畢麗靜　蔣保臣　王小利

摘要：隨著中國徹底進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，移動(dòng)出行以其快捷便利的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)出行車輛缺乏統(tǒng)一的監(jiān)督管理平臺(tái)，安全事故頻發(fā)。該文基于Android和百度地圖開發(fā)平臺(tái)開發(fā)了一套移動(dòng)出行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)1000輛車的信息管理、實(shí)時(shí)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(hào)，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(shí)時(shí)顯示。該監(jiān)控系統(tǒng)使用線程池模型改進(jìn)生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式，解決大容量突發(fā)性數(shù)據(jù)請(qǐng)求造成的嚴(yán)重丟包率；采用動(dòng)態(tài)建表的方式，將數(shù)據(jù)分時(shí)存儲(chǔ)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(jí)數(shù)據(jù)格式JsON，保證了Android客戶端與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫之間的實(shí)時(shí)通信，并解決了手機(jī)流量消耗大的問題。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可高效、穩(wěn)定、長時(shí)間運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)出行；Android；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；生產(chǎn)者一消費(fèi)者改進(jìn)模式；動(dòng)態(tài)建表；JSON

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2017）10-0043-05

1.背景

近年，移動(dòng)出行服務(wù)，以其快捷便利的優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(dòng)端出行服務(wù)市場(chǎng)研究報(bào)告》顯示，截至2015年底，中國移動(dòng)端出行服務(wù)乘客端用戶數(shù)總計(jì)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(bào)告》數(shù)據(jù)還顯示，無論是專車還是拼車，皆有高達(dá)半成以上的用戶對(duì)移動(dòng)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(bào)道出來，更是讓人們對(duì)移動(dòng)出行的安全問題表示擔(dān)憂。車主只要在一些移動(dòng)出行的公司進(jìn)行注冊(cè)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(yán)重的安全隱患問題。移動(dòng)出行市場(chǎng)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(duì)移動(dòng)出行車輛實(shí)行統(tǒng)一化監(jiān)督管理迫在眉睫。

本文設(shè)計(jì)了一套基于Android系統(tǒng)的車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)移動(dòng)出行車輛進(jìn)行監(jiān)督與管理。該系統(tǒng)主要是基于Android和百度地圖進(jìn)行的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)出行車輛與駕駛員信息的管理，可以對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)

移動(dòng)車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為后臺(tái)服務(wù)器設(shè)計(jì)與An.droid客戶端設(shè)計(jì)。服務(wù)器設(shè)計(jì)主要解決數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)問題。使用Trimble公司的GNSS模塊接收衛(wèi)星信號(hào)，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(jì)主要解決Android客戶端的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)與Android客戶端的實(shí)時(shí)通信。該監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的信息管理、實(shí)時(shí)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(jī)與服務(wù)器之間利用socket TCP的方式進(jìn)行通信。首先是socket服務(wù)器對(duì)端口進(jìn)行監(jiān)聽，等待客戶端TCP連接請(qǐng)求。然后，GNSS接收機(jī)作為socket客戶端，向socket服務(wù)器請(qǐng)求TCP連接，連接成功之后，客戶端與服務(wù)器之間進(jìn)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(shí)，Android客戶端會(huì)向Web服務(wù)器發(fā)起http請(qǐng)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(duì)JSON進(jìn)行解析，并進(jìn)行相關(guān)的UI處理。

3.服務(wù)器設(shè)計(jì)

服務(wù)器端主要通過socket技術(shù)進(jìn)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(jì)主要包括socket服務(wù)器程序設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。Socket服務(wù)器程序設(shè)計(jì)主要解決并發(fā)問題，大容量突發(fā)性數(shù)據(jù)請(qǐng)求造成的嚴(yán)重丟包率。本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式，采用線程池控制機(jī)制進(jìn)行解決。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)需要考慮海量數(shù)據(jù)造成的查詢效率慢的問題，采用動(dòng)態(tài)建表的方式，將數(shù)據(jù)分時(shí)存儲(chǔ)在不同的表中。

