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一文能读懂车载与Android的关系

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大家最熟悉的Android系统应该是手机和平板设备上的，大部分人可能没想过Android系统和汽车有什么关系。但实际上，Android系统在四年前就在布局汽车这个平台。我最近对相关内容做了一些了解。下面将我所了解到的信息分享给大家。

1 Android Auto

Android Auto是一个Android端的App，是专门为驾驶环境而设计的。

运行Android Auto需要Android 5.0或更高版本的系统，并且还需要Google地图和Google Play 音乐应用。

Android Auto可以用来将Android设备上的部分功能映射到汽车屏幕上。

Android Auto在2014的Google I/O上首次亮相。相应的App：Android Auto在2015年3月19日发布。

当Android Auto接到汽车屏幕上其界面看起来是下面这个样子：

img

当然，也可以不连接汽车，直接在手机上使用，其界面是下面这个样子：


img

1.1 核心功能

在2014的Google I/O大会上，Google在介绍Android Auto时，首先就是以安全性为引入点的：很多人在开车会使用手机，这就造成大量的交通事故。所以我们应当理解，汽车上的软件功能并非越多越好。某些手机上很受欢迎的功能和软件，它们未必适合车载系统，例如：浏览器网页，阅读，玩游戏，看视频等等。

从上面的两幅图中可以看到，无论是汽车屏幕还是手机屏幕，界面底部包含了四个相同的按钮（虽然位置不同）。

以手机界面的按钮顺序，这四个按钮的功能依次是：

1.1.1 Google Assistant

2007年，iPhone的发布宣示了触摸交互方式的兴起。在这之后，触摸手势彻底代替了物理键盘。

当时的运营商无法想象一个没有物理键盘的手机会被大家喜欢。而在十年之后，曾经能够生产最好的物理键盘手机的制造商，例如黑莓和诺基亚都早已被市场淘汰。

因此我们可以想象，新一代的平台和电子产品有可能会引入新的交互方式，或者是让某个原先不太流行的交互方式成为主流。而对于汽车来说，语音无疑是比触摸更好的交互方式。

在驾驶环境中，语音交互存在如下优势：

除此之外，在驾驶环境中，对于语音功能的实现也更有利。因为，驾驶舱的空间较小，便于语音数据的捕获；驾驶舱座位的相对位置固定，系统更方便判断发出语音的角色，例如区分发出语音指令的是驾驶员还是乘客而采取不同的处理。

这就不奇怪Google将Google Assistant集成到Android Auto中了。

当语音系统能够获取到用户的基本信息的情况下，很多操作会变得非常便利。例如，直接告诉系统：”我要回家“。而不用先打开地图，然后搜索自己家的地址，然后再点击导航按钮：


img

当系统有了更多的用户的数据以及外部服务之后，可以做的事情将超远我们现在看到的。例如：在导航至某个餐馆的途中直接帮忙预订座位（今年的Google I/O上，Google已经展示了通过AI完成的电话预订：Google’s AI Assistant Can Now Make Real Phone Calls）。

当然，Google Assistant 不仅仅是为Android Auto设计的，它支持非常多的设备。不过这部分内容已经超过本文所要说明的。


img

1.2 兼容的车型和应用

现代汽车是首个支持Android Auto的汽车制造商。2015的Hyundai Sonata是第一个支持Android Auto的汽车型号。

到目前为止（2018年7月），支持Android Auto的汽车品牌已经很多，包括：奥迪，别克，凯迪拉克，雪佛兰，福特，本田，吉普，林肯，奔驰，马自达，大众，Volvo等超过50家汽车制造商，超过500种汽车型号。

详细的品牌和型号请参见下面这个链接：Android Auto - The right information for the road ahead 。

目前，支持Android Auto的应用比较少。虽然2018年的Google I/O上宣称这类应用数量正在高速增长，但目前Google Play上支持Android Auto的应用也只有数千款，这与Google Play上的三百多万应用相比，就显得很可怜了。

可以通过这个链接浏览支持Android Auto的应用：Apps for Android Auto。

1.3 App

1.3.1 开发

Android Auto目前仅支持两类第三方的应用：

为了声明应用支持Android Auto，需要在<span style="outline: 0px;max-width: 100%;font-size: 15px;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;">/res/xml/新建一个XML文件来进行描述。

