基于NFC與GeoML的地礦數據采集系統

黃 挺 劉 剛 張志庭 何珍文

(中國地質大學(武漢)計算機學院 湖北 武漢 430074)(中國地質大學(武漢)智能地學信息處理湖北省重點實驗室 湖北 武漢 430074)

0 引 言

信息產品是現代地質與地礦調查工作的主要成果,關系到國家的經濟發展，不單單是國家經濟建設的重要基礎，而且還是經濟發展的先行者，在國家與社會的發展中有著難以取代的戰略地位和作用。地質與地礦調查工作在近幾十年來的深入挖掘與探究，已經有了一定的成果，但是隨著科技的發展，傳統地質工作急需新的技術尤其是信息技術的輔助與支撐。

野外地質數據采集系統作為地質信息系統中重要的部分，是開展地質研究的基礎，其質量直接影響解釋結果與客觀實際的接近程度[1-7]。野簿記錄是過去地礦工作所采用的主要形式。地礦人員將采集到紙質數據帶回去并對其進行數字化成為電子文件或將其存入數據庫中。通過紙質數據與原圖進行比較檢查，具有記錄內容隨意、格式不規范以及使用不方便等缺點。數字化過程繁瑣也會降低數據采集的質量和準確性,容易存在數據質量問題,難以滿足地學定量化和地礦信息化的要求[7-10]。

人們針對這些問題，提出了利用電子儀器來進行數據采集，但是初期這些設備笨重難用。后又使用PDA掌上電腦，但也存在系統本身易用度不足、擴展性弱、開發困難等問題。隨著移動技術的發展以及智能手機的普及，有一些基于Android的數據采集系統已經有所應用，但是在地礦領域的相關應用較少。目前少有的幾種地礦數據采集系統在野外離線模式下要進行數據的傳輸共享依舊是困難重重，并且地礦數據采集人員將數據傳輸到服務器，當數據重合時往往采用覆蓋這種不合理的方式，缺乏一種有效合理的同步機制來實現數據的匯總。

針對地礦數據采集工作繁瑣、效率低、野外數據傳輸共享不方便、數據匯總不合理等問題，本文研究開發了一個能夠適應地礦采集工作、功能完善、延展性強、適應性強、簡單易用、處理過程有效合理的地礦數據采集系統。本系統在Android平臺上，實現了基于NFC與GeoML的地質工作數據采集、瀏覽、傳輸以及管理。結合北斗定位系統，提高地質數據的位置精確性和安全性，采用移動端進行數據的采集、瀏覽和展示保證了地礦數據采集的高效性，利用NFC與GeoML實現數據的傳輸共享與處理，縮短了數據更新周期，保證了數據傳輸的安全性、高效性以及合理性。

1 關鍵技術

1.1 NFC傳輸

NFC傳輸是一種近距離無線通信，也稱為近場通信，由非接觸式射頻識別(RFID)演變而來，其基礎是RFID及互連技術[11-14]。NFC是一種短距高頻的無線電技術，在13.56 MHz頻率運行于20厘米距離內[11-12,14]。其原理非常簡單，根據主被動關系可以劃分為主動與被動兩種交換數據的模式。被動模式下進行數據傳輸目標設備不必產生射頻場，主動模式下兩者都要產生射頻場來進行數據的交換。

NFC通常采用集成芯片的方式將其整合到設備中，設備之間只要相互接觸便能夠建立連接，現主要應用于移動支付、電子公交、門禁以及某些特定領域的文件、圖像、視頻、同步處理等。

利用NFC技術來實現離線數據傳輸的優勢在于：

(1) 近距離無線通信。傳輸距離在0.2 m范圍以內，一次只允許兩臺設備進行連接傳輸，采用硬件安全模塊加密，有效保證數據傳輸的安全性。

(2) 產品滲透性高。隨著基于NFC的移動支付、電子門禁等應用的普及，目前主流智能手機以及大量的可穿戴設備都支持了NFC功能。

(3) 傳輸建立時間快。建立連接的時間不超過0.1 s，而藍牙建立連接需要5 s左右，這也是為什么NFC能在移動支付、電子公交等領域進行應用，藍牙卻無法適用的重要原因。

1.2 GeoML同步協議

GeoML同步協議采用XML的標準規范設計，并借鑒SyncML協議所采用的標簽定義規范以及設計思路，通過GeoML消息來處理客戶端和服務器端之間的消息交換，其本質上是SyncML協議的一種改進。

SyncML(Synchronization Markup Language)作為一種信息同步標準協議，與所處的平臺沒有關系。簡而言之，就是采用SyncML能夠在任何的程序或者設備上獲取到一致的數據，其本身是一種開放的標準，能夠在兼容的設備、網絡和程序中進行數據的同步處理操作。SyncML的根本目的就是通過這種開放標準實現與發展出一個能夠廣泛在相互兼容的設備、網絡、程序之間進行普通的、單一的數據同步協議。

