基于Android的移動車輛實時監(jiān)測系統(tǒng)

畢麗靜　蔣保臣　王小利

摘要：隨著中國徹底進入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，移動出行以其快捷便利的優(yōu)勢，迅猛發(fā)展。但是其后續(xù)保障建設(shè)的滯后導(dǎo)致了移動出行車輛缺乏統(tǒng)一的監(jiān)督管理平臺，安全事故頻發(fā)。該文基于Android和百度地圖開發(fā)平臺開發(fā)了一套移動出行監(jiān)測系統(tǒng)，可同時實現(xiàn)1000輛車的信息管理、實時定位與跟蹤、歷史軌跡查詢和衛(wèi)星圖展示等功能。首先，通過GNSS模塊接收衛(wèi)星信號，并利用socket技術(shù)發(fā)送給服務(wù)器，經(jīng)服務(wù)器解析處理存入數(shù)據(jù)庫。然后，Android客戶端通過web服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫，獲取車輛、衛(wèi)星信息，并在客戶端實時顯示。該監(jiān)控系統(tǒng)使用線程池模型改進生產(chǎn)者一消費者模式，解決大容量突發(fā)性數(shù)據(jù)請求造成的嚴重丟包率；采用動態(tài)建表的方式，將數(shù)據(jù)分時存儲在不同數(shù)據(jù)表中，解決了海量數(shù)據(jù)查詢效率低的問題；使用輕量級數(shù)據(jù)格式JsON，保證了Android客戶端與遠程數(shù)據(jù)庫之間的實時通信，并解決了手機流量消耗大的問題。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)可高效、穩(wěn)定、長時間運行。

關(guān)鍵詞：移動出行；Android；實時監(jiān)測；生產(chǎn)者一消費者改進模式；動態(tài)建表；JSON

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2017）10-0043-05

1.背景

近年，移動出行服務(wù)，以其快捷便利的優(yōu)勢，迅速發(fā)展。乘客可以通過網(wǎng)上預(yù)約的方式叫車，不用在路邊等待，車主也能最快的獲得附近乘客的位置，節(jié)約了時間。專車和拼車的出現(xiàn)，不僅減少了乘客花銷，也增加了車輛的利用率，減輕道路與環(huán)境的壓力。據(jù)艾瑞咨詢（iReseareh）發(fā)布的《2016年中國移動端出行服務(wù)市場研究報告》顯示，截至2015年底，中國移動端出行服務(wù)乘客端用戶數(shù)總計接近4億。其中網(wǎng)約車、專車與拼車的用戶覆蓋量最高。然而，《報告》數(shù)據(jù)還顯示，無論是專車還是拼車，皆有高達半成以上的用戶對移動出行存在的各類安全問題表示擔(dān)憂。尤其是最近頻發(fā)的乘客被車主搶劫、殺害的事件被報道出來，更是讓人們對移動出行的安全問題表示擔(dān)憂。車主只要在一些移動出行的公司進行注冊登記，就可以為乘客提供出行服務(wù)，缺乏監(jiān)督管理，存在嚴重的安全隱患問題。移動出行市場的快速發(fā)展與其后續(xù)保障建設(shè)的滯后已形成鴻溝。所以，對移動出行車輛實行統(tǒng)一化監(jiān)督管理迫在眉睫。

本文設(shè)計了一套基于Android系統(tǒng)的車輛監(jiān)測系統(tǒng)，對移動出行車輛進行監(jiān)督與管理。該系統(tǒng)主要是基于Android和百度地圖進行的二次開發(fā)，實現(xiàn)了對移動出行車輛與駕駛員信息的管理，可以對車輛進行實時定位與跟蹤，以及歷史軌跡查詢，衛(wèi)星圖展示等。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計

移動車輛監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計主要分為后臺服務(wù)器設(shè)計與An.droid客戶端設(shè)計。服務(wù)器設(shè)計主要解決數(shù)據(jù)采集與存儲問題。使用Trimble公司的GNSS模塊接收衛(wèi)星信號，然后利用socket技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，經(jīng)解析處理存人數(shù)據(jù)庫MySQL。Android客戶端的設(shè)計主要解決Android客戶端的實時顯示以及數(shù)據(jù)的獲取。Android客戶端需要通過web服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫，獲取用戶、車輛與衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后通過JSON實現(xiàn)與Android客戶端的實時通信。該監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對車輛的信息管理、實時定位與跟蹤、歷史軌跡查詢、衛(wèi)星圖展示等功能。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