例如，假设我们创建的文件是automotive_app_desc.xml，其内容是：

<automotiveApp>
   <uses name="media" />
</automotiveApp>

这里通过<uses>标签描述了应用所使用的特性：media。name属性目前仅支持两个值：

定义完成该文件之后，需要在AndroidManifest.xml中指定：

<application>

    ...
    <meta-data android:name="com.google.android.gms.car.application"
     android:resource="@xml/automotive_app_desc"/>

</application>

之后就是通过相应的API完成功能开发了，这部分内容具体见Android Developer中的文档，这里不再赘述：

1.3.2 设计

Google专门为Android Auto上的UI设计做了一个指导网站，具体见这里：Auto UI guidelines。


img

基本的指导原则包括：

这些指导原则也值得其他车载的交互系统借鉴。

1.4 无线

目前的Android Auto需要通过USB线缆将手机连接到汽车上才能使用。

通过线缆连接这个动作对用户来说无疑是一件很麻烦的事情。一来需要将手机从包中取出，二来再次拿手机时还受限于线的长度。所以很显然，无线的使用方式将是未来的设计趋势。这一点，从Apple的AirPods以及近期新上市的手机几乎都会支持无线充电就可以看出。

在功耗和传输性能的限制下，有线设计只是暂时的妥协。不过一旦这些限制逐渐缩小，无线功能自然就会出现了。所以Google在今年提出了无线Android Auto。可以看一下这个链接：Wireless Android Auto is available for Google phones。

Apple在iOS 9上就支持无线CarPlay了。不过目前只有BMW部分车型支持。

2 Android Automotive

Android Auto是以手机为中心的。这种模型既有好处，也有坏处。

好处是：数据和应用始终是一致的，不存在需要数据同步的问题，手机上装的软件和已有的数据，接到汽车直接就有了。而坏处是，每次得拿出手机，汽车只是手机一个外设。并且，这种模式不便于对于汽车本身的控制和相关数据的获取。

如果是系统直接内置于汽车，那就是完全不一样的体验了。而Android Automotive则是面向这个方向设计的。

可以看一下下面的两个链接：

不过，据报道中的信息，这类产品两年之内恐怕都不会上市。

从这一点来讲，AliOS是完全领先Android Automotive的。因为内置AliOS的荣威RX5早就已经量产了。

一旦将系统内置于汽车，可以完成的功能将大大增加。例如：直接在中控触摸屏上调整空调和座椅。

同时，系统也能获取到更多关于汽车的信息，例如：油耗水平，刹车使用等等。这对于改进驾驶体验是非常有意义的。


img

内置于汽车内部的系统甚至会影响汽车本身的设计，两者将非常好的融合在一起。

2.1 版本演进

最近几年的Android版本中，每个版本都为Android Auto增加了一些新特性。具体可以观看今年的Google I/O中的相关演讲：What’s new in automotive - Google I/O 2018。

下面是这个演讲中对于版本演进的特性小结：


img

2.2 源码与架构

Android Automative的源码包含在AOSP中。

关于AOSP以及如何获取源码可以参见其官方网站：https://source.android.com，这里不再赘述。

如果你不想下载整个源码，只想浏览Android Automative的相关源码，可以直接点击这个链接：/platform/packages/services/Car/。

这里是Android Automative的一些文档。

Android Automative的整体架构如下图所示：


img

从这幅图中我们可以看出，Android Automative是在原先Android的系统架构上增加了一些与车相关的（图中虚线框中绿色背景的）模块。

包括：

下面我们采取从上到下的顺序对主要模块做一些介绍。

2.3 Car App

/car_product/build/car.mk 这个文件中列出了汽车系统中专有的模块：

# Automotive specific packages
PRODUCT_PACKAGES += \
    vehicle_monitor_service \
    CarService \
    CarTrustAgentService \
    CarDialerApp \
    CarRadioApp \
    OverviewApp \
    CarLensPickerApp \
    LocalMediaPlayer \
    CarMediaApp \
    CarMessengerApp \
    CarHvacApp \
    CarMapsPlaceholder \
    CarLatinIME \
    CarUsbHandler \
    android.car \
    libvehiclemonitor-native \

