田雪蓮

(成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,成都 610218)

0 引言

近年來(lái),復(fù)雜的信息控制技術(shù)使汽車工業(yè)在移動(dòng)終端領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步,汽車的移動(dòng)終端設(shè)備涉及4G通信、物聯(lián)網(wǎng)、電子信息技術(shù)的自動(dòng)融合。到目前為止,不少的農(nóng)業(yè)車輛制造商和第三方服務(wù)提供商開(kāi)始研發(fā)如車輛故障診斷、車輛狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控及駕駛輔助等智能終端應(yīng)用程序。本文結(jié)合Android和嵌入式控制技術(shù),設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)車輛狀態(tài)的智能顯示和實(shí)時(shí)控制。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng)工作原理是運(yùn)用嵌入式、傳感技術(shù)、GPS、GPRS及移動(dòng)設(shè)備等多種技術(shù),采集農(nóng)用車輛的行車狀態(tài)和GPS信息,在Android實(shí)時(shí)顯示這些信息,讓駕駛員實(shí)時(shí)了解車輛信息,并通過(guò)GPRS信號(hào)將工作狀態(tài)傳回至后臺(tái)集中檢測(cè)中心。農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng)包括車輛信息采集模塊、GPS模塊、GPRS通信模塊、屏幕顯示、語(yǔ)音設(shè)備、APP模塊、MPU6050、SDRAM、時(shí)鐘、電源及復(fù)位等。其中,車輛信息采集模塊可以自動(dòng)獲取實(shí)時(shí)的車輛故障碼和動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等車內(nèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流,主要功能是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)通信及自身電源的調(diào)理;GPRS通信模塊,使用GC65無(wú)線通信模塊或者第三代移動(dòng)通信技術(shù),支持基站定位、TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及云端數(shù)據(jù)共享功能;GPS定位模塊可提供車輛實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度位置信息,并利用衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸更新系統(tǒng)時(shí)間,保證時(shí)間準(zhǔn)確性;傾角與振動(dòng)檢測(cè)模塊使用了MPU6050(3軸加速度傳感器+3軸角速度傳感器)模塊,對(duì)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的加速度信息,以此為依據(jù),記錄車輛行駛行為(加速、減速、變道)。

圖1 農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1)STM32處理器。STM32 F103系列是意法半導(dǎo)體(ST)公司設(shè)計(jì)的高性能、低功耗和低成本的芯片,采用超低功耗的ARM Cortex-M3設(shè)計(jì)。ARM Cortex-M3是基于ARMv7-M架構(gòu)的處理器,采用了哈佛結(jié)構(gòu),擁有相互獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線,可以實(shí)現(xiàn)取指令和數(shù)據(jù)訪問(wèn)并行執(zhí)行。本系統(tǒng)選用STM32F103RCT6芯片,CPU工作頻率高達(dá)72MHz,擁有256kB的FLASH閃存和48kB的SRAM,芯片共有64個(gè)管腳,可用于外圍傳感器或其他存儲(chǔ)設(shè)備通信。

2)車輛信息采集模塊設(shè)計(jì)。車輛信息采集模塊采用人工智能技術(shù),對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析分類,得到故障特征信息,根據(jù)車輛傳感器數(shù)據(jù)量比較小的特點(diǎn),系統(tǒng)選取了支持向量機(jī)(SVM,Support Vector Machine)作為分類算法。支持向量機(jī)理論是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論與結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則,具有完整的理論體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)理論。采用的流形正則化學(xué)習(xí)框架表達(dá)式為

流形正則化支持向量機(jī)算法計(jì)算關(guān)鍵步驟如下:

2)輸出。估計(jì)分類邊界函數(shù)為f:R25→R,決策函數(shù)為y=sign(f(x))。

步驟1:用l+u個(gè)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)鄰接圖,若i在j的k近鄰中或j在i的k近鄰中,則使用RBF計(jì)算連接i、j的邊的權(quán)值Wij,否則Wij=0。

步驟4:選擇正則化權(quán)重系數(shù)γA和γI。

步驟 5:求解凸二次規(guī)劃和線性系統(tǒng),解得α*,并輸出函數(shù)。

本文SVM分類由模型訓(xùn)練和結(jié)果預(yù)測(cè)2個(gè)部分組成:模型訓(xùn)練是使用標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)對(duì)SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練,得到分類效果最好的分類模型參數(shù),然后使用訓(xùn)練好的模型對(duì)帶有少量標(biāo)簽的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè),得到分類結(jié)果。支持向量機(jī)故障診斷流程如圖2所示。

