基于Android 平臺的實時地鐵變形監測系統軟件設計

徐 慶

（常德市廣播電視臺 湖南 常德 415000）

0 引言

地鐵交通運載力較大，行駛速度較快，成為人們出行首要選擇的交通工具[1]。隨著經濟的快速發展，我國已經在多個地區修建了地鐵交通軌道，并為其配備了行駛輔助工具。由于地鐵行駛軌道主要分布在市中心，對此類交通工具的安全行駛提出了較高要求[2]。地鐵變形作為地鐵交通安全事故產生的主要因素，對其展開實時監測顯得尤為重要。通過采集地鐵變形數據信息，從而準確判斷當前地鐵行駛安全性，為安全行駛指揮管理提供可靠參考依據[3]。目前，開發的大部分地鐵變形監測系統依賴有線傳輸，并且以監控中心計算機作為信息接收終端[4]。這種監測系統建設成本較高，信息傳輸線路布設難度較大，限定了監管指揮工作空間。為了彌補傳統系統開發方案存在的不足，本文借助Android 平臺，嘗試提出一種新的實時地鐵變形監測系統軟件設計方案。

1 實時地鐵變形監測系統開發需求分析

地鐵變形監測系統的開發，除了對系統監測結果準確性有所要求以外，還對監測數據的實時性有所要求，只有數據滿足實時性要求，才能夠第一時間發現地鐵變形問題，為地鐵交通工具行駛指揮提供有利數據支撐[5]。目前，很多監測系統數據傳輸期間受因素影響，數據精準度下降，并且監測指標比較單一。例如，監測關鍵部位應力、接觸壓力等，缺少多指標的全面監測[6]。所以，在接下來的研究中，需要選擇多個監測指標，為其配備相應傳感器，在處理器的控制下完成數據采集。

另外，整理大量文獻資料發現，大部分地鐵變形數據接收終端為監控中心計算機，數據傳輸時間較長，導致數據時效性較差。為了彌補這個不足，在接下來的研究中，應該將研究要點轉移到移動終端接收數據方面。手機作為一種通信工具，其應用已經得到了普及，可以考慮將手機作為移動終端，在Android 平臺上開發系統操作軟件程序，從而實現地鐵變形現場監測數據向用戶手機直接發送功能，以此提高數據實時性，彌補數據接收和讀取空間限定問題。

2 系統總體架構設計

針對系統開發需求，本系統在地鐵監測設備配置、數據傳輸及接收模式兩個方面進行了改進，提出新的系統設計方案。該方案利用關鍵部位應力監測傳感器、線形監測傳感器、接觸壓力監測傳感器、接觸位移監測傳感器，分別采集地鐵關鍵部位應力數據、線形數據、接觸壓力數據、接觸位移數據。將這些數據作為地鐵行駛作業安全性判斷依據，通過無線模塊傳輸至用戶手機，從而實現實時通信，為地鐵行駛指揮提出可靠方案。圖1 為系統總體架構。

該系統架構主要分為兩個部分，分別是現場監測終端（信息采集終端）、遠程服務中心。其中，現場監測終端由太陽能供電系統、關鍵部位應力監測傳感器、線形監測傳感器、接觸壓力監測傳感器、接觸位移監測傳感器、核心處理器、GPRS DTU 模塊組成。該終端由太陽能供電系統供電，在核心處理器的作用下，對多種傳感器下達信息采集命令，從而獲取地鐵監測信息，通過GPRS DTU 模塊傳輸數據。遠程服務中心由用戶手機、遠程服務器兩部分組成，在Android 平臺環境，啟動遠程服務器，為用戶手機和現場監測終端無線模塊建立通信渠道，服務器將接收到的信號發送至用戶手機上。該數據傳輸模式不受空間限定，并且數據時效性很高。

3 系統設計

3.1 系統信息采集終端設計

本系統信息采集終端選取STM32 系列單片機作為核心處理器，用來驅動采集終端各個設備，包括關鍵部位應力監測傳感器、線形監測傳感器、接觸壓力監測傳感器、接觸位移監測傳感器、GPRS DTU 模塊。根據地鐵監測需求，合理設置傳感器作業參數和數據發送時間間隔，從而滿足地鐵監測數據采集需求。

該架構中運用多種傳感器監測地鐵狀態，根據傳感器使用規格，合理選取設備安裝位置，同時以監測需求作為依據，在監測范圍內合理布設傳感器信號采集節點，以此滿足監測覆蓋需求?？紤]到設備長期在室外作業，采用有線電源供電存在難度，并且成本較高。所以，本系統采用太陽能供電模塊，為系統及其設備提供電能。除了GPRS DTU 模塊與遠程服務中心的通信連接以外，信息采集終端其他設備之間的通信連接，均采用RS485 通信模塊創建通信橋梁。

3.2 終端程序設計

3.2.1 軟件開發環境

本系統選擇Android 平臺作為軟件開發環境，在BLE應用程序中編寫系統作業程序代碼，使得系統按照地鐵監測控制需求展開作業，同時監測現場與遠程服務中心作業達到協同作業目標。Android 平臺操作系統中，按照功能不同，將系統劃分為4 個層次，分別是應用程序層、應用程序框架層、函數庫、Linux 內核層，根據Android 平臺開發需求，為其配備系統開發環境，并將編譯程序和APK文件植入到Android 系統中，用來控制遠程服務器，從而下達現場信息采集終端和監控中心操作命令。