这个列表中，首字母大写的模块基本上都是汽车系统中专有的App。

这些App的源码都位于/platform/packages/services/Car/目录下。

当然，OEM厂商可以添加更多的App。

你也可以在/platform/packages/services/Car/目录下通过find . -name AndroidManifest.xml确认哪些文件中包含了Car App。

2.4 Car API

源码：/platform/packages/services/Car/car-lib

开发汽车专有的App自然需要专有的API。这些API对于其他平台（例如手机和平板）通常是没有意义的。所以这些API没有包含在Android Framework SDK中。

下面这张大图列出了所有的Car API：


img

从这个图中我们可以看到Car API主要包括：

2.5 Car Service

源码：

  • Car service

Android Automative中的Car Service集中在一个App中。可以想象，这个App需要非常高的权限，所以这是一个系统App。其Manifest开头如下：

<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
        xmlns:androidprv="http://schemas.android.com/apk/prv/res/android"
        package="com.android.car"
        coreApp="true"
        android:sharedUserId="android.uid.system">

android:sharedUserId属性使得这个应用具有系统权限。

Car Service并非一个服务，而是一系列的服务。这些服务都在ICarImpl.java构造函数中列了出来。

读者可以浏览这些服务的源码了解其实现。

public ICarImpl(Context serviceContext, IVehicle vehicle, SystemInterface systemInterface,
        CanBusErrorNotifier errorNotifier) {
    mContext = serviceContext;
    mHal = new VehicleHal(vehicle);
    mSystemActivityMonitoringService = new SystemActivityMonitoringService(serviceContext);
    mCarPowerManagementService = new CarPowerManagementService(
            mHal.getPowerHal(), systemInterface);
    mCarSensorService = new CarSensorService(serviceContext, mHal.getSensorHal());
    mCarPackageManagerService = new CarPackageManagerService(serviceContext, mCarSensorService,
            mSystemActivityMonitoringService);
    mCarInputService = new CarInputService(serviceContext, mHal.getInputHal());
    mCarProjectionService = new CarProjectionService(serviceContext, mCarInputService);
    mGarageModeService = new GarageModeService(mContext, mCarPowerManagementService);
    mCarInfoService = new CarInfoService(serviceContext, mHal.getInfoHal());
    mAppFocusService = new AppFocusService(serviceContext, mSystemActivityMonitoringService);
    mCarAudioService = new CarAudioService(serviceContext, mHal.getAudioHal(),
            mCarInputService, errorNotifier);
    mCarCabinService = new CarCabinService(serviceContext, mHal.getCabinHal());
    mCarHvacService = new CarHvacService(serviceContext, mHal.getHvacHal());
    mCarRadioService = new CarRadioService(serviceContext, mHal.getRadioHal());
    mCarNightService = new CarNightService(serviceContext, mCarSensorService);
    mInstrumentClusterService = new InstrumentClusterService(serviceContext,
            mAppFocusService, mCarInputService);
    mSystemStateControllerService = new SystemStateControllerService(serviceContext,
            mCarPowerManagementService, mCarAudioService, this);
    mCarVendorExtensionService = new CarVendorExtensionService(serviceContext,
            mHal.getVendorExtensionHal());
    mPerUserCarServiceHelper = new PerUserCarServiceHelper(serviceContext);
    mCarBluetoothService = new CarBluetoothService(serviceContext, mCarCabinService,
            mCarSensorService, mPerUserCarServiceHelper);
    if (FeatureConfiguration.ENABLE_VEHICLE_MAP_SERVICE) {
        mVmsSubscriberService = new VmsSubscriberService(serviceContext, mHal.getVmsHal());
        mVmsPublisherService = new VmsPublisherService(serviceContext, mHal.getVmsHal());
    }
    mCarDiagnosticService = new CarDiagnosticService(serviceContext, mHal.getDiagnosticHal());

    ...

