基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山移動信息化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山移動信息化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山移動信息化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)楊姍姍*510152025303540（北京郵電大學(xué)計算機學(xué)院，北京 100876）摘要：近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅速地發(fā)展。煤礦作為一個高危行業(yè)，其安全工作歷來成為全社會關(guān)注的話題。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠針對煤礦產(chǎn)業(yè)的安全問題提供一個全新有效的解決方案。本文提出了一個融合物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的礦山移動信息話系統(tǒng)，并基于 android 平臺開發(fā)了其手機客戶端。用戶通過使用該系統(tǒng)，能夠隨時隨地獲得全面及時的煤礦安全信息和生產(chǎn)信息，及時作出對應(yīng)和決策。有了本系統(tǒng)的支持，煤礦產(chǎn)業(yè)將能有

2、效地預(yù)防安全事故，保證煤礦工人的生命財產(chǎn)安全。關(guān)鍵詞：計算機軟件；物聯(lián)網(wǎng)；移動互聯(lián)網(wǎng)；煤礦安全；android中圖分類號：tp302.1the design and implementation of coal mine informationsystem based on internet of thingsyang shanshan computer school, beijing university of posts and telecommunications, beijing 100876 abstract: coal-mining as one of the high-risk

3、industries, its safety has always been a focusconcerned by the whole society. using internet of things and mobile internet, which havedeveloped rapidly recently, we find a new effective solution to improve the safety of coal-mining.in this paper, we integrate these two technologies to design and imp

4、lement a coal mineinformation system. moreover, we develop the android client applications, with which users canget the real time information anytime and anywhere and then make timely decisions.with the helpof this system, coal-mining industry will be able to prevent accidents effectively and ensure

5、 theworkers life and property safety.keywords: computer software; internet of things; mobile internet; coal-mining safety; android0 引言隨著科技的進步和時代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸地受到人們的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)的概念于1999 年首次提出，如今國際社會廣泛達成共識，物聯(lián)網(wǎng)被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)。此外，隨著移動通訊技術(shù)的發(fā)展以及手機終端的智能化，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了長足的發(fā)展。運用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，人們可以在

6、移動的過程中高速地接入互聯(lián)網(wǎng)，獲取急需的信息，完成想做的事情。煤礦作為一個高危行業(yè)，其安全工作歷來成為全社會關(guān)注的話題，關(guān)注安全、珍惜生命已成為人們的強烈愿望。針對煤礦產(chǎn)業(yè)的安全問題，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立全面、有效的定位監(jiān)控系統(tǒng)，將能有效地預(yù)防煤礦安全事故，保證煤礦工人的生命財產(chǎn)安全，更能確保生產(chǎn)的順利進行，提高生產(chǎn)效率，降低管理成本。另一方面，有效地運用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，煤礦管理人員可以隨時隨地的了解煤礦的安全信息和生產(chǎn)信息，及時做出對應(yīng)和決策。本文提到的礦山移動信息化系統(tǒng)是融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型移動信息化統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)源、服務(wù)器以及手機客戶端三部分，其中服務(wù)器從數(shù)據(jù)源獲取

7、數(shù)據(jù)作者簡介：楊姍姍， 1986-），女，碩士研究生，主要研究方向：計算機軟件. e-mail: yangshanshan23gmail-1-采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過井下傳感器自動地獲取各種信息，手機客戶端通過移動互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，包括獲取數(shù)據(jù)、驗證信息等。此外，手機客戶端包括登錄驗證、安全生455055產(chǎn)、生產(chǎn)日報、重點工程、人員定位、安全隱患、視頻監(jiān)控以及系統(tǒng)設(shè)置共八個模塊。用戶可以通過手機客戶端查看安全數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、人員定位信息等，也可以觀看實時的監(jiān)控影像，由此可以獲得全面及時的煤礦安全生產(chǎn)信息。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章主要介紹相關(guān)的工作，第二章描述整個系統(tǒng)框架，第三章則是詳

