沙有闯，颜世波

(安徽国防科技职业学院 信息工程系，安徽 六安 237011)

0 引言

0.1 瓦斯预警的现状分析

瓦斯监测和预警技术是目前国内外进行瓦斯治理的重要途径。我国自1985年前后开始引进瓦斯监控系统并在国有大中型煤矿装备。随着国内安全技术的提高，部分科研院所开始自主研发有害气体预警系统，比较典型的有KJ80、KJ92等［1］。随着计算机技术的发展，KJG2000以及MSNM、WEBGIS等系统相继推出并广泛应用［2］。由于技术限制、管理松懈等多种主客观因素，使得现有系统没有充分发挥作用。比较突出的问题包括智能化水平不高、传感器的稳定性和可靠性不高、现场管理和维护水平较低等。

0.2 Android操作系统概述

Android是一种开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司开发。作为一款开放性的开发平台，它具有高度的开放性，能够支持非常丰富的硬件选择，并且非常方便开发［3］。目前，Android已经占领了移动开发领域70%以上的市场，主要集中在手机和平板电脑应用开发领域［4］。结合物联网技术、尤其是传感器技术，Android平台在监测、监控等智能控制领域有着广泛的应用［4-6］。

1 智能瓦斯预警系统架构设计

1.1 智能瓦斯预警系统的架构设计

一个能够具有瓦斯信息采集、数据处理和智能预警功能的智能瓦斯预警系统应该包括以下几个子系统:井下采集终端、数据服务中心、B/S监测模块、Web Service模块和智能预警终端子系统等。具体系统的架构图如图1所示。

在每个矿井监控站部署的数据网关可以接收来自矿井内部的瓦斯、二氧化碳、温湿度、气压、风度等传感器的数据，并且通过WIFI或者其他通信网络将传感器数据传送到服务器端。服务器端将数据存储在后台数据库中，Web服务器端开发的Web Service将数据以指定格式发送到智能设备客户端。智能设备客户端对数据进行处理并以图形化界面展示给用户。智能设备客户端根据算法自动分析并处理瓦斯数据并发出预警信息。

1.2 智能瓦斯预警系统的硬件支持

智能瓦斯预警系统的终端产品应该满足数据处理、图形显示、WIFI通信等多方面的应用需求。因此，本系统需要智能数据网管、ZigBee通信、嵌入式开发平台等硬件支持。

图1 智能瓦斯预警系统的架构设计

图2 智能瓦斯监测预警系统功能模块图

本系统原型开发拟采用ARM Coretex-A9开发平台实施。该平台选用三星公司推出的Exynos4412四核处理器，主频达到1.4～1.6GHz。此外，该平台还内建32/32KB数据/指令一级缓存，1MB的二级缓存;GPU采用的是Mali 400MP四核心图形处理器，支持2D/3D图形加速。该芯片采用了最新的32nm HKMG的先进工艺制成，功耗很低。

在上述平台的基础上，本方案还需要在无线 WIFI模块、Bluetooth、GPS、Camera、3G等方面进行功能拓展，为网络访问和数据通信提供支持。

1.3 智能瓦斯预警系统的网络与通信支持

智能瓦斯预警系统可以结合现有的通信网络，如TD-LTE或者FDD-LTE等，来实现数据传递和交换;也可以使用煤矿已有ZigBee通信网络来实现数据通信。本系统基于ZigBee通信网络，采用数据网关的形式与服务器端进行数据通信，智能瓦斯预警系统的客户端可以直接与数据网关通信，发布操作指令，也可以访问服务器端加载实时数据，实现数据的分析预警和实时控制。

在瓦斯数据采集模块，传感器通过ZigBee无线网络与ZigBee协调器进行数据交互，协调器再将相关数据上传到数据网关。服务器端应用程序采用多线程技术，实时访问数据网关并保存传感器数据。在智能瓦斯预警客户端，根据实时数据情况可以直接向数据网关发出控制指令，进而达到控制数据采集和预警的目的。