SyncML同步協議最主要的組成部分如下：

(1) change log：SyncML采用的一種消息跟蹤機制，通過這種機制來處理服務器端與客戶端的數據修改與信息交換問題。

(2) Map operation(操作的映射)：同步操作在服務器端與客戶端的對應的數據庫中每一條數據元素都定義一個唯一的一個標識碼(IDS)，當進行數據操作時，如果IDS是不一樣的，就需要在服務器端留存一個ID對應的映射，以確保客戶端與服務器端之間的數據交換一致性。

(3) Sync anchors(同步錨)：同步初始化時會發送最后一次和下一次同步的錨，通過這種方式，在服務端和客戶端交換各自的同步錨，接受設備必須保存同步錨直到下次同步。

(4) Confict resolution(沖突解決方式)：沖突解決策略是SyncML同步機制的最基本的功能，也是同步機制的根本。在確認客戶端與服務器端之間的數據產生沖突后，服務器端將通過狀態消息碼以及通知功能來告知進行數據同步的客戶端，令其定義沖突解決方案。

(5) Security(安全性)：SyncML定義了服務器層、數據庫層和對象層三種層次來進行用戶驗證機制，使用SyncML協議必須支持MD5驗證。

(6) Device capabilities(設備性能)：同步的客戶端須得在第一次進行數據同步或在設備的靜態信息產生更新之后將設備得相關信息傳遞到服務器端。此后的每次數據同步請求服務器端都要接受和處理設備信息。

2 系統設計

本系統的架構為層次化的架構設計，系統架構圖如圖1所示，可以將其分為4個層次，即接口層、業務邏輯層、數據訪問層和數據庫層。

接口層主要負責提供數據傳輸的接口，它將利用業務邏輯層的功能來選取需要的數據或者要保存的數據，然后通過數據訪問層獲取數據或者插入數據。本系統的兩個重要的接口分別是NFC離線數據傳輸分享接口和地質云的GeoML同步協議傳輸。

業務邏輯層是整個系統的核心，主要用于實現系統業務的各個流程，統籌各個功能模塊并實現相應的業務邏輯[15-17]。業務邏輯層包括數據錄入、GIS地圖的顯示與操作、地質實體投影、北斗定位等。

數據訪問層負責數據的存儲與管理，也可以稱為Dao(Data Acess Object)層。業務邏輯層調用數據訪問層來進行數據操作。本系統基于ORM框架來實現數據的訪問，統一將關系數據庫中的表視作對象，把數據存取操作集中到Dao層，能夠更清晰合理地管理軟件開發過程的代碼和邏輯。

數據庫層包含SQLite數據庫以及文件系統，SQLite數據庫負責管理用戶數據、采集人員錄入和從其他設備傳輸過來的結構化數據，文件系統負責管理視頻、錄音、圖片等非結構化數據。

圖1 采集系統系統架構圖

3 功能模塊設計

該系統采用了模塊化設計，主要包含用戶管理模塊、北斗GIS地圖模塊、數據錄入模塊、數據傳輸模塊、地質云管理模塊。北斗GIS地圖模塊負責客戶端的定位、GIS地圖、實體投影等；數據錄入模塊包括數據的錄入、查看、修改；數據傳輸模塊包含移動端之間的NFC離線數據傳輸共享以及移動端與地質云的GeoML同步協議傳輸；地質云管理模塊即服務器端，負責數據匯聚和管理。如圖2所示。

圖2 系統功能模塊圖

3.1 用戶管理模塊

在地礦數據采集工作中，保證數據的安全至關重要，防止非法用戶查看、修改數據就成為了系統所需要提供的基本安全性保證[15]。用戶管理模塊的主要作用是確保用戶的合法性，用戶在進入地礦數據采集系統之前必須進行身份驗證。

用戶管理模塊中，可以劃分為兩個子模塊，即用戶注冊模塊和登錄模塊，對應了兩個界面，即用戶注冊界面以及登錄界面。用戶注冊需要驗證相關的個人信息以及單位信息，登錄系統需要驗證密碼以及用戶部分信息。

3.2 北斗GIS地圖模塊

北斗GIS地圖模塊利用北斗衛星導航系統進行目標地的定位與位置信息獲取。北斗衛星導航系統是由空間段、地面段和用戶段三部分組成。其可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經具備區域導航、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒[18-22]。

北斗的定位原理：首先，移動設備發送信號到衛星；然后，衛星轉發到總控站進行解算，總控站把結果轉發衛星；最后再回傳客戶端。操作延遲相對高，但是定位精度稍微高一些。在得到了定位信息之后，系統利用GIS地圖對所在位置進行實時顯示。

