安卓嵌入式车联网终端系统开发

摘 要

　　近年来，物联网技术不断地被研究和发展，并逐渐渗透到各行各业，带动相关产业不断发展。物流产业作为国家交通运输产业结构改革的重要一环，具有重大的发展潜力和市场空间。随着智慧物流概念的提出，为了实现对物流架构的优化调整，降低物流货车的空载率，涌现出大量的优化物流系统的车联网终端系统。

　　车联网终端系统通过使用全球定位GPS 技术对货车地理位置信息采集，使用 GPRS无线网络技术传输数据，并使用 GIS 技术实现货车位置的定位。但是目前车联网终端系统仍有许多不足：多数车联网终端没有使用智能操作系统，采集数据仅仅采集 GPS 信息，车联网终端的服务器并没有高效得处理能力和响应能力，车联网终端系统往往只是实现单一的定位功能。因此，建立一套完整、高效的车联网终端系统，对提高物流产业的整体效率，提高企业的经济效益，以及推动国家物流产业结构的调整具有极其深远的意义。

　　本文基于对电动物流货车以及物流行业的实际调研，以及对相关技术的研究和分析，设计了基于 Android 的嵌入式车联网终端系统的整体框架结构。着重对整个系统中的 Android 嵌入式车联网终端和采集服务器进行需求分析，并根据分析进行设计和实现。在车联网终端方面，设计了基于 MCP2515 芯片的 CAN 总线驱动，完成对 J1939 报文的解析与发送，设计了 Android 车联网终端后台服务，车载 APP的基础功能并根据车联网终端的运行环境对 Android 系统启动优化方面进行详细设计与实现。服务器方面，使用 MINA 架构搭建高并发处理服务器，并制定有效的协议建立和维护车联网终端和采集服务器之间的连接，同时针对服务器要处理的大量实时数据，进行异步处理，设计了通过 JNI 调用本地方法实现 SSE 并行指令加速方案，优化服务器的响应速度。最后，对整个系统的性能和功能进行相关测试，验证各项功能正常运作，完成了整个系统的可靠性验证。

　　结果表明，Android 车联网终端系统可以准确的为物流系统提供电动物流货车的实时数据信息，同时实时解析相关报文并发送到应用服务器，为后续建立车载大数据奠定了基础。

　　关键词：Android，车联网终端，CAN 驱动，高并发，SSE 加速

ABSTRACT

　　In recent years, Internet of Things has been researched and developed, permeating various walks of life, promoting the continuous development of relevant industries. As a significant part of the national transport industry structural reform, logistics industry has great development potential and huge market space. A great number of terminal systems for internet of vehicles for optimization of the logistics system has sprung up accompany with the proposal of intelligent logistics to optimize the structure of logistics system and reduce the logistics truck no-load rate.Terminal systems for internet of vehicles use GPS technology for truck location information collection, GPRS wireless network technology for data transmission, and finally GIS technology for the display of the location on the map. However, terminal systems for internet of vehicles still have a number of deficiencies:most terminals for internet do not use intelligent operating system, only collect the GPS information, and the server of the system can not process data efficiently or response the data quickly. Therefore the establishment of a complete and efficient terminal system for the internel of vehicles has far-reaching significance in not only improving overall efficiency of the logistics industry and the economic efficiency of enterprises but also the adjustment of national logistics industry structure. Based on the practical investigation about the electric logistics truck, logistics industry and the related technology, we designed the overall frame structure of the embedded terminal systems for internet of vehicles based on Android operating system.

　　Focusing on the requirements analysis of the terminal and the acquisition server of the Android terminal systems for internet of vehicles, we designed and implemented the system according to the analysis. In terms of terminal, we designed CAN bus driverbased on MCP2515, completed the parsing and transmission of J1939 message frame,designed the backstage service of the terminal, completed the basic function of the vehicle APP, and optimized the Android system startup according to the truck environment. As far as the server, we built a high concurrent processing server using MINA architecture, designed effective protocol to establish and maintain the connection between the terminal and the acquisition server. Moreover, to deal with massive number of real-time data, we designed asynchronous process and JNI call local method using SSE parallel instruction acceleration scheme for optimizing the response speed of the server. After finishing the design, we tested the performance and the function of the whole system, verified the function working and the reliability of the whole system.

　　The results showed that the android terminal system for internet of vehicles could accurately provide the real-time data of the the electric logistics truck for the logistics system and send the relevant message to the application server in real time, which lays the foundation for the subsequent establishment of the large vehicle data.

