsbDetached)

{

//判斷已設(shè)置退出標(biāo)記，則彈出提示框提示設(shè)備斷開，并結(jié)束程序運(yùn)行

}

super.onNewIntent(intent);

}

3.4 后臺服務(wù)運(yùn)行

為了保證程序前臺運(yùn)行與否，后臺服務(wù)均需要持續(xù)接收車胎監(jiān)測報(bào)文，采取了下列措施:

1)后臺服務(wù)Service有兩種啟動方式startService和bindService。bindService啟動服務(wù)后，通過unbindService結(jié)束服務(wù)，其啟動的服務(wù)與Activity是捆綁關(guān)系，當(dāng)Activity退出后，Service也會退出。Activity可與綁定服務(wù)通過回調(diào)接口的方式，方便快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

startService啟動服務(wù)后，服務(wù)與Activity是分離的，當(dāng)Activity退出后，服務(wù)繼續(xù)存在，只有調(diào)用stopService,后臺Service才會結(jié)束，但startService啟動的服務(wù)通常只能通過廣播的方式將數(shù)據(jù)發(fā)回界面進(jìn)行顯示。

這2種模式不是完全分離的，可以同時使用。本程序Activity在OnCreate階段，調(diào)用startService啟動車胎監(jiān)測服務(wù)，在onResume階段通過bindService進(jìn)行服務(wù)綁定;在onPause階段調(diào)用unbindService進(jìn)行服務(wù)解綁，在onDestroy階段方調(diào)用stopService進(jìn)行結(jié)束服務(wù)操作。從而達(dá)到程序啟動后，后臺服務(wù)便啟動持續(xù)接收USB車胎監(jiān)測報(bào)文，當(dāng)程序在前臺運(yùn)行時，又可通過綁定服務(wù)，簡便實(shí)現(xiàn)與Activity的雙向數(shù)據(jù)交互。

在bindService進(jìn)行服務(wù)綁定時使用服務(wù)TireService內(nèi)定義的到Binder對象，MainActivity通過Binder對象可以將當(dāng)前設(shè)定的告警閾值以及當(dāng)前是否處于報(bào)警暫停狀態(tài)傳遞到服務(wù)TireService。

public class Binder extends android.os.Binder{

//界面?zhèn)鬟f報(bào)警閾值到Service

public void Sethreshold(float twh,float tpl,float tph)

{

TireService.this.tiretempth=twh;

TireService.this.tirepresstl=tpl;

TireService.this.tirepressth=tph;

}

public void SetShowAlarm(boolean isshowalarm)

{

bshowAlarm=isshowalarm;

}

public TireService getService()

{

return TireService.this;

}

}

在TireService內(nèi)需要定義回調(diào)接口，供服務(wù)中接收到USB車胎監(jiān)測報(bào)文后，通過回調(diào)接口將數(shù)據(jù)更新發(fā)回界面進(jìn)行顯示。

private Callback callback=null;

public void setCallback(Callback callback) {

this.callback = callback;

}

public Callback getCallback() {

return callback;

}

public static interface Callback{

void OnSerialData(tireparam data);

}

主界面MainActivity需要實(shí)現(xiàn)ServiceConnection接口，實(shí)現(xiàn)onServiceConnected和onServiceDisconnected方法。

public void onServiceConnected(ComponentName componentName, IBinder iBinder) {

isBinded=true;

binder= (TireService.Binder) iBinder; binder.Sethreshold(tiretempth,tirepresstl,tirepressth);

binder.getService().setCallback(new TireService.Callback() {

@Override

public void OnSerialData(tireparam data) {

//tvout.setText(data);

Message msg=new Message();

msg.obj=data;

msg.what = IS_PktArr;

handler.sendMessage(msg);

}

});

}

@Override

public void onServiceDisconnected(ComponentName componentName) {

isBinded=false;

}

2)設(shè)置Activity為singleInstance模式，并重寫onKeyDown函數(shù)對返回按鍵KEYCODE_BACK的處理，通過調(diào)用moveTaskToBack方法將Activity移動到后臺運(yùn)行，避免Activity被銷毀。

public boolean onKeyDown(int keyCode, KeyEvent event) {

if (keyCode == KeyEvent.KEYCODE_BACK) {//點(diǎn)擊返回按鍵

if(bIsExit)

{//如果USB設(shè)備拔出，則結(jié)束Activity和Service

finish();

Intent intent= new Intent(this, TireService.class);

stopService(intent);

return true;

}

moveTaskToBack(true);

return true;

}

return super.onKeyDown(keyCode, event);

}

3)為了避免TireService因?yàn)橘Y源不足被系統(tǒng)銷毀或在任務(wù)管理器中被用戶強(qiáng)行關(guān)閉導(dǎo)致無法持續(xù)接收USB車胎監(jiān)測報(bào)文，采用了關(guān)閉重啟的策略。在服務(wù)的onStartCommand中設(shè)置返回START_FLAG_REDELIVERY標(biāo)記，代表service被kill后重新啟動，并攜帶上次啟動參數(shù)輸入?yún)?shù)intent。

public int onStartCommand(Intent intent, int flags, int startId) {

flags =flags| Service.START_FLAG_REDELIVERY;

return super.onStartCommand(intent, flags, startId);

}

4) TireService服務(wù)啟動后，啟動讀取線程ReadThread。為了TireService被強(qiáng)行關(guān)閉重啟后仍能持續(xù)接收USB串口車胎監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)文，因此將USB設(shè)備打開操作在讀取線程中。