3.1Socket介紹

Socket是進(jìn)程之間通信的一種方式。一個(gè)socket對(duì)應(yīng)于通信的一端?；竟ぷ髁鞒倘缦拢菏紫?，服務(wù)器端啟動(dòng)，調(diào)用socketo建立一個(gè)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(zhǔn)備，并規(guī)定請(qǐng)求隊(duì)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(jìn)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(jìn)的生產(chǎn)者一消費(fèi)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(jìn)行處理。但是該監(jiān)控系統(tǒng)要求對(duì)1000輛車進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行1s-次的數(shù)據(jù)采集，需要監(jiān)測(cè)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(qǐng)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(huì)造成很大的系統(tǒng)開銷，而且丟包率將大大增加。文獻(xiàn)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(jiǎn)化并發(fā)編程的復(fù)雜性。文獻(xiàn)提出一種socket外包機(jī)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(xiàn)提出包含socket接口的域內(nèi)通信機(jī)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(qǐng)求造成的嚴(yán)重丟包率。本文采用線程池模型，改進(jìn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(fèi)者改進(jìn)模型如圖3所示。

生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式，可以實(shí)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(jī)與socket服務(wù)器建立連接成功之后開啟一個(gè)新的線程，負(fù)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(fèi)者。在生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的創(chuàng)建n個(gè)公共緩沖區(qū)，然后增加一個(gè)緩沖池調(diào)度管理線程，對(duì)緩沖池中的緩沖區(qū)進(jìn)行管理。生產(chǎn)者線程寫入數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)檢測(cè)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(dòng)作來保持?jǐn)?shù)據(jù)的最新。消費(fèi)者線程可以從緩沖區(qū)讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，以數(shù)據(jù)庫表相一致的格式，寫入二級(jí)緩沖區(qū)。

生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間采用互斥信號(hào)量實(shí)現(xiàn)線程對(duì)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(fèi)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(shí)，阻塞消費(fèi)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(huì)通知消費(fèi)者及時(shí)“消費(fèi)”。傳統(tǒng)的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模型在緩沖區(qū)滿時(shí)，阻塞生產(chǎn)者，為臨界區(qū)外等待的消費(fèi)者放行，當(dāng)消費(fèi)結(jié)束時(shí)，通知生產(chǎn)者“生產(chǎn)”。由于傳感信息的實(shí)時(shí)性，一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)是不斷產(chǎn)生的，阻塞會(huì)造成傳感信息的丟失。因此采用線程池控制機(jī)制，讓滿的緩沖區(qū)進(jìn)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(jì)一動(dòng)態(tài)建表

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

1）用戶信息。用戶注冊(cè)信息，包括用戶賬號(hào)、密碼、駕駛員姓名、手機(jī)號(hào)、被分配端口號(hào)等。

2）車輛信息。包括日期、時(shí)間、速度、經(jīng)緯度、端口號(hào)等。

3）衛(wèi)星信息。包括日期、時(shí)間、PRN、SNR等。

4）管理員信息。管理員賬號(hào)、密碼、權(quán)限等。

車輛信息與衛(wèi)星信息是由GNSS接收機(jī)發(fā)送的NMEA格式的GPS信號(hào)解析后所得。由于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高，1s一次數(shù)據(jù)采集，經(jīng)測(cè)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(dá)到了G級(jí)別，所以對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)的查詢?cè)斐闪藰O大的障礙，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的效率。所以針對(duì)車輛信息表與衛(wèi)星表，我們采用動(dòng)態(tài)建表的方式，實(shí)現(xiàn)分表存儲(chǔ)。每天動(dòng)態(tài)建立十張表，以日期及GNSS接收機(jī)對(duì)應(yīng)的服務(wù)器分配的端口號(hào)尾數(shù)來進(jìn)行分表。如2016年5月1日，端口號(hào)為10004的接收機(jī)發(fā)送的車輛信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)