　　Keywords: Android, terminal for internet of vehicles, CAN driver, high concurrency,SSE acceleration

　　随着互联网的普及以及消费者消费理念的不断变化，B2B，B2C，C2C 等不同的商业模式将更多的经济主体引入电商平台，通过物联网、云计算等技术手段，中国已经进入了物联网经营模式[1]。2016 年，走过了 8 个年头的双十一销售额从5000 万元上升到了今年的 1207.4 亿元。与此同时，相应的物流量也从 2009 年的26 万件上涨到了如今的 6.57 亿件，增长了 2526 倍，电商的飞速发展导致了对物流需求的不断增加。

　　中国的物流产业虽然发展迅速，但是仍有很多问题亟待解决[2]。从物流的效率来看：中美两国物流企业公路运输的空驶率的对比值为 39%对 8.3%，以上数据表明，中国的物流行业仍然处在低效能、粗放式的状态。同时，车辆空驶率每降低 1个百分点，都会创造 4000 亿元的利润。因此如何整合现有资源和技术，提高配送效率，在提升物流业发展以及国家 GDP 发展方面，其意义不言而喻。另外一方面，从物流的服务来看，当今物流行业仍然有爆仓，运送延迟、产品损坏、安全失控等问题发生，如何有效的配送物流，提升用户体验，也成为物流业发展的关键点所在[3]。

　　针对当前的物流发展状况，国家交通运输部部长李小鹏介绍交通运输推进供给结构性改革时提出：支持物联网+高效物流的新业态发展。物联网（IOT）作为一种新兴网络技术和产业模式，在过去的几年时间里迎来了巨大的研究浪潮。随着物联网的框架和标准被逐渐定义，不同的公司也开始引入大量的基于物联网的产品和服务形成了为物联网定义框架和标准的联盟[4]。IDC 2014 年预测：到 2020年，物联网会发展到大概有 7.1 万亿的市场[5]。车联网就是从物联网发展出来的概念，其关键点在于车辆不断采集自身的 GPS 信息，周边道路信息，以及自身的运行数据，并通过网络进行信息交互。在不同的行业，车联网的应用虽然各不相同，但是却有巨大的市场潜力[6]。

　　就物流行业来说，车联网终端系统[7]主要是由车联网终端和服务器以及网络组成。车联网终端是主要感知设备，通过车联网终端上的 GPS 芯片，GPRS 无线通讯芯片、以及 CAN 总线数据读取芯片对物流货车的实时动态数据获取。网络是车联网终端数据采集信息发送的链路通道，最终物流货车的地理位置信息和车辆的动态运行状态数据会通过网络传输到服务器系统。上层服务器通过对数据的解析和分析对物流系统进行优化，为物流车辆的调度和物流的资源配置提供了强大的信息基础：一方面上层服务器会根据车辆的当前位置信息以及车辆的能耗信息，对车辆智能调度，合理配货，大大减少公路上的货车空车率；另外一方面，通过对物流货车的发动机，能源信息，报警信息的实时监控，服务器安全、高效的对车辆进行管理。通过车联网终端系统，企业可以更好的整合资源信息，优化资源配给，透明化运输作业，大大降低配货周期，减少仓库爆仓现象。

　　物流产业的不断的发展不断壮大，促使了物流车辆的数目的不断增加，物流车联网终端的数目也不断增多。物流系统的数据的特点是数据量大、周期间隔短，同时处理的信息复杂。如何构建车联网终端系统，完成正确的车载实时数据采集，为司机提供智能信息交互，并实时正确快速的解析大量联网车辆的数据供服务器分析，是当今车联网终端系统亟待解决的问题。也是未来智慧交通，国家车联网格局、车载大数据、物流产业信息化的重要一环。

　　本论文以当前电动物流货车的物流系统为载体，对基于 RK3188 微处理器，Android 操作系统的车联网终端进行设计。同时根据车联网终端系统的设计和物流系统的需求，完成车联网终端和采集服务器的一部分设计。论文主要工作如下：

　　1）对当前 Android 车联网终端使用的相关技术进行分析，并以电动货车物流系统为背景，对包含 Android 车联网终端以及数据采集服务器和应用服务器的整套系统进行设计。

　　2）对 CAN 总线控制器 MCP2515 芯片进行分析，设计 MCP2515 基于 Linux设备的驱动，为 Android 系统采集 J1939 报文打下基础。

　　3）针对 Android 系统无 CAN 总线驱动的特点，通过 netlink 通信机制对 AndroidHAL 层进行定制，实现 HAL 层对基于 CAN 2.0B 协议的 J1939 协议数据的采集，同时为上层应用提供访问接口。

