Android是移動(dòng)設(shè)備的主流操作系統(tǒng)，近年來越來越多的工業(yè)領(lǐng)域的客戶開始關(guān)注基于Android操作系統(tǒng)的設(shè)備在工控領(lǐng)域的應(yīng)用。鑒于Android是基于Linux內(nèi)核的事實(shí)，我們發(fā)展了一種以雙應(yīng)用進(jìn)程為特色的Android工控應(yīng)用方案，并在ESM6802工控主板上加以實(shí)現(xiàn)。具體說來，就是在Linux平臺(tái)上運(yùn)行一個(gè)直接操作硬件接口的控制通訊管理進(jìn)程，為保證運(yùn)行效率，該進(jìn)程采用C/C++語言編寫（以下簡(jiǎn)稱C進(jìn)程或控制進(jìn)程）；另一方面在Android平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)Java語言編寫一個(gè)人機(jī)界面進(jìn)程（以下簡(jiǎn)稱Java進(jìn)程）。底層的控制進(jìn)程并不依賴與上層的Java進(jìn)程而獨(dú)立運(yùn)行，兩個(gè)進(jìn)程之間通過本地IP進(jìn)行通訊，控制進(jìn)程處于服務(wù)器偵聽模式，Java進(jìn)程則為客戶端模式。本方案的主要優(yōu)點(diǎn)是客戶可以直接繼承已有的現(xiàn)成應(yīng)用程序作為底層控制進(jìn)程的基礎(chǔ)，僅僅增加標(biāo)準(zhǔn)的Socket偵聽功能，即可快速完成新的底層應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。而界面的Java程序，由于不再涉及具體的工控硬件接口，屬于單純的Android程序，編程難度也大大降低。

設(shè)計(jì)Android雙應(yīng)用進(jìn)程Demo程序的目的就是驗(yàn)證“雙應(yīng)用進(jìn)程”Android工控應(yīng)用方案的可行性，同時(shí)起到一個(gè)拋磚引玉的作用。本設(shè)計(jì)文檔將具體講解設(shè)計(jì)思路，約束通信協(xié)議和接口。

本文PDF下載：Android雙應(yīng)用進(jìn)程工控方案（二）——Android雙應(yīng)用進(jìn)程Demo程序設(shè)計(jì)

1、總體描述

總體要求如下：

●采用C/S（客戶端/服務(wù)端）模式，通過socket連接，通信需要自定義通信協(xié)議

●客戶端使用Java語言開發(fā)，主要是人機(jī)交互，查詢以及簡(jiǎn)單的設(shè)置功能

●服務(wù)端使用C/C++語言開發(fā)，主要是各個(gè)功能模塊的業(yè)務(wù)邏輯正常運(yùn)行，以及接收處理客戶端的人機(jī)交互請(qǐng)求

●服務(wù)端各個(gè)功能模塊的業(yè)務(wù)邏輯部分始終正常運(yùn)行，客戶端連接與否，不影響各個(gè)模塊的工作

●客戶端接入后，固定周期向服務(wù)端發(fā)出刷新數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)端響應(yīng)后，客戶端僅刷新有改變的UI部件

圖1C/S工作模式示意圖

如圖1所示，Android開機(jī)后，服務(wù)端C/C++程序自動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)整個(gè)控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，各個(gè)功能模塊下的設(shè)備都已進(jìn)入正常工作模式。這里以GPIO和串口設(shè)備作為示例，其中GPIO模擬開關(guān)狀態(tài)變量，串口模擬通信設(shè)備。server模塊監(jiān)聽client的連接，當(dāng)有client接入后，響應(yīng)client的請(qǐng)求，將GPIO狀態(tài)、串口的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息，按照自定義的通信協(xié)議封裝成協(xié)議包，通過socket發(fā)送給client。如果沒有client接入，或者client接入斷開，各個(gè)功能模塊依然正常工作。也就是說，服務(wù)端C/C++程序完全可以在沒有客戶端的情況下，自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)各個(gè)功能模塊；客戶端的接入，主要是為了方便人為監(jiān)控。

2、模擬業(yè)務(wù)描述

在上一節(jié)的描述下，我們模擬某個(gè)控制系統(tǒng)（控制進(jìn)程）的實(shí)際控制設(shè)備如下：

●設(shè)備1：兩個(gè)GPIO，其中GPIO0作為警報(bào)輸入，GPIO1作為消防輸出。控制進(jìn)程啟動(dòng)后一直監(jiān)聽GPIO0，當(dāng)GPIO0輸入高電平時(shí)，控制進(jìn)程設(shè)置GPIO1輸出低電平；當(dāng)GPIO0輸入低電平時(shí)，GPIO1輸出高電平

