基于Android的智能電池?zé)o線監(jiān)控系統(tǒng)

劉佳

摘要：該文論述了Android手機(jī)監(jiān)控智能電池電芯的電壓、電流、溫度、充/放電狀態(tài)等特性的實(shí)現(xiàn)過程。Android手機(jī)通過藍(lán)牙協(xié)議與智能電池JDY-32藍(lán)牙模塊通信，取代傳統(tǒng)有線串口，實(shí)現(xiàn)對智能電池的無線監(jiān)控。通過實(shí)際的工作環(huán)境測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行流暢、操作簡單，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確及時(shí)。

關(guān)鍵詞：電池監(jiān)控;藍(lán)牙;串口;Android

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）02-0050-02

1 研究背景及內(nèi)容

對智能電池特性的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一般采用串口連接線將電池連接到數(shù)據(jù)終端，通過串口協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)控電池狀態(tài)[1]。這種監(jiān)控方式實(shí)現(xiàn)簡單、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛。但有線連接限制了監(jiān)控人員的活動(dòng)范圍，增加了設(shè)備的重量，不適合在移動(dòng)場景下使用。

針對有線模式的各種不足，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無線監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)將智能電池終端傳感器收集的電池電壓、電流、溫度、電池充/放電程度等狀態(tài)信息通過藍(lán)牙傳送給手機(jī)客戶端。監(jiān)控人員通過簡單的操作就可以在Android客戶端上查看電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。本文主要介紹Android客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。

2 藍(lán)牙模塊簡介及選用

藍(lán)牙分為低功耗藍(lán)牙和經(jīng)典藍(lán)牙。籠統(tǒng)地講可將藍(lán)牙3.0及以下版本歸為傳統(tǒng)藍(lán)牙，藍(lán)牙4.0及以上歸為低功耗藍(lán)牙，即BLE。與經(jīng)典藍(lán)牙相比，低功耗藍(lán)牙傳輸距離更遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延更低，發(fā)送速率更快[2]。低功耗藍(lán)牙最大的特點(diǎn)就是能耗極低，一顆紐扣電池就能維持其穩(wěn)定工作數(shù)月甚至更久[3]，此外，低功耗藍(lán)牙還具有成本低，兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此本系統(tǒng)選擇了JDY-32低功耗藍(lán)牙作為智能電池藍(lán)牙模塊。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由智能電池組、傳感器、單片機(jī)、JDY-32藍(lán)牙模塊和Android手機(jī)組成。軟件部分由智能電池監(jiān)控客戶端組成。系統(tǒng)整體組成如圖1所示。通過傳感器、電流電壓調(diào)理電路及單片機(jī)將硬件系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，通過無線藍(lán)牙協(xié)議傳送給Android端，Android端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。

3.1 Android客戶端功能設(shè)計(jì)

本文使用Android Studio作為開發(fā)工具，主要完成Android手機(jī)監(jiān)控客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)與BLE藍(lán)牙通信，依賴于AndroidSDK中的BluetoothAdapter，BluetoothDevice，BluetoothSocket等API。因BLE藍(lán)牙技術(shù)只能在API18及以上版本才能使用，故本App要在Android4.3及以上版本的手機(jī)上才能正常運(yùn)行[5]。App主要由四大功能模塊組成：藍(lán)牙掃碼連接模塊，電池監(jiān)控模塊，報(bào)警模塊和預(yù)留擴(kuò)展模塊（BMS）。

藍(lán)牙掃描連接模塊負(fù)責(zé)掃描藍(lán)牙設(shè)備，并與藍(lán)牙設(shè)備建立連接。電池監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前電池參數(shù)，實(shí)時(shí)的監(jiān)控電池狀態(tài)。報(bào)警模塊能及時(shí)對電池組的電壓，電流，溫度，充/放電狀態(tài)的異常情況做出報(bào)警，用紅色醒目加粗字體顯示，同時(shí)響起報(bào)警鈴聲，提醒使用者排查故障，及時(shí)做出相應(yīng)的處理。

3.2 Android客戶端UI設(shè)計(jì)

為了提高UI設(shè)計(jì)的靈活性，使App可以適應(yīng)于不同的屏幕尺寸，本系統(tǒng)采用在Activity中嵌入 Fragment的方式進(jìn)行布局。在Fragment中通過自定義ViewPager實(shí)現(xiàn)4個(gè)界面。通過RadioGroup設(shè)計(jì)底部四個(gè)菜單，監(jiān)聽RadioGroup的選中事件，對頁面進(jìn)行切換。自定義ContentAdapter繼承于PagerAdapter用來向ViewPager中填充數(shù)據(jù)。通過上述設(shè)計(jì)可以統(tǒng)一界面的風(fēng)格，提升交互的便捷性。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對于Android手機(jī)與BLE的連接及數(shù)據(jù)傳輸過程，許多研究者做了大量的工作[6]，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟，不再贅述。本文主要對數(shù)據(jù)的封裝與解析，藍(lán)牙配對與連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控，報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說明。

4.1 數(shù)據(jù)封裝與解析

為了能讓智能電池單片機(jī)識別Android端發(fā)送的指令，要將16進(jìn)制指令字符串轉(zhuǎn)換為byte數(shù)組后再發(fā)送。新建hexStr2Bytes（String src）函數(shù)返回值類型為byte[]，首先使用trim（）和toUpperCase（）函數(shù)對字符串進(jìn)行規(guī)范化處理，然后通過相關(guān)函數(shù)將字符串轉(zhuǎn)換為byte[]返回。同理，單片機(jī)通過藍(lán)牙模塊返回的數(shù)據(jù)為byte數(shù)組，在解析時(shí)首先將byte數(shù)組轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制字符串，再根據(jù)解析規(guī)則從16進(jìn)制字符串中解析出相應(yīng)的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)。

