基于Android智能手機的管網巡檢系統

摘要

提出一種利用 Android 智能手機，結合智能手機定位技術、 GPRS ／ 3G 通信、 GIS 技術的管網巡檢系統，探討了該系統使用的技術、系統結構和軟件。

摘　要：提出一種利用Android智能手機，結合智能手機定位技術、GPRS／3G通信、GIS技術的管網巡檢系統，探討了該系統使用的技術、系統結構和軟件。

關鍵詞：Android；　智能手機；管網巡檢；　GPS定位：基站定位

Anndroid Smartphone-based Pipeline Inspection System

Abstract：A pipeline inspection system using Android smartphone，smartphone position technology，GPRS／3G communication and GIS technology is proposed．The technologies used in the system，system architecture and software are discussed．

Keywords：Android；smartphone；pipeline inspection；GPS position；base station location

本文根據管網巡檢工作特點，分析現有各種技術的優缺點，提出一種基于Android智能手機，綜合智能手機定位技術、GPRS／3G通信和GIS技術的管網巡檢系統。

1　巡檢系統使用的技術

1.1　Android系統

Android系統采用軟件堆層(Software Stack，又名軟件疊層)的架構[1]，見圖1，主要分為四層：Linux操作系統及驅動、核心類庫和運行環境、應用程序框架、應用程序。

基于Android智能手機的管網巡檢系統

Android系統基于Linux2．6內核，其核心系統服務如安全性、內存管理、進程管理、網路協議以及驅動模型都依賴Linux內核。Android運行環境主要指虛擬機技術，每個Android程序都有一個Google公司自己設計用于Android平臺的Dalvik虛擬機的實例，并在該實例中執行。應用程序框架層是Android開發的基礎，該層簡化了組件的重用，開發人員可以直接使用其提供的組件進行快速的應用程序開發，也可以通過繼承實現個性化的拓展。由于其開源性，Android應用程序開發方便，且易于維護和升級。

1.2　GPRS/3G通信

GPRS(General Packet Radio Service)是在GSM基礎上發展起來的一種分組交換的數據承載和傳輸網絡，提供一種端到端分組交換業務，采用TCP／IP協議傳輸數據。GPRS采用先進的無線分組技術，目前可以提供20～60kb／s的穩定數據傳輸速率。第三代移動通信技術(3G)是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。3G與2G的主要區別是比2G在傳輸聲音和數據速度上有提升，它能夠在全球范圍內更好地實現無線漫游，并處理圖像、視頻流等多種媒體形式，可提供更好的數據業務。

1.3　智能手機定位技術

常用的智能手機定位技術有GPS定位和基于基站的定位兩種[2]。

1．3．1GPS定位

全球定位系統(Global Positioning System，簡稱GPS)是中距離圓型軌道衛星導航系統，可以為地球表面絕大部分(98％)地區提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。該系統由美國政府1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機，無須另外付費。GPS定位的主要特點：全球、全天候工作；定位精度高，單機定位精度優于10m，采用差分定位，精度可達cm級和mm級。

1．3．2基于基站的定位

基于基站的定位從技術上可分為到達時間(TOA)、增強測量時間差(E-OTD)和GPS輔助(AGPS)3種方式。

①TOA定位技術，其原理為：Android智能手機測量不同基站的下行導頻信號，得到不同基站下行導頻的TOA(Time of Arrival，到達時刻)或TDOA(Time Difference of Arrival，到達時間差)，根據該測量結果并結合基站的坐標，一般采用三角公式估算法，計算出移動電話的位置。一般而言，移動電話測量的基站數量越多，測量精度越高，定位性能改善越明顯。

②E-OTD定位技術，是從測量時間差發展而來的，OTD指測量所得的時間量，E-OTD指測量的方式。手機無需附加任何硬件便可得到測量結果。對于同步網，手機測量幾個基站信號的相對到達時間；對于非同步網，信號同時還需要被一個位置已知的基站接收。確定了基站到手機的信號傳輸時間，則可確定基站與手機之間的距離，再根據此距離進行計算，最終確定手機的位置。

③GPS輔助(A-GPS)技術，是GSM網絡接收到基站位置輔助信息后，將輔助信息發送到手機，手機得到基站輔助信息后，結合接收到的GPS衛星發出的無線位置電信號，計算得出自身精確位置，手機將位置信息發送到GSM網絡。該方式有手機輔助方式和手機自主方式兩種。

2　系統架構

2.1　系統結構

管網巡檢系統采用3層C／S(Client／Server)結構。相對于傳統的2層C／S結構，在客戶端(表現層)和數據庫服務器(數據層)之間增加了應用服務器[3]，即業務邏輯層。系統結構見圖2。3層C／S結構的客戶端不需要直接連接到數據庫服務器，而是通過、№務邏輯層，將客戶端的請求傳給數據庫服務器，數據的查詢處理結果也是通過業務邏輯層回傳到客戶端，這樣就大大減輕了數據庫服務器的負擔，提高了整個系統的性能。

基于Android智能手機的管網巡檢系統

客戶端為采用Android系統的智能手機，集成了前端管網巡檢系統、GPS定位模塊和無線通信模塊(GPRS或3G)，實現管網巡檢、通過無線通信模塊將巡檢數據上傳至服務器功能。業務邏輯層部署管網巡檢應用服務器，搭建起智能手機與數據的通信橋梁，可以分析數據的完整性、識別數據分類等，同時對異常信息發出警告并寫入日志。數據層提供客戶端登錄身份認證所需的基本信息，以及接收存儲智能手機發送的巡檢數據信息，實現原始數據的分類存儲，以供客戶端查詢及其他系統調用。

