基于Android平台煤矿安全系统3G手机客户端设计.doc

基于Android平台煤矿安全系统3G手机客户端设计 基于Android 平台煤矿安全系统3G 手机 客户端设计 徐国华，徐慧** 作者简介徐国华，1988-，男，学生，主要研究方向数据库 通信联系人徐慧，女，副教授，硕士生导师，毕业于中国矿业大学（北京），获工学硕士学位，并任计 算机科学与技术系副主任. E-mail 图1 煤矿安全系统结构 Fig.1 The structure of Mine Safety System 45 （1）数据采集器由3G 移动终端和各类传感器组成，通过数据采集器采集系统所需的 各类数据上传Web 服务器。同时3G 移动终端基于自身数据传输速率可以通过C/S 架构实 时通过Web 服务器从数据库中获取大量实时数据，从一定程度上了解矿井情况。 （2）Web 服务器通过与数据库、数据采集器间进行数据交互，将从数据采集器获得的 数据传输给数据库，同时从数据库取得3G 移动终端所需数据与之交互。 50 （3）数据库由关系数据库和实时数据库组成，这样可以满足大量数据的处理和及时存 储数据的要求。 （4）及时准确的从整体和局部上监控井下各类数据指标，并能实现实时指挥的能力。 从而从一定程度上降低了煤矿安全事故发生的概率。 2 Android 平台构架 55 Android 平台由操作系统，中间件，用户界面和应用软件组成[2]。其系统体系结构主要 分为4 层，由上而下依次为应用程序（Application）、应用程序框架（Application Framework）、 核心类库（Libraries and Android Runtime）、Linux 内核（Linux Kernel）[3]。 应用程序（Application）层是Android 系统自带的一系列核心应用程序的集合，其中所 有的应用程序都是采用Java 语言编写的。 60 应用程序框架（Application Framework）层是Android 平台为应用程序的开发设计的， 开发者完全可以访问核心应用程序锁使用的API 框架。该应用程序架构用来简化组建软件 的重用，任何一个应用程序都可以发布它的功能块并且任何其他的应用程序都可以使用其发 布的功能块（不过得遵循框架的安全性限制）。 核心类库（Libraries and Android Runtime）层包括一个被Android 系统中各种不同组件 65 所使用的C/C库集，同时包含了一个提供了Java 编写语言核心库的大多数功能的核心库。 Linux 内核（Linux Kernel）层是系统内核层。Android 核心系统服务依赖于Linux2.6 内 核，Linux 内核同时也作为硬件和软件堆栈之间的硬件抽象层。 Android 的开放式体系结构具有很好的开发和调试环境,同时Android 为开源操作系统， 这给Android 系统后期软件开发提供了更多的机会。结合目前兴起的3G 网络技术和手机自 70 身应用普及等特点，采用Android 智能手机作为煤矿安全系统的客户端已然成为一种可能和 关系数 据库 实时数 据库 Web 服务 器 3G 移动终端 传感器 监控中心 趋势。 3 手机客户端的设计与实现 Android 智能手机在硬件上具有摄像头、CPU 等设备，在系统运行上有更高的数据处理 能力。利用智能手机对数据处理能力，结合煤矿安全系统我们可以实现视频、定位等井下应 75 用，从而进一步提高整个安全系统的运作效率。 3.1 客户端设计 作为煤矿安全系统的移动客户端，3G 智能手机在功能上主要实现系统登录，井下人员 定位，拍照上传，实时视屏等功能,同时为了能满足客户端程序的可移植性提高利用率，在 客户端程序上还设计了系统配置的辅助功能。手机客户端与服务器采用C/S 架构进行设计开 80 发。基于3G 网络的快速传输速率，手机客户端采用Http 方式同Web 服务器通信来进行数 据交互。客户端功能设计如图2 所示 图2 功能设计 Fig.2 The Design of function 85 人员定位功能是通过手机获取到的信号强度同时基于移动的LBS 定位系统，从而获知 手机所处基站的，通过对基站位置的查询和手机中更新的最新矿井地图可以查找出手机目前 所处井下位置。基于这样的人员定位原理，手机通过设定固定的数据请求频率请求井下人员 位置信息，从而达到人员实时定位的功能，为井下人员的逃生和搜救提供了一定的保障。 90 3G 网络的应用解除了手机视屏功能在数据传输速率上的限制，这给手机视频的实现提 供了数据传输的保障。通过对手机的前置/后置摄像头的调用与监控系统的数据监控中心进 行实时视屏，从而实现监控中心对井下实时情况的监控，加强了对监控中心的实时指挥的数 据支持，增强了监控中心对井下情况的把握，提高了实时调度指挥的能力。实时视屏功能的 增加给井下监控增加了移动监控功能，可以提高数据中心对井下监控死角的监控。 