基于Android的井下智能終端系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

喬 實，胡夢瀅，劉 巖，王 晶

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

中國是世界上僅次于美國的第二大能源消費國，其中煤炭在能源結(jié)構(gòu)中占有不可替代的地位。2013年，中國的煤炭產(chǎn)量達到37億噸，超過世界煤炭產(chǎn)量的50%。長期以來中國煤炭百萬噸死亡率一直高于美國、南非和印度等主要產(chǎn)煤國[1-2]。其中信息化程度低是造成事故率的主要原因之一[3]。近年來，隨著信息化、數(shù)字化的迅猛發(fā)展，尤其是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)信息化在煤炭產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用[4-7]，煤礦事故率將隨之下降。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”之一，井下安監(jiān)巡查是杜絕安全隱患的重要工作之一，然而在實際工作中存在很多困難。例如：安監(jiān)人員對周邊情況了解不全面，無法得知井下實時環(huán)境狀況，不能與地面進行實時交流等。井下信息化建設(shè)就可以很好地解決這些問題，可以定時定期對煤礦安全生產(chǎn)狀況進行巡查，對降低生產(chǎn)事故發(fā)生率，保障煤礦生產(chǎn)具有極其重要的意義。

1999年，MIT Auto ID Center最早提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被包括美國在內(nèi)的多個國家納入國家重大信息發(fā)展戰(zhàn)略[7]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，Wi-Fi技術(shù)已趨成熟，其最大優(yōu)點是速度快，可靠性高，方便與有線以太網(wǎng)整合，組網(wǎng)成本低。由于Wi-Fi協(xié)議本身限制其設(shè)備功率，使得無線設(shè)備可以設(shè)計成符合煤礦安全要求的本質(zhì)安全型設(shè)備，Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用改變了井下無線通信長久以來一直徘徊在窄頻范圍的現(xiàn)狀，使得井下通信更加方便快捷[9]。

本文所述的基于Android的井下智能系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層，服務(wù)層和客戶層。依靠井下物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層得到井下傳感設(shè)備返回的數(shù)據(jù)，依靠Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)服務(wù)層和客戶層的互動。客戶層則是Android平板客戶端實現(xiàn)人員可視化操作。本系統(tǒng)主要包括人員登錄、信息、可視電話、通信錄、即拍即傳、視頻監(jiān)測、產(chǎn)量日報、井下環(huán)境和設(shè)置等9個模塊。

1 Android井下智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于Android的井下智能系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)層，服務(wù)層和客戶層3層。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層的主要功能是為服務(wù)層和客戶層提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)主要來源于傳感器、攝像頭和硬盤。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括煤礦日產(chǎn)報表、井下環(huán)境數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控畫面。井下環(huán)境數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控畫面分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

1.2 服務(wù)層

服務(wù)層主要用來處理來自客戶層的請求，是整個系統(tǒng)的大腦中樞環(huán)節(jié)，當服務(wù)層接收到來自客戶層的請求后，調(diào)取數(shù)據(jù)層的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給客戶層。

1.3 客戶層

客戶層是整個系統(tǒng)的主要組成部分，是人與系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互的直接環(huán)節(jié)。客戶層主要包括客戶端，通過客戶端，操作人員可以向系統(tǒng)發(fā)出各種請求，系統(tǒng)給予的反饋信息也會通過客戶端直觀地呈現(xiàn)給操作人員。

2 系統(tǒng)客戶端設(shè)計

2.1 客戶端結(jié)構(gòu)

智能客戶端的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個客戶端分為 UI界面，控制層，XML和 UDP 4層。

（1）UI界面。UI界面是整個系統(tǒng)與操作人員最直接的交互層，它主要是使得操作人員可以方便地向系統(tǒng)發(fā)出指令，系統(tǒng)最后通過UI界面直觀地將信息反饋給操作人員。

（2）控制層。控制層在整個系統(tǒng)中就像人體的神經(jīng)系統(tǒng)，它是將系統(tǒng)的UI和XML連接起來，起到中間橋梁的作用。

（3）XML層。XML層起著解析和封裝XML的作用。一方面它將從控制層得到的數(shù)據(jù)封裝成XML數(shù)據(jù)送到UDP層；另一方面它從UDP層獲得XML數(shù)據(jù)并解析，并將它反饋給控制層。

（4）UDP層。UDP層是客戶層和服務(wù)層的橋梁，它是客戶層和服務(wù)層之間雙向傳輸數(shù)據(jù)的通道。

圖2 客戶端整體結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)客戶端模塊及功能

（1）登錄模塊：實現(xiàn)操作人員的認證。操作人員在這個模塊輸入用戶名和登錄密碼，客戶端將輸入的信息和服務(wù)層的信息進行比對，如果一致則操作人員成功登錄系統(tǒng)，并提示登錄成功，否則提示用戶名或密碼錯誤。這個模塊還可以輸入要連接的服務(wù)器IP，實現(xiàn)登錄設(shè)置。