GNSS接收機與服務(wù)器之間利用socket TCP的方式進行通信。首先是socket服務(wù)器對端口進行監(jiān)聽，等待客戶端TCP連接請求。然后，GNSS接收機作為socket客戶端，向socket服務(wù)器請求TCP連接，連接成功之后，客戶端與服務(wù)器之間進行socket通信，接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)解析處理后再存入數(shù)據(jù)庫MySQL。當(dāng)用戶需要查詢、定位時，Android客戶端會向Web服務(wù)器發(fā)起http請求，Web服務(wù)器連接數(shù)據(jù)庫，獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)封裝成JSON格式，再通過http協(xié)議回傳給An-droid客戶端。Android客戶端再對JSON進行解析，并進行相關(guān)的UI處理。

3.服務(wù)器設(shè)計

服務(wù)器端主要通過socket技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)解析處理存人數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器設(shè)計主要包括socket服務(wù)器程序設(shè)計與數(shù)據(jù)庫設(shè)計。Socket服務(wù)器程序設(shè)計主要解決并發(fā)問題，大容量突發(fā)性數(shù)據(jù)請求造成的嚴重丟包率。本文設(shè)計了一種改進的生產(chǎn)者一消費者模式，采用線程池控制機制進行解決。數(shù)據(jù)庫設(shè)計需要考慮海量數(shù)據(jù)造成的查詢效率慢的問題，采用動態(tài)建表的方式，將數(shù)據(jù)分時存儲在不同的表中。

3.1Socket介紹

Socket是進程之間通信的一種方式。一個socket對應(yīng)于通信的一端?；竟ぷ髁鞒倘缦拢菏紫?，服務(wù)器端啟動，調(diào)用socketo建立一個套接字，然后調(diào)用bindo，將該套接字和本地網(wǎng)絡(luò)地址連在一起，再調(diào)用listeno，做好監(jiān)聽準備，并規(guī)定請求隊列的長度，然后調(diào)用accepto接收連接。客戶端在建立套接字后可調(diào)用connecto和服務(wù)器進行連接。連接建立之后，客戶端和服務(wù)器就可以通過writeo和reado來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，用closeo關(guān)閉套接字。socket基本工作流程如圖2所示。

3.2并發(fā)處理一基于改進的生產(chǎn)者一消費者模式

傳統(tǒng)的信息的傳輸一般采用UDP的通信方式，服務(wù)器監(jiān)聽端口，接收傳感信息，然后進行處理。但是該監(jiān)控系統(tǒng)要求對1000輛車進行監(jiān)控，并進行1s-次的數(shù)據(jù)采集，需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)量大、并發(fā)量高，而且經(jīng)常面臨突發(fā)性超容量請求。在這種條件下，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的socket的通信方式，會造成很大的系統(tǒng)開銷，而且丟包率將大大增加。文獻提出在Actor框架內(nèi)構(gòu)建socket，這樣可以將基于線程的編程模型和基于事件的編程模型統(tǒng)一起來，簡化并發(fā)編程的復(fù)雜性。文獻提出一種socket外包機制，通過繞過客戶端協(xié)議棧的數(shù)據(jù)包，加速訪問速度。文獻提出包含socket接口的域內(nèi)通信機制，減小了TCP傳輸和長距離通信的開銷。但是上述幾種方案都沒有很好的解決突發(fā)性超容量請求造成的嚴重丟包率。本文采用線程池模型，改進生產(chǎn)者消費者模式進行設(shè)計，利用緩沖池、線程池建立多線程并發(fā)連接，丟包率低，訪問速度快。生產(chǎn)者一消費者改進模型如圖3所示。

生產(chǎn)者一消費者模式，可以實現(xiàn)讀寫互斥，一般用在多線程并發(fā)的情況下，以防止緩沖區(qū)出現(xiàn)讀寫混亂。GNSS接收機與socket服務(wù)器建立連接成功之后開啟一個新的線程，負責(zé)接收數(shù)據(jù)，作為生產(chǎn)者，向緩存中寫入數(shù)據(jù)，取出數(shù)據(jù)的線程作為消費者。在生產(chǎn)者和消費者之間的創(chuàng)建n個公共緩沖區(qū)，然后增加一個緩沖池調(diào)度管理線程，對緩沖池中的緩沖區(qū)進行管理。生產(chǎn)者線程寫入數(shù)據(jù)時，會檢測當(dāng)前緩沖區(qū)狀態(tài)，如果緩沖區(qū)未滿，則把接收到的信息寫入緩沖區(qū)；如果緩沖區(qū)已滿，則通知緩沖池調(diào)度管理線程更換新的緩沖區(qū)，而生產(chǎn)者可以不停止寫入動作來保持數(shù)據(jù)的最新。消費者線程可以從緩沖區(qū)讀取實時數(shù)據(jù)并進行解析，以數(shù)據(jù)庫表相一致的格式，寫入二級緩沖區(qū)。