95 拍照上传功能通过对手机摄像头的调用，拍摄井下图像存储手机存储器中，同时通过手 机与Web 服务器间的数据传输将拍摄的图像上传服务器。 应急地图功能分为井下有信号和井下无信号两种情况处理。井下有信号时，通过数据监 控中心的实时指挥给予井下人员逃生路线，或者提供最新的应急地图供井下人员逃生参考； 井下无信号时，通过预先设定的几套应急预案给予井下人员进行查询逃生参考。 100 人员系统的登录可以判断出矿井人员的下井记录和人员信息，使得监控中心对井下人员 的调度指挥有一定的数据支持。同时，系统登录时在实现人员下井登记的同时，还根据手机 中矿井地图的版本号和应急方案的版本号井下手机矿井地图和应急方案地图的更新操作，使 系统配置 登录/退出 调试 人员定位 应急地图 实时视屏 拍照上传 得下井人员能及时准确的了解到目前井下情况。 通过对服务器地址和数据源等信息的配置，从一定程序上提高了系统的移植性。 105 对于整个系统，对于手机的人员位置信息进行的获取和保存可以提供给系统的其他模块 进行利用，比如利用定位系统井下井下车辆管理等。对于网络资源的有限性手机实时视频功 能和拍照上传功能分别用于紧急情况和非紧急情况下的井下监控，两者相互互补，即提高了 系统资源的利用率，又增强了监控中心对井下的监控力度。随着手机功能的不断增强，利用 手机可以实现的功能还有很多，资源还待利用，功能还待完善。 110 3.2 客户端实现 从客户端主要功能上看，手机主要需要用到图片操作，摄像头的调用，手机内部数据的 处理和利用。 地图图片的显示利用Android 中View 类来实现。地图的显示基于一个图层管理器上， 每张图片的显示都是由多个图层组成，每个图层都由View 构成[4]。通过建立Canvas 画布来 115 显示矿井地图，人员位置，井下设备等信息；同时利用图片的放大缩小系数实现图片的放大 缩小和地图坐标的改变实现图片移动等图片处理功能。同时利用Android 的多线程处理机制 建立新的线程Thread 来运行人员位置信息的请求，线程中通过建立一个定时器Timer 设定 固定频率的请求信号完成请求操作。 实时视频和拍照上传功能都是通过调用手机自带摄像头来实现多媒体技术。拍照功能同 120 时调用PictureCallback 接口来实现图片拍摄后的预览，同时建立图片数据信息并以字符输出 流BufferedOutputStream 的形式保存在手机存储器中，在选择上传时通过Http 连接传输到 Web 服务器上供整个系统调用。实时视频模式下通过继承SurfaceView 类和调用 SurfaceHolder.Callback、PreviewCallback 接口来实现视屏数据信息的采集[5]。实时视屏时通 过建立DataOutputStream 数据输出流并通过GZIPOutputStream 对视屏数据进行数据处理以 125 完成视屏通信[6]。拍照上传和实时视屏都必须启动一个新的线程Thread 来进行手机终端与 Web 服务器间的通信，这样可以从一定程度上保证程序运行的流程性。 手机终端与Web 服务器间的通信的数据格式采用Xml 格式，手机通过Http 以流的形式 接受从Web 服务器传来的数据流存储，同时通过建立Element 把数据流划分成多条NodeList， 取得每条NodeList 后通过该方法继续对每条NodeList 进行再解析从而获得最终所需数据进 130 行数据分类存储。 手机界面设计和界面间的转换主要通过Activity 类来实现，每个界面采用一个Activity 类进行界面UI 设计，同时通过利用Intent 类中的setClass 方法对页面间的转换进行设置， 并通过startActivity 来实现页面间的转换。 4 系统功能展示 135 软件中井下人员定位功能比较有实用意义，基于井下人员定位功能的实现还能衍生出更 多矿井应用，比如井下车辆管理、救生设备定位等功能。手机中人员定位界面如图3 所示 图3 人员定位界面 Fig4.1 Personnel positioning interface 140 图像中红点表示手机井下人员在进行巷道中的位置，同时通过对手机的操作可以对图片 进行放大缩小功能，使操作人员更清楚的定位到自身所处位置。 5 结论 本文通过对整个煤矿安全系统的介绍，对手机矿井功能进行设计。开发了一套基于C/S 145 模式的煤矿安全系统手机客户端程序。程序通过HTTP 与服务器进行数据交互，并对系统数 据进行分析和展现。通过对系统的设计，一方面推广了Android 智能手机等移动设备的应用 领域；另一方面也增强了煤矿安全系统的监控力度。 经过对客户端程序的测试和在山东某煤矿上的实际应用，证明该手机客户端能够同现有 的煤矿安全监控系统相互兼容互补不足。从一定程度上提高了煤矿安全监控系统的数据获取 150 速率和准确率，提高了整个系统的运行效率。