基于藍牙的CSAMT數據手機監測系統設計*

周文全，孫彩堂，周逢道，劉長勝

(吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春130026)

可控源音頻大地電磁測深CSAMT[1](Controlled Source Audio Magnetotellurics)法通過同步發射接收一組不同頻率的信號，測量大地的復電阻頻譜，從而得到地下不同深度介質電阻率的變化規律。

在CSAMT法勘探過程中，需要根據探測目標布置發射源。在接收端，要將儀器放置到各采集點，在大部分情況下，工作人員只能通過步行的方式將設備送到采集點。這些特點決定了對數據進行補測要浪費大量的人力和物力，因此，迫切需要能夠在工作現場或遠程實時監測采集的數據質量，以便工作人員及時發現采集過程中發生的問題并分析原因，盡早采取相應措施。

目前，加拿大鳳凰公司的V8采用TDMA進行各站之間的數據傳輸；吉林大學儀器科學與電氣學院自主研發的JLEMI[2]分布式采集系統采用了GPRS，可以在遠程工作站實時監測采集的數據。這些方法依賴于移動網絡，在信號質量不好的情況下工作會受到影響，甚至無法監測。

除了移動網絡之外，現在應用比較廣泛的無線傳輸技術[3]有ZigBee、紅外線數據傳輸、WiFi等。但當前的手機中很少直接支持ZigBee，紅外線數據傳輸方式要求進行傳輸的設備之間必須對準，而且中間不能有阻擋。藍牙是一種支持設備短距離通信(一般10 m內)的無線電技術，采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，其數據速率為1 Mb/s，采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸，現在手機、平板電腦等基本都配置了藍牙設備。

基于上述分析，本文采用藍牙無線傳輸技術[4]，實現了采集站與Android手機間的數據傳輸。通過在采集站中嵌入藍牙模塊，在采集數據的同時，將數據以特定格式發送到手機中，在手機端對接收到的數據進行預處理并實時顯示。將該系統應用到JLEMI工作過程中，為工作人員帶來了很多便利。

1 系統組成

圖1 系統組成示意圖

2 采集站

本系統中采集站[6]主要負責數據采集，并對采集的數據進行簡單預處理，將原始數據和預處理結果保存到本地磁盤中。除此以外，還可以通過嵌入的藍牙模塊將預處理結果傳輸到手機端。

采集站啟動后，首先開啟藍牙設備并監聽手機端接入請求。當有手機接入后，開啟新的線程并監聽處理手機端發來的命令。如果手機端需要監測數據，則必須首先向采集站發送相應指令。當采集站收到指令后，讀取采集到的數據，按照自定義的協議進行封裝，并向手機端傳輸。在數據傳輸期間，手機可以通過向采集站發送命令，控制數據傳輸的暫停與退出。

采集站端采用了開源庫bluecove[7]實現對藍牙模塊編程，并引入jdom.jar包實現對xml文件的讀取與解析[8]。

3 手機端

當前應用比較廣泛的手機操作系統包括Android、iOS、BlackBerry和Windows Phone等。市場研究公司Strategy Analytics在2013年11月1日發表報告稱，2013年第3季度全球智能手機出貨量在2012年同期的1.728億部基礎上增長45%，達到2.514億部，其中Android市場份額為81.3%，成為現在的主流手機操作系統。因此本系統的手機端基于Android操作系統開發。

目前，市面上已經存在許多基于Android操作系統的應用軟件，如基于藍牙的健康服務終端應用軟件、基于GPRS通信的遠程監控應用軟件以及基于各種通信協議的應用軟件等，這些應用軟件給現代生活帶來了極大便利。

3.1 工作流程

本系統的手機端應用程序包含1個Service和2個Activity。其中Service在后臺運行，其作用是監聽本手機端的狀態，當有事件產生時，與2個Activity產生交互，控制程序的運行。主Activity控制程序初始化、數據接收、預處理和曲線繪制；Activity2的作用是搜索周圍的藍牙設備，顯示搜索結果，接受用戶選擇，并將選擇結果傳遞給主Activity。手機端程序流程圖如圖2所示。

式(1)中H0為塌落前洞體最大高度，m；k為巖石松散(漲余)系數，灰巖k取1.2，黏土k取1.05本公式使用范圍：適用于頂板為中厚層、薄層，裂隙發育，易風化的巖層，頂板有塌陷可能的溶洞，或僅知洞體高度時。公式如下：

(1)啟動藍牙

首先檢查手機是否支持藍牙，如果支持，則獲取藍牙適配器對象，并在AndroidManifest中申明藍牙使用權限，開啟藍牙。

(2)搜索采集站藍牙設備

在手機端搜索采集站藍牙設備前，先要設置采集站端藍牙設備可見，以便手機端發現采集站藍牙設備進行配對。手機端通過使用BluetoothAdapter的startDiscovery()方法來搜索藍牙設備，在這個過程中，系統會發送以下3個廣播：

圖2 手機端整體流程圖

手機端可以注冊相應的BroadcastReceiver對象來接收相應的廣播，以便做出響應。

(3)請求建立連接

手機端搜索到采集站藍牙設備后，可以獲取其BluetoothService，然后利用listenUsingRfcomm_WithServiceRecord(String,UUID)方法獲取對應的BluetoothSocket，最后調用BluetoothSocket的connect()方法請求連接。如果手機端的UUID同采集站藍牙設備的UUID匹配，并且連接被采集站端藍牙設備接受，則連接成功。

