基于Android平臺(tái)的城市環(huán)境監(jiān)督反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張 青， 任 宏

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于監(jiān)控直觀、使用方便，以及信息量大等優(yōu)點(diǎn)，在交通、國(guó)防、公共安全等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.然而，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控技術(shù)對(duì)人力、物力乃至財(cái)力的要求都相對(duì)較大，且無(wú)法滿足用戶在臨時(shí)場(chǎng)景以及應(yīng)急場(chǎng)景等情況下的監(jiān)控需求.隨著智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備的迅速普及，以及其在計(jì)算性能、處理性能乃至存儲(chǔ)性能上的優(yōu)異表現(xiàn)，人們對(duì)于移動(dòng)視頻監(jiān)控的需求日益強(qiáng)烈[1-4].其中，谷歌公司2007年推出Android開(kāi)放源碼，隨后該操作系統(tǒng)迅速風(fēng)靡全球[5].近年來(lái)，已經(jīng)有一些研究人員研究并實(shí)現(xiàn)了基于Android平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng).其中，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一款基于Android平臺(tái)的多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng).文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款基于Android平臺(tái)的手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).文獻(xiàn)[8]基于Android的野外分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分中心的實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，介紹了監(jiān)測(cè)區(qū)域和遠(yuǎn)端監(jiān)控中心基本功能與構(gòu)成；分析Android平臺(tái)作為整個(gè)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分中心，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中擔(dān)任的橋梁作用，實(shí)現(xiàn)底層無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙串口通信，并利用自身豐富的網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)，解決了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)透明傳輸.

為了更加有利于環(huán)境保護(hù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于Android平臺(tái)的城市環(huán)境監(jiān)督反饋系統(tǒng).該系統(tǒng)基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)，利用JAVA語(yǔ)言和Android studio開(kāi)發(fā)編輯工具，設(shè)計(jì)完成Android移動(dòng)設(shè)備對(duì)城市環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.本文設(shè)計(jì)了客戶端，當(dāng)用戶登錄客戶端主界面的用戶登錄單元時(shí)填寫(xiě)賬號(hào)和密碼，即可完成登錄直接使用該軟件獲取實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可在一定情況下進(jìn)行反饋.實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能直觀地將城市環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示在Android移動(dòng)客戶端，有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣應(yīng)用前景.

1 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集號(hào)、數(shù)據(jù)處理層和用戶呈現(xiàn)層三個(gè)部分(見(jiàn)圖1).其中，數(shù)據(jù)采集層利用布局在不同區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)，將所收集的環(huán)境參數(shù)經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧發(fā)送到終端的核心處理器.傳感器節(jié)點(diǎn)使用單向數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來(lái)收集數(shù)據(jù)，保證應(yīng)用系統(tǒng)的安全性.在將傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模數(shù)變換之后，數(shù)據(jù)處理層將數(shù)據(jù)信息傳送給存儲(chǔ)模塊，以檢測(cè)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置同時(shí)的安全信息.確認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)設(shè)的正常范圍，并確認(rèn)警報(bào)設(shè)備是否被觸發(fā).用戶呈現(xiàn)層與Android智能終端的圖形接口一起顯示.終端用戶通過(guò)該接口請(qǐng)求數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)出呈現(xiàn)給用戶.

2 服務(wù)器端軟件開(kāi)發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)基于Android平臺(tái)的城市環(huán)境監(jiān)督反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì).首先要在搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境之前，進(jìn)行主要功能需求分析，其中，服務(wù)器(安裝Windows操作系統(tǒng)，CPU主頻在1.8 GHz以上，配置2 GB以上內(nèi)存)運(yùn)行實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取程序以及Web Service.為了及時(shí)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，通過(guò)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)起JSON數(shù)據(jù)請(qǐng)求，采用JSON數(shù)據(jù)交換方式獲取服務(wù)器端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).當(dāng)用戶實(shí)現(xiàn)登錄，服務(wù)器即可發(fā)送實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給用戶，用戶通過(guò)刷新獲取Android移動(dòng)設(shè)備上顯示的實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，Android平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

計(jì)算機(jī)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接，并接收數(shù)據(jù)以用于查詢和分析Web服務(wù)的服務(wù)器.服務(wù)器執(zhí)行數(shù)據(jù)接收程序，收集城市實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中.數(shù)據(jù)接收程序使用VC++開(kāi)發(fā)工具來(lái)開(kāi)發(fā).DAO模式可以將上層的業(yè)務(wù)邏輯與底層數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作分開(kāi)，作為標(biāo)準(zhǔn)J2EE設(shè)計(jì)模式之一，本文使用該模式構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)層.網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序采用JAVA語(yǔ)言，使用DAO設(shè)計(jì)模式.

3 客戶端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

本文構(gòu)建了由“JDK( JAVA development kit) + Android studio +ADT( Android development tools) + Android SDK(software development kit)”組成的通用Dev開(kāi)發(fā)環(huán)境.其中，JDK包括了JAVA工具和JAVA基礎(chǔ)的類(lèi)庫(kù)以及JAVA運(yùn)行環(huán)境.Android SDK是用于開(kāi)發(fā)基于Android操作系統(tǒng)的第三方軟件，是由Google提供的完全開(kāi)放源代碼的安卓專(zhuān)屬軟件開(kāi)發(fā)工具包.Android studio是Android應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境.ADT則是支持安卓工程和工具的通用插件.Android studio開(kāi)發(fā)環(huán)境如圖3所示.

