沙有闖，顏世波

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 信息工程系，安徽 六安 237011)

0 引言

0.1 瓦斯預(yù)警的現(xiàn)狀分析

瓦斯監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)是目前國內(nèi)外進(jìn)行瓦斯治理的重要途徑。我國自1985年前后開始引進(jìn)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(shù)的提高，部分科研院所開始自主研發(fā)有害氣體預(yù)警系統(tǒng)，比較典型的有KJ80、KJ92等［1］。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，KJG2000以及MSNM、WEBGIS等系統(tǒng)相繼推出并廣泛應(yīng)用［2］。由于技術(shù)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(hù)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(shè)備，如智能手機(jī)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(lǐng)了移動開發(fā)領(lǐng)域70%以上的市場，主要集中在手機(jī)和平板電腦應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域［4］。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、尤其是傳感器技術(shù)，Android平臺在監(jiān)測、監(jiān)控等智能控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［4-6］。

1 智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

一個能夠具有瓦斯信息采集、數(shù)據(jù)處理和智能預(yù)警功能的智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾個子系統(tǒng):井下采集終端、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、B/S監(jiān)測模塊、Web Service模塊和智能預(yù)警終端子系統(tǒng)等。具體系統(tǒng)的架構(gòu)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(guān)可以接收來自礦井內(nèi)部的瓦斯、二氧化碳、溫濕度、氣壓、風(fēng)度等傳感器的數(shù)據(jù)，并且通過WIFI或者其他通信網(wǎng)絡(luò)將傳感器數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器端。服務(wù)器端將數(shù)據(jù)存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中，Web服務(wù)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(shè)備客戶端。智能設(shè)備客戶端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以圖形化界面展示給用戶。智能設(shè)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(yù)警信息。

1.2 智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)的硬件支持

智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)的終端產(chǎn)品應(yīng)該滿足數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、WIFI通信等多方面的應(yīng)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(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

圖2 智能瓦斯監(jiān)測預(yù)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(dá)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(jìn)工藝制成，功耗很低。

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

1.3 智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與通信支持

智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)可以結(jié)合現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，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(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)，采用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的形式與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)的客戶端可以直接與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通信，發(fā)布操作指令，也可以訪問服務(wù)器端加載實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析預(yù)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(luò)與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，協(xié)調(diào)器再將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。服務(wù)器端應(yīng)用程序采用多線程技術(shù)，實時訪問數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)并保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)。在智能瓦斯預(yù)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(guān)發(fā)出控制指令，進(jìn)而達(dá)到控制數(shù)據(jù)采集和預(yù)警的目的。

2 智能瓦斯預(yù)警系統(tǒng)客戶端設(shè)計

本系統(tǒng)的Android客戶端設(shè)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(yù)警信息。本客戶端采用典型的模塊化程序設(shè)計結(jié)構(gòu)，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(yù)警服務(wù)等模塊。

2.1 客戶端功能結(jié)構(gòu)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(shè)置和監(jiān)視節(jié)點管理，完成預(yù)警的處置和數(shù)據(jù)恢復(fù)。系統(tǒng)管理員可以實現(xiàn)通信系統(tǒng)、服務(wù)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(shè)計

Android客戶端數(shù)據(jù)存儲能力有限，因此設(shè)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(yù)警過程中需要進(jìn)行分析和存儲的數(shù)據(jù)主要包括實時瓦斯數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)及用戶信息等?；诳蛻舳撕虯ndroid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(wù)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表設(shè)計如表1、表2、表3所示。

表1 工作面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 工作面瓦斯實時監(jiān)測數(shù)據(jù)表

表3 預(yù)警及處理數(shù)據(jù)

在應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)中，全部的數(shù)據(jù)層業(yè)務(wù)都通過SQLDBHelper輔助接口完成。該接口提供數(shù)據(jù)庫打開、關(guān)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(shè)計

Android中網(wǎng)絡(luò)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(luò)post和get請求。使用異步方式可以簡化網(wǎng)絡(luò)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(wù)器端進(jìn)行通信，按照指定頻率定時從服務(wù)器端獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)異步與服務(wù)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(wù)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(jìn)行解析和二次處理，并存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫中?？蛻舳烁鶕?jù)本地數(shù)據(jù)的編號自動刷新界面顯示組件。

3 結(jié)語

基于Android平臺的瓦斯監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)有的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)與智能客戶端進(jìn)行交換。智能客戶端將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)警分析，發(fā)出預(yù)警信息。Android客戶端具備參數(shù)設(shè)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(shè)備結(jié)合起來，還可以提高預(yù)警的實時性和有效性，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］劉西青.論國內(nèi)煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.山西焦煤科技，2006(3):38-40.

［2］聶百勝，何學(xué)秋，王恩元.煤與瓦斯突出預(yù)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，1 3(6):40-43.

［3］馬越.Android的架構(gòu)與應(yīng)用［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，2008.

［4］高宇.基于ARM和Android平臺的智能醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2012.

［5］John J.Sammarco，Robert Paddock，Edward F.Fries et al.A Technology Review of Smart Sensors With Wireless Networks for Applications in Hazardous Work Environments［R］.INFORMATION CIRCULAR/2007.

［6］劉俊賢.基于Android平臺的橋梁監(jiān)測終端應(yīng)用程序設(shè)計與開發(fā)［D］.西安:西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，2011.

［7］沈淀.基于zigbee技術(shù)和android系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計［D］.武漢:武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，2011.

［8］秦曉晶，李海富.基于Zigbee技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的研究［J］.長春大學(xué)學(xué)報，2012(3):153-156.

［9］Young J.Chun，Patrick E.Patterson.A usability gap between older adults and younger adults on interface design of an Internet-based telemedicine system［J］.Work，2012，41(n.):349-352.