（2）信息模塊：實現(xiàn)在線人員之間的文字通信。操作人員可以編輯文字信息并相互傳送。

（3）安監(jiān)員通信錄：實現(xiàn)在線人員信息列表。操作人員可以看到所有實時在線的人員的姓名、所在的IP、在崗時長及所處位置信息。

（4）可視電話：實現(xiàn)在線人員之間的視頻通話。移動客戶端之間的視頻對話，移動客戶端與地面PC之間的視頻對話。視頻對話通過調(diào)用客戶端自帶前置/后置攝像頭實現(xiàn)畫面的捕捉，通過調(diào)用客戶端自帶麥克實現(xiàn)語音捕捉。提高了實時調(diào)度指揮的能力，提高數(shù)據(jù)中心對井下監(jiān)控死角的監(jiān)控。

（5）即拍即傳：實現(xiàn)拍照涂鴉上傳功能。客戶端調(diào)用自帶前置/后置攝像頭對現(xiàn)場情況進行拍照，并存儲在本地Media Store中。調(diào)用涂鴉功能前，先選擇畫筆屬性，包括顏色和粗細，系統(tǒng)記錄所選屬性，然后選擇照片，從系統(tǒng)相冊中選取圖片并展示所選照片，操作人員可以在展示照片上進行涂鴉標注，最后保存圖片至系統(tǒng)相冊。點擊圖片上傳選擇圖片，通過UDP協(xié)議，上傳至服務(wù)器。方便監(jiān)察執(zhí)法工作。

（6）視頻監(jiān)測：實現(xiàn)對視頻監(jiān)控圖像的調(diào)取。視頻監(jiān)控圖像包括實時圖像和歷史記錄圖像兩類。客戶端向服務(wù)器發(fā)起調(diào)取圖像的請求，服務(wù)器調(diào)取相應(yīng)圖像，反饋給客戶端展示。

（7）產(chǎn)量日報：實現(xiàn)每日產(chǎn)量日報的顯示。在煤礦生產(chǎn)中，每天都會對產(chǎn)量進行統(tǒng)計匯報，產(chǎn)量日報也是煤礦安全生產(chǎn)的重要指標。在這個模塊中，用戶可以選擇要查詢的日期，客戶端會將請求發(fā)送給服務(wù)層，服務(wù)層把相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋給客戶端顯示。

（8）井下環(huán)境：實現(xiàn)對井下環(huán)境參數(shù)的顯示。由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，如水文、瓦斯、頂板等在井下已有系統(tǒng)規(guī)范的傳感器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)層將傳感器傳回數(shù)據(jù)進行處理，客戶端選擇要查看的日期和相應(yīng)傳感器，并發(fā)送給服務(wù)層，服務(wù)層調(diào)取相應(yīng)數(shù)據(jù)反饋給客戶端。

（9）設(shè)置：實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)連接模式、視頻模式、音頻回應(yīng)消除（AEC）和視頻質(zhì)量等參數(shù)進行相關(guān)設(shè)置。

2.3 客戶端功能的實現(xiàn)

（1）UDP 協(xié)議

實現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄖ饕蠺CP傳輸控制協(xié)議、SCTP簡單流傳輸協(xié)議及UDP用戶數(shù)據(jù)報表協(xié)議，這些協(xié)議各有特點。TCP和SCTP協(xié)議都是面向連接的，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸，但是處理復(fù)雜，效率不高，占用資源較多，無法支持海量并發(fā)連接。UDP協(xié)議采用面向非連接的傳輸策略，速度快、效率高，可支持海量并發(fā)連接[10]。本系統(tǒng)采用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，在Android系統(tǒng)下建立基于UDP的傳輸連接。

（2）P2P 技術(shù)

P2P技術(shù)通過系統(tǒng)間的直接交換達成計算機資源與信息的共享[11]。P2P網(wǎng)絡(luò)有很好的自組性和開放性。它充分利用分布在終端電腦上的邊緣性網(wǎng)絡(luò)資源，包括計算資源、帶寬資源、內(nèi)容資源等，該技術(shù)的核心在于防火墻的穿越。使用P2P通信技術(shù)，可以大大地減輕系統(tǒng)服務(wù)器的負荷，并成幾何倍數(shù)的擴大系統(tǒng)的容量，且并不會因為在線用戶數(shù)太多而導(dǎo)致服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)阻塞。本系統(tǒng)的核心服務(wù)器可以協(xié)助P2P穿透，當P2P不通時，核心服務(wù)可以完成流媒體數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)工作。服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)模式和P2P轉(zhuǎn)發(fā)模式對比如圖3所示。

圖3 服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)模式與P2P直連模式對比

（3）UI設(shè)計

UI即User Interface（用戶界面）的簡稱。Android應(yīng)用中，用戶界面是由view和ViewGroup對象構(gòu)建的。在Android中最常用來展現(xiàn)視圖層次的方法是XML布局文件。XML文件布局分為線性布局（LinearLayout）、相對布局（RelativeLayout）、絕對布局（AbsoluteLayout）、標簽布局（TabLayout）和層布局（FrameLayout）等。Android 還提供了一套完整的控件，包括按鈕、復(fù)選框和文本輸入框等。