2 智能瓦斯预警系统客户端设计

本系统的Android客户端设计基于Android4.0操作系统来实现瓦斯等数据的监测和处理，并发出预警信息。本客户端采用典型的模块化程序设计结构，主要包括:瓦斯数据显示、矿井监视、数据存储、智能预警服务等模块。

2.1 客户端功能结构划分

根据系统角色划分，本系统的主要功能模块图如图2所示。矿井管理人员可以完成矿井参数设置和监视节点管理，完成预警的处置和数据恢复。系统管理员可以实现通信系统、服务器系统、账户管理和数据分析。安全管理员通过该系统完成各节点的数据接收和查看，并根据数据实时状况完成数据分析。

2.2 系统数据层设计

Android客户端数据存储能力有限，因此设计一个简洁有效的数据库是十分必要的。瓦斯监测与预警过程中需要进行分析和存储的数据主要包括实时瓦斯数据、预警数据、系统参数及用户信息等。基于客户端和Android系统的特点，本系统选择Android内置的SQLite数据库来实现数据存储业务，系统的数据表设计如表1、表2、表3所示。

表1 工作面基础数据

表2 工作面瓦斯实时监测数据表

表3 预警及处理数据

在应用程序实现中，全部的数据层业务都通过SQLDBHelper辅助接口完成。该接口提供数据库打开、关闭，数据表的增删改查功能。该接口的规范说明如下:

2.3 客户端通信模块设计

Android中网络请求一般使用HTTP Client或者HttpURLConnect，但是直接使用这两个类需要写大量的代码才能完成网络post和get请求。使用异步方式可以简化网络访问的操作，因为它是基于HttpClient，所有的请求都是独立在UI主线程之外。因此在本项目的客户端采用了异步的方式与服务器端进行通信，按照指定频率定时从服务器端获取实时监测数据。

实现异步与服务器连接的核心伪代码如下:

为了规范数据访问，提高系统安全级别，对数据传递的报文格式做出规定，如表4所示。

表4 数据传递的报文格式

服务器端在接收到数据请求后，会根据请求的类型返回不同类型的交换文本。交换文本以XML和JSON两种格式为主。客户端对数据进行解析和二次处理，并存储到SQLite数据库中。客户端根据本地数据的编号自动刷新界面显示组件。

3 结语

基于Android平台的瓦斯监测与预警系统，通过3G/4G网络将现有的瓦斯监测数据与智能客户端进行交换。智能客户端将接收到的数据进行分析处理，并存储到SQLite数据库中。通过对瓦斯数据的预警分析，发出预警信息。Android客户端具备参数设置、数据显示和管理等功能。该系统不仅能将瓦斯监测与智能手持设备结合起来，还可以提高预警的实时性和有效性，具有良好的应用前景。

［1］刘西青.论国内煤矿瓦斯监测监控系统的现状与发展［J］.山西焦煤科技，2006(3):38-40.

［2］聂百胜，何学秋，王恩元.煤与瓦斯突出预测技术研究现状及发展趋势［J］.中国安全科学学报，2003，1 3(6):40-43.

［3］马越.Android的架构与应用［D］.北京:中国地质大学计算机学院，2008.

［4］高宇.基于ARM和Android平台的智能医疗监控系统的研究［D］.太原:太原理工大学，2012.

［5］John J.Sammarco，Robert Paddock，Edward F.Fries et al.A Technology Review of Smart Sensors With Wireless Networks for Applications in Hazardous Work Environments［R］.INFORMATION CIRCULAR/2007.

［6］刘俊贤.基于Android平台的桥梁监测终端应用程序设计与开发［D］.西安:西安科技大学通信与信息工程学院，2011.

［7］沈淀.基于zigbee技术和android系统的智能家居系统设计［D］.武汉:武汉理工大学自动化学院，2011.

［8］秦晓晶，李海富.基于Zigbee技术的井下人员定位系统的研究［J］.长春大学学报，2012(3):153-156.

［9］Young J.Chun，Patrick E.Patterson.A usability gap between older adults and younger adults on interface design of an Internet-based telemedicine system［J］.Work，2012，41(n.):349-352.