摘  要： 利用井下Wi-Fi網絡，應用P2P連接、UDP通信及XML解析等技術設計了一個基于Android的井下智能終端系統。該系統終端可以自動接入煤礦井下現有的802.11N等網絡，實現與礦山已經建立的感知網絡和現存的礦山6大系統進行實時數據交換以及人員的可視化通信。智能系統包括數據層、服務層和客戶層。依靠井下物聯網服務層獲取井下傳感設備返回的數據，借助于Wi-Fi網絡通信實現服務層和客戶層的互動，客戶層的客戶端可以實現可視化操作，可以隨時了解井下環境現狀和生產狀況，更高效地幫助煤礦預防生產事故，提高生產安全系數。

　　關鍵詞： Android；煤礦安全；智能系統；Wi-Fi

　　中國是世界上僅次于美國的第二大能源消費國，其中煤炭在能源結構中占有不可替代的地位。2013年，中國的煤炭產量達到37億噸，超過世界煤炭產量的50%。長期以來中國煤炭百萬噸死亡率一直高于美國、南非和印度等主要產煤國[1-2]。其中信息化程度低是造成事故率的主要原因之一[3]。近年來，隨著信息化、數字化的迅猛發展，尤其是煤礦安全監控系統信息化在煤炭產業中的廣泛應用[4-7]，煤礦事故率將隨之下降。

　　煤礦安全監控系統是煤礦井下安全避險“六大系統”之一，井下安監巡查是杜絕安全隱患的重要工作之一，然而在實際工作中存在很多困難。例如：安監人員對周邊情況了解不全面，無法得知井下實時環境狀況，不能與地面進行實時交流等。井下信息化建設就可以很好地解決這些問題，可以定時定期對煤礦安全生產狀況進行巡查，對降低生產事故發生率，保障煤礦生產具有極其重要的意義。

　　1999年，MIT  Auto  ID Center最早提出了“物聯網”的概念。發展物聯網技術已經被包括美國在內的多個國家納入國家重大信息發展戰略[7]。隨著通信技術的發展，Wi-Fi技術已趨成熟，其最大優點是速度快，可靠性高，方便與有線以太網整合，組網成本低。由于Wi-Fi協議本身限制其設備功率，使得無線設備可以設計成符合煤礦安全要求的本質安全型設備，Wi-Fi技術的應用改變了井下無線通信長久以來一直徘徊在窄頻范圍的現狀，使得井下通信更加方便快捷[9]。

　　本文所述的基于Android的井下智能系統包括數據層，服務層和客戶層。依靠井下物聯網服務層得到井下傳感設備返回的數據，依靠Wi-Fi網絡通信實現服務層和客戶層的互動。客戶層則是Android平板客戶端實現人員可視化操作。本系統主要包括人員登錄、信息、可視電話、通信錄、即拍即傳、視頻監測、產量日報、井下環境和設置等9個模塊。

　　1 Android井下智能系統結構

　　基于Android的井下智能系統從結構上分為數據層，服務層和客戶層3層。整體結構如圖1所示。

　　1.1 數據層

　　數據層的主要功能是為服務層和客戶層提供數據。數據層的數據主要來源于傳感器、攝像頭和硬盤。數據內容包括煤礦日產報表、井下環境數據和視頻監控畫面。井下環境數據和視頻監控畫面分為實時數據和歷史數據。

　　1.2 服務層

　　服務層主要用來處理來自客戶層的請求，是整個系統的大腦中樞環節，當服務層接收到來自客戶層的請求后，調取數據層的相關數據，并將相關數據反饋給客戶層。

　　1.3 客戶層

　　客戶層是整個系統的主要組成部分，是人與系統實現信息交互的直接環節。客戶層主要包括客戶端，通過客戶端，操作人員可以向系統發出各種請求，系統給予的反饋信息也會通過客戶端直觀地呈現給操作人員。

　　2 系統客戶端設計

　　2.1 客戶端結構

　　智能客戶端的整體結構如圖2所示。整個客戶端分為UI界面，控制層，XML和UDP 4層。

　　（1）UI界面。UI界面是整個系統與操作人員最直接的交互層，它主要是使得操作人員可以方便地向系統發出指令，系統最后通過UI界面直觀地將信息反饋給操作人員。

　　（2）控制層。控制層在整個系統中就像人體的神經系統，它是將系統的UI和XML連接起來，起到中間橋梁的作用。

　　（3）XML層。XML層起著解析和封裝XML的作用。一方面它將從控制層得到的數據封裝成XML數據送到UDP層；另一方面它從UDP層獲得XML數據并解析，并將它反饋給控制層。