圖2 支持向量機(jī)故障診斷流程圖

3)MPU6050模塊。MPU6050內(nèi)部集成了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器及數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器,除了用來(lái)與MCU通信的主IIC接口外,還預(yù)留了一個(gè)可用于接第三方數(shù)字傳感器的IIC接口,通過(guò)此接口外接1個(gè)磁力傳感器,即可實(shí)現(xiàn)輸出完整的9軸姿態(tài)信號(hào)。MPU6050姿態(tài)采集模塊實(shí)物如圖3所示。

3 Android軟件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

3.1 Android系統(tǒng)框架

Android操作系統(tǒng)是谷歌于2007年正式公布推出的一款智能手機(jī)系統(tǒng)平臺(tái),是在Linux內(nèi)核上進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的,并采用Android framework層與Linux kernel進(jìn)行隔開(kāi)。Android系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖3 MPU6050姿態(tài)采集模塊實(shí)物圖

圖4 Android系統(tǒng)框架圖

3.2 Android系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1) Eclipse開(kāi)發(fā)軟件安裝。移動(dòng)客戶端的開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇Eclipse,為了實(shí)現(xiàn)其完整的開(kāi)發(fā)作用,需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行一系列的搭建,ADT安裝界面如圖5所示。

圖5 ADT環(huán)境安裝圖

(1)安裝JDK,配置環(huán)境變量,提供java代碼編譯和運(yùn)行的環(huán)境;

(2)安裝ADT插件(android developer tools)為Android開(kāi)發(fā)提供開(kāi)發(fā)工具;

(3)下載安裝SDK(Software Development Kit),提供應(yīng)用程序所需要的框架,庫(kù)類函數(shù)等;

(4)打開(kāi)模擬器,模擬器可以選擇系統(tǒng)模擬器或者夜神模擬器,點(diǎn)擊工具欄圖標(biāo)Android Virtual Device Manager,選擇Create創(chuàng)建,設(shè)置相關(guān)屬性后,點(diǎn)擊OK,選擇該模擬器start、launch啟動(dòng)運(yùn)行;

(5)打開(kāi)DDMS(Dalvik Debug Monitor Service),即Dalvik虛擬機(jī)調(diào)試監(jiān)控服務(wù),方便進(jìn)行功能調(diào)試。

2) Android應(yīng)用程序組件。Android移動(dòng)客戶端的開(kāi)發(fā)離不開(kāi)組件的支持,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)各個(gè)組件的功能及應(yīng)用方向可將其分為4大類別組件:Activity、Service、Broadcast、Receiver(廣播接收者),以及Content Provider(內(nèi)容提供者)。

(1)Activity。每個(gè)移動(dòng)客戶端由多個(gè)Activity組成,顯示界面將在各個(gè)Activity間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。作為程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn),在Activity中運(yùn)行著大部分的程序流程,對(duì)應(yīng)著與用戶交互的窗口。在Activity中可對(duì)Button、TextView等控件進(jìn)行添加,對(duì)控件進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)的相關(guān)邏輯,同時(shí)每一個(gè)Activity都是與用戶進(jìn)行交互的接口。

(2)Service。Service作為Android的組件之一,與Activity不同的是只能在后臺(tái)運(yùn)行且沒(méi)有用戶界面。因?yàn)樵诤笈_(tái)運(yùn)行的Service服務(wù)不存在時(shí)間限制,所以它常用來(lái)執(zhí)行需要持續(xù)運(yùn)行的任務(wù),且Service服務(wù)在應(yīng)用程序中的主線程內(nèi)運(yùn)行,對(duì)于耗時(shí)任務(wù)將派生新的線程來(lái)進(jìn)行。

(3)Broadcast Receiver。廣播是在應(yīng)用程序之間傳輸信息的機(jī)制,而B(niǎo)roadcast Receiver則是對(duì)發(fā)送出來(lái)的廣播進(jìn)行過(guò)濾接受并響應(yīng)的一類組件。其注冊(cè)方式有兩種,既可選擇在配置文件AndroidManifest.xml中注冊(cè)也可通過(guò)代碼Context.registerReceive()進(jìn)行注冊(cè),且Broadcast Receiver和Service一樣,不存在界面。

