基于Android平臺的智能瓦斯預警系統(tǒng)設計

沙有闖，顏世波

(安徽國防科技職業(yè)學院 信息工程系，安徽 六安 237011)

0 引言

0.1 瓦斯預警的現(xiàn)狀分析

瓦斯監(jiān)測和預警技術是目前國內(nèi)外進行瓦斯治理的重要途徑。我國自1985年前后開始引進瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)并在國有大中型煤礦裝備。隨著國內(nèi)安全技術的提高，部分科研院所開始自主研發(fā)有害氣體預警系統(tǒng)，比較典型的有KJ80、KJ92等［1］。隨著計算機技術的發(fā)展，KJG2000以及MSNM、WEBGIS等系統(tǒng)相繼推出并廣泛應用［2］。由于技術限制、管理松懈等多種主客觀因素，使得現(xiàn)有系統(tǒng)沒有充分發(fā)揮作用。比較突出的問題包括智能化水平不高、傳感器的穩(wěn)定性和可靠性不高、現(xiàn)場管理和維護水平較低等。

0.2 Android操作系統(tǒng)概述

Android是一種開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于移動設備，如智能手機和平板電腦，由Google公司開發(fā)。作為一款開放性的開發(fā)平臺，它具有高度的開放性，能夠支持非常豐富的硬件選擇，并且非常方便開發(fā)［3］。目前，Android已經(jīng)占領了移動開發(fā)領域70%以上的市場，主要集中在手機和平板電腦應用開發(fā)領域［4］。結合物聯(lián)網(wǎng)技術、尤其是傳感器技術，Android平臺在監(jiān)測、監(jiān)控等智能控制領域有著廣泛的應用［4-6］。

1 智能瓦斯預警系統(tǒng)架構設計

1.1 智能瓦斯預警系統(tǒng)的架構設計

一個能夠具有瓦斯信息采集、數(shù)據(jù)處理和智能預警功能的智能瓦斯預警系統(tǒng)應該包括以下幾個子系統(tǒng):井下采集終端、數(shù)據(jù)服務中心、B/S監(jiān)測模塊、Web Service模塊和智能預警終端子系統(tǒng)等。具體系統(tǒng)的架構圖如圖1所示。

在每個礦井監(jiān)控站部署的數(shù)據(jù)網(wǎng)關可以接收來自礦井內(nèi)部的瓦斯、二氧化碳、溫濕度、氣壓、風度等傳感器的數(shù)據(jù)，并且通過WIFI或者其他通信網(wǎng)絡將傳感器數(shù)據(jù)傳送到服務器端。服務器端將數(shù)據(jù)存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中，Web服務器端開發(fā)的Web Service將數(shù)據(jù)以指定格式發(fā)送到智能設備客戶端。智能設備客戶端對數(shù)據(jù)進行處理并以圖形化界面展示給用戶。智能設備客戶端根據(jù)算法自動分析并處理瓦斯數(shù)據(jù)并發(fā)出預警信息。

1.2 智能瓦斯預警系統(tǒng)的硬件支持

智能瓦斯預警系統(tǒng)的終端產(chǎn)品應該滿足數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、WIFI通信等多方面的應用需求。因此，本系統(tǒng)需要智能數(shù)據(jù)網(wǎng)管、ZigBee通信、嵌入式開發(fā)平臺等硬件支持。

圖1 智能瓦斯預警系統(tǒng)的架構設計

圖2 智能瓦斯監(jiān)測預警系統(tǒng)功能模塊圖

本系統(tǒng)原型開發(fā)擬采用ARM Coretex-A9開發(fā)平臺實施。該平臺選用三星公司推出的Exynos4412四核處理器，主頻達到1.4～1.6GHz。此外，該平臺還內(nèi)建32/32KB數(shù)據(jù)/指令一級緩存，1MB的二級緩存;GPU采用的是Mali 400MP四核心圖形處理器，支持2D/3D圖形加速。該芯片采用了最新的32nm HKMG的先進工藝制成，功耗很低。

在上述平臺的基礎上，本方案還需要在無線 WIFI模塊、Bluetooth、GPS、Camera、3G等方面進行功能拓展，為網(wǎng)絡訪問和數(shù)據(jù)通信提供支持。

1.3 智能瓦斯預警系統(tǒng)的網(wǎng)絡與通信支持

智能瓦斯預警系統(tǒng)可以結合現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡，如TD-LTE或者FDD-LTE等，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和交換;也可以使用煤礦已有ZigBee通信網(wǎng)絡來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)基于ZigBee通信網(wǎng)絡，采用數(shù)據(jù)網(wǎng)關的形式與服務器端進行數(shù)據(jù)通信，智能瓦斯預警系統(tǒng)的客戶端可以直接與數(shù)據(jù)網(wǎng)關通信，發(fā)布操作指令，也可以訪問服務器端加載實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析預警和實時控制。

