基于Android平臺的智能瓦斯預警系統設計

沙有闖，顏世波

(安徽國防科技職業學院 信息工程系，安徽 六安 237011)

0 引言

0.1 瓦斯預警的現狀分析

瓦斯監測和預警技術是目前國內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控系統并在國有大中型煤礦裝備。隨著國內安全技術的提高，部分科研院所開始自主研發有害氣體預警系統，比較典型的有KJ80、KJ92等［1］。隨著計算機技術的發展，KJG2000以及MSNM、WEBGIS等系統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，使得現有系統沒有充分發揮作用。比較突出的問題包括智能化水平不高、傳感器的穩定性和可靠性不高、現場管理和維護水平較低等。

0.2 Android操作系統概述

Android是一種開放源代碼的操作系統，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。作為一款開放性的開發平臺，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［3］。目前，Android已經占領了移動開發領域70%以上的市場，主要集中在手機和平板電腦應用開發領域［4］。結合物聯網技術、尤其是傳感器技術，Android平臺在監測、監控等智能控制領域有著廣泛的應用［4-6］。

1 智能瓦斯預警系統架構設計

1.1 智能瓦斯預警系統的架構設計

一個能夠具有瓦斯信息采集、數據處理和智能預警功能的智能瓦斯預警系統應該包括以下幾個子系統:井下采集終端、數據服務中心、B/S監測模塊、Web Service模塊和智能預警終端子系統等。具體系統的架構圖如圖1所示。

在每個礦井監控站部署的數據網關可以接收來自礦井內部的瓦斯、二氧化碳、溫濕度、氣壓、風度等傳感器的數據，并且通過WIFI或者其他通信網絡將傳感器數據傳送到服務器端。服務器端將數據存儲在后臺數據庫中，Web服務器端開發的Web Service將數據以指定格式發送到智能設備客戶端。智能設備客戶端對數據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算法自動分析并處理瓦斯數據并發出預警信息。

1.2 智能瓦斯預警系統的硬件支持

智能瓦斯預警系統的終端產品應該滿足數據處理、圖形顯示、WIFI通信等多方面的應用需求。因此，本系統需要智能數據網管、ZigBee通信、嵌入式開發平臺等硬件支持。

圖1 智能瓦斯預警系統的架構設計

圖2 智能瓦斯監測預警系統功能模塊圖

本系統原型開發擬采用ARM Coretex-A9開發平臺實施。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，該平臺還內建32/32KB數據/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，為網絡訪問和數據通信提供支持。

1.3 智能瓦斯預警系統的網絡與通信支持

智能瓦斯預警系統可以結合現有的通信網絡，如TD-LTE或者FDD-LTE等，來實現數據傳遞和交換;也可以使用煤礦已有ZigBee通信網絡來實現數據通信。本系統基于ZigBee通信網絡，采用數據網關的形式與服務器端進行數據通信，智能瓦斯預警系統的客戶端可以直接與數據網關通信，發布操作指令，也可以訪問服務器端加載實時數據，實現數據的分析預警和實時控制。

在瓦斯數據采集模塊，傳感器通過ZigBee無線網絡與ZigBee協調器進行數據交互，協調器再將相關數據上傳到數據網關。服務器端應用程序采用多線程技術，實時訪問數據網關并保存傳感器數據。在智能瓦斯預警客戶端，根據實時數據情況可以直接向數據網關發出控制指令，進而達到控制數據采集和預警的目的。

2 智能瓦斯預警系統客戶端設計

本系統的Android客戶端設計基于Android4.0操作系統來實現瓦斯等數據的監測和處理，并發出預警信息。本客戶端采用典型的模塊化程序設計結構，主要包括:瓦斯數據顯示、礦井監視、數據存儲、智能預警服務等模塊。

2.1 客戶端功能結構劃分

根據系統角色劃分，本系統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設置和監視節點管理，完成預警的處置和數據恢復。系統管理員可以實現通信系統、服務器系統、賬戶管理和數據分析。安全管理員通過該系統完成各節點的數據接收和查看，并根據數據實時狀況完成數據分析。

2.2 系統數據層設計

Android客戶端數據存儲能力有限，因此設計一個簡潔有效的數據庫是十分必要的。瓦斯監測與預警過程中需要進行分析和存儲的數據主要包括實時瓦斯數據、預警數據、系統參數及用戶信息等。基于客戶端和Android系統的特點，本系統選擇Android內置的SQLite數據庫來實現數據存儲業務，系統的數據表設計如表1、表2、表3所示。

表1 工作面基礎數據

表2 工作面瓦斯實時監測數據表

表3 預警及處理數據

在應用程序實現中，全部的數據層業務都通過SQLDBHelper輔助接口完成。該接口提供數據庫打開、關閉，數據表的增刪改查功能。該接口的規范說明如下:

2.3 客戶端通信模塊設計

Android中網絡請求一般使用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絡post和get請求。使用異步方式可以簡化網絡訪問的操作，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測數據。

實現異步與服務器連接的核心偽代碼如下:

為了規范數據訪問，提高系統安全級別，對數據傳遞的報文格式做出規定，如表4所示。

表4 數據傳遞的報文格式

服務器端在接收到數據請求后，會根據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。客戶端對數據進行解析和二次處理，并存儲到SQLite數據庫中。客戶端根據本地數據的編號自動刷新界面顯示組件。

3 結語

基于Android平臺的瓦斯監測與預警系統，通過3G/4G網絡將現有的瓦斯監測數據與智能客戶端進行交換。智能客戶端將接收到的數據進行分析處理，并存儲到SQLite數據庫中。通過對瓦斯數據的預警分析，發出預警信息。Android客戶端具備參數設置、數據顯示和管理等功能。該系統不僅能將瓦斯監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。

［1］劉西青.論國內煤礦瓦斯監測監控系統的現狀與發展［J］.山西焦煤科技，2006(3):38-40.

［2］聶百勝，何學秋，王恩元.煤與瓦斯突出預測技術研究現狀及發展趨勢［J］.中國安全科學學報，2003，1 3(6):40-43.

［3］馬越.Android的架構與應用［D］.北京:中國地質大學計算機學院，2008.

［4］高宇.基于ARM和Android平臺的智能醫療監控系統的研究［D］.太原:太原理工大學，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平臺的橋梁監測終端應用程序設計與開發［D］.西安:西安科技大學通信與信息工程學院，2011.

［7］沈淀.基于zigbee技術和android系統的智能家居系統設計［D］.武漢:武漢理工大學自動化學院，2011.

［8］秦曉晶，李海富.基于Zigbee技術的井下人員定位系統的研究［J］.長春大學學報，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.