4.2 藍(lán)牙設(shè)備配對與連接

新建BasePager頁面加載base_pager.xml作為所有頁面的父類，在BasePager中實(shí)現(xiàn)標(biāo)題，并創(chuàng)建FrameLayout作為子頁面的容器。新建Buletooth-Pager類繼承自BasePager加載pager_buletooth.xml作為藍(lán)牙掃描與連接頁面。Android端與智能電池藍(lán)牙連接實(shí)現(xiàn)過程如下。

1）申請藍(lán)牙權(quán)限

在AndroidManifest.xml中申請BLUETOOTH_ADMIN和BLUETOOTH權(quán)限，否則無法打開和使用藍(lán)牙功能。

2）掃描當(dāng)前存在的藍(lán)牙

使用BluetoothAdapter中的startDiscovery（）進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)新設(shè)備時(shí)發(fā)出BluetoothDevice.ACTION_FOUND廣播。創(chuàng)建ListView用來顯示掃描到的藍(lán)牙列表。在廣播接收器中接收到ACTION_FOUND廣播后，將掃描到的藍(lán)牙名稱、Mac地址等設(shè)備信息加入ListView中，持續(xù)檢測設(shè)備直到發(fā)現(xiàn)附件的所有藍(lán)牙設(shè)備。

3）連接藍(lán)牙

為ListView的每一個(gè)Item添加點(diǎn)擊事件，用以監(jiān)聽用戶的動(dòng)作。用戶通過點(diǎn)擊Item選擇要連接的藍(lán)牙設(shè)備，本應(yīng)用選擇智能電池藍(lán)牙模塊名稱為JDY-32，通過device.createRfcommSocketToServiceRecord（UUID）獲取BluetoothSocket對象，其中UUID代表通用唯一識別碼，對于藍(lán)牙設(shè)備而言，每個(gè)服務(wù)都有通用、獨(dú)立、唯一的UUID與之對應(yīng)。本應(yīng)用使用藍(lán)牙串口服務(wù)，對應(yīng)UUID = ‘{00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB}，最后通過BluetoothSocket中的connect（）方法連接設(shè)備，首次連接時(shí)需要輸入默認(rèn)的配對密碼，JDY-32藍(lán)牙模塊對應(yīng)的配對密碼為“1234”，配對成功后藍(lán)牙設(shè)備將被保存在手機(jī)藍(lán)牙配對列表中，后續(xù)可直接連接無須輸入密碼。

4.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

新建MonitorPager類繼承自BasePager加載pager- monitor.xml作為實(shí)時(shí)監(jiān)測頁面。為了在接收數(shù)據(jù)時(shí)不阻塞主線程，本系統(tǒng)通過Runnable機(jī)制新建子線程處理藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接收事件，并將子線程設(shè)置為高優(yōu)先級，保證偵聽的連續(xù)性、實(shí)時(shí)性。子線程接收到新消息后，通過Handler機(jī)制通知主線程更新監(jiān)控界面。Android端每隔1秒發(fā)送一次請求指令，監(jiān)控界面每隔1秒刷新一次。

4.4 報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)

新建AlarmPager類繼承自BasePager加載pager- alarm.xml作為報(bào)警列表頁面。實(shí)現(xiàn)調(diào)用手機(jī)震動(dòng)過程如下。在AndroidManifest.xml文件中申請"android.permission.VIBRATE"權(quán)限。通過activity.getSystemService（Context.VIBRATOR_SERVICE）獲取Vibrator對象，再通過long[] patter = {1000， 1000， 2000， 50};vibrator.vibrate（patter， 0）;設(shè)置震動(dòng)時(shí)間。vibrate函數(shù)的第二參數(shù)表示從哪里開始循環(huán)，0表示這個(gè)數(shù)組在第一次循環(huán)完之后會(huì)從下標(biāo)0開始循環(huán)到最后。

5 測試與總結(jié)

本測試使用魅族pro6s手機(jī)作為Android端，智能電池端已焊接好JDY-32藍(lán)牙模塊。測試了包括，藍(lán)牙掃描，藍(lán)牙連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控，報(bào)警等所有功能。整個(gè)測試過程App運(yùn)行流暢，藍(lán)牙連接正常，數(shù)據(jù)獲取、轉(zhuǎn)換、顯示正常，報(bào)警功能正常。實(shí)現(xiàn)效果如圖2所示。

本文很好地實(shí)現(xiàn)了智能電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)控方式的諸多不便，為智能電池的監(jiān)控提供了一種更加可靠、便捷的方案，具有一定的實(shí)用意義。BLE低功耗藍(lán)牙是大勢所趨，對于小型智能產(chǎn)品來說，是一種很好的通信方式。隨著Android系統(tǒng)的不斷迭代發(fā)展，對BLE藍(lán)牙的支持也會(huì)更加完善，基于BLE藍(lán)牙開發(fā)的App前景也將會(huì)更加廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周賀松.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能采集系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（5）：46-48，54.

[2] Shaikh Shahriar Hassan，Soumik Das Bibon，MdShohrab Hossain，et al. Security threats in Bluetooth technology[J]. Computers & Security，2018，74：308-322.

[3] 陳冬云.淺談藍(lán)牙4.0“助力”物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[J].教師，2014（17）：126.

[4] Robin Heydon.低功耗藍(lán)牙開發(fā)權(quán)威指南[M]. 陳燦峰，劉嘉，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[5] 萬燕，李麗麗.基于Android與BLE的藍(lán)牙通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（16）：15-17.

[6] 熊小軍，萬輝勇，陳泓屹.基于Android的低功耗藍(lán)牙通訊研究與實(shí)現(xiàn)[J].科技廣場，2015（7）：122-127.

【通聯(lián)編輯：代影】