基于Android 平臺(tái)的實(shí)時(shí)地鐵變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

徐 慶

（常德市廣播電視臺(tái) 湖南 常德 415000）

0 引言

地鐵交通運(yùn)載力較大，行駛速度較快，成為人們出行首要選擇的交通工具[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)修建了地鐵交通軌道，并為其配備了行駛輔助工具。由于地鐵行駛軌道主要分布在市中心，對(duì)此類交通工具的安全行駛提出了較高要求[2]。地鐵變形作為地鐵交通安全事故產(chǎn)生的主要因素，對(duì)其展開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。通過采集地鐵變形數(shù)據(jù)信息，從而準(zhǔn)確判斷當(dāng)前地鐵行駛安全性，為安全行駛指揮管理提供可靠參考依據(jù)[3]。目前，開發(fā)的大部分地鐵變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依賴有線傳輸，并且以監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)作為信息接收終端[4]。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)成本較高，信息傳輸線路布設(shè)難度較大，限定了監(jiān)管指揮工作空間。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)方案存在的不足，本文借助Android 平臺(tái)，嘗試提出一種新的實(shí)時(shí)地鐵變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案。

1 實(shí)時(shí)地鐵變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)需求分析

地鐵變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)，除了對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性有所要求以外，還對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性有所要求，只有數(shù)據(jù)滿足實(shí)時(shí)性要求，才能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)地鐵變形問題，為地鐵交通工具行駛指揮提供有利數(shù)據(jù)支撐[5]。目前，很多監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸期間受因素影響，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度下降，并且監(jiān)測(cè)指標(biāo)比較單一。例如，監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位應(yīng)力、接觸壓力等，缺少多指標(biāo)的全面監(jiān)測(cè)[6]。所以，在接下來的研究中，需要選擇多個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，為其配備相應(yīng)傳感器，在處理器的控制下完成數(shù)據(jù)采集。

另外，整理大量文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，大部分地鐵變形數(shù)據(jù)接收終端為監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)時(shí)效性較差。為了彌補(bǔ)這個(gè)不足，在接下來的研究中，應(yīng)該將研究要點(diǎn)轉(zhuǎn)移到移動(dòng)終端接收數(shù)據(jù)方面。手機(jī)作為一種通信工具，其應(yīng)用已經(jīng)得到了普及，可以考慮將手機(jī)作為移動(dòng)終端，在Android 平臺(tái)上開發(fā)系統(tǒng)操作軟件程序，從而實(shí)現(xiàn)地鐵變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向用戶手機(jī)直接發(fā)送功能，以此提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)接收和讀取空間限定問題。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)開發(fā)需求，本系統(tǒng)在地鐵監(jiān)測(cè)設(shè)備配置、數(shù)據(jù)傳輸及接收模式兩個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)，提出新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案利用關(guān)鍵部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器、線形監(jiān)測(cè)傳感器、接觸壓力監(jiān)測(cè)傳感器、接觸位移監(jiān)測(cè)傳感器，分別采集地鐵關(guān)鍵部位應(yīng)力數(shù)據(jù)、線形數(shù)據(jù)、接觸壓力數(shù)據(jù)、接觸位移數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)作為地鐵行駛作業(yè)安全性判斷依據(jù)，通過無線模塊傳輸至用戶手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，為地鐵行駛指揮提出可靠方案。圖1 為系統(tǒng)總體架構(gòu)。

該系統(tǒng)架構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，分別是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端（信息采集終端）、遠(yuǎn)程服務(wù)中心。其中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端由太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、關(guān)鍵部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器、線形監(jiān)測(cè)傳感器、接觸壓力監(jiān)測(cè)傳感器、接觸位移監(jiān)測(cè)傳感器、核心處理器、GPRS DTU 模塊組成。該終端由太陽(yáng)能供電系統(tǒng)供電，在核心處理器的作用下，對(duì)多種傳感器下達(dá)信息采集命令，從而獲取地鐵監(jiān)測(cè)信息，通過GPRS DTU 模塊傳輸數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程服務(wù)中心由用戶手機(jī)、遠(yuǎn)程服務(wù)器兩部分組成，在Android 平臺(tái)環(huán)境，啟動(dòng)遠(yuǎn)程服務(wù)器，為用戶手機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端無線模塊建立通信渠道，服務(wù)器將接收到的信號(hào)發(fā)送至用戶手機(jī)上。該數(shù)據(jù)傳輸模式不受空間限定，并且數(shù)據(jù)時(shí)效性很高。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)信息采集終端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)信息采集終端選取STM32 系列單片機(jī)作為核心處理器，用來驅(qū)動(dòng)采集終端各個(gè)設(shè)備，包括關(guān)鍵部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器、線形監(jiān)測(cè)傳感器、接觸壓力監(jiān)測(cè)傳感器、接觸位移監(jiān)測(cè)傳感器、GPRS DTU 模塊。根據(jù)地鐵監(jiān)測(cè)需求，合理設(shè)置傳感器作業(yè)參數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔，從而滿足地鐵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集需求。

