基于Android和iOS的極地移動信息平臺設計與開發

劉鵬 龐小平 艾松濤

（1武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北武漢430079；2極地測繪科學國家測繪局重點實驗室，湖北武漢430079；3極地測繪遙感與全球環境變化實驗室，湖北武漢430079）

0 引言

截至2013年上半年，中國智能手機用戶規模已達到4.5億［1］。移動網民數量的快速增長為移動互聯網發展構建了堅實的用戶基礎，越來越多的用戶已經習慣使用智能移動終端來處理與個人生活、工作、學習相關的事務［2］。目前，市場上并存的智能手機平臺較多，既有傳統的塞班［3］，也有日益興盛的 Android［4］和 iOS［5］。2013年第二季度，中國智能手機市場操作系統分布中，Android份額進一步擴大至74.5%，iOS占據11.4%，兩者成為智能操作系統的主流平臺［1］。

極地信息化建設促進了科研成果的交流與共享，并為社會公眾提供了解極地考察的窗口。國內針對極地的信息平臺建設已經取得極大進展，主要包括艾松濤等［6］開發的雪龍在線平臺將“雪龍號”與國內的網絡信息平臺連接起來，實現了雪龍船與科考儀器數據的互換以及基于互聯網的動態數據發布；李升貴［7］提出和實現的極地信息平臺針對不同應用領域和用戶，統一管理極地基礎信息，分層次實現了極地信息應用；程文芳等［8］實現的極地標本資源共享平臺解決了分布存儲在全國各地的極地標本樣品資源共享問題。這些信息平臺為極地信息化建設奠定了堅實基礎，但都是基于因特網建設實施的，數據的處理與展示局限于PC端，目前國內與極地相關的移動互聯網應用產品相當缺乏。

鑒于當前移動互聯網的快速發展以及移動終端設備的智能化，用戶獲取實時信息的方式逐漸從PC端轉向了移動端，同時許多突發問題要求在移動的環境下完成快速決策。本文研究的極地移動信息平臺（“掌上兩極”）一方面可以方便極地管理部門、科研人員和社會公眾快速獲取極地最新信息，另一方面可以達到移動平臺監控的作用，為相關工作人員提供一定的應急決策支持。根據前面分析的智能手機平臺類型，“掌上兩極”推出了Android和iOS兩個版本。

1 系統設計

“掌上兩極”的建設以實現南北極各個考察站實時數據的快速查詢與共享為目標，系統采用客戶端和服務器的解決方案，結合多線程和Ajax異步通訊技術，配備Oracle作為數據庫，設計實現了極地新聞、極地相關數據的瀏覽查詢等功能。

1.1 系統整體架構

為保證數據的安全性以及不同客戶端訪問的統一性，“掌上兩極”采用典型的客戶端和服務器架構，數據存儲在服務器端，客戶端只負責界面布局與數據展現，減輕了客戶端的負載量。客戶端采用MVC（Model-View-Controller）設計模式，最大限度降低模塊之間耦合度。客戶端與服務器借助JSON接口進行數據傳輸，不同客戶端訪問相同的數據接口，實現信息的統一，服務器端數據更新也可以及時反映到客戶端上。系統整體架構如圖1所示。

1.2 系統功能模塊設計

通過“掌上兩極”可以方便地查看南北極各個考察站的最新數據。經過前期需求調研與分析，根據功能特點將系統劃分成13個模塊：極地新聞、隊員報名、考察申報、極地論文、雪龍動態、極地影像、GPS、驗潮數據、極地氣象、極地地圖、網絡資源、極地專項、用戶反饋，各功能模塊內容如圖2所示。

圖1 “掌上兩極”架構圖Fig.1.System structure ofmobile polar

圖2 “掌上兩極”系統功能模塊圖Fig.2.System function modules ofmobile polar

1.3 主要功能模塊介紹

（1）極地新聞 展示極地相關的新聞、公告等，方便用戶了解極地最新動態，主要包括“媒體動態”、“重要記事”、“公告通知”三個欄目。

（2）雪龍動態 雪龍動態是一個連接雪龍船與國內的信息平臺，借助于海事衛星通訊鏈路將船上航行動態信息、考察儀器數據同國內服務器進行交換，并實時發布，為極地考察主管部門、考察隊員及其家屬、社會公眾提供一個了解雪龍船航行動態的窗口［6］。用戶可以查看“雪龍”號當前位置、近期的實際航跡、歷史航跡，以及“雪龍號”實時監控數據。