2.2　軟件系統

基于Android智能手機的管網巡檢系統可分為管網巡檢服務中心子系統和管網巡檢移動應用端子系統，分別以管網巡檢應用服務器和數據庫服務器、Android智能手機為運行平臺。

2．2．1管網巡檢服務中心子系統

管網巡檢服務中心子系統由管網巡檢應用服務器、數據庫服務器2部分組成。實現的主要功能如下。

①基礎信息管理

基礎信息管理包括添加、修改和刪除組織機構信息、巡檢人員信息、智能手機終端信息等。在需要增加新的廠站、巡檢人員或巡檢設備時，用戶可在系統中隨時添加；當巡檢工作調整時，用戶可對已有信息進行修改或刪除，同時可對巡檢人員的在線狀態進行監控維護。

②巡檢計劃管理

巡檢人員根據巡檢汁劃，在規定的巡檢周期內完成巡檢工作，現場記錄管道及附屬設施的狀態和運行數據。巡檢計劃管理功能包括：創建巡檢計劃：通過劃定巡檢范圍，將區塊內的管道、附屬設施分配給巡檢人員，包括制定巡檢周期和巡檢內容等；應用巡檢計劃：將制定的具體巡檢計劃通知巡檢人員并設置啟用狀態；查詢巡檢計劃：查詢已制定好、已完成或正在進行中的巡檢計劃；修改巡檢計劃：對巡檢計劃靈活設置，隨時調整；刪除巡檢計劃：刪除已過時或作廢的巡檢計劃；歸檔巡檢計劃：打印巡檢計劃，或以電子表格文件的格式導出巡檢計劃。

③定位監控

定位監控功能模塊可顯示巡檢區域地圖，根據智能手機回傳的實際位置信息，在GIS地圖中對所有或指定巡檢人員、車輛的當前位置進行實時監控；在GIS地圖中對所有巡檢人員或指定巡檢人員的巡檢軌跡進行監控，可查詢顯示指定時間內的歷史巡檢路線。由于智能手機中GPS定位系統存在一定的誤差，需要通過軌跡糾偏算法將定位數據在電子地圖上進行糾正匹配，通過緩沖區分析獲取待匹配道路集合，根據最小距離原則，從多條待匹配道路中找到正確道路，以提高定位精度。

④巡檢報表存儲

巡檢報表包括巡檢到位報表、巡檢日報表、巡檢月報表、巡檢年報表。將記錄的巡檢時間、設施狀況、存在隱患等內容存儲于數據庫服務器，以報表的方式對巡檢數據進行管理，包括巡檢報表的導出、保存和對報表數據進行檢索、分析。

⑤系統管理

系統管理功能包含用戶管理、角色權限管理和數據安全管理。用戶管理提供對用戶的增加、刪除、修改等管理功能，角色權限管理提供角色的增加、刪除、修改、權限控制等管理功能，數據安全管理包括巡檢數據庫的備份與恢復功能。

2．2．2管網巡檢移動應用端子系統

管網巡檢移動應用端子系統結合GPS、GIS、無線數據傳輸技術，在Android智能手機平臺支撐下完成戶外巡檢工作。移動應用端子系統主要實現的功能如下。

①巡檢人員登錄驗證

巡檢人員在使用智能手機進行管網巡檢時，先進行巡檢人員登錄驗證，巡檢人員在輸入用戶名、密碼等信息后，通過數據庫服務器中存儲的信息驗證用戶名和密碼，并賦予相應的權限，同時管網巡檢服務中心子系統可根據登錄信息確定巡檢人員的在線狀態。

②巡檢數據上傳

在巡檢過程中，填寫巡檢數據記錄是一項很重要的工作，巡檢人員可對巡檢路線、巡檢時間及管網設施的狀態以及存在的隱患、類型等內容進行記錄，憑借GPRS／3G無線網絡傳輸的強大優勢，巡檢記錄可實時上傳，巡檢人員可就地將巡檢記錄發送到管網巡檢應用服務器，無須等返回服務中心后再將巡檢記錄數據入庫；實時發送GPS位置信息，實現巡檢人員定位監控功能。

③信息查詢

巡檢人員通過智能手機可對基礎信息進行查詢，可分別按廠站、組、巡檢人員和巡檢終端設備等信息進行查詢，查詢功能還可對指定時間段內、指定線路、指定缺陷等級以及處理類型(全部缺陷、已消除缺陷、未消除缺陷)的巡檢El志數據、歷史缺陷或故障信息進行查詢。具有一定權限的巡檢人員還可對已制定好、已完成、正在進行中的巡檢計劃信息進行查詢。

④地圖導航

管網的地理信息以數字地圖格式存儲在智能手機中．通過掌上地圖模塊，顯示巡檢區域地圖和計劃巡檢路線，提供了戶外環境下對管網信息進行訪問的手段。結合GPS導航功能，巡檢人員能夠快速方便地找到需要巡檢的管道及設施，對設備的使用狀況進行實時檢查并記錄到系統中。

參考文獻：

[1]吳亞峰，索依娜．Android核心技術與實例詳解[M]．北京：電子工業出版社，2010．

[2]孫巍，王行剛．移動定位技術和移動定位系統[J]．計算機系統應用，2003(10)：20-23．

[3]土長元，趙莉，王淑蓉．軟件工程與建模[M]．西安：西安交通大學出版社，2010：66-68．