該架構(gòu)中運(yùn)用多種傳感器監(jiān)測(cè)地鐵狀態(tài)，根據(jù)傳感器使用規(guī)格，合理選取設(shè)備安裝位置，同時(shí)以監(jiān)測(cè)需求作為依據(jù)，在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)合理布設(shè)傳感器信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)，以此滿足監(jiān)測(cè)覆蓋需求。考慮到設(shè)備長(zhǎng)期在室外作業(yè)，采用有線電源供電存在難度，并且成本較高。所以，本系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電模塊，為系統(tǒng)及其設(shè)備提供電能。除了GPRS DTU 模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)中心的通信連接以外，信息采集終端其他設(shè)備之間的通信連接，均采用RS485 通信模塊創(chuàng)建通信橋梁。

3.2 終端程序設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)選擇Android 平臺(tái)作為軟件開發(fā)環(huán)境，在BLE應(yīng)用程序中編寫系統(tǒng)作業(yè)程序代碼，使得系統(tǒng)按照地鐵監(jiān)測(cè)控制需求展開作業(yè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程服務(wù)中心作業(yè)達(dá)到協(xié)同作業(yè)目標(biāo)。Android 平臺(tái)操作系統(tǒng)中，按照功能不同，將系統(tǒng)劃分為4 個(gè)層次，分別是應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序框架層、函數(shù)庫(kù)、Linux 內(nèi)核層，根據(jù)Android 平臺(tái)開發(fā)需求，為其配備系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，并將編譯程序和APK文件植入到Android 系統(tǒng)中，用來控制遠(yuǎn)程服務(wù)器，從而下達(dá)現(xiàn)場(chǎng)信息采集終端和監(jiān)控中心操作命令。

3.2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件架構(gòu)的開發(fā)，以BLE 應(yīng)用程序作為開發(fā)工具，按照系統(tǒng)操作功能不同，將其劃分為多個(gè)層次，分別在不同層次當(dāng)中構(gòu)建功能模塊，形成低耦合高內(nèi)聚的架構(gòu)體系。目前，應(yīng)用比較多的軟件架構(gòu)為MVC（model view controller），按照業(yè)務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，采用數(shù)據(jù)分離方法，組織系統(tǒng)運(yùn)行程序代碼，通過操作界面顯示系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。與其他架構(gòu)相比，這種架構(gòu)不僅擴(kuò)展性較好，而且耦合性比較低。所以，本系統(tǒng)選擇MVC 模式作為系統(tǒng)軟件架構(gòu)開發(fā)工具，設(shè)計(jì)如圖2 所示的系統(tǒng)信息軟件框架結(jié)構(gòu)。

3.2.3 機(jī)器人與智能終端的通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中關(guān)鍵部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器、線形監(jiān)測(cè)傳感器、接觸壓力監(jiān)測(cè)傳感器、接觸位移監(jiān)測(cè)傳感器均由機(jī)器人控制，而機(jī)器人的核心處理器為STM32 系列單片機(jī)，在機(jī)器人的控制下，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)采集操控。該裝置與Androidd 智能終端的通信，以GPRS DTU 模塊作為主要通信渠道，以藍(lán)牙4.0 作為輔助通信渠道，以便用戶通過手機(jī)進(jìn)行操控。如果智能終端與現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)器人距離比較小，則開啟藍(lán)牙4.0 通信模式，如果兩者之間的距離比較大，超出了藍(lán)牙通信覆蓋范圍，則借助移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[7]。