生產(chǎn)者與消費者之間采用互斥信號量實現(xiàn)線程對緩沖池的互斥使用。只要緩沖池未滿，生產(chǎn)者便可將消息持續(xù)送入緩沖池中；只要緩沖池未空，消費者便可從緩沖池中不斷取走一定量的消息。緩沖區(qū)為空時，阻塞消費者，讓生產(chǎn)者“生產(chǎn)”；生產(chǎn)者生產(chǎn)一定量傳感信息后，會通知消費者及時“消費”。傳統(tǒng)的生產(chǎn)者一消費者模型在緩沖區(qū)滿時，阻塞生產(chǎn)者，為臨界區(qū)外等待的消費者放行，當(dāng)消費結(jié)束時，通知生產(chǎn)者“生產(chǎn)”。由于傳感信息的實時性，一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)是不斷產(chǎn)生的，阻塞會造成傳感信息的丟失。因此采用線程池控制機制，讓滿的緩沖區(qū)進行切換，使得緩沖區(qū)中一直持有最新的傳感信息，很好的解決了并發(fā)丟包問題。

3.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計一動態(tài)建表

該監(jiān)控系統(tǒng)需要存儲的數(shù)據(jù)，主要有：

1）用戶信息。用戶注冊信息，包括用戶賬號、密碼、駕駛員姓名、手機號、被分配端口號等。

2）車輛信息。包括日期、時間、速度、經(jīng)緯度、端口號等。

3）衛(wèi)星信息。包括日期、時間、PRN、SNR等。

4）管理員信息。管理員賬號、密碼、權(quán)限等。

車輛信息與衛(wèi)星信息是由GNSS接收機發(fā)送的NMEA格式的GPS信號解析后所得。由于系統(tǒng)實時性要求高，1s一次數(shù)據(jù)采集，經(jīng)測算接收到的一幀數(shù)據(jù)大小在500B到800B之間，那么一輛車一天的數(shù)據(jù)量大約有4OM，那么1000輛車，數(shù)據(jù)量達到了G級別，所以對后續(xù)數(shù)據(jù)的查詢造成了極大的障礙，嚴重影響系統(tǒng)運行的效率。所以針對車輛信息表與衛(wèi)星表，我們采用動態(tài)建表的方式，實現(xiàn)分表存儲。每天動態(tài)建立十張表，以日期及GNSS接收機對應(yīng)的服務(wù)器分配的端口號尾數(shù)來進行分表。如2016年5月1日，端口號為10004的接收機發(fā)送的車輛信息數(shù)據(jù)存儲在caaable_2016_05_01_4表中，衛(wèi)星表類似。數(shù)據(jù)庫我們使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL，MySQL數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4.Android客戶端設(shè)計

Android是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于移動設(shè)備，如智能手機和平板電腦，由Google公司和開放手機聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)與開發(fā)。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，從下至上依次為Linux核心層（Linux kernel）、應(yīng)用程序框架層（hardwareabstracting layer）、系統(tǒng)庫層（1ibraries）、Android運行時（Androidruntime）、應(yīng)用程序框架層（application framework）、應(yīng)用程序?qū)樱╝pplications）。Activity是Android平臺應(yīng)用程序的載體，它允許用戶在其上構(gòu)建一個應(yīng)用界面，并提供用戶處理事件的API，如onKeyEvent，onTouchEvent等。一般應(yīng)用程序由多個Activity組成，Activity之間可以進行相互跳轉(zhuǎn)，通過返回值傳遞數(shù)據(jù)。視圖組件View是最基本的uI類，Android界面設(shè)計中大部分高級uI組件都是繼承View類來實現(xiàn)，如TextView、Button、List、EditText、RadioButton、Checkbox等，通過調(diào)用setContent-Viewo可以在Activity中顯示已構(gòu)造好的用戶視圖。

Android客戶端設(shè)計包括Android界面顯示設(shè)計與數(shù)據(jù)庫訪問設(shè)計。Android客戶端界面設(shè)計主要通過控制和使用activ-ity和view來實現(xiàn)的，多個activiIv通過堆棧來進行管理。由于Android客戶端不能直接訪問遠程數(shù)據(jù)庫，所以需要借助web服務(wù)器程序訪問數(shù)據(jù)庫。Android客戶端與web服務(wù)器之間使用輕量級數(shù)據(jù)格式JSON進行通信，可以保證通信的實時性，減少手機流量的耗費。