（3）極地影像、GPS等數據的查詢瀏覽 查看南北極科學考察區域和“雪龍”號最新的GPS、氣象、驗潮以及影像數據，通過這些數據可以了解最新的南北極現場，增加對極地環境的直觀認識，支持區域包括長城站、中山站、黃河站、雪龍船和其他重點考察區域。

（4）事務處理 包括隊員報名、考察申報、極地論文模塊，提供一些與考察管理相關的事務處理操作，方便極地管理部門及科研工作人員使用。

（5）極地地圖 展示一系列反映極地測繪科學考察成果和南北極自然地理環境的地圖和影像，包括南極全圖、長城站、中山站、Dome A等區域，支持本地瀏覽和在線查看兩種方式。

2 客戶端設計與實現

2.1 Android開發技術

Android平臺自底向上由四個層次組成［9］：Linux內核層、Android運行時庫和其他庫層、應用框架層、應用程序層。Android提供了豐富的類庫并且大部分為開源代碼，在應用框架層Android開發人員擁有訪問框架APIs的全部權限。“掌上兩極”Android客戶端采用JAVA語言開發，并充分利用其面向對象、安全、可移植性好等優勢，從服務器接口獲取數據時使用Android提供的AsyncTask類實現異步操作，避免阻塞UI線程。

2.2 iOS開發技術

iOS是iPhone、iPod以及iPad等設備的核心操作系統，它重定義了移動設備可以實現的功能，并擁有良好的用戶操作體驗。iOS系統架構分為4個層次［10］：核心操作系統層（Core OS Layer）、核心服務層（Core Services Layer）、媒體層（Media Layer）、可觸摸層（Cocoa Touch Layer）。“掌上兩極”iOS客戶端開發完全遵照iOS四層結構及應用開發規范設計實現，系統應用到了 Foundation、UIKit和 Core Graphics等框架，開發語言為Object-C，在開發過程中使用NSThread技術實現數據異步讀取。

2.3 客戶端實現過程中的關鍵技術

（1）增強用戶體驗 智能手機不僅僅要滿足應用需求，更重要的是注重用戶體驗，“掌上兩極”客戶端在開發過程中，結合實際功能模塊，進行了相應的優化：用戶在啟動時，程序自動檢測手機網絡連接是否正常，如果沒有檢測到可用網絡，則提示用戶聯網；通過手機內置瀏覽器控件打開數據量較大的網頁時往往會很慢，例如“雪龍動態”頁面需要加載谷歌地圖，數據量比較大，為此程序中設置了一個進度條顯示當前頁面加載進度；客戶端界面分別結合Android和iOS平臺特點精細化設計，簡潔易懂，具有強烈的視覺層次感等。

（2）異步加載數據 系統客戶端與服務器端之間通信采用HTTP協議，基于HTTP協議的交互方式有同步請求和異步請求兩種。應用程序默認情況下只會開啟一個主線程，它需要完成執行代碼段、接收用戶交互事件、更新窗口等任務。同步請求在主線程中進行，在請求過程中主線程不能響應外部輸入，當某一個任務耗時較長時就會出現主線程阻塞，界面無法響應的情形，尤其是在國內的網絡不穩定的情況下。針對這種問題，客戶端在通過網絡獲取數據時新開辟一個線程實現數據異步加載，數據讀取完成后通知主線程更新用戶界面，避免阻塞主線程，給用戶良好的使用體驗。

（3）數據緩存 使用緩存可以讓應用程序更快速地響應用戶輸入，有時候需要將從遠程服務器獲取的數據緩存起來，避免對同一個URL多次請求，由于“掌上兩極”客戶端數據基本都需要從服務器端獲得，所以進行數據緩存很有必要。iOS客戶端中主要使用了內存緩存，“雪龍動態”、“極地論文”和“隊員報名”模塊都是通過網頁控件直接打開網頁，并設置網頁緩存，再一次請求時則是從內存中獲取數據；“極地新聞”和“極地影像”模塊中接口數據采取一次性向服務器請求并保存在內存中，切換瀏覽時直接從內存讀取。Android客戶端中主要使用了本地緩存，用戶瀏覽過的圖片都會下載到本地，再次查看時直接從本地加載。緩存的應用在減輕服務器負擔的同時提升客戶端響應速度，另一方面也節省了上網流量。此外，“極地地圖”模塊中的地圖數據經過預處理后直接打包到iOS安裝文件中，在提升用戶體驗的同時減少了網絡下載流量，對地圖分辨率要求高的用戶可以通過客戶端提供的接口瀏覽原始分辨率圖片。