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(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦，由Google公司和開放手機(jī)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(yùn)行時(shí)（Androidruntime）、應(yīng)用程序框架層（application framework）、應(yīng)用程序?qū)樱╝pplications）。Activity是Android平臺(tái)應(yīng)用程序的載體，它允許用戶在其上構(gòu)建一個(gè)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(gè)Activity組成，Activity之間可以進(jìn)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(jì)中大部分高級(jí)uI組件都是繼承View類來實(shí)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(jì)包括Android界面顯示設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫訪問設(shè)計(jì)。Android客戶端界面設(shè)計(jì)主要通過控制和使用activ-ity和view來實(shí)現(xiàn)的，多個(gè)activiIv通過堆棧來進(jìn)行管理。由于Android客戶端不能直接訪問遠(yuǎn)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(jí)數(shù)據(jù)格式JSON進(jìn)行通信，可以保證通信的實(shí)時(shí)性，減少手機(jī)流量的耗費(fèi)。

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(kuò)展標(biāo)記語言）和JSON。XML是用于標(biāo)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(biāo)記語言。JSON是一種用于交換數(shù)據(jù)的輕量級(jí)格式，是JavaScript的一個(gè)子集。在企業(yè)智能信息平臺(tái)中，通過使用JSON格式將數(shù)據(jù)交換性能更優(yōu)。因?yàn)镴SON格式簡(jiǎn)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(jī)應(yīng)用的實(shí)時(shí)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。基于JSON的數(shù)據(jù)交互示意圖如圖5所示。

Android訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫MySQL，需要先向web服務(wù)器發(fā)起http請(qǐng)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(duì)JSON進(jìn)行解析，并進(jìn)行相關(guān)的uI處理。

4.2 Android客戶端界面設(shè)計(jì)

Android客戶端實(shí)行分級(jí)設(shè)計(jì)，有大管理員、小管理員與普通用戶三種級(jí)別。用戶可根據(jù)自身級(jí)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(hào)，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(cè)新用戶及密碼找回功能。An-droid客戶端分級(jí)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(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與高效性，本文進(jìn)行了大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)選取一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明，如圖9實(shí)驗(yàn)效果圖所示。

圖9（a1展示了某輛車的實(shí)時(shí)定位跟蹤功能，其中紅色圖標(biāo)為車輛位置，點(diǎn)擊紅色圖標(biāo)可顯示經(jīng)緯度信息，并能實(shí)時(shí)跟蹤。為測(cè)試系統(tǒng)的跟蹤功能及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：16：52-17：00靜止，17：00-17：30從實(shí)驗(yàn)室出發(fā)在校園內(nèi)行走。17：00回到實(shí)驗(yàn)室，一直運(yùn)行到次日9：00。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，記錄各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的經(jīng)緯度以及查看系統(tǒng)是否運(yùn)行正常。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)時(shí)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(shí)定位功能。點(diǎn)擊紅色圖標(biāo)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(gè)時(shí)間段內(nèi)的起點(diǎn)，終點(diǎn)與行駛軌跡。與實(shí)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(hào)，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(diǎn)為中心的方位角表示經(jīng)度。圖中顯示了接收到10個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。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(hào)的信噪比（SNR），說明了衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱，條形圖越大，衛(wèi)星信號(hào)越強(qiáng)。

系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，并未出現(xiàn)閃退或顯示異常等情況，驗(yàn)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(shí)間與軌跡查詢時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。定位時(shí)間指從開啟定位，訪問數(shù)據(jù)庫，再到地圖加載，紅色圖標(biāo)顯示實(shí)際位置，整個(gè)過程大約需要幾十毫秒。軌跡查詢時(shí)間與查詢時(shí)間段長短有關(guān)，考慮到查詢的效率，采用的是根據(jù)時(shí)間段長短，分時(shí)采樣，時(shí)間基本控制在2秒以內(nèi)，查詢時(shí)間段越短，越精確。

6.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)車輛監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)督管理部門、移動(dòng)出行服務(wù)公司、移動(dòng)出行車主分別作為三級(jí)用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)注冊(cè)車輛統(tǒng)一化監(jiān)督管理。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)對(duì)注冊(cè)車輛的信息管理，實(shí)時(shí)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(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性高，操作界面人性化。由于數(shù)據(jù)量龐大以及運(yùn)算時(shí)間要求苛刻，因此在大規(guī)模增加車輛應(yīng)用時(shí)，如何更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和提高處理速度仍是進(jìn)一步研究的目標(biāo)。