4.1 Android客戶端與web服務(wù)器通信-JSON

目前，Android應(yīng)用和Web服務(wù)器之間有兩種主要的數(shù)據(jù)交換方式：XML（可擴展標記語言）和JSON。XML是用于標記電子文檔的語言，以使其結(jié)構(gòu)化。它是一種原始語言，允許用戶定義自己的標記語言。JSON是一種用于交換數(shù)據(jù)的輕量級格式，是JavaScript的一個子集。在企業(yè)智能信息平臺中，通過使用JSON格式將數(shù)據(jù)交換性能更優(yōu)。因為JSON格式簡單，易于讀寫，它被壓縮，占用帶寬小，可以節(jié)省互聯(lián)網(wǎng)接人成本，并且傳輸速度快。因此更適合手機應(yīng)用的實時傳輸。所以我們采用JSON作為Android與web服務(wù)器通信的數(shù)據(jù)交互方式?；贘SON的數(shù)據(jù)交互示意圖如圖5所示。

Android訪問遠程數(shù)據(jù)庫MySQL，需要先向web服務(wù)器發(fā)起http請求，web服務(wù)器連接數(shù)據(jù)庫，獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)封裝成JSON格式，再通過http協(xié)議回傳給Android客戶端。Andmid客戶端再對JSON進行解析，并進行相關(guān)的uI處理。

4.2 Android客戶端界面設(shè)計

Android客戶端實行分級設(shè)計，有大管理員、小管理員與普通用戶三種級別。用戶可根據(jù)自身級別選擇不同登錄按鈕。登錄界面如圖7（a1所示。大管理員具有最高權(quán)限，可以查看所有車輛信息，為小管理員分配賬號，車輛登記，查看小管理員信息，為小管理員分配管轄車輛，以及修改密碼等功能。小管理員具有查看管轄區(qū)域內(nèi)的車輛信息，及密碼修改等功能。普通用戶具有查看自身信息，注冊新用戶及密碼找回功能。An-droid客戶端分級功能圖如圖6所示。部分界面展示圖如圖7，圖8所示。

5.試驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與高效性，本文進行了大量測試實驗?，F(xiàn)選取一組實驗進行說明，如圖9實驗效果圖所示。

圖9（a1展示了某輛車的實時定位跟蹤功能，其中紅色圖標為車輛位置，點擊紅色圖標可顯示經(jīng)緯度信息，并能實時跟蹤。為測試系統(tǒng)的跟蹤功能及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進行了如下實驗：16：52-17：00靜止，17：00-17：30從實驗室出發(fā)在校園內(nèi)行走。17：00回到實驗室，一直運行到次日9：00。測試數(shù)據(jù)如表1所示，記錄各個時間點的經(jīng)緯度以及查看系統(tǒng)是否運行正常。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能實時定位跟蹤。

圖9（b）展示的是衛(wèi)星圖像模式下的定位跟蹤圖。功能與（a）相同。

圖9（c）展示了多輛車的同時定位功能。點擊紅色圖標可與圖9（a）一樣，顯示經(jīng)緯度信息。

圖9（d）展示軌跡查詢功能，顯示某個時間段內(nèi)的起點，終點與行駛軌跡。與實際行駛軌跡一致。

圖9（e）展示的是衛(wèi)星信息顯示功能。其中上圖表示的是GNSS模塊能接收到的衛(wèi)星信號，以及衛(wèi)星位置。圓環(huán)從外向里，表示緯度0度到90度。以圓點為中心的方位角表示經(jīng)度。圖中顯示了接收到10個衛(wèi)星信號。大多分布在北緯30度到60度之間。下圖展示的是衛(wèi)星信號的信噪比（SNR），說明了衛(wèi)星信號的強弱，條形圖越大，衛(wèi)星信號越強。

系統(tǒng)經(jīng)過長時間運行，并未出現(xiàn)閃退或顯示異常等情況，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)于系統(tǒng)的高效性，通過查看定位時間與軌跡查詢時間進行測試。定位時間指從開啟定位，訪問數(shù)據(jù)庫，再到地圖加載，紅色圖標顯示實際位置，整個過程大約需要幾十毫秒。軌跡查詢時間與查詢時間段長短有關(guān)，考慮到查詢的效率，采用的是根據(jù)時間段長短，分時采樣，時間基本控制在2秒以內(nèi)，查詢時間段越短，越精確。

6.結(jié)束語

本文設(shè)計的移動車輛監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對車輛位置的實時監(jiān)測。監(jiān)督管理部門、移動出行服務(wù)公司、移動出行車主分別作為三級用戶，實現(xiàn)對注冊車輛統(tǒng)一化監(jiān)督管理。經(jīng)實際測試，可實現(xiàn)對注冊車輛的信息管理，實時跟蹤定位，查詢歷史軌跡信息以及顯示衛(wèi)星信息等功能。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實時性高，操作界面人性化。由于數(shù)據(jù)量龐大以及運算時間要求苛刻，因此在大規(guī)模增加車輛應(yīng)用時，如何更好地進行數(shù)據(jù)存儲和提高處理速度仍是進一步研究的目標。