●設(shè)備2：1個(gè)串口設(shè)備，控制進(jìn)程開啟后，串口設(shè)備周期性自動(dòng)發(fā)送固定字符串，接收線程一直開啟

在Android的人機(jī)界面進(jìn)程（Java進(jìn)程）中，需要做的有：

●查詢并顯示GPIO0和GPIO1的狀態(tài)

●查詢并顯示串口設(shè)備的發(fā)送/接收計(jì)數(shù)值、底層串口的自動(dòng)發(fā)送周期值

●設(shè)置底層串口的自動(dòng)發(fā)送周期

●清零底層串口的發(fā)送/接收計(jì)數(shù)值

3、自定義通信協(xié)議

客戶端與服務(wù)端之間通過socket連接通信，由于socket流傳輸是沒有邊界概念的，可能存在“分包”或“黏包”的情況，這就要求用戶自定義通信協(xié)議，用以從socket字節(jié)流中提取出完整的通信包，解析此通信包，完成通信。

根據(jù)模擬業(yè)務(wù)描述，在此Demo程序中，采用下圖所示的通信包結(jié)構(gòu)：

圖2自定義通信協(xié)議包

Head：包頭，2字節(jié)，固定0xFF0x02

Len：包剩余（ID+Type+Data+Csum）長(zhǎng)度，4字節(jié)，范圍0~1018（1024-2-4）

ID：設(shè)備標(biāo)號(hào)，1字節(jié)，表明此包來自于客戶端還是服務(wù)端（可以不用）

‘S’-- 服務(wù)端

‘C’-- 客戶端

Type：數(shù)據(jù)類型，1字節(jié)，表明此包的具體指令目的

‘q’-- 來自客戶端，查詢所有參數(shù)（gpio狀態(tài)、串口發(fā)送/接收字節(jié)數(shù)、自動(dòng)發(fā)送周期）

‘r’-- 來自服務(wù)端，應(yīng)答客戶端‘q’查詢

‘s’-- 來自客戶端，設(shè)置底層串口自動(dòng)發(fā)送的周期

‘c’-- 來自客戶端，底層串口發(fā)送接收計(jì)數(shù)清零

Data：數(shù)據(jù)內(nèi)容，長(zhǎng)度不定字節(jié)，長(zhǎng)度范圍0~1015字節(jié)

Type=‘q’時(shí)，data沒有意義，長(zhǎng)度可以為0

Type=‘r’時(shí)，data長(zhǎng)度14字節(jié)，gpio0狀態(tài)（1字節(jié)）+gpio1狀態(tài)（1字節(jié)）+串口rx計(jì)數(shù)（4字節(jié)）+ 串口tx計(jì)數(shù)（4字節(jié)）+串口自動(dòng)發(fā)送周期（4字節(jié)）

Type=‘s’時(shí)，data長(zhǎng)度4字節(jié)，表示設(shè)置底層串口自動(dòng)發(fā)送的周期

Type=‘c’時(shí)，data沒有意義，長(zhǎng)度可以為0

Csum：校驗(yàn)和，1字節(jié)，從ID到Data結(jié)束的校驗(yàn)和（反碼），接收端ID+Type+data+Csum=0即為正確接收

4、服務(wù)端C/C++程序

服務(wù)端C/C++程序是“雙應(yīng)用進(jìn)程”模式中的控制進(jìn)程，其主要功能有兩個(gè)方面：一是能夠自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)各個(gè)功能模塊，控制完成主要的業(yè)務(wù)邏輯；二是監(jiān)聽客戶端連接，解析響應(yīng)客戶端請(qǐng)求。

4.1自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)各個(gè)功能模塊

在此demo程序中，功能模塊主要是gpio和串口，gpio模擬開關(guān)量，串口模擬通信設(shè)備。因此，創(chuàng)建MyGPIO和MySerial兩個(gè)類。下面簡(jiǎn)單介紹下這兩個(gè)類的public接口。

圖3MyGPIO類

MyGPIO的init接口主要是打開/dev/esm6800_gpio這個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。run接口主要是新建線程開啟GPIO相關(guān)的業(yè)務(wù)工作，這里假設(shè)GPIO0作為輸入，GPIO1作為輸出，當(dāng)檢測(cè)到GPIO0為低電平狀態(tài)時(shí)，GPIO1輸出高電平；反之，當(dāng)GPIO0位高電平時(shí)，GPIO1輸出低電平。stop接口為停止GPIO業(yè)務(wù)，退出GPIO業(yè)務(wù)線程。getGPIOStateByIndex接口可以讀取gpio-index的輸入/輸出電平狀態(tài)。

同樣，對(duì)于MySerial類，也提供init、run、stop接口，另外提供了getCountInfo接口，讀取傳送計(jì)數(shù)信息，clearCount接口對(duì)計(jì)數(shù)清零。run接口開啟串口業(yè)務(wù)線程，這里模擬業(yè)務(wù)為周期性的向串口發(fā)送數(shù)據(jù)（接收線程一直接收串口數(shù)據(jù)），因此還提供了一個(gè)設(shè)置周期的公共接口setPeriod和查詢接口getPeriod。