　　（4）UDP層。UDP層是客戶層和服務層的橋梁，它是客戶層和服務層之間雙向傳輸數據的通道。

　　2.2 系統客戶端模塊及功能

　　（1）登錄模塊：實現操作人員的認證。操作人員在這個模塊輸入用戶名和登錄密碼，客戶端將輸入的信息和服務層的信息進行比對，如果一致則操作人員成功登錄系統，并提示登錄成功，否則提示用戶名或密碼錯誤。這個模塊還可以輸入要連接的服務器IP，實現登錄設置。

　　（2）信息模塊：實現在線人員之間的文字通信。操作人員可以編輯文字信息并相互傳送。

　　（3）安監員通信錄：實現在線人員信息列表。操作人員可以看到所有實時在線的人員的姓名、所在的IP、在崗時長及所處位置信息。

　　（4）可視電話：實現在線人員之間的視頻通話。移動客戶端之間的視頻對話，移動客戶端與地面PC之間的視頻對話。視頻對話通過調用客戶端自帶前置/后置攝像頭實現畫面的捕捉，通過調用客戶端自帶麥克實現語音捕捉。提高了實時調度指揮的能力，提高數據中心對井下監控死角的監控。

　　（5）即拍即傳：實現拍照涂鴉上傳功能。客戶端調用自帶前置/后置攝像頭對現場情況進行拍照，并存儲在本地Media Store中。調用涂鴉功能前，先選擇畫筆屬性，包括顏色和粗細，系統記錄所選屬性，然后選擇照片，從系統相冊中選取圖片并展示所選照片，操作人員可以在展示照片上進行涂鴉標注，最后保存圖片至系統相冊。點擊圖片上傳選擇圖片，通過UDP協議，上傳至服務器。方便監察執法工作。

　　（6）視頻監測：實現對視頻監控圖像的調取。視頻監控圖像包括實時圖像和歷史記錄圖像兩類。客戶端向服務器發起調取圖像的請求，服務器調取相應圖像，反饋給客戶端展示。

　　（7）產量日報：實現每日產量日報的顯示。在煤礦生產中，每天都會對產量進行統計匯報，產量日報也是煤礦安全生產的重要指標。在這個模塊中，用戶可以選擇要查詢的日期，客戶端會將請求發送給服務層，服務層把相應的數據反饋給客戶端顯示。

　　（8）井下環境：實現對井下環境參數的顯示。由于煤礦井下環境復雜，如水文、瓦斯、頂板等在井下已有系統規范的傳感器系統，數據層將傳感器傳回數據進行處理，客戶端選擇要查看的日期和相應傳感器，并發送給服務層，服務層調取相應數據反饋給客戶端。

　　（9）設置：實現對網絡連接模式、視頻模式、音頻回應消除（AEC）和視頻質量等參數進行相關設置。

　　2.3 客戶端功能的實現

　　（1）UDP協議

　　實現IP網絡數據傳輸的方法主要有TCP傳輸控制協議、SCTP簡單流傳輸協議及UDP用戶數據報表協議，這些協議各有特點。TCP和SCTP協議都是面向連接的，保證了數據的可靠傳輸，但是處理復雜，效率不高，占用資源較多，無法支持海量并發連接。UDP協議采用面向非連接的傳輸策略，速度快、效率高，可支持海量并發連接[10]。本系統采用UDP協議傳輸數據，在Android系統下建立基于UDP的傳輸連接。

　　（2）P2P技術

　　P2P技術通過系統間的直接交換達成計算機資源與信息的共享[11]。P2P網絡有很好的自組性和開放性。它充分利用分布在終端電腦上的邊緣性網絡資源，包括計算資源、帶寬資源、內容資源等，該技術的核心在于防火墻的穿越。使用P2P通信技術，可以大大地減輕系統服務器的負荷，并成幾何倍數的擴大系統的容量，且并不會因為在線用戶數太多而導致服務器的網絡阻塞。本系統的核心服務器可以協助P2P穿透，當P2P不通時，核心服務可以完成流媒體數據的轉發工作。服務器轉發模式和P2P轉發模式對比如圖3所示。