3.2.2 軟件架構設計

本系統軟件架構的開發，以BLE 應用程序作為開發工具，按照系統操作功能不同，將其劃分為多個層次，分別在不同層次當中構建功能模塊，形成低耦合高內聚的架構體系。目前，應用比較多的軟件架構為MVC（model view controller），按照業務邏輯結構設計系統功能，采用數據分離方法，組織系統運行程序代碼，通過操作界面顯示系統運行結果。與其他架構相比，這種架構不僅擴展性較好，而且耦合性比較低。所以，本系統選擇MVC 模式作為系統軟件架構開發工具，設計如圖2 所示的系統信息軟件框架結構。

3.2.3 機器人與智能終端的通信設計

系統中關鍵部位應力監測傳感器、線形監測傳感器、接觸壓力監測傳感器、接觸位移監測傳感器均由機器人控制，而機器人的核心處理器為STM32 系列單片機，在機器人的控制下，實現了各項指標數據采集操控。該裝置與Androidd 智能終端的通信，以GPRS DTU 模塊作為主要通信渠道，以藍牙4.0 作為輔助通信渠道，以便用戶通過手機進行操控。如果智能終端與現場控制機器人距離比較小，則開啟藍牙4.0 通信模式，如果兩者之間的距離比較大，超出了藍牙通信覆蓋范圍，則借助移動網絡基站，完成數據的發送和接收[7]。

其中，藍牙設備運用下的通信設計，以Adapter.startLeScan()函數作為通信連接工具，通過調用該函數，與BLE 設備建立通信連接。接下來，運用getServices()函數和getCharacteristic()函數，完成各項參數設置，從而實現數據傳輸。而GPRS DTU 模塊的通信連接，則是借助GSM（Glabal System for Mobile Communications）基站、SGSN（Serving GPRS support nod）服務支持節點、GGSN（Gateway GPRS support node）網關支持節點，構建GPRS（General Packet Radio Service）網絡體系，從而實現數據的無線傳輸。

3.2.4 服務器與智能終端的通信設計

系統中Android 智能終端與服務器之間的通信連接，通過5G網絡或者Wi-Fi建立通信連接，在網絡覆蓋環境下，設置此通信模式即可。該網絡環境下，采用的通信協議為TCP 協議?？紤]到該協議通信條件下容易出現數據傳輸堵塞問題，本系統設計方案利用ConcurrentHashMap 管理數據，形成雙重循環隊列，從而提高數據傳輸效率。

3.2.5 地鐵變形數據解析

第1 步：從數據傳輸管道流中提取數據。

第2 步：設置數據類型長度，按照此標準，判斷當前數據長度是否小于標準長度中最短數據類型長度，如果小于最短長度，則執行第3 步，反之，返回第1 步。

第3 步：判斷當前數據的消息類型是否已經被定義，如果已經定義，執行第4 步，反之，丟棄一個字節，返回第2 步。

第4 步：根據當前數據類型獲取消息長度。

第5 步：判斷數據長度是否超出或者等于消息長度，如果滿足條件，則執行第6 步，反之，返回第1 步。

第6 步：根據消息，對ID 號進行驗證，并計算校驗和。

第7 步：判斷ID 號、校驗和是否正確，如果正確，則執行第8 步，反之，丟棄一個字節，返回第2 步。第8 步：解析生成一包數據，并對這些數據加以存儲。第9 步：判斷是否還存在數據待解析，如果不存在，則結束解析線程，反之，返回第1 步。

按照上述方法，對現場采集到的數據加以解析，得到地鐵變形判斷數據，綜合考慮各項參數數據數值是否超出標準范圍，如果未超出此范圍，則判斷地鐵當前不存在變形問題。如果在危險范圍內，則需要立即采取安全預防和修理措施，從而為地鐵安全作業提供一定保障。

4 系統測試分析

4.1 測試內容

（1）地鐵變形數據采樣準確性測試。為了提高測試結果可靠性，本次測試隨機抽取6 個節點，分別對這6 個節點的傳感器采樣數據進行測量，并計算數據精度。如果監測精度在98.5%以上，則認為該系統監測數據較為精準，可以作為地鐵變形監測判斷依據。

（2）對地鐵變形監測系統數據傳輸實時性測試。同樣設置6 個監測節點，對每一個節點的數據傳輸實時性進行測試。本次測試以延遲時間作為判斷標準，如果延遲時間低于0.3 s，則認為該系統數據傳輸效率較高，滿足實時性要求。

4.2 測試結果分析

按照系統架構搭建系統作業環境，分別測量6 個節點的關鍵部位應力、線形、接觸壓力、接觸位移數據，與實際數據進行對比，得到系統監測精度，計算結果見表1。

表1 地鐵變形數據采樣準確性測試

兩組測試結果顯示，本系統所有傳感器采集數據精度在99.2%以上，部分節點傳感器數據采集精度達到了100%，達到了數據精度標準。監測系統數據傳輸實時性測試結果見表2。

表2 地鐵變形監測系統數據傳輸實時性測試

兩組測試結果顯示，僅有節點1 線形監測數據傳輸延遲達到0.2 s，其他節點各類型數據傳輸延遲均控制在0.1 s之內，在數據傳輸延遲允許范圍之內。

5 結語

本文圍繞地鐵變形監測系統軟件設計展開探究，選取Android 平臺作為系統開發環境，利用STM32 系列單片機作為現場信息采集終端控制器，對傳感器作業狀態進行控制，從而獲取地鐵變形數據信息，通過無線模塊傳輸數據，利用手機接收數據。測試結果顯示，本系統支持無線數據傳輸，操作便捷，系統數據采集精度在99.2%以上，數據傳輸延遲在0.2 s 以內，符合系統開發需求。