圖4MySerial類部分公共接口

4.2監(jiān)聽客戶端連接，解析響應(yīng)客戶端請(qǐng)求

此部分主要對(duì)應(yīng)圖1中的Server模塊，為此創(chuàng)建一個(gè)MyServer類，其頭文件如圖5所示。其中，registerDev接口用于向MyServer類注冊(cè)設(shè)備，主要是將設(shè)備類（MyGPIO、MySerial）的指針傳遞給MyServer類，當(dāng)MyServer類解析通信包后，可以通過設(shè)備類的指針調(diào)用其公共接口，查詢/設(shè)置相關(guān)參數(shù)。run函數(shù)開啟服務(wù)器，監(jiān)聽本地網(wǎng)絡(luò)（127.0.0.1)的默認(rèn)端口9733，進(jìn)入accept等待連接狀態(tài)。

圖5MyServer類

4.3main函數(shù)工作流程

在main函數(shù)中，首先將GPIO設(shè)備和串口設(shè)備注冊(cè)到Server模塊中；然后初始化并運(yùn)行GPIO和串口的具體工作任務(wù)；最后運(yùn)行Server模塊，開始監(jiān)聽本地端口9733，如果有連接到來，就建立新連接，解析來自客戶端的協(xié)議幀，根據(jù)協(xié)議棧中的信息，調(diào)用GPIO、串口設(shè)備的公共接口得到響應(yīng)信息，響應(yīng)客戶端請(qǐng)求。main函數(shù)的流程如下圖所示：

圖6main函數(shù)

5、客戶端Android Java程序

圖7客戶端初始化

圖8客戶端連接本地端口

客戶端啟動(dòng)后，新建socket連接本地IP地址的默認(rèn)端口（127.0.0.1:9733），如圖7和圖8所示。建立連接后，以固定周期向服務(wù)器發(fā)送查詢請(qǐng)求，然后刷新界面。

圖9客戶端界面（正常狀態(tài)）

圖10客戶端界面（報(bào)警狀態(tài)）

如圖9和圖10所示，“警報(bào)輸入狀態(tài)”和“消防栓輸出狀態(tài)”分別讀取的GPIO0和GPIO1的狀態(tài)，當(dāng)GPIO0輸入高電平時(shí)（報(bào)警輸入狀態(tài)OFF），服務(wù)端自動(dòng)控制GPIO1輸出低電平（消防栓輸出狀態(tài)OFF）；反之，當(dāng)GPIO0輸入低電平時(shí)（報(bào)警輸入狀態(tài)ON），服務(wù)端控制GPIO1輸出高電平（消防栓輸出狀態(tài)ON）。

“串口設(shè)備”模擬通信設(shè)備，這里僅獲取了發(fā)送和接收計(jì)數(shù)值。為了模擬通信設(shè)備的自動(dòng)獨(dú)立運(yùn)行，我們讓串口周期自動(dòng)發(fā)送字符串，而這個(gè)周期值可以在點(diǎn)擊“串口設(shè)備”彈出的對(duì)話框中的設(shè)置。如圖11所示，在彈出的對(duì)話框中，還可以選擇清零底層串口的發(fā)送/接收計(jì)數(shù)值。這樣就加入了人為的控制。

最后，“設(shè)置”項(xiàng)主要設(shè)置UI進(jìn)程相關(guān)的屬性，比如訪問服務(wù)器獲取信息的“刷新周期”等。

圖11串口設(shè)置對(duì)話框

6、總結(jié)

“雙應(yīng)用進(jìn)程”方案設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序，在原來的C/C++程序基礎(chǔ)上，添加一個(gè)server模塊，將工作設(shè)備（GPIO、串口）的運(yùn)轉(zhuǎn)信息通過本地網(wǎng)絡(luò)（127.0.0.1）的socket傳送給了Android UI端顯示；同時(shí)，server模塊又能接收UI端的人機(jī)交互命令，并設(shè)置到對(duì)應(yīng)工作設(shè)備。這其中，主要工作是抽象出server與各工作設(shè)備間的通信方式，以及server與UI端的自定義通信協(xié)議及解析。此方案充分利用了原有的C/C++程序，加快了底層業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)進(jìn)度；同時(shí)，也降低了Java端界面開發(fā)的難度。

本文在server與各工作設(shè)備間的通信方式，以及server與UI端的自定義通信協(xié)議及解析方面只是針對(duì)第二節(jié)中簡(jiǎn)單模擬業(yè)務(wù)而設(shè)定的，其目的在于驗(yàn)證方案的可行性，起到拋磚引玉的作用。如果用戶對(duì)此方案感興趣，英創(chuàng)會(huì)提供此demo程序的源碼，供客戶參考。