Android水平位移即時監測終端軟件的實現

歐陽晨皓，黃永帥，劉冠蘭,2，史俊波,2

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430079)

水平位移形變監測為工程安全提供依據，是軌道交通工程中十分重要的一環。隨著移動互聯技術和智能終端的發展及廣泛應用，水平位移形變監測正向高度自動化方向發展[1]。在自動化過程中，需考慮監測的即時性和數據安全問題。傳統水平位移監測數據采集中，監測結果反饋周期長，監測即時性差；原始記錄、最終結果均需要經過監測人員干預，數據記錄原始性、保密性、安全性差[2-6]。

針對上述問題，本文基于軌道交通工程實際要求，開發實現了一套基于Android設備的水平位移即時監測終端軟件，利用Android設備的藍牙功能、網絡通信功能分別與測量儀器、后臺服務器通信，實時獲取儀器測量信息及服務端測量信息，實時計算、預警，保證了監測的即時性。軟件中嵌入DES(data encryption algorithm)對稱加密算法[7-9]，監測人員無法干預監測數據記錄、計算過程，從而保證了監測過程中“數據不落地”，完善了安全機制。本文首先介紹軟件架構、功能特性，然后描述Android設備與測量儀器之間藍牙通信開發及數據加密流程，最后詳細講述各模塊功能，給出相關結論。

1 終端軟件框架及功能特性

監測軟件終端依據數據通信鏈路不同分為兩部分，分別為Android設備與測量儀器、Android設備與服務端通信鏈路。兩條通信鏈路協作使監測具備即時性。軟件對監測記錄、成果進行加密，保證了數據安全。圖1為終端軟件框架。

1.1 Android設備與測量儀器通信鏈路

為了克服人工記錄、計算測量儀器數據導致的記錄準確性、處理實時性差的問題，同時考慮傳輸距離、硬件成本，軟件采用藍牙作為測量儀器與Android設備的通信媒介。對于無內置藍牙的測量儀器，可借助儀器自帶的RS232數據接口，外接串口藍牙適配器。

Android設備通過藍牙向測量儀器發送命令，獲取儀器信息、配置度盤、控制儀器觀測，儀器解析命令后將請求的信息、配置結果、觀測結果返回給Android設備。獲得儀器觀測數據后，軟件將自動記錄并實時計算觀測數據，與測量規范比對，若閉合差等檢核量超限將提示用戶重測測點/測回。最后，軟件將最終測量結果與往期數據比對，若變形超過閾值，將立即預警提示用戶。監測作業結束后，軟件將對原始記錄、結果進行加密，將所有成果組織成報表。圖2為鏈路工作流程。

1.2 Android設備與服務端通信鏈路

Android設備與服務端通過互聯網通信，數據交流遵循JSON(JavaScript object notation)格式。根據作業步驟，可將該通信鏈路的交互內容分為兩種：一是在監測準備階段，軟件需要向服務器請求測站屬性信息，也可通過軟件在服務端新建測站信息，包括測站所屬線路、工點、測站名稱、監測點坐標、監測點變形閾值。二是在監測完成階段，軟件將監測獲取的原始記錄、計算結果、監測點變形量發送給服務端，服務端獲取監測結果后將其保存至數據庫。

另外軟件具備數據同步功能，可根據用戶給定的時間范圍，將對應時段內監測記錄下載至Android設備，供用戶查看原始記錄、監測點變形曲線等。圖3為鏈路工作流程。

2 Android藍牙通信開發及DES數據加密流程

為保證監測數據不落地，首先利用藍牙通信將原始數據從全站儀串口傳輸至Android設備，而后在Android設備上利用“DES”算法對原始記錄、監測成果進行加密。該過程中，用戶無法對原始數據進行編輯，保證了數據的原始性、準確性、安全性。

2.1 Android藍牙通信開發

藍牙短距離無線通信技術發展至今大致有5個版本，其中藍牙1.x～3.x為傳統藍牙(bluetooth BR/EDR)，4.x～5.x為新一代的低功耗藍牙(bluetooth low energy)[10-11]。本文系統在開發初期考慮較低版本，全站儀均需要外接串口藍牙適配器，而市面上帶RS232串口轉接頭的藍牙適配器產品使用的藍牙標準大多為傳統藍牙標準；另外新一代測量機器人，其內置藍牙標準大多也為傳統藍牙，因此本文系統采用了傳統藍牙標準。

軟件基于Android Studio 2.2平臺開發，使用的編程語言為JAVA。Android設備的傳統藍牙開發分兩步：藍牙外設搜索、連接，數據傳輸[12]。圖4為Android藍牙開發流程。

(1) Android藍牙外設搜索、連接。Android環境中的BluetoothAdapter類庫包含了藍牙狀態查詢、掃描、連接等操作函數。利用startDiscovery函數開始掃描藍牙外設，該函數可獲取附件所有藍牙外設的MAC(介質訪問控制)地址、名稱、RSSI(接收信號強度)等信息。搜索到目標藍牙后，向目標藍牙發起配對請求，完成配對。

配對完成后，即可令設備發起連接請求。Android設備與藍牙外設連接時，需要對應通用唯一識別碼(UUID)開啟串行線性仿真協議(RFCOMM)信道，使用的函數為createRfcommSocketToService Record。信道開啟成功后，即可利用BluetoothSocket對象進行套接字通信。