　　（3）UI設計

　　UI即User Interface（用戶界面）的簡稱。Android應用中，用戶界面是由view和ViewGroup對象構建的。在Android中最常用來展現視圖層次的方法是XML布局文件。XML文件布局分為線性布局（LinearLayout）、相對布局（RelativeLayout）、絕對布局（AbsoluteLayout）、標簽布局（TabLayout）和層布局（FrameLayout）等。Android還提供了一套完整的控件，包括按鈕、復選框和文本輸入框等。

　　（4）XML解析

　　XML經常用作Internet上的一種通用的數據交換格式，它的平臺無關性、語言無關性和系統無關性給數據集成于交互帶來了極大的方便。Android解析XML主要有DOM（Document Object Model）、SAX（Simple API for XML）和XML pull 3種技術。DOM在處理XML文件時，將XML文件解析成樹狀結構并放入內存中進行處理。當XML文件較小時，可以選DOM，因為它簡單、直觀。SAX則是以事件作為解析XML文件模式，它不需要將所有的XML文件加載到內存中，這對于有限的Android內存更有效。本系統使用SAX解析。SAX的工作原理簡單地說就是對文檔進行順序掃描，當掃描到文檔（document）開始與結束、元素（element）開始與結束、文檔（document）結束等地方時通知事件處理函數，由事件處理函數作相應動作，然后繼續同樣的掃描，直至文檔結束。其具體實現方式如下。

　　①創建SAXParserFactory對象。

　　②根據SAXParserFactory.new SAX Parser（）方法返回一個SAXParser解析器。

　　③根據SAXParser解析器獲取事件源對象XMLReader。

　　④實例化一個自定義的DefaultHandler對象。

　　⑤連接事件源對象XMLReader到事件處理類DefaultHandler中。

　　⑥調用XMLReader的parse方法對輸入源中獲取到的XML數據進行解析。

　　3 實驗性能檢測

　　3.1 UDP連接檢測

　　UDP連接檢測測試主要證明了客戶端與服務器之間建立UDP通信連接，UDP通信連接建立包括連接的建立，數據的上傳和數據的下載3部分。為了測試這部分功能，應用Wireshark網絡封包分析軟件。通過客戶端向服務器發送一張圖片，同時利用Wireshark軟件抓包。

　　通過Wireshark可以看出，客戶端與服務器之間很好地建立了UDP通信連接，數據包發送接收正常，沒有出現丟包現象。

　　3.2 客戶端功能測試

　　客戶端主要測試音視頻通話、圖片涂鴉和環境變量監測等功能。進入視頻通話功能，在登錄到房間以后，客戶端相互呼叫點擊對方名字進入聊天室，平板電腦的屏幕將分左右兩部分，分別顯示本地攝像頭實時捕捉畫面和對方攝像頭實時捕捉畫面，同時啟動音頻設備，實現視頻通話。進入圖片涂鴉功能，點擊畫筆功能鍵，選擇畫筆的顏色和粗細屬性，點擊選擇圖片功能鍵，頁面跳轉到本地相冊，點擊選擇圖片，圖片會展示在屏幕展示，這時可以在展示圖片上進行涂鴉，涂鴉結束后點擊保存圖片功能鍵，涂鴉好的圖片會被保存在本地。進入產量日報功能，選擇要查看產量的時間，點擊確定，對應的產量報表將顯示，如圖4所示。通過客戶端的功能測試，該系統能較好地實現井下可視化通信及海量數據的傳輸。

　　本系統是以Android平臺為基礎，應用P2P連接、UDP通信及XML解析等技術設計而成。終端自動接入煤礦井下現有的802.11N等網絡，實現與礦山已經建立的感知網絡和現存的礦山6大系統進行實時數據交換，使安監員不需要地面監控中心通知的情況下，全面了解礦山的整體安全情況，避免在發生生產事故的時候產生人員信息孤島，讓礦山工作人員時刻動態地了解礦山安全生產過程，不僅保障了人員的安全，也能更加高效、安全地開采煤炭資源，保證礦山生產環境的安全與穩定。該終端以礦井感知層網絡為通信平臺，便于地面地下隨時了解井下生產作業、礦山整體安全情況。讓井下安全管理、調度人員通過該技術結合GIS直觀、快捷地了解狀況，進行決策指揮，有效提高礦井的應急處置和快速反應能力，為礦井的安全生產提供了技術保障。

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