在瓦斯數(shù)據(jù)采集模塊，傳感器通過ZigBee無線網(wǎng)絡與ZigBee協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)交互，協(xié)調(diào)器再將相關數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)網(wǎng)關。服務器端應用程序采用多線程技術，實時訪問數(shù)據(jù)網(wǎng)關并保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)。在智能瓦斯預警客戶端，根據(jù)實時數(shù)據(jù)情況可以直接向數(shù)據(jù)網(wǎng)關發(fā)出控制指令，進而達到控制數(shù)據(jù)采集和預警的目的。

2 智能瓦斯預警系統(tǒng)客戶端設計

本系統(tǒng)的Android客戶端設計基于Android4.0操作系統(tǒng)來實現(xiàn)瓦斯等數(shù)據(jù)的監(jiān)測和處理，并發(fā)出預警信息。本客戶端采用典型的模塊化程序設計結構，主要包括:瓦斯數(shù)據(jù)顯示、礦井監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲、智能預警服務等模塊。

2.1 客戶端功能結構劃分

根據(jù)系統(tǒng)角色劃分，本系統(tǒng)的主要功能模塊圖如圖2所示。礦井管理人員可以完成礦井參數(shù)設置和監(jiān)視節(jié)點管理，完成預警的處置和數(shù)據(jù)恢復。系統(tǒng)管理員可以實現(xiàn)通信系統(tǒng)、服務器系統(tǒng)、賬戶管理和數(shù)據(jù)分析。安全管理員通過該系統(tǒng)完成各節(jié)點的數(shù)據(jù)接收和查看，并根據(jù)數(shù)據(jù)實時狀況完成數(shù)據(jù)分析。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)層設計

Android客戶端數(shù)據(jù)存儲能力有限，因此設計一個簡潔有效的數(shù)據(jù)庫是十分必要的。瓦斯監(jiān)測與預警過程中需要進行分析和存儲的數(shù)據(jù)主要包括實時瓦斯數(shù)據(jù)、預警數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)及用戶信息等。基于客戶端和Android系統(tǒng)的特點，本系統(tǒng)選擇Android內(nèi)置的SQLite數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲業(yè)務，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表設計如表1、表2、表3所示。

表1 工作面基礎數(shù)據(jù)

表2 工作面瓦斯實時監(jiān)測數(shù)據(jù)表

表3 預警及處理數(shù)據(jù)

在應用程序?qū)崿F(xiàn)中，全部的數(shù)據(jù)層業(yè)務都通過SQLDBHelper輔助接口完成。該接口提供數(shù)據(jù)庫打開、關閉，數(shù)據(jù)表的增刪改查功能。該接口的規(guī)范說明如下:

2.3 客戶端通信模塊設計

Android中網(wǎng)絡請求一般使用HTTP Client或者HttpURLConnect，但是直接使用這兩個類需要寫大量的代碼才能完成網(wǎng)絡post和get請求。使用異步方式可以簡化網(wǎng)絡訪問的操作，因為它是基于HttpClient，所有的請求都是獨立在UI主線程之外。因此在本項目的客戶端采用了異步的方式與服務器端進行通信，按照指定頻率定時從服務器端獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)異步與服務器連接的核心偽代碼如下:

為了規(guī)范數(shù)據(jù)訪問，提高系統(tǒng)安全級別，對數(shù)據(jù)傳遞的報文格式做出規(guī)定，如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)傳遞的報文格式

服務器端在接收到數(shù)據(jù)請求后，會根據(jù)請求的類型返回不同類型的交換文本。交換文本以XML和JSON兩種格式為主?？蛻舳藢?shù)據(jù)進行解析和二次處理，并存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫中。客戶端根據(jù)本地數(shù)據(jù)的編號自動刷新界面顯示組件。

3 結語

基于Android平臺的瓦斯監(jiān)測與預警系統(tǒng)，通過3G/4G網(wǎng)絡將現(xiàn)有的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)與智能客戶端進行交換。智能客戶端將接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，并存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫中。通過對瓦斯數(shù)據(jù)的預警分析，發(fā)出預警信息。Android客戶端具備參數(shù)設置、數(shù)據(jù)顯示和管理等功能。該系統(tǒng)不僅能將瓦斯監(jiān)測與智能手持設備結合起來，還可以提高預警的實時性和有效性，具有良好的應用前景。

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