　　4）针对电动物流货车的实际使用场景，对 Android 车联网终端系统进行设计，包括 Android 车联网终端系统后台服务，Android 系统界面 APP，以及 Android 系统针对车载场景的启动优化。

　　5）根据车联网终端系统需要维护大量长连接的场景，使用 MINA 框架对Android 车联网终端系统中的服务器进行设计，用于处理 Android 车联网终端数据的高并发，高吞吐量的数据，维护大量车联网终端的长连接。

　　6）根据电动物流货车使用的 J1939 协议，对 Android 车联网终端与服务器的通信协议进行设计。通信协议保证 Android 车联网终端与服务器之间连接的安全性，稳定，以及数据传输的可靠性。

　　7）通过数据的异步处理机制，以生产者消费者为模型，并通过对底层 SSE 的指令的使用，优化对车联网终端服务器的实时数据处理模块，处理来自车联网终端的海量数据。

　　8）对整套车载系统进行测试方案的指定，并通过测试对整套系统的设计和可行性进行验证。

　　安卓嵌入式车联网终端系统测试：

CAN 总线接收测试

仪表盘显示效果图

性能测试部署

优化前后 TPS 对比图

CPU 加速对比图

目 录

　　第一章 绪 论
　　　　1.1 研究背景与意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　1.3 论文主要工作
　　　　1.4 论文组织结构
　　第二章 相关理论技术与整体设计
　　　　2.1 Linux 内核
　　　　　　2.1.1 进程管理和调度
　　　　　　2.1.2 内存管理
　　　　　　2.1.3 虚拟文件子系统
　　　　　　2.1.4 设备与模块
　　　　2.2 Android 操作系统架构
　　　　2.3 CAN 总线介绍
　　　　2.4 MINA 框架介绍
　　　　2.5 Android 车联网终端系统的整体框架设计
　　　　2.6 本章小结
　　第三章 安卓车联网终端设计和实现
　　　　3.1 车联网终端的需求分析
　　　　　　3.1.1 车联网终端的功能性需求
　　　　　　3.1.2 车联网终端的非功能性需求
　　　　3.2 车联网终端的核心硬件框架图
　　　　3.3 Linux 内核下 CAN 总线驱动设计
　　　　　　3.3.1 车联网终端 CAN 总线的硬件设计
　　　　　　3.3.2 车联网终端 CAN 总线驱动结构
　　　　　　3.3.3 MCP2515 Linux 内核驱动结构
　　　　　　3.3.4 MCP2515 相关操作
　　　　　　3.3.5 SPI 数据的传输
　　　　　　3.3.6 MCP2515 Linux 驱动设计
　　　　3.4 Android HAL 层设计
　　　　　　3.4.1 Android HAL 层与 Linux 驱动的通信
　　　　　　3.4.2 HAL 层对数据的处理实现
　　　　　　3.4.3 CAN 总线 HAL 上层访问接口
　　　　3.5 Android 上层应用设计
　　　　　　3.5.1 Android 车载系统的后台 Service 的设计与实现
　　　　　　3.5.2 Android 车载系统 APP 介绍
　　　　3.6 基于车载环境的 Android 系统启动优化
　　　　　　3.6.1 Android 系统的启动流程分析
　　　　　　3.6.2 针对车载环境对 Android 启动流程的各项优化
　　　　3.7 本章小结
　　第四章 采集服务器的设计和实现
　　　　4.1 采集服务器的需求分析
　　　　　　4.1.1 采集服务器的功能性需求
　　　　　　4.1.2 采集服务器的非功能性需求
　　　　4.2 采集服务器的整体架构
　　　　4.3 采集处理层的设计与实现
　　　　　　4.3.1 服务器与终端通信管理
　　　　　　4.3.2 服务器的编解码器设计与实现
　　　　　　4.3.3 数据解析模块设计与现实
　　　　4.4 kafka 消息转发
　　　　4.5 本章小结
　　第五章 系统测试
　　　　5.1 Android 车联网终端功能测试
　　　　　　5.1.1 MCP2515 Linux 驱动测试
　　　　　　5.1.2 Android 应用测试
　　　　　　5.1.3 Android 系统启动优化测试
　　　　　　5.1.4 车联网终端非功能性测试
　　　　5.2 服务器相关测试
　　　　　　5.2.1 车联网终端连接管理测试
　　　　　　5.2.2 实时数据采集性能测试
　　　　5.3 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　致 谢
　　参考文献

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