(2) 藍牙數據傳輸。Android設備與外設藍牙連接完成后，即可利用getInputStream、getOutputStream函數從藍牙套接字對象獲取輸入、輸出流。開啟數據監聽線程，利用輸入流獲取儀器端外設藍牙發來的數據；當Android設備向儀器發送命令時，則利用輸出流發送數據，這樣便實現了Android設備與測量儀器雙向通信功能。

軟件兼容拓普康、徠卡兩種品牌全站儀。拓普康全站儀串口命令為SOKKIA/TOPCON格式，徠卡全站儀串口命令有GSI、GeoCOM兩種格式，使用的命令主要包括水平角置盤、開始觀測、停止觀測、角度/斜距信息獲取[13-15]。

2.2 DES數據加密流程

DES是一種可逆的對稱分組加密算法，該算法在POS、ATM、IC卡等方面運用廣泛。加密過程大致包含3步：初始置換、子密鑰生成、16輪迭代運算及最終置換[7，16]。圖5為DES加密算法流程。

(1) 初始置換。置換的目的在于打亂原來64位明文、密鑰的順序，并依照初始置換表進行排列。

(2) 子密鑰生成。將置換后始密鑰分為左右兩半KL0及KR0，分別對KL0和KR0進行循環左移得到KL1和KR1，之后將得到的KL1和KR1合并再次按照新的置換表進行排列得到Key1，作為下一輪迭代的輸入。按照上述方法迭代16次，即得到16個子密鑰。

(3) 16輪迭代運算及最終置換。初始置換之后的明文分為左明文L0和右明文R0，長度均為32位。首先“擴展置換”將右明文擴展為48位，“密鑰變換”將本輪迭代的子密鑰壓縮為48位后，令兩者進行異或運算，得到的運算結果經過“S盒置換”、“P盒置換”兩步得到新的32位變量，將該32位變量與左明文進行異或運算得到新的右明文R1，再將舊的右明文R0作為新的左明文L1，即得到新一輪迭代的輸入。按照上述過程進行16輪迭代，最后一輪迭代生成的左右明文不交替。按照最終置換規則排列16輪迭代后的明文，即得到最終加密結果。DES解密與加密過程類似，不同之處在于子密鑰使用順序相反。

3 終端軟件功能模塊

軟件依據軌道交通工程施工現場水平位移監測需求，共設計實現了7個功能模塊：用戶注冊/驗證、測站管理、監測任務新建/加載、數據采集/實時預警、成果報表、數據同步、數據恢復。圖6為軟件模塊功能示意圖。以下對關鍵模塊進行展開描述。

3.1 數據采集及實時預警

圖7為監測數據采集及實時預警模塊操作界面。該模塊用戶通過點擊“獲取數據”即可向全站儀發出觀測命令，等待儀器觀測完成、反饋觀測數據后，軟件將立即進行數據解析、顯示。一旦觀測數據累積到可以計算，軟件立即對可檢核的誤差指標進行計算，包括平距較差、半測回歸零差、一測回內2c互差、同方向各測回較差等，一旦指標超限，軟件立刻提示用戶重測或加測。每一測回完成后都將計算一次測點坐標，與上期坐標對比，計算變形量、變形速率，若指標超限，將立刻向用戶發出預警，幫助監測人員排查問題，排除安全隱患。考慮觀測人員在操作儀器時可能出現目標對準錯位等失誤，軟件允許用戶對當前測點、測回或全部觀測任務重新觀測。另外軟件允許用戶在該界面重新選擇使用的儀器、串口命令格式及重新連接藍牙。

3.2 成果報表

圖8為成果報表功能模塊操作界面及成果報表展示效果。用戶完成監測作業后即可在該模塊查看測站原始數據、計算結果、形變信息。在確認記錄無誤后即可上傳至服務器，服務器在接收到記錄后立即對各測點信息進行更新，對于水平位移超限的測點將立即在平臺風險系統發布預警信息，作業人員對預警點處理、反饋后再消除預警。該模塊使得監測內業實現電子化、自動化，有效提高了作業效率。

3.3 數據同步

圖9為數據同步模塊操作界面及歷史數據、變形曲線顯示效果。與任務新建模塊類似，用戶從服務器獲取線路、工點信息后，軟件將自動加載用戶選擇工點下的測站、測點，用戶設置監測開始、截止日期后，即可從服務端同步到相應時段內的監測記錄及成果。用戶選擇測站同步記錄后即可查看監測原始記錄，選擇測點同步記錄后即可查看測點具體形變量及變形曲線。該模塊方便了監測人員對施工現場監測點形變信息進行分析，另外也使得監測人員以外用戶可快速調取施工現場形變信息，促進參與工程施工的多方人員信息互通。

4 結 語

隨著移動互聯技術和智能終端的發展及在工程中的廣泛應用，軌道交通工程監測作業正向全自動化靠攏，在自動化過程中，監測的即時性和數據的安全性顯得更加重要。

針對監測過程的即時性和數據的安全性，本文設計實現了一套基于Android設備的水平位移即時監測終端軟件。測量人員在作業階段能夠實時處理規范指標超限問題，及時排查、應對儀器操作問題，實時獲取預警信息。監測數據全部實時記錄、計算并加密，保證了數據的原始性、準確性。與服務端互聯方便了用戶及時對監測點形變進行分析，促進了施工信息互通。軟件的預警機制聯合服務端的風險系統幫助監測人員對事故預知，完善了施工安全機制。

目前本文水平位移監測軟件已在某軌道交通工程中應用，實際效果表明，該監測終端軟件將施工現場測量儀器觀測信息與服務端工程信息綜合在一起，提升了監測作業效率，確保了監測數據不落地，有效保證了監測即時性和數據安全性。