船舶尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪佳瑤，安博文

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

目前，海事部門(mén)對(duì)船舶尾氣的排放監(jiān)管依舊采用人工的方式，比較耗時(shí)且成本較高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，智能移動(dòng)設(shè)備得到迅速普及，如果能利用手中的移動(dòng)設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)船舶尾氣的排放，會(huì)大大提高海事部門(mén)的監(jiān)管效率[1]。

本文根據(jù)船舶尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件應(yīng)用的實(shí)際需求，利用藍(lán)牙和Android相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了無(wú)線連接控制氣體檢測(cè)裝置以及在Android應(yīng)用程序上實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的軟件應(yīng)用模塊。相較于傳統(tǒng)方式，該軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)具有一定的智能化和便捷性。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 Android系統(tǒng)

Android系統(tǒng)是一種基于Linux的自由及開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦，由Google公司和開(kāi)放手機(jī)聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)及開(kāi)發(fā)[2]。Android操作系統(tǒng)最早由Andy Rubin開(kāi)發(fā)，2005年8月由Google收購(gòu)注資。隨后，Google以Apache免費(fèi)開(kāi)放源代碼許可證的授權(quán)方式，發(fā)布了Android的源代碼，開(kāi)放源代碼加速了Android普及與發(fā)展。

1.2 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙是一種短距離的無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，能夠在包括手機(jī)、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦等眾多設(shè)備間進(jìn)行無(wú)線信息傳輸。藍(lán)牙技術(shù)采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作頻段為2.4GHz，數(shù)據(jù)速率為1Mb/s，并且采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸[3]。Android 2.0以上版本的SDK包含了對(duì)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的支持，使得藍(lán)牙設(shè)備能夠無(wú)線連接其他藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[4]。此外，Android應(yīng)用程序框架提供了訪問(wèn)藍(lán)牙功能的API，調(diào)用這些API能夠讓?xiě)?yīng)用程序無(wú)線連接其他藍(lán)牙設(shè)備，實(shí)現(xiàn)交互功能。

2 船舶尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是本設(shè)計(jì)不可或缺的一部分，客戶端和數(shù)據(jù)服務(wù)器是基于數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的。本設(shè)計(jì)中采用的數(shù)據(jù)庫(kù)是MySQL，MySQL是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個(gè)大倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，這樣就增加了速度并提高了靈活性。本設(shè)計(jì)的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的ER圖設(shè)計(jì)如圖1所示，其中實(shí)體部分主要由無(wú)人機(jī)、尾氣設(shè)備、船舶三個(gè)部分組成。無(wú)人機(jī)包括經(jīng)度，緯度和當(dāng)前的時(shí)間信息，尾氣傳感設(shè)備包括SO2和NOx濃度。船舶包括MMSI、COG、SOG等信息。無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載尾氣傳感設(shè)備的方式，一對(duì)一聯(lián)系約束。氣體檢測(cè)裝置中的尾氣傳感設(shè)備和船舶通過(guò)尾氣檢測(cè)，一對(duì)多聯(lián)系約束。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)ER圖

（2）氣體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表

在服務(wù)端建立數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)表，存儲(chǔ)船舶氣體檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)的氣體數(shù)據(jù)，分為歷史數(shù)據(jù)和最新數(shù)據(jù)表，歷史數(shù)據(jù)表包括所有接受的數(shù)據(jù)，最新數(shù)據(jù)表只包括兩類(lèi)中最新一條接收的數(shù)據(jù)，方便客戶端調(diào)用。

發(fā)送時(shí)單次發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為18個(gè)字節(jié)，從第0字節(jié)到第17字節(jié)。其中，第0字節(jié)為起始位擬定為0xFF，第1-2字節(jié)為設(shè)備號(hào)用于確定數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備的信息，第2-5字節(jié)位時(shí)間位Small Datetime，為所采集的數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，該部分信息前2個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)base date（2018年1月1日之后的天數(shù)）。后2個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)午夜0點(diǎn)后的分鐘數(shù)。第6-9字節(jié)為所采集的氣體的濃度值，單位為ppb。第10-16個(gè)字節(jié)為無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度，獲取當(dāng)前無(wú)人機(jī)的信息。為了防止信息的泄露或者不完整性，第17字節(jié)設(shè)置了校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為求和校驗(yàn)（第2字節(jié)至第10字節(jié)的和取反+1）。

