基于Android 平台的实时地铁变形监测系统软件设计

徐 庆

（常德市广播电视台 湖南 常德 415000）

0 引言

地铁交通运载力较大，行驶速度较快，成为人们出行首要选择的交通工具[1]。随着经济的快速发展，我国已经在多个地区修建了地铁交通轨道，并为其配备了行驶辅助工具。由于地铁行驶轨道主要分布在市中心，对此类交通工具的安全行驶提出了较高要求[2]。地铁变形作为地铁交通安全事故产生的主要因素，对其展开实时监测显得尤为重要。通过采集地铁变形数据信息，从而准确判断当前地铁行驶安全性，为安全行驶指挥管理提供可靠参考依据[3]。目前，开发的大部分地铁变形监测系统依赖有线传输，并且以监控中心计算机作为信息接收终端[4]。这种监测系统建设成本较高，信息传输线路布设难度较大，限定了监管指挥工作空间。为了弥补传统系统开发方案存在的不足，本文借助Android 平台，尝试提出一种新的实时地铁变形监测系统软件设计方案。

1 实时地铁变形监测系统开发需求分析

地铁变形监测系统的开发，除了对系统监测结果准确性有所要求以外，还对监测数据的实时性有所要求，只有数据满足实时性要求，才能够第一时间发现地铁变形问题，为地铁交通工具行驶指挥提供有利数据支撑[5]。目前，很多监测系统数据传输期间受因素影响，数据精准度下降，并且监测指标比较单一。例如，监测关键部位应力、接触压力等，缺少多指标的全面监测[6]。所以，在接下来的研究中，需要选择多个监测指标，为其配备相应传感器，在处理器的控制下完成数据采集。

另外，整理大量文献资料发现，大部分地铁变形数据接收终端为监控中心计算机，数据传输时间较长，导致数据时效性较差。为了弥补这个不足，在接下来的研究中，应该将研究要点转移到移动终端接收数据方面。手机作为一种通信工具，其应用已经得到了普及，可以考虑将手机作为移动终端，在Android 平台上开发系统操作软件程序，从而实现地铁变形现场监测数据向用户手机直接发送功能，以此提高数据实时性，弥补数据接收和读取空间限定问题。

2 系统总体架构设计

针对系统开发需求，本系统在地铁监测设备配置、数据传输及接收模式两个方面进行了改进，提出新的系统设计方案。该方案利用关键部位应力监测传感器、线形监测传感器、接触压力监测传感器、接触位移监测传感器，分别采集地铁关键部位应力数据、线形数据、接触压力数据、接触位移数据。将这些数据作为地铁行驶作业安全性判断依据，通过无线模块传输至用户手机，从而实现实时通信，为地铁行驶指挥提出可靠方案。图1 为系统总体架构。

该系统架构主要分为两个部分，分别是现场监测终端（信息采集终端）、远程服务中心。其中，现场监测终端由太阳能供电系统、关键部位应力监测传感器、线形监测传感器、接触压力监测传感器、接触位移监测传感器、核心处理器、GPRS DTU 模块组成。该终端由太阳能供电系统供电，在核心处理器的作用下，对多种传感器下达信息采集命令，从而获取地铁监测信息，通过GPRS DTU 模块传输数据。远程服务中心由用户手机、远程服务器两部分组成，在Android 平台环境，启动远程服务器，为用户手机和现场监测终端无线模块建立通信渠道，服务器将接收到的信号发送至用户手机上。该数据传输模式不受空间限定，并且数据时效性很高。

3 系统设计

3.1 系统信息采集终端设计

本系统信息采集终端选取STM32 系列单片机作为核心处理器，用来驱动采集终端各个设备，包括关键部位应力监测传感器、线形监测传感器、接触压力监测传感器、接触位移监测传感器、GPRS DTU 模块。根据地铁监测需求，合理设置传感器作业参数和数据发送时间间隔，从而满足地铁监测数据采集需求。

该架构中运用多种传感器监测地铁状态，根据传感器使用规格，合理选取设备安装位置，同时以监测需求作为依据，在监测范围内合理布设传感器信号采集节点，以此满足监测覆盖需求。考虑到设备长期在室外作业，采用有线电源供电存在难度，并且成本较高。所以，本系统采用太阳能供电模块，为系统及其设备提供电能。除了GPRS DTU 模块与远程服务中心的通信连接以外，信息采集终端其他设备之间的通信连接，均采用RS485 通信模块创建通信桥梁。

3.2 终端程序设计

3.2.1 软件开发环境

本系统选择Android 平台作为软件开发环境，在BLE应用程序中编写系统作业程序代码，使得系统按照地铁监测控制需求展开作业，同时监测现场与远程服务中心作业达到协同作业目标。Android 平台操作系统中，按照功能不同，将系统划分为4 个层次，分别是应用程序层、应用程序框架层、函数库、Linux 内核层，根据Android 平台开发需求，为其配备系统开发环境，并将编译程序和APK文件植入到Android 系统中，用来控制远程服务器，从而下达现场信息采集终端和监控中心操作命令。