其中，藍(lán)牙設(shè)備運(yùn)用下的通信設(shè)計(jì)，以Adapter.startLeScan()函數(shù)作為通信連接工具，通過調(diào)用該函數(shù)，與BLE 設(shè)備建立通信連接。接下來，運(yùn)用getServices()函數(shù)和getCharacteristic()函數(shù)，完成各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。而GPRS DTU 模塊的通信連接，則是借助GSM（Glabal System for Mobile Communications）基站、SGSN（Serving GPRS support nod）服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)、GGSN（Gateway GPRS support node）網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)體系，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3.2.4 服務(wù)器與智能終端的通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中Android 智能終端與服務(wù)器之間的通信連接，通過5G網(wǎng)絡(luò)或者Wi-Fi建立通信連接，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境下，設(shè)置此通信模式即可。該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采用的通信協(xié)議為TCP 協(xié)議?？紤]到該協(xié)議通信條件下容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸堵塞問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案利用ConcurrentHashMap 管理數(shù)據(jù)，形成雙重循環(huán)隊(duì)列，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

3.2.5 地鐵變形數(shù)據(jù)解析

第1 步：從數(shù)據(jù)傳輸管道流中提取數(shù)據(jù)。

第2 步：設(shè)置數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度，按照此標(biāo)準(zhǔn)，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否小于標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度中最短數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度，如果小于最短長(zhǎng)度，則執(zhí)行第3 步，反之，返回第1 步。

第3 步：判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)的消息類型是否已經(jīng)被定義，如果已經(jīng)定義，執(zhí)行第4 步，反之，丟棄一個(gè)字節(jié)，返回第2 步。

第4 步：根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)類型獲取消息長(zhǎng)度。

第5 步：判斷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否超出或者等于消息長(zhǎng)度，如果滿足條件，則執(zhí)行第6 步，反之，返回第1 步。

第6 步：根據(jù)消息，對(duì)ID 號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，并計(jì)算校驗(yàn)和。

第7 步：判斷ID 號(hào)、校驗(yàn)和是否正確，如果正確，則執(zhí)行第8 步，反之，丟棄一個(gè)字節(jié)，返回第2 步。第8 步：解析生成一包數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)加以存儲(chǔ)。第9 步：判斷是否還存在數(shù)據(jù)待解析，如果不存在，則結(jié)束解析線程，反之，返回第1 步。

按照上述方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)加以解析，得到地鐵變形判斷數(shù)據(jù)，綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)數(shù)值是否超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，如果未超出此范圍，則判斷地鐵當(dāng)前不存在變形問題。如果在危險(xiǎn)范圍內(nèi)，則需要立即采取安全預(yù)防和修理措施，從而為地鐵安全作業(yè)提供一定保障。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

4.1 測(cè)試內(nèi)容

（1）地鐵變形數(shù)據(jù)采樣準(zhǔn)確性測(cè)試。為了提高測(cè)試結(jié)果可靠性，本次測(cè)試隨機(jī)抽取6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)這6 個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算數(shù)據(jù)精度。如果監(jiān)測(cè)精度在98.5%以上，則認(rèn)為該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，可以作為地鐵變形監(jiān)測(cè)判斷依據(jù)。

（2）對(duì)地鐵變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性測(cè)試。同樣設(shè)置6 個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試。本次測(cè)試以延遲時(shí)間作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，如果延遲時(shí)間低于0.3 s，則認(rèn)為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率較高，滿足實(shí)時(shí)性要求。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

按照系統(tǒng)架構(gòu)搭建系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，分別測(cè)量6 個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部位應(yīng)力、線形、接觸壓力、接觸位移數(shù)據(jù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 地鐵變形數(shù)據(jù)采樣準(zhǔn)確性測(cè)試

兩組測(cè)試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)所有傳感器采集數(shù)據(jù)精度在99.2%以上，部分節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到了100%，達(dá)到了數(shù)據(jù)精度標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 地鐵變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性測(cè)試

兩組測(cè)試結(jié)果顯示，僅有節(jié)點(diǎn)1 線形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸延遲達(dá)到0.2 s，其他節(jié)點(diǎn)各類型數(shù)據(jù)傳輸延遲均控制在0.1 s之內(nèi)，在數(shù)據(jù)傳輸延遲允許范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞地鐵變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)展開探究，選取Android 平臺(tái)作為系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，利用STM32 系列單片機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)信息采集終端控制器，對(duì)傳感器作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行控制，從而獲取地鐵變形數(shù)據(jù)信息，通過無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，利用手機(jī)接收數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)支持無線數(shù)據(jù)傳輸，操作便捷，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度在99.2%以上，數(shù)據(jù)傳輸延遲在0.2 s 以內(nèi)，符合系統(tǒng)開發(fā)需求。