(4)接收指令和數據

請求連接成功后，手機端和采集站的藍牙設備分別監聽端口。當手機端向采集站發送一個讀取數據指令，采集站收到該指令后，首先根據自定義的協議對數據進行封裝，然后利用藍牙協議傳輸到手機端。手機端的主Activity監聽數據端口，當接收到數據后，對其進行解析，得到發送的原始數據，為后期的數據預處理和曲線繪制做準備。

(5)對接收到的數據進行繪圖顯示，其中可以通過選項來控制是否需要在顯示之前對數據進行平滑。

3.2 曲線繪制

本系統選擇開源類庫Achartengine[9]作為繪圖工具。該類庫針對Android系統開發，易于二次開發，能夠繪制折線圖、餅狀圖、柱狀圖等多種曲線。在本系統中，數據以折線圖的形式顯示。

對于CSAMT數據曲線，由于發射頻率和幅值都相差多個數量級，因此，需要以對數坐標的形式顯示。而Achartengine不直接支持對數坐標，本文通過對坐標軸的改進，實現了自定義坐標軸，從而實現了數據的對數顯示。主要步驟如下：

(1)將x軸改造為對數坐標

利用addXTextLabel函數實現x軸坐標轉換，該函數的基本格式為：addXTextLabel(double x，String text)，其中x為x軸坐標點，text為轉換后顯示在x點的坐標值，如果不顯示，則可以設為空。x和text之間的關系為x=log10(text)。利用該方法，可以添加一系列的x軸對數坐標點。

(2)將y軸改造為對數坐標

原理和x軸相同，利用addYTextLabel(double y，String text)函數實現y坐標轉換。

(3)數據顯示

將接收到的數據轉換成對數，并利用series.add()添加到繪圖中顯示。圖3顯示了手機中基于Achartengine繪制的數據曲線圖。因為本系統所應用的采集站有4個通道，所以共有8條曲線，包括4條幅頻特性曲線(上半部分)與4條相頻特性曲線(下半部分)。

圖3 采集數據的曲線圖

Achartengine為靜態繪圖，為達到實時更新的動態效果，需要對其進行動態刷新，即每當有新數據到來時，便進行一次點集的更新和繪圖的刷新。點觸曲線中某點，可以顯示該點對應的值，方便現場分析和判斷。

3.3 曲線平滑濾波

CSAMT法測量過程中，容易受到噪聲的干擾，在數據中出現“飛點”現象，會對后期的數據處理造成極大的干擾，甚至導致假結果。本文使用基于各向異性擴散的濾波方法[10]對數據進行預處理，算法模型為：

該方法以梯度的降函數做擴散速度，在梯度大的點擴散量較小，在梯度小的點擴散量較大，其優點是在濾除噪聲的同時能保護曲線的局部特征。梯度的降函數相當于邊界保護函數的作用，如式(2)所示：

其中，k為閾值參數。

利用該算法對數據進行平滑的效果如圖4所示。

圖4 基于各向異性擴散算法的數據平滑效果圖

本文根據CSAMT法工作環境的特點，將藍牙無線數據傳輸技術引入CSAMT法的數據采集過程中，手機端在接收到采集數據后可以進行平滑處理，并通過對Achartengine類庫中坐標軸的改進，實現對數坐標顯示，在實際應用中得到了較好的效果。本系統既有利于進行CSAMT數據的集中監測，也可以為現場工作人員觀察數據采集質量、判斷故障點提供參考和支持，提高其工作效率。本系統的應用可以使采集設備不再配備顯示屏，有助于進一步減小體積，降低功耗。

藍牙的數據傳輸距離有限，不能達到遠距離數據監測的目的，下一步工作是基于GPRS或WiFi無線傳輸技術，實現手機中的遠距離數據監測。

[1]湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].長沙：中南大學出版社，2005.

[2]張文秀.CSAMT與IP聯合探測分布式接收系統關鍵技術研究[D].長春：吉林大學，2012.

[3]石明明，魯周迅.三種無線通信協議綜述[J].通信技術，2011，7(44)：0072-0073.

[4]楊瑞.基于藍牙通信的短信平臺設計與實現[J].計算機應用與軟件，2011，2(28)：218-219.

[5]錢志宏，劉丹.藍牙技術數據傳輸綜述[J].通信學報，2012，4(33)：0143-0152.

[6]陳健.寬頻帶時頻電磁接收機關鍵技術研究[D].長春：吉林大學，2012.

[7]BRUCE H，RANJITH A.Bluetooth for java[M].Berkeley：Apress，2003.

[8]方躍堅，余枝強，翟磊，等.一種混合并行XML解析方法[J].軟件學報，2013，24(9)：1196-1206.

[9]Google.Achartengine-Charting library for Android Google Project[EB/OL].(2010-08)[2013-12-10].http：//code.google.com/p/achartengine.

[10]嚴家斌，劉貴忠.基于各向異性擴散的ROBUST阻抗估計方法[J].地球物理學進展，2007，22(5)：1403-1407.