讀取線程ReadThread工作流程如圖5所示，首先枚舉查找USB轉(zhuǎn)換模塊設(shè)備，檢查程序是否被授予操作USB轉(zhuǎn)換模塊設(shè)備的權(quán)限，如果未授權(quán)該USB設(shè)備的操作權(quán)限，則通過PendingIntent申請USB操作權(quán)限。然后打開USB設(shè)備并循環(huán)接收USB車胎監(jiān)測報(bào)文，收到報(bào)文后獲得車胎位置以及相應(yīng)胎溫胎壓信息。當(dāng)程序界面MainActivity處在前臺運(yùn)行時，通過Callback回調(diào)機(jī)制發(fā)回程序界面進(jìn)行顯示，當(dāng)超過閾值進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警。當(dāng)程序界面處在后臺運(yùn)行時，如果胎溫胎壓超過相應(yīng)閾值，則通過startActivity將程序界面轉(zhuǎn)到前臺運(yùn)行。

圖5 ReadThread工作流程

5)告警閾值處理和告警暫停

告警閾值需要通過SettingDialog進(jìn)行調(diào)整，該對話框通過Callback機(jī)制將閾值設(shè)置數(shù)值返回主界面。

當(dāng)用戶在設(shè)置對話框修改了告警閾值時，告警閾值將更新到主界面MainActivity中，并通過綁定服務(wù)時返回的Binder對象傳遞到后臺服務(wù)TireService中。同時為了程序被強(qiáng)行關(guān)閉時，也可獲得正確的告警閾值，在告警閾值更改的同時，將利用SharedPreference保存告警閾值進(jìn)行持久化存儲。在TireService服務(wù)啟動onStartCommand階段，判斷是否為MainActivity正常啟動TireService，還是因此程序被強(qiáng)行關(guān)閉而對服務(wù)的重啟。當(dāng)服務(wù)啟動為程序被強(qiáng)行關(guān)閉而對服務(wù)的重啟時，需要在持久化存儲中讀取保存的告警閾值，否則重啟服務(wù)時告警閾值為局部變量的默認(rèn)初始值0。

為了避免持續(xù)收到告警車胎監(jiān)測報(bào)文時，持續(xù)調(diào)出程序主界面導(dǎo)致無用轉(zhuǎn)到其他程序執(zhí)行的情況，因此在告警顯示時，將出現(xiàn)告警暫停操作按鈕，點(diǎn)擊該按鈕后，在5分鐘內(nèi)即使收到胎溫或胎壓超過閾值的車胎監(jiān)測報(bào)文，也不會顯示告警情況。當(dāng)告警暫停定時結(jié)束后，程序即又回到接收到異常車胎監(jiān)測報(bào)文，便進(jìn)行正常告警的狀態(tài)。

4 系統(tǒng)結(jié)果測試

將車胎監(jiān)測系統(tǒng)安裝在新能源客車上，大客車配備Android顯示屏，通過轉(zhuǎn)換模塊將車胎監(jiān)測數(shù)據(jù)接到Android系統(tǒng)，并通過本軟件進(jìn)行展示。由于實(shí)際部署在車輛上時，不便連接調(diào)試和查看調(diào)試信息，因此采用如圖6測試模型，Ginkgo USB-CAN總線適配器連接到PC上作為CAN數(shù)據(jù)發(fā)送源，PC機(jī)通過使用Ginkgo USB-CAN配套軟件按照車胎協(xié)議報(bào)文格式按照周期100 ms不間斷發(fā)送車胎監(jiān)測報(bào)文。作為CAN數(shù)據(jù)源的Ginkgo USB-CAN總線適配器，與車胎監(jiān)測轉(zhuǎn)換模塊連接，從而完成CAN接口報(bào)文轉(zhuǎn)換成USB串口數(shù)據(jù)包接入到Android系統(tǒng)。

圖6 測試模型連接圖

當(dāng)Android系統(tǒng)進(jìn)行上電啟動，系統(tǒng)啟動后自動運(yùn)行本應(yīng)用程序主界面MainActivity顯示車胎監(jiān)測胎溫胎壓信息。在測試告警時采用發(fā)送相同的車胎監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)文，通過閾值設(shè)置對話框調(diào)節(jié)胎壓告警下限閾值超出該車胎特定監(jiān)測報(bào)文的胎壓數(shù)值，則進(jìn)行顯示告警。當(dāng)點(diǎn)擊返回鍵后，MainActivity退到后臺運(yùn)行，并通過后臺Service持續(xù)接收并解析USB串口車胎監(jiān)測報(bào)文，當(dāng)胎溫或胎壓超過指定閾值，則將MainActivity調(diào)到前臺進(jìn)行顯示。當(dāng)從通過任務(wù)管理將程序強(qiáng)行關(guān)閉時，后臺Service將自動重啟并接收解析USB串口車胎監(jiān)測信息，當(dāng)胎溫或胎壓超過指定閾值，則調(diào)出程序界面MainActivity進(jìn)行顯示。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)了一個利用Android端進(jìn)行信息展示的車胎監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)時接收USB接口上報(bào)的車胎監(jiān)測報(bào)文，當(dāng)超過相應(yīng)閾值則進(jìn)行告警顯示。通過利用綜合利用startService和bindService兩種類型的后臺Service、利用moveTaskToBack將程序移到后臺運(yùn)行、通過服務(wù)關(guān)閉重啟來確保后臺Service持續(xù)接收USB接口上報(bào)的車胎監(jiān)測報(bào)文，完成實(shí)時監(jiān)測的功能，經(jīng)過實(shí)際部署應(yīng)用，滿足的實(shí)時車胎監(jiān)測的需要。