（4）XML 解析

XML經(jīng)常用作Internet上的一種通用的數(shù)據(jù)交換格式，它的平臺無關(guān)性、語言無關(guān)性和系統(tǒng)無關(guān)性給數(shù)據(jù)集成于交互帶來了極大的方便。Android解析XML主要有 DOM（Document Object Model）、SAX（Simple API for XML）和XML pull 3種技術(shù)。DOM在處理XML文件時，將XML文件解析成樹狀結(jié)構(gòu)并放入內(nèi)存中進行處理。當XML文件較小時，可以選 DOM，因為它簡單、直觀。SAX則是以事件作為解析XML文件模式，它不需要將所有的XML文件加載到內(nèi)存中，這對于有限的Android內(nèi)存更有效。本系統(tǒng)使用SAX解析。SAX的工作原理簡單地說就是對文檔進行順序掃描，當掃描到文檔（document）開始與結(jié)束、元素（element）開始與結(jié)束、文檔（document）結(jié)束等地方時通知事件處理函數(shù)，由事件處理函數(shù)作相應(yīng)動作，然后繼續(xù)同樣的掃描，直至文檔結(jié)束。其具體實現(xiàn)方式如下。

①創(chuàng)建SAXParserFactory對象。

②根據(jù) SAXParserFactory.new SAX Parser（）方法返回一個SAXParser解析器。

③根據(jù)SAXParser解析器獲取事件源對象XMLReader。

④實例化一個自定義的DefaultHandler對象。

⑤連接事件源對象XMLReader到事件處理類DefaultHandler中。

⑥調(diào)用XMLReader的parse方法對輸入源中獲取到的XML數(shù)據(jù)進行解析。

3 實驗性能檢測

3.1 UDP連接檢測

UDP連接檢測測試主要證明了客戶端與服務(wù)器之間建立UDP通信連接，UDP通信連接建立包括連接的建立，數(shù)據(jù)的上傳和數(shù)據(jù)的下載3部分。為了測試這部分功能，應(yīng)用Wireshark網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件。通過客戶端向服務(wù)器發(fā)送一張圖片，同時利用Wireshark軟件抓包。

通過Wireshark可以看出，客戶端與服務(wù)器之間很好地建立了UDP通信連接，數(shù)據(jù)包發(fā)送接收正常，沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

3.2 客戶端功能測試

客戶端主要測試音視頻通話、圖片涂鴉和環(huán)境變量監(jiān)測等功能。進入視頻通話功能，在登錄到房間以后，客戶端相互呼叫點擊對方名字進入聊天室，平板電腦的屏幕將分左右兩部分，分別顯示本地攝像頭實時捕捉畫面和對方攝像頭實時捕捉畫面，同時啟動音頻設(shè)備，實現(xiàn)視頻通話。進入圖片涂鴉功能，點擊畫筆功能鍵，選擇畫筆的顏色和粗細屬性，點擊選擇圖片功能鍵，頁面跳轉(zhuǎn)到本地相冊，點擊選擇圖片，圖片會展示在屏幕展示，這時可以在展示圖片上進行涂鴉，涂鴉結(jié)束后點擊保存圖片功能鍵，涂鴉好的圖片會被保存在本地。進入產(chǎn)量日報功能，選擇要查看產(chǎn)量的時間，點擊確定，對應(yīng)的產(chǎn)量報表將顯示，如圖4所示。通過客戶端的功能測試，該系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)井下可視化通信及海量數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 系統(tǒng)客戶端展示

本系統(tǒng)是以Android平臺為基礎(chǔ)，應(yīng)用P2P連接、UDP通信及XML解析等技術(shù)設(shè)計而成。終端自動接入煤礦井下現(xiàn)有的802.11N等網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與礦山已經(jīng)建立的感知網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)存的礦山6大系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)交換，使安監(jiān)員不需要地面監(jiān)控中心通知的情況下，全面了解礦山的整體安全情況，避免在發(fā)生生產(chǎn)事故的時候產(chǎn)生人員信息孤島，讓礦山工作人員時刻動態(tài)地了解礦山安全生產(chǎn)過程，不僅保障了人員的安全，也能更加高效、安全地開采煤炭資源，保證礦山生產(chǎn)環(huán)境的安全與穩(wěn)定。該終端以礦井感知層網(wǎng)絡(luò)為通信平臺，便于地面地下隨時了解井下生產(chǎn)作業(yè)、礦山整體安全情況。讓井下安全管理、調(diào)度人員通過該技術(shù)結(jié)合GIS直觀、快捷地了解狀況，進行決策指揮，有效提高礦井的應(yīng)急處置和快速反應(yīng)能力，為礦井的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

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