2.6 Car Tool

还有几个模块没有出现在上面的架构图中。但它们也包含在了Android Automative系统中，这里一并介绍一下。

2.6.1 VMS

源码：

  • vehicle_monitor_service
  • libvehiclemonitor/

VMS全称是Vehicle Monitor Service。正如其名称所示，这个服务用来监测其他进程。

在运行时，这个服务是一个独立的进程，在init.car.rc中有关于它的配置：

如果你不熟悉rc文件请阅读我之前写过的文章：Android系统启动：init进程与init语言

service vms /system/bin/vehicle_monitor_service
   class core
   user root
   group root
   critical

on boot
    start vms

这是一个Binder服务，并提供了C++和Java的Binder接口用来供其他模块使用。

2.6.2 EVS

源码：

  • evs

Android 8.0包含一个汽车 HIDL 硬件抽象层（HAL），可用于在 Android 启动过程的初期提供图像捕获和显示，并在系统启动后继续运行直到系统终止。HAL包含外部视景系统 (Exterior View System，简称EVS) 堆栈，通常用于在具有车载信息娱乐（IVI）系统（基于 Android）的车辆中支持后视摄像头和环绕视图显示。EVS 还支持在用户应用中实现高级功能。

EVS 包括以下系统组件：


img

关于EVS的更多内容请参见这里：AOSP camera-hal。

关于HIDL请参见这里：HIDL。

2.6.3 ODB2

源码：

  • obd2-lib

ODB全称是On-Board Diagnostics。这是一种装置于车中用以监控车辆运行状态和回报异常的系统，可于车辆的子系统出现问题时，产生故障代码和提醒讯号通知车主和车厂诊断维修。1980年车上诊断系统发明后，早期仅能以指示灯形式回报故障发生与否。随着计算机技术的进步，目前已经能回报各式各样的实时数据和标准化故障代码（diagnostic trouble codes，DTC），使得汽车故障诊断维修方法发生翻天覆地的变化。

美国是最早规定车辆必须装配车上诊断系统的国家，之后欧盟与日本也陆续采行。台湾自2008年起实施。中国大陆部分地区则自2006年起陆续对新车推出了装置车上诊断系统的要求。

OBD-II是基于OBD-I的基础上，增加了资料容量并将其标准化。OBD-II明确定义了连接器型式、脚位、可用通讯协定以及讯息格式。OBD-II同时也提供额外可监控汽车参数清单以及编码方式说明。

AOSP中的ODB2库是以一个Java静态库的形式存在的。

它支持多种命令。这些命令按照类型实现在不同的文件中：


img

2.7 Vehicle Network Service

源码：

  • vehicle_network_service
  • libvehiclenetwork

Vehicle Network Service的结构和VMS的结构是类似的，也是一个可执行文件（vehicle_network_service）加一个库（libvehiclenetwork）的形式。

libvehiclenetwork中既包含了C++的库，也包含了Java语言的库。对于需要跨语言访问的数据结构，使用Protocol Buffers 格式描述：libvehiclenetwork/proto/。

Protocol Buffers是Google开发的另外一个工具。它语言中立，平台中立，具有可扩展的机制，用于序列化结构化数据。类似XML，但更小，更快，更简单。

vehicle Network Service的主要作用是通过它来设置HAL属性（见下文HAL）。这些属性在VehicleNetworkConsts.java中已经全部列出：