3.2 客戶端軟件開(kāi)發(fā)

在使用該客戶端之前，用戶需要先在登錄單元進(jìn)行賬戶注冊(cè)，設(shè)置賬號(hào)以及密碼.用戶登錄時(shí)填寫(xiě)賬號(hào)和密碼，即可完成登錄.系統(tǒng)采用嵌入式關(guān)系型SQLite 3數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)保存了添加區(qū)域的經(jīng)緯度信息.而添加區(qū)域地理信息是通過(guò)移動(dòng)設(shè)備自帶的GPS裝置得到.程序中使用了高德地圖SDK中的MyLocationListenner( )監(jiān)聽(tīng)函數(shù)獲取頂點(diǎn)處經(jīng)緯度數(shù)據(jù).

用戶通過(guò)在主界面點(diǎn)擊選擇不同區(qū)域，在上方輸入位置數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)添加傳感器，再點(diǎn)擊“確認(rèn)選擇”即顯示該區(qū)域地圖，并顯示傳感器位置標(biāo)識(shí)及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).該系統(tǒng)可隨時(shí)添加新區(qū)域進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)用戶點(diǎn)擊主界面中“區(qū)域添加”按鈕，即可在出現(xiàn)的輸入?yún)^(qū)域添加新的區(qū)域名稱(chēng)及地理數(shù)據(jù)，這樣就完成了新區(qū)域的添加.如果用戶想刪除某個(gè)區(qū)域，只需點(diǎn)擊“刪除區(qū)域”按鈕并選中該區(qū)域，系統(tǒng)就能刪除該區(qū)域的地理數(shù)據(jù).

為了客觀反映實(shí)時(shí)的區(qū)域空氣質(zhì)量，本文使用模糊數(shù)學(xué)方法[9-10]進(jìn)行空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià).當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示出現(xiàn)污染現(xiàn)象，用戶可隨時(shí)發(fā)送指令給監(jiān)管者，通過(guò)監(jiān)管者反映給相關(guān)部門(mén)，達(dá)到及時(shí)處理的目的.模糊數(shù)學(xué)模型的建立分為確定權(quán)重集和確定隸屬度向量?jī)刹剑?/p>

(1) 確定權(quán)重集. 一般情況下各個(gè)因子Ui都要指定一個(gè)相應(yīng)的權(quán)重ai(i=0,1,…,n)，并憑借該權(quán)重來(lái)構(gòu)成權(quán)重向量A.ai=ai′/∑ai′，ai′=Ci/Csi，式中：Csi是因子Ui不同等級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)平均值，Ci是因子Ui實(shí)際測(cè)量的濃度值.模糊權(quán)重集：A={a1,a2,…,ai,…,an}.

(2) 確定隸屬度向量A. 如果空氣質(zhì)量分為m個(gè)等級(jí)，那么R=(1,2,…,m).假定隸屬度函數(shù)是線性函數(shù)，用Xi來(lái)標(biāo)記空氣質(zhì)量中要素的第i種污染物的實(shí)際測(cè)量值，而Xi在環(huán)境空氣質(zhì)量等級(jí)j的隸屬函數(shù)可表示為如下形式：

采用隸屬度函數(shù)進(jìn)行空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，提高了評(píng)價(jià)的科學(xué)性.

4 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證提出系統(tǒng)的有效性，在沈陽(yáng)航空航天大學(xué)周邊街道安裝并運(yùn)行，測(cè)試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖4.驗(yàn)證表明，系統(tǒng)在可靠性和移動(dòng)性等方面效果十分顯著.采用華為榮耀手機(jī)設(shè)備，安裝了Android 7.0版本的系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能兼容所有版本的Android系統(tǒng).測(cè)試中，在運(yùn)行Android系統(tǒng)華為榮耀手機(jī)設(shè)備上安裝本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)APP.在安裝該客戶端軟件之后，便可直觀顯示各傳感器位置、街道地圖及實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等內(nèi)容.

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備的迅速普及，以及其在計(jì)算性能、處理性能乃至存儲(chǔ)性能上的優(yōu)異表現(xiàn)，人們對(duì)于移動(dòng)視頻監(jiān)控的需求日益強(qiáng)烈.本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于Android平臺(tái)的城市環(huán)境監(jiān)督反饋系統(tǒng)，采用“JDK + Android studio + Android SDK + ADT”和SQLite3構(gòu)建了系統(tǒng)的通用開(kāi)發(fā)環(huán)境.該系統(tǒng)利用JAVA語(yǔ)言和Android studio開(kāi)發(fā)編輯工具，設(shè)計(jì)完成Android移動(dòng)設(shè)備對(duì)城市環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.用戶在其移動(dòng)設(shè)備的客戶端登錄時(shí)，填寫(xiě)賬號(hào)和密碼，即可完成登錄，直接使用該軟件獲取實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可在一定情況下進(jìn)行反饋.實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能直觀地將環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示在Android移動(dòng)設(shè)備上.