8、細介紹基于 android 平臺的手機客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)，第四章通過一系列實驗對手機客戶端的功能進行驗證，最后一章則是對全文的總結(jié)。1 相關(guān)工作1.1 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已有多年的歷史。1999 年 mit auto-id center 提出物聯(lián)網(wǎng)概念，即把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理1。2005年 11 月 在突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯(lián)盟 itu 發(fā)布了itu 互聯(lián)網(wǎng)報告 2005：物聯(lián)網(wǎng)報告，指出無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨2。2008 年 11 月 ibm提出“智慧的地球”概念，即“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng) 智慧地球”，以此

9、作為經(jīng)濟振興戰(zhàn)略3。目前，中國、美國、歐盟等國家都已充分認識到物聯(lián)網(wǎng)所蘊含的巨大經(jīng)濟效益，均投入巨資深入研究探索物聯(lián)網(wǎng)。601.2移動互聯(lián)網(wǎng)移動互聯(lián)網(wǎng)，就是將移動通信和互聯(lián)網(wǎng)二者結(jié)合起來，成為一體。在最近幾年里，移動通信和互聯(lián)網(wǎng)成為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場潛力最大、前景最誘人的兩大業(yè)務(wù)。它們的增長速度都是任何預(yù)測家未曾預(yù)料到的。迄今為止，全球移動用戶已超過 50 億，互聯(lián)網(wǎng)用戶也已逾 20 億。這一歷史上從來沒有過的高速增長現(xiàn)象反映了隨著時代與技術(shù)的進步，人類對65移動性和信息的需求急劇上升。越來越多的人希望能隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)，獲取急需的信息，完成想做的事情。所以，現(xiàn)在出現(xiàn)的移動通信與互聯(lián)網(wǎng)相

10、結(jié)合的趨勢是歷史的必然。1.3android 手機操作系統(tǒng)移動互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的一個重要原因是手機終端的智能化，android 平臺便是一款優(yōu)秀的手機開發(fā)平臺。android 是 google 于 2007 年 11 月 05 日發(fā)布的基于 linux 平臺的開源手7075機操作系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件4。它采用軟件堆層的架構(gòu)，主要分為四部分。底層以 linux 內(nèi)核工作為基礎(chǔ)，由 c 語言開發(fā)，只提供基本功能；中間層包括函數(shù)庫和 android 運行環(huán)境，由 c+開發(fā)。往上一層是應(yīng)用程序框架，包括視圖、內(nèi)容提供器、資源管理器、通知管理器以及活動管理器。最上層是各種應(yīng)用程序

11、，包括通話程序，短信程序等，應(yīng)用軟件則由各公司自行開發(fā)，以 java 作為編寫程序的一部分5 6。android的系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。-2-圖 1 android 系統(tǒng)架構(gòu)fig. 1 the android architecture diagram8085本文提到的礦山移動信息化系統(tǒng)的手機客戶端是基于 android 平臺進行開發(fā)，能夠在任何一臺 android 手機上使用。2 系統(tǒng)架構(gòu)礦山移動信息化系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)源、服務(wù)器和手機客戶端三部分組成，從圖 2 中我們可以看到其組織結(jié)構(gòu)。圖 2 礦山移動信息化系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)fig. 2 the architecture of mine mobi

12、le information system90?數(shù)據(jù)源：數(shù)據(jù)源主要功能是提供數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的來源有三種，分別為人工錄入、傳感器以及攝像頭。人工錄入主要提供生產(chǎn)日報、重點工程以及安全隱患數(shù)據(jù)，生產(chǎn)日報和重點工程是由巡檢人員在井下記錄當(dāng)天的生產(chǎn)信息和各單位工作信息并記錄-3-成 excel 表錄入系統(tǒng)，而安全隱患則是由各個部門發(fā)現(xiàn)有隱患的時候在 web 端錄入；井下傳感器主要提供安全生產(chǎn)和人員定位數(shù)據(jù)，其中安全生產(chǎn)分為安全數(shù)據(jù)（甲烷、一氧化碳、溫度等）和生產(chǎn)數(shù)據(jù)（產(chǎn)量、鉤數(shù)等），本系統(tǒng)在礦井里面安裝了大量的傳感器95?用來記錄各種實時數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到服務(wù)器；而攝像頭則是提供視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的