GIS地圖基于百度地圖開發。百度地圖具有功能全面、服務穩定、性能優異的特點[23]，調用百度地圖服務必須先獲取其Map API Key。本系統采用的百度地圖包含普通模式、跟隨模式、羅盤模式，用戶可以根據需要選擇合適的模式。

3.3 數據錄入模塊

對地礦數據信息進行編入和保存，包含多張與地礦信息相關的數據表。與北斗模塊配合，能實時可視化地進行數據錄入。系統基于Android操作系統自帶的SQLite數據庫，采用對象關系映射(ORM)的模式，利用開源Android數據庫LitePal框架實現數據的持久化存儲。本選題數據錄入主要包含井信息表、井斜軌跡數據表、地層分層表、礦區信息表、礦區范圍表、鉆孔信息表。地礦數據庫表清單如表1所示，以井信息表為例的錄入數據項如表2所示。

表1 地礦數據庫表清單

表2 井信息表結構

3.4 數據傳輸模塊

該系統的數據傳輸模塊包含兩個部分，分別是移動端之間的NFC離線數據傳輸共享以及移動端與地質云的GeoML同步協議傳輸。

NFC近場傳輸能夠近乎完美地契合地礦信息管理系統離線傳輸方式的需求。當Android系統檢測到NFC tag時，它會利用Tag Dispatch機制進行處理。Android接受到NFC tag中所傳來的地礦數據信息Message后，會解讀message中的信息，并且建立不同類型的Intent對象，然后搜索該Intent對應的程序，即本文客戶端的地礦數據采集程序。接下來該程序將會獲取數據并將數據存入數據庫中并更新。

移動端與地質云的在線傳輸主要是將非敏感海量分散的地質數據，通過Internet傳輸給地質數據服務云。基礎協議采用HTTP協議，服務形式為REST(Representational State Transfer)，同步協議采用GeoML協議。具體客戶端將要同步到云端的數據從數據庫中提取出來并將其存放到XML文件上，使用HTTP協議通過Internet將XML傳輸到云端后，服務器將會解析XML中的數據，并利用GeoML同步協議將其依次存放到服務器所對應的數據庫中。

為了提升用戶體驗感，本系統采用了多線程技術來解決主線程與工作線程之間的通信問題。Android多線程包含Handle機制和AsyncTask機制。Handle機制一般用于實現某一個定時任務或者用于線程之間的數據傳輸；AsyncTask機制使用線程池，能夠避免不必要的線程創建和銷毀。本系統通過使用多線程技術能夠在用戶進行數據傳輸時進行實時的反饋，并更新UI。例如可以讓用戶清楚是否連接成功、數據傳輸的百分比、數據傳輸是否成功等。

3.5 地質云管理模塊

在服務器架構體系研發中，采用REST架構體系進行設計。REST即表述性狀態傳遞，是一種軟件架構風格。它是一種針對網絡應用的設計和開發方式，可以降低開發的復雜性，提高系統的可伸縮性。通過url來設計系統的結構是開發系統過程中的一種新的思維方式。根據REST，每個url都代表一個resource，而整個系統就是由這些resource組成的。

基于此架構服務器端能對各移動終端的數據進行匯聚和管理。所采用的同步協議即上文所述的GeoML協議。

4 運行效果

本系統基于Android平臺與服務器端進行了相關的安裝測試。通過大量的測試，該系統界面簡單清晰、操作方便、定位精準、傳輸快速、性能穩定、表現良好，經地礦人員試驗后反響較好。客戶端的主界面與用戶界面如圖3所示，數據錄入與修改界面如圖4所示，數據的匯總與查看如圖5所示，服務器端數據展示界面如圖6所示。

圖3 主界面與用戶界面

圖4 數據錄入與修改界面

圖5 數據匯總與查看界面

圖6 服務器端數據展示界面

5 結 語

本系統針對地礦數據采集工作繁瑣、效率低、野外數據傳輸共享不方便、數據匯總不合理等問題，采用當前實用性較高的NFC傳輸技術與GeoML同步協議設計并實現了地礦數據采集系統，包含用戶管理模塊、北斗GIS地圖模塊、數據錄入模塊、數據傳輸模塊、地質云管理模塊。基于移動互聯網與NFC技術實現了地質地礦數據采集、傳輸、管理；基于北斗系統和GIS地圖實現了友好的交互瀏覽界面；基于GeoML同步協議實現多端地質數據的同步共享。該系統能夠更新傳統的野外數據采集流程，具有界面清晰、操作簡便、定位精準、數據傳輸共享方便、交互性好等特點。本文的設計與研發有效地結合了移動互聯網與地礦勘察信息化，方便了地礦數據采集的獲取與傳輸共享，有助于推動地礦勘察信息化的發展。