2.4 客戶端運行效果

經過詳細的功能設計，人性化的界面布局和敏捷的開發流程，“掌上兩極”客戶端開發已基本完成。目前iOS以及Android版本分別已經在App Store和Android應用市場正式發布，其中Android客戶端適用于Android 2.3.3以上系統，推薦使用大屏幕（4.0英寸及以上）手機進行體驗；iOS客戶端支持 iPhone、iPod和iPad，適用于iOS5.0以上系統，圖3為APP效果圖。

圖3 iOS（a）和 Android（b）客戶端主頁Fig.3.Home page of iOS（a）and Android（b）client

3 服務器端設計與實現

服務器的主要功能是提供數據交互，使用戶獲取最新的極地資訊，同時接收用戶的反饋信息，系統基于Apache發布Web服務，利用PHP編譯動態頁面，采用輕量級的JSON作為數據交換格式。此外，為深入挖掘用戶的需求及使用習慣，服務器還需要對客戶端的請求進行記錄，方便后續改進軟件和服務。

3.1 服務器端接口設計

JSON（JavaScript Object Notation）是一種輕量級的數據交換格式［11］。它是基于JavaScript的一個子集，具有面向對象的特點，易于人閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成。服務器端在設計數據接口時兼顧以下幾個方面：（1）層次性，方便調用；（2）獨立性，接口之間耦合度低；（3）易于擴展，滿足功能模塊擴充需要。如圖4所示，服務器端對不同類型的極地數據進行分級抽象，每一級中節點均采用“key-value”的表達形式，例如第一級中節點“03：極地氣象”，冒號前面為key，后面為value，這種表達方式易于JSON實現；為保證用戶體驗，接口層次不宜超過5級，客戶端具體實現過程中最多使用了4級。客戶端獲取數據需要從上到下逐級進行，這種層級接口設計方式保證了客戶端訪問的靈活性，可按需獲取相應層次數據，不同級別數據獲取互不影響，并且擴展起來很方便。

3.2 服務器接口響應時間統計

為了更好地驗證JSON的數據傳輸效率，本文對服務器接口響應時間進行測試。接口測試采用聯通版iPhone5在3G環境下進行，網絡狀態良好，單位是毫秒（ms），測試結果如表1所示。接口測試從參與網絡交互的第2級接口開始，其中“—”表示未定義相應層級接口，由于網絡環境不穩定等原因，實驗數據會有一些波動，本文對每一級接口測試10次然后取平均值。從表1中可以看出，各模塊綜合響應時間均不超過4 s，用戶體驗良好。

圖4 數據接口設計示意圖Fig.4.Diagram of data interface design

表1 服務器JSON接口測試結果表Table 1.Test results table of server JSON interface

3.3 客戶端訪問記錄統計分析

為研究用戶的使用習慣，服務器端對每一次數據請求自動記錄，通過分析數據日志對軟件的后續開發加以調整。本文選取2014年1月10日（穩定版發布）到2014年4月24日的時間段對訪問日志進行分析，結果如下：

（1）訪問日志總共包含7 313條記錄，其中iOS客戶端訪問3 912次，Android客戶端訪問3 401次，訪問最頻繁的三個模塊分別是“極地影像”、“極地新聞”和“極地氣象”。分析IP歸屬地發現訪問用戶主要來源于武漢、北京和上海，同時有少量用戶來源于海外，如美國、意大利和挪威。客戶端訪問趨勢如圖5所示。