13、來源。服務(wù)器：服務(wù)器包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和視頻服務(wù)器兩部分。數(shù)據(jù)服務(wù)器主要功能是響應(yīng)手機客戶端的請求，從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)一的格式封裝，之后再將數(shù)據(jù)返回給手機客戶端；而視頻服務(wù)器的主要功能是對數(shù)據(jù)源提供的視頻數(shù)據(jù)進行實時的編解碼，并將視頻流發(fā)送給手機客戶端。100?手機客戶端：手機客戶端的主要功能是與用戶和服務(wù)器層進行交互并將數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來。其基本流程是，手機客戶端接收用戶的輸入，并將請求發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器接收到請求之后，從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)返回給手機客戶端，最終在手機客戶端展現(xiàn)給用戶。3 手機客戶端設(shè)計與實現(xiàn)1053.1手機客戶端架構(gòu)礦山移動信息化系統(tǒng)的手機客戶端分層結(jié)構(gòu)如圖 3 所示：

14、圖 3 礦山移動信息化系統(tǒng)手機客戶端分層結(jié)構(gòu)fig. 3 the framework of the mobile client of mine mobile information system110由上圖我們可以看到，整個手機客戶端分為四層，分別為 http 連接層、xml 處理層、邏輯控制層以及 ui 顯示層。下面分別對這四層進行簡單的介紹：?ui 顯示層：ui 顯示層主要功能是與用戶進行交互并呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。一方面響應(yīng)用戶的輸入，另一方是將數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶。115?邏輯控制層：邏輯控制層主要功能是負責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理，并且在整個系統(tǒng)中起著橋梁的作用，一方面將要發(fā)送給服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交給xml 處理層封

15、裝，另一方面將要呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)交給ui 顯示層顯示。本層包含登錄驗證、安全生產(chǎn)、生產(chǎn)日報、重點工程、人員定位、安全隱患、視頻監(jiān)控以及系統(tǒng)設(shè)置共八個模塊。120?xml 處理層：xml 處理層主要功能是解析和封裝xml。對于從邏輯控制層獲取的數(shù)據(jù)，要進行xml 封裝，并將封裝好的數(shù)據(jù)交給http 連接層，由其發(fā)送給服務(wù)器端；對于從http 連接層獲取到的返回結(jié)果，要進行xml 解析，并將解析后的數(shù)據(jù)交給邏輯控制層。-4-125?3.2http 連接層：http 連接層主要功能是與服務(wù)器建立http 連接，發(fā)送數(shù)據(jù)并接收返回結(jié)果。建立http 連接關(guān)鍵在于設(shè)置好請求的頭部信息，并按格式需求發(fā)送數(shù)據(jù)。功

16、能模塊礦山移動信息化系統(tǒng)手機客戶端包括登錄驗證、安全生產(chǎn)、生產(chǎn)日報、重點工程、人員定位、安全隱患、視頻監(jiān)控以及系統(tǒng)設(shè)置共八個模塊。130135140?登錄驗證：本模塊主要功能是驗證用戶權(quán)限。用戶輸入用戶名和密碼之后，手機客戶端會將用戶名密碼發(fā)送給服務(wù)器驗證。若驗證通過，則登入系統(tǒng)，進入九宮格頁面，反之，提示用戶名或密碼出錯。此外，本模塊還提供設(shè)置功能，可以設(shè)置服務(wù)器地址以及設(shè)置保存用戶名密碼。 安全生產(chǎn)：本模塊主要功能是查看安全數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。安全數(shù)據(jù)包括倉位水位、風(fēng)壓、煤倉煤位、裝載倉位、瓦斯、一氧化碳、溫度以及風(fēng)速；生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括當(dāng)日產(chǎn)量、當(dāng)班產(chǎn)量以及當(dāng)班鉤數(shù)。本模塊提供兩種查詢功能，分別為