2.2 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)

（1）功能概要

Android應(yīng)用程序通過(guò)藍(lán)牙與氣體檢測(cè)裝置配置命令的交互過(guò)程描述為：首先，Android應(yīng)用程序打開(kāi)藍(lán)牙，搜索氣體檢測(cè)裝置的藍(lán)牙與其配對(duì)并建立連接。然后，Android應(yīng)用程序發(fā)送一個(gè)開(kāi)始采集的指令，氣體檢測(cè)設(shè)備收到指令并回復(fù)后，設(shè)備登記完成，氣體檢測(cè)裝置開(kāi)始采集信息。此時(shí)Android應(yīng)用程序訪問(wèn)數(shù)據(jù)服務(wù)器，界面顯示采集到的氣體信息，并且實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)，直至采集結(jié)束。藍(lán)牙控制模塊流程圖如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙控制模塊流程圖

（2）藍(lán)牙通信的功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中主要是手機(jī)終端與氣體檢測(cè)裝置中的藍(lán)牙模塊之間進(jìn)行通信，從而控制氣體檢測(cè)裝置的開(kāi)關(guān)。該過(guò)程可以認(rèn)為是客戶端與服務(wù)器端之間的通信。在Android系統(tǒng)中，支持的藍(lán)牙開(kāi)發(fā)類(lèi)在android.bluetooth包中，藍(lán)牙設(shè)備的管理涉及到的類(lèi)有Blue?toothAdapter與 BluetoothDevice兩個(gè)類(lèi)，其中，Blue?toothAdapter代表本地設(shè)備的藍(lán)牙適配器，是所有藍(lán)牙交互的入口點(diǎn)。該BluetoothAdapter可以執(zhí)行基本的藍(lán)牙任務(wù)，例如啟動(dòng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，查詢配對(duì)的設(shè)備列表，使用已知的MAC地址實(shí)例化一個(gè)BluetoothDevice類(lèi)，并創(chuàng)建一個(gè)BluetoothServerSocket監(jiān)聽(tīng)來(lái)自其他設(shè)備的連接請(qǐng)求。BluetoothDevice類(lèi)代表了一個(gè)遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備，使用它請(qǐng)求遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備連接，或者獲取遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的信息。

與藍(lán)牙通信相關(guān)的類(lèi)有BluetoothServerSocket和BluetoothSocket類(lèi)，BluetoothServerSocket類(lèi)用于監(jiān)聽(tīng)來(lái)自客戶端的連接請(qǐng)求，BluetoothSocket類(lèi)代表了一個(gè)藍(lán)牙套接字接口，能夠獲取輸入、輸出流并與其他藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通信。

藍(lán)牙通信的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要分為以下幾個(gè)部分：

①聲明權(quán)限。

為了在應(yīng)用中使用藍(lán)牙功能，需要在AndroidMani?fest.xml中申明以下權(quán)限：

②打開(kāi)設(shè)備。

獲取藍(lán)牙適配器：

BluetoothAdapter mBluetoothAdapter=bluetoothManager.getAdapter()。

③查找附近已配對(duì)或可用設(shè)備。

mBluetoothAdapter.startDiscovery()。

④連接設(shè)備。

connected(socket,socket.getRemoteDevice())。

⑤設(shè)備間數(shù)據(jù)交互。

InputStream mInStream=socket.getInputStream()；

mInStream.read(buffer)；

OutputStream mOutStream=socket.getOutputStream()；

mOutStream.write(buffer)。

通過(guò)廣播接收者查看掃描到的藍(lán)牙設(shè)備，該方式是異步傳輸，每掃描到一個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)送此廣播（BluetoothDevice.ACTION_FOUNDE），通過(guò) intent方式可以獲取藍(lán)牙設(shè)備BluetoothDevice。移動(dòng)終端與尾氣檢測(cè)設(shè)備連接成功后，通過(guò)getInputStream（）和getOut?putStream（）方法獲取輸入流和輸出流來(lái)處理傳輸，調(diào)用read(byte[])和write（byte[]）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的讀和寫(xiě)。