public static final int VEHICLE_PROPERTY_INFO_VIN = 0x00000100;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_INFO_MAKE = 0x00000101;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_INFO_MODEL = 0x00000102;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_INFO_MODEL_YEAR = 0x00000103;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_INFO_FUEL_CAPACITY = 0x00000104;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_PERF_ODOMETER = 0x00000204;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_PERF_VEHICLE_SPEED = 0x00000207;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_ENGINE_COOLANT_TEMP = 0x00000301;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_ENGINE_OIL_TEMP = 0x00000304;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_ENGINE_RPM = 0x00000305;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_GEAR_SELECTION = 0x00000400;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_CURRENT_GEAR = 0x00000401;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_PARKING_BRAKE_ON = 0x00000402;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_DRIVING_STATUS = 0x00000404;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_FUEL_LEVEL_LOW = 0x00000405;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_NIGHT_MODE = 0x00000407;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_FAN_SPEED = 0x00000500;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_FAN_DIRECTION = 0x00000501;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_TEMPERATURE_CURRENT = 0x00000502;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_TEMPERATURE_SET = 0x00000503;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_DEFROSTER = 0x00000504;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_AC_ON = 0x00000505;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_MAX_AC_ON = 0x00000506;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_MAX_DEFROST_ON = 0x00000507;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_RECIRC_ON = 0x00000508;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HVAC_DUAL_ON = 0x00000509;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_ENV_OUTSIDE_TEMPERATURE = 0x00000703;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_ENV_CABIN_TEMPERATURE = 0x00000704;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_RADIO_PRESET = 0x0000801;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_AUDIO_FOCUS = 0x00000900;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_AUDIO_VOLUME = 0x00000901;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_AUDIO_VOLUME_LIMIT = 0x00000902;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_AUDIO_ROUTING_POLICY = 0x00000903;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_AUDIO_HW_VARIANT = 0x00000904;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_AP_POWER_STATE = 0x00000A00;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_DISPLAY_BRIGHTNESS = 0x00000A01;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_AP_POWER_BOOTUP_REASON = 0x00000A02;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_HW_KEY_INPUT = 0x00000A10;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_INSTRUMENT_CLUSTER_INFO = 0x00000A20;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_CUSTOM_START = 0x70000000;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_CUSTOM_END = 0x73ffffff;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_INTERNAL_START = 0x74000000;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_INTERNAL_END = 0x74ffffff;
public static final int VEHICLE_PROPERTY_INTERNAL_AUDIO_STREAM_STATE = 0x74000000;

当然，并非所有模块都有权限设置这些HAL属性。所以这里需要权限的控制。

对于这一点，通过vns_policy.xml来控制。

这个文件中定义了每个属性允许哪个角色访问，以及访问权限是只读（r）还是可读可写（rw）。下面是vns_policy.xml中的一个代码片段：

<PROPERTY name="VEHICLE_PROPERTY_ENV_OUTSIDE_TEMPERATURE" value = "0x00000703">
<UID name="AID_SYSTEM" access="r" value="1000"/>
</PROPERTY>

<PROPERTY name="VEHICLE_PROPERTY_ENV_CABIN_TEMPERATURE" value = "0x00000704">
<UID name="AID_SYSTEM" access="r" value="1000"/>
</PROPERTY>

<PROPERTY name="VEHICLE_PROPERTY_RADIO_PRESET" value = "0x0000801">
<UID name="AID_SYSTEM" access="rw" value="1000"/>
</PROPERTY>

<PROPERTY name="VEHICLE_PROPERTY_AUDIO_FOCUS" value = "0x00000900">
<UID name="AID_SYSTEM" access="rw" value="1000"/>
<UID name="AID_AUDIOSERVER" access="r" value="1041"/>
</PROPERTY>

2.8 HAL

源码：

  • hardware/libhardware/include/hardware/vehicle.h
  • hardware/libhardware/modules/vehicle/

车载HAL（Hareware Abstract Layer，硬件抽象层）接口会定义OEM可以实现的属性，并会包含属性元数据（例如，属性是否为 int 以及允许使用哪些更改模式）。车载 HAL 接口是以对属性（特定功能的抽象表示）的访问（读取、写入、订阅）为基础。

2.8.1 HAL接口

车载HAL使用以下接口：

车载HAL使用以下回调接口：

2.8.2 属性与区域

每个属性都由 int32 键唯一标识，且具有预定义的类型（value_type）：INT32（和数组）、INT64、BOOLEAN、FLOAT（和数组）、字符串、字节。

区域类型除了值之外还有区域。车载HAL定义了下面几种区域类型：

enum vehicle_zone_type {
    VEHICLE_ZONE_TYPE_NONE      = 0x00,
    VEHICLE_ZONE_TYPE_ZONE      = 0x01,
    VEHICLE_ZONE_TYPE_SEAT      = 0x02,
    VEHICLE_ZONE_TYPE_DOOR      = 0x04,
    VEHICLE_ZONE_TYPE_WINDOW    = 0x10,
    VEHICLE_ZONE_TYPE_MIRROR    = 0x20,
};

2.8.3 处理区域属性举例

下面是获取HVAC温度的调用过程。


img

下面是设置HAVC温度的调用过程。


img

图中缩写说明如下：

3 结束语

最后，我们以Android系统在汽车行业上的发展小结一下车载系统的特点：

下一个版本的Android，即Android P很快就会发布。新的版本将迎来哪些变化，我们一起拭目以待。

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