17、按數(shù)據(jù)類型查詢和按監(jiān)測點查詢。按數(shù)據(jù)類型查詢即是查詢某一項數(shù)據(jù)在各個監(jiān)測點的實時值，按監(jiān)測點查詢即是查詢某一檢測點各項數(shù)據(jù)的實時值。 生產(chǎn)日報：本模塊主要功能是查詢生產(chǎn)日報數(shù)據(jù)。生產(chǎn)日報是每天產(chǎn)生一份，因此是按天查詢。用戶查詢每個子表需要選擇查詢?nèi)掌冢笫謾C客戶端將請求發(fā)送給服務(wù)器，獲得服務(wù)器的返回結(jié)果并將其顯示出來。 重點工程：本模塊的主要功能是查詢重點工程數(shù)據(jù)，包括各個單位的早班、中班和夜班的工作，重點工程也是按天查詢。 人員定位：本模塊的主要功能有兩部分，查詢井下人員分布數(shù)據(jù)和井下人員軌跡數(shù)據(jù)。人員分布可查詢部門人員分布和采區(qū)人員分布。人員軌跡部分先按照部門查找當(dāng)日該部門下井的員工列表

18、，之后再從該列表中選取一名員工查詢其當(dāng)日的活動軌跡，活動軌跡主要記錄了該員工在各個地點停留的起止時間。 145?安全隱患：本模塊的主要功能是查詢安全隱患數(shù)據(jù)。安全隱患數(shù)據(jù)是在后臺由人工錄入，最終在手機客戶端顯示。安全隱患數(shù)據(jù)有兩種狀態(tài)：已解決和未解決，在手機客戶端只顯示未解決的安全隱患數(shù)據(jù)。 視頻監(jiān)控：本模塊的主要功能是為用戶提供實時的井下監(jiān)控影像。視頻服務(wù)器總共開通了16 路視頻通道，用戶在手機客戶端可以瀏覽這16 路通道的影像，并可以根據(jù)需求放150?3.3大、縮小屏幕等。視頻數(shù)據(jù)采用流媒體的方式進行傳輸，用戶可以較為流暢的觀看影像。 系統(tǒng)設(shè)置：本模塊的主要功能有兩個，一是對修改服務(wù)器地址

19、，二是修改用戶密碼。 關(guān)鍵技術(shù)界面呈現(xiàn)機制android 平臺的每一個頁面是一個 activity，當(dāng)一個類繼承了 activity 類（或是 acticity155160類的子類）時，該類的工作便是呈現(xiàn)一個頁面并處理該頁面的響應(yīng)事件。此外，每一個頁面會有一個對應(yīng)的布局文件，該文件決定了初始狀態(tài)下頁面的呈現(xiàn)內(nèi)容。因此，android 平臺下每一個頁面由 activity 和布局文件組成。當(dāng)一個頁面以列表的形式呈現(xiàn)時，布局文件是用 listview 來進行布局，而 activity 中則可以使用 simpleadapter 類來添加 listview 的列表項，此外，可以對該 listview

20、添加onitemclicklistener 來處理列表項的選中事件。-5-當(dāng)一個頁面以表格的形式呈現(xiàn)時，布局文件是用 tablelayout 來進行布局，由于表格一般會用到滾動條，因此我們可以嵌套一層 scrollview 來添加豎滾動條，嵌套一層horizontalscrollview 來添加橫滾動條。而 activity 中則可以通過表格內(nèi)容來設(shè)定表格的行數(shù)、列數(shù)等，并將內(nèi)容填入表格。165若頁面要顯示的東西比較復(fù)雜，一般可以通過嵌套各種不同形式的布局方式來實現(xiàn)。只要能夠靈活使用布局文件，頁面便能以我們希望的形式展現(xiàn)出來。通信機制在本系統(tǒng)中，手機客戶端采用 http 協(xié)議與服務(wù)器進行通信。

21、http 協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。使用 http 協(xié)議進行通信時，通常情況下是由 http 客戶端發(fā)170175180185190195起一個請求，建立一個到服務(wù)器指定端口（默認是80 端口）的 tcp 連接。http 服務(wù)器則在那個端口監(jiān)聽客戶端發(fā)送過來的請求。一旦收到請求，服務(wù)器向客戶端發(fā)回一個狀態(tài)行，比如http/1.1 200 ok，和相應(yīng)消息，消息的消息體可能是請求的文件、錯誤消息、或者其它一些信息。采用 http 協(xié)議進行通信，具有通用性，易用性等優(yōu)點，同時可有效地降低開發(fā)成本和調(diào)試成本。同時，用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用 xml 的方式進行封裝。xml 即可擴展標