圖5 客戶端累計訪問量趨勢圖Fig.5.The trend of client access

（2）通過將訪問日期轉換為工作日并加以統計，各個工作日訪問量差距不是很明顯，如圖6所示。

圖6 客戶端訪問記錄按工作日統計Fig.6.Client access statistics by weekdays

（3）以小時為單位，統計用戶一天之內每個小時的訪問次數，結果如圖7所示，從圖中可以發現，用戶一般會在上午上班（8：00）和下午下班之后體驗軟件。

圖7 客戶端訪問記錄按小時統計Fig.7.Client access statistics by hour

通過對數據日志的統計分析，可以跟蹤發掘用戶的使用習慣，進而指導軟件的進一步研發和擴展，使得軟件升級完善并且更加面向用戶需求，穩步提升用戶體驗。

3.4 關鍵技術與原則要求

服務器的主要功能是提供數據交互，因此首先要保證數據的完整性和安全性。數據獲取方面，在雪龍船和考察站點現場采集的數據通過海事衛星通訊網絡回傳到國內服務器上，考慮到海事衛星通訊可能存在的不穩定性以及費用限制，采集的數據會先在遠端數據中心保存起來，以確保數據完整，然后由后臺服務程序對數據進行抽樣并選取半小時1次的數據記錄回傳到國內服務器上［6］。服務器進行數據交換之前首先對數據來源進行篩選確認，防止數據被惡意攔截篡改；接收的數據在入庫之前也會進行數據檢驗，充分保證了采集數據的可靠性和安全性。

移動終端用戶通常采用移動網絡訪問服務器，此種方式經常受到帶寬以及網絡流量的限制，因此選擇一種安全高效的數據通信方法尤為重要。JSON能從眾多的遠程數據庫通信方法中脫穎而出，主要在于其通過HTTP協議訪問應用服務器，安全、快速、通用、數據通信量小，同時對后臺數據庫沒有特殊要求。JSON通信方式在保證系統高效及安全的情況下，降低了對移動終端的要求。

4 結論與展望

本文基于已有的數據基礎和極地科考需求，設計實現了中國南北極考察數據瀏覽與互動的移動信息平臺—“掌上兩極”，該系統囊括了Android和iOS兩大智能手機平臺。系統在設計階段考慮到后期功能擴展的需要，對框架的設計保持靈活性，同時系統開發兼顧了移動平臺的特點，注重用戶體驗，盡量減少不必要的網絡交互，提升客戶端響應速度。“掌上兩極”的數據來源于中國極地科學考察管理信息系統，具有權威性，方便極地管理部門、社會公眾和科研人員獲取最新的南北極相關信息。該系統已于2014年1月經過專家鑒定，評價其實現了極地管理與社會服務功能的有機結合，填補了中國極地信息移動終端服務軟件的空白。當然，系統也存在一些不足，比如“隊員報名”、“考察申報”等模塊直接轉到了相關網站，后期需要針對移動客戶端進行網頁的優化和功能擴展。截止目前，“掌上兩極”主要解決了移動環境下的數據快速獲取問題，下一步研究計劃主要包括以下三個方面：（1）深入探討極地考察業務需求，增加針對管理部門的應急決策支持功能；（2）增加基于LBS的移動數據采集模塊；（3）根據訪問統計的分析結果及用戶反饋意見加強對系統的測試及擴展，進一步提升用戶體驗。

1 2013Q2中國智能手機市場季度監測報告.http：//www.iimedia.cn/36890.html.

2 荊明.基于Android校園地理信息搜索系統的研究.大連：大連理工大學，2013.

3 高天.關于塞班系統的思考.數字技術與應用，2013，（4）：236—236.

4 Android，the world＇smost popularmobile platform.http：//developer.android.com/about/index.html.

5 iOS是什么.http：//www.apple.com/cn/ios/what-is/.

6 艾松濤，鄂棟臣，朱建鋼，等.雪龍在線網絡信息平臺的研發與展望.極地研究，2011，23（1）：56—61.

7 李升貴.構建極地“三大平臺”推動“數字極地”建設——908專項“數字海洋”極地研究中心節點成果與應用.海洋開發與管理，2010，27（6）：49—57.

8 程文芳，張潔，夏明一，等.極地標本資源共享平臺系統設計與實現.極地研究，2013，25（2）：185—196.

9 吳林，熊滔，蔡永香.基于Android手機的地圖應用設計與開發.城市勘測，2011，（2）：16—19.

10 張博.基于iOS的MSN Messenger V7.0手機客戶端的設計與實現.北京：北京交通大學，2012.

11 李潔，王恂.用JSON改進AJAX數據傳輸.中國高新技術企業，2008，16（1）：123.