3.2.2 软件架构设计

本系统软件架构的开发，以BLE 应用程序作为开发工具，按照系统操作功能不同，将其划分为多个层次，分别在不同层次当中构建功能模块，形成低耦合高内聚的架构体系。目前，应用比较多的软件架构为MVC（model view controller），按照业务逻辑结构设计系统功能，采用数据分离方法，组织系统运行程序代码，通过操作界面显示系统运行结果。与其他架构相比，这种架构不仅扩展性较好，而且耦合性比较低。所以，本系统选择MVC 模式作为系统软件架构开发工具，设计如图2 所示的系统信息软件框架结构。

3.2.3 机器人与智能终端的通信设计

系统中关键部位应力监测传感器、线形监测传感器、接触压力监测传感器、接触位移监测传感器均由机器人控制，而机器人的核心处理器为STM32 系列单片机，在机器人的控制下，实现了各项指标数据采集操控。该装置与Androidd 智能终端的通信，以GPRS DTU 模块作为主要通信渠道，以蓝牙4.0 作为辅助通信渠道，以便用户通过手机进行操控。如果智能终端与现场控制机器人距离比较小，则开启蓝牙4.0 通信模式，如果两者之间的距离比较大，超出了蓝牙通信覆盖范围，则借助移动网络基站，完成数据的发送和接收[7]。

其中，蓝牙设备运用下的通信设计，以Adapter.startLeScan()函数作为通信连接工具，通过调用该函数，与BLE 设备建立通信连接。接下来，运用getServices()函数和getCharacteristic()函数，完成各项参数设置，从而实现数据传输。而GPRS DTU 模块的通信连接，则是借助GSM（Glabal System for Mobile Communications）基站、SGSN（Serving GPRS support nod）服务支持节点、GGSN（Gateway GPRS support node）网关支持节点，构建GPRS（General Packet Radio Service）网络体系，从而实现数据的无线传输。

3.2.4 服务器与智能终端的通信设计

系统中Android 智能终端与服务器之间的通信连接，通过5G网络或者Wi-Fi建立通信连接，在网络覆盖环境下，设置此通信模式即可。该网络环境下，采用的通信协议为TCP 协议。考虑到该协议通信条件下容易出现数据传输堵塞问题，本系统设计方案利用ConcurrentHashMap 管理数据，形成双重循环队列，从而提高数据传输效率。

3.2.5 地铁变形数据解析

第1 步：从数据传输管道流中提取数据。

第2 步：设置数据类型长度，按照此标准，判断当前数据长度是否小于标准长度中最短数据类型长度，如果小于最短长度，则执行第3 步，反之，返回第1 步。

第3 步：判断当前数据的消息类型是否已经被定义，如果已经定义，执行第4 步，反之，丢弃一个字节，返回第2 步。

第4 步：根据当前数据类型获取消息长度。

第5 步：判断数据长度是否超出或者等于消息长度，如果满足条件，则执行第6 步，反之，返回第1 步。

第6 步：根据消息，对ID 号进行验证，并计算校验和。

第7 步：判断ID 号、校验和是否正确，如果正确，则执行第8 步，反之，丢弃一个字节，返回第2 步。第8 步：解析生成一包数据，并对这些数据加以存储。第9 步：判断是否还存在数据待解析，如果不存在，则结束解析线程，反之，返回第1 步。

按照上述方法，对现场采集到的数据加以解析，得到地铁变形判断数据，综合考虑各项参数数据数值是否超出标准范围，如果未超出此范围，则判断地铁当前不存在变形问题。如果在危险范围内，则需要立即采取安全预防和修理措施，从而为地铁安全作业提供一定保障。

4 系统测试分析

4.1 测试内容

（1）地铁变形数据采样准确性测试。为了提高测试结果可靠性，本次测试随机抽取6 个节点，分别对这6 个节点的传感器采样数据进行测量，并计算数据精度。如果监测精度在98.5%以上，则认为该系统监测数据较为精准，可以作为地铁变形监测判断依据。

（2）对地铁变形监测系统数据传输实时性测试。同样设置6 个监测节点，对每一个节点的数据传输实时性进行测试。本次测试以延迟时间作为判断标准，如果延迟时间低于0.3 s，则认为该系统数据传输效率较高，满足实时性要求。

4.2 测试结果分析

按照系统架构搭建系统作业环境，分别测量6 个节点的关键部位应力、线形、接触压力、接触位移数据，与实际数据进行对比，得到系统监测精度，计算结果见表1。

表1 地铁变形数据采样准确性测试

两组测试结果显示，本系统所有传感器采集数据精度在99.2%以上，部分节点传感器数据采集精度达到了100%，达到了数据精度标准。监测系统数据传输实时性测试结果见表2。

表2 地铁变形监测系统数据传输实时性测试

两组测试结果显示，仅有节点1 线形监测数据传输延迟达到0.2 s，其他节点各类型数据传输延迟均控制在0.1 s之内，在数据传输延迟允许范围之内。

5 结语

本文围绕地铁变形监测系统软件设计展开探究，选取Android 平台作为系统开发环境，利用STM32 系列单片机作为现场信息采集终端控制器，对传感器作业状态进行控制，从而获取地铁变形数据信息，通过无线模块传输数据，利用手机接收数据。测试结果显示，本系统支持无线数据传输，操作便捷，系统数据采集精度在99.2%以上，数据传输延迟在0.2 s 以内，符合系统开发需求。