22、記語言，它是一種獨立于平臺和語言之上的嗎，處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的有力的工具。xml 使用一系列簡單的標簽來描述數(shù)據(jù)，這些標簽之間具有鮮明的層次結(jié)構(gòu)。這樣，一個用 xml 封裝的文檔可以很容易的表示成一個樹狀結(jié)構(gòu)，以便于分析和處理。采用 xml 進行數(shù)據(jù)封裝，具有通用性強，可擴展性高等優(yōu)點，在本系統(tǒng)中得到很好的使用。由于數(shù)據(jù)采用 xml 進行封裝，那么如何從 xml 中解析出數(shù)據(jù)也是一個關(guān)鍵的問題。在 android 平臺上，xml 解析有三種方式，分別為 dom、sax 以及 xmlpull 方式，本系統(tǒng)采用 sax 方式。sax 對文檔進行順序掃描，當(dāng)掃描到文檔（document）開始與結(jié)束、元素

23、（element）開始與結(jié)束、文檔（document）結(jié)束等地方時通知事件處理函數(shù)，由事件處理函數(shù)做相應(yīng)動作，然后繼續(xù)同樣的掃描，直至文檔結(jié)束。采用 sax 方式的優(yōu)點是內(nèi)存消耗低，缺點是編碼復(fù)雜。4 功能驗證我們已經(jīng)在多普達 a6388 的機器上安裝了礦山移動信息化系統(tǒng)的 android 客戶端，下面以安全生產(chǎn)模塊和人員定位模塊為例對手機客戶端功能進行驗證，下面是實驗的具體步驟：首先，用戶在登錄頁面輸入用戶名和密碼，點擊“登錄”按鈕，此時手機客戶端會將用戶名密碼發(fā)送給服務(wù)器進行驗證，驗證通過，進入九宮格頁面。在九宮格頁面，用戶點擊“安全生產(chǎn)”圖標，進入安全生產(chǎn)主頁面，該頁面是一個包含兩個標簽

24、的 tabhost，分別是數(shù)據(jù)類型查詢和監(jiān)測點查詢，每一個標簽頁均以列表的形式展現(xiàn)。在數(shù)據(jù)類型查詢頁面，用戶點擊某一個數(shù)據(jù)項，例如一氧化碳，則可以查詢各個監(jiān)測點的一氧化碳實時值。此外，用戶可以點擊“刷新數(shù)據(jù)”按鈕，以獲取最新的數(shù)據(jù)。在監(jiān)測點查詢頁面，用戶點擊某一個數(shù)據(jù)項，例如 1#提升機，則可以查詢該監(jiān)測點的溫度各種數(shù)據(jù)的實時值。此外，用戶可以點擊“刷新數(shù)據(jù)”按鈕，以獲取最新的數(shù)據(jù)。以上操作相關(guān)頁面顯示如圖 4 所示。-6-200圖 4 手機客戶端安全生產(chǎn)模塊頁面顯示fig. 4 views of coal-production and environment monitoring module在九宮格頁面，用戶點擊“人員定位”圖標，進入人員定位主頁面，該頁面是一個擁有兩個標簽（人員分布和人員軌跡）的 tabhost 頁面，分別提供查詢?nèi)藛T分布信息功能和查詢205210人員軌跡信息功能。在人員分布頁面，用戶可以選擇查詢類型，分別為部門人員分布查詢和采區(qū)人員分布查詢。用戶選擇相應(yīng)的查詢方式并點擊“確定”之后會跳轉(zhuǎn)到查詢結(jié)果頁面，該頁面以表格的形式呈現(xiàn)，主要顯示當(dāng)日下井總?cè)藬?shù)和每個部門（采區(qū)）當(dāng)日下井人數(shù)。在人員軌跡頁面，頁面會展現(xiàn)一個部門列表，用戶選擇相應(yīng)的部門并點擊“確定”之后會跳轉(zhuǎn)到員工列表頁面，該頁面會顯示該部門當(dāng)日下井