(4)Content Provider。在Android中,對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)十分嚴(yán)密,應(yīng)用程序所具有的數(shù)據(jù)庫(kù)、文件等內(nèi)容,不允許其他直接訪問(wèn),而主要用于Android應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的Content Provider組件則提供了一種訪問(wèn)的方式。應(yīng)用程序通過(guò)創(chuàng)建ContentResolver對(duì)象,調(diào)用它的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。

3) 車載終端控制APP部分程序。MediaManager是車載終端控制APP主要的變量和方法類,其主要程序如下:

public class MediaManager {

private static final String TAG = "GH.MediaManager";private static final String PREFS_FILE_NAME =

"MediaClientManager.Preferences";private static final String PREFS_KEY_PACKAGE =

"media_package";private static final String PREFS_KEY_CLASS =

"media_class";

private static final String THEME_META_DATA_NAME =

"com.google.android.gms.car.application.theme";public static final String KEY_MEDIA_COMPONENT =

"media_component";public static final String KEY_MEDIA_PACKAGE =

"media_package";public static final String KEY_MEDIA_CLASS =

"media_class";

private static final String KEY_IGNORE_ORIGINAL_PKG =

"com.google.android.projection.gearhead.ignore_original_pkg";public static final String

KEY_MEDIA_PACKAGE_FROM_GSA =

"android.car.intent.extra.MEDIA_PACKAGE";

private static final String GOOGLE_PLAY_MUSIC_PACKAGE

= "com.google.android.music;private static final String[] INTERNAL_EXTRAS =

{"KEY_LAUNCH_HANDOVER_UNDERNEATH",

"com.google.android.projection.gearhead.ignore_original_pkg"};

private static final Intent MEDIA_BROWSER_INTENT =

new

Intent(MediaBrowserService.SERVICE_INTERFACE);private static MediaManager sInstance;private final MediaController.Callback

mMediaControllerCallback =

new MediaManagerCallback(this);private final MediaBrowser.ConnectionCallback

mMediaBrowserConnectionCallback =

new MediaManagerConnectionCallback(this);public interface Listener {

void onMediaAppChanged(ComponentName

componentName);void onStatusMessageChanged(String msg);}

}

4 試驗(yàn)

農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng)包括農(nóng)用車輛定位服務(wù)、行駛狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示及防盜等應(yīng)用程序,為了驗(yàn)證基于Android的農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求,以農(nóng)用車輛定位服務(wù)應(yīng)用程序?yàn)槔?對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。農(nóng)用車輛定位服務(wù)主要包括配置、GNSS數(shù)據(jù)顯示、軟件日志和地圖顯示燈等4個(gè)模塊,在使用定位程序之前,需要在定位服務(wù)應(yīng)用程序界面進(jìn)行信息配置。設(shè)置衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法和接收機(jī)定位參數(shù)輸出等參數(shù)格式,如圖6左側(cè)所示,農(nóng)用車輛定位服務(wù)定位顯示如圖6右側(cè)所示。

圖6 APP參數(shù)設(shè)定界面(左)和定位顯示界面(右)

interface (right)

由圖6可以看出:在對(duì)定位服務(wù)應(yīng)用程序設(shè)置查分服務(wù)器IP、參考基站數(shù)據(jù)輸出、衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法、接收機(jī)定位參數(shù)輸出等參數(shù)格式后,系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)用車輛進(jìn)行精準(zhǔn)的定位服務(wù),證明了系統(tǒng)具有一定的可行性和實(shí)用性。

5 結(jié)論

采用物聯(lián)網(wǎng)、Android和智能控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)車輛定位服務(wù)、行駛狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、防盜等多種功能。在農(nóng)用車輛定位服務(wù)應(yīng)用程序是否可行的驗(yàn)證試驗(yàn)中,對(duì)定位服務(wù)應(yīng)用程序?qū)Ш蕉ㄎ坏膮?shù)后,系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)用車輛進(jìn)行精準(zhǔn)的定位服務(wù),證明了系統(tǒng)具有一定的可行性和實(shí)用性。