（3）Android端藍(lán)牙通信界面

圖3和圖4分別是藍(lán)牙通信模塊的搜索界面和藍(lán)牙通信界面，通過(guò)藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)與尾氣監(jiān)測(cè)設(shè)備的交互、控制，當(dāng)手機(jī)的藍(lán)牙與設(shè)備的藍(lán)牙模塊建立連接后，發(fā)送一個(gè)指令start，藍(lán)牙模塊回復(fù)一個(gè)指令OK，設(shè)備開(kāi)始采集信息。

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)

（1）功能概要

該模塊主要是在手機(jī)App上顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，包括無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度、編號(hào)信息以及二氧化硫和一氧化碳的濃度信息，讓用戶可以直觀地監(jiān)測(cè)船舶尾氣的排放情況。顯示的監(jiān)測(cè)信息都是當(dāng)前時(shí)刻的最新信息，體現(xiàn)了信息的即時(shí)性。

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示

當(dāng)氣體檢測(cè)設(shè)備開(kāi)始采集信息時(shí)，手機(jī)控制端通過(guò) HTTP協(xié)議訪問(wèn)數(shù)據(jù)服務(wù)器[5]，使用 Android的HttpURLConnection類(lèi)，并采用Get的方式發(fā)送請(qǐng)求。訪問(wèn)成功后，獲取到JSON格式的數(shù)據(jù)，即有序的JSO?NArray數(shù)組對(duì)象，因此需要將JSON數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。首先，要新建JSONObject對(duì)象，再獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)組，最后遍歷數(shù)組中的每個(gè)值獲得監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)。

為了滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需求，利用Android中的多線程技術(shù)，設(shè)置了一個(gè)定時(shí)器，使得數(shù)據(jù)每隔五秒更新一次，手機(jī)界面能夠顯示當(dāng)前時(shí)刻最新的數(shù)據(jù)。定時(shí)器是耗時(shí)操作，所以在UI主線程的基礎(chǔ)下，另開(kāi)一個(gè)子線程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的功能，采用的是Handler+Thread方法。最終，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示模塊的流程圖如圖5所示。

圖3 藍(lán)牙通信的搜索界面

圖4 藍(lán)牙模塊的通信界面

圖5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示模塊流程圖

圖6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示界面

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)完成后，結(jié)合氣體檢測(cè)裝置，在港區(qū)進(jìn)行測(cè)試。首先在服務(wù)端部署好相應(yīng)的軟件模塊，然后打開(kāi)手機(jī)Android應(yīng)用程序的藍(lán)牙通信界面和氣體檢測(cè)裝置中藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)兩者的控制、交互。最后點(diǎn)擊訪問(wèn)服務(wù)器的按鈕，訪問(wèn)服務(wù)器，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最終檢測(cè)信息顯示界面如圖6所示。界面結(jié)果表明，本文的設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前時(shí)刻的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度、編號(hào)和氣體濃度信息，無(wú)人機(jī)信息能夠?yàn)楹罄m(xù)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)做鋪墊，氣體濃度信息可以使用戶直觀便捷地了解船舶尾氣的排放情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種船舶尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)，利用藍(lán)牙無(wú)線通信的特點(diǎn)和Android平臺(tái)下數(shù)據(jù)顯示的直觀性、實(shí)時(shí)性，從服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)為入口點(diǎn)，設(shè)計(jì)了氣體檢測(cè)裝置和移動(dòng)智能終端的通信模塊，最終在Android應(yīng)用程序界面上呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。結(jié)果顯示，軟件模塊運(yùn)行穩(wěn)定，界面數(shù)據(jù)顯示準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性好，滿足監(jiān)管需求，具有良好的應(yīng)用前景。