基于蓝牙的CSAMT数据手机监测系统设计*

周文全，孙彩堂，周逢道，刘长胜

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130026)

可控源音频大地电磁测深CSAMT[1](Controlled Source Audio Magnetotellurics)法通过同步发射接收一组不同频率的信号，测量大地的复电阻频谱，从而得到地下不同深度介质电阻率的变化规律。

在CSAMT法勘探过程中，需要根据探测目标布置发射源。在接收端，要将仪器放置到各采集点，在大部分情况下，工作人员只能通过步行的方式将设备送到采集点。这些特点决定了对数据进行补测要浪费大量的人力和物力，因此，迫切需要能够在工作现场或远程实时监测采集的数据质量，以便工作人员及时发现采集过程中发生的问题并分析原因，尽早采取相应措施。

目前，加拿大凤凰公司的V8采用TDMA进行各站之间的数据传输；吉林大学仪器科学与电气学院自主研发的JLEMI[2]分布式采集系统采用了GPRS，可以在远程工作站实时监测采集的数据。这些方法依赖于移动网络，在信号质量不好的情况下工作会受到影响，甚至无法监测。

除了移动网络之外，现在应用比较广泛的无线传输技术[3]有ZigBee、红外线数据传输、WiFi等。但当前的手机中很少直接支持ZigBee，红外线数据传输方式要求进行传输的设备之间必须对准，而且中间不能有阻挡。蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般10 m内)的无线电技术，采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM频段，其数据速率为1 Mb/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输，现在手机、平板电脑等基本都配置了蓝牙设备。

基于上述分析，本文采用蓝牙无线传输技术[4]，实现了采集站与Android手机间的数据传输。通过在采集站中嵌入蓝牙模块，在采集数据的同时，将数据以特定格式发送到手机中，在手机端对接收到的数据进行预处理并实时显示。将该系统应用到JLEMI工作过程中，为工作人员带来了很多便利。

1 系统组成

图1 系统组成示意图

2 采集站

本系统中采集站[6]主要负责数据采集，并对采集的数据进行简单预处理，将原始数据和预处理结果保存到本地磁盘中。除此以外，还可以通过嵌入的蓝牙模块将预处理结果传输到手机端。

采集站启动后，首先开启蓝牙设备并监听手机端接入请求。当有手机接入后，开启新的线程并监听处理手机端发来的命令。如果手机端需要监测数据，则必须首先向采集站发送相应指令。当采集站收到指令后，读取采集到的数据，按照自定义的协议进行封装，并向手机端传输。在数据传输期间，手机可以通过向采集站发送命令，控制数据传输的暂停与退出。

采集站端采用了开源库bluecove[7]实现对蓝牙模块编程，并引入jdom.jar包实现对xml文件的读取与解析[8]。

3 手机端

当前应用比较广泛的手机操作系统包括Android、iOS、BlackBerry和Windows Phone等。市场研究公司Strategy Analytics在2013年11月1日发表报告称，2013年第3季度全球智能手机出货量在2012年同期的1.728亿部基础上增长45%，达到2.514亿部，其中Android市场份额为81.3%，成为现在的主流手机操作系统。因此本系统的手机端基于Android操作系统开发。

目前，市面上已经存在许多基于Android操作系统的应用软件，如基于蓝牙的健康服务终端应用软件、基于GPRS通信的远程监控应用软件以及基于各种通信协议的应用软件等，这些应用软件给现代生活带来了极大便利。

3.1 工作流程

本系统的手机端应用程序包含1个Service和2个Activity。其中Service在后台运行，其作用是监听本手机端的状态，当有事件产生时，与2个Activity产生交互，控制程序的运行。主Activity控制程序初始化、数据接收、预处理和曲线绘制；Activity2的作用是搜索周围的蓝牙设备，显示搜索结果，接受用户选择，并将选择结果传递给主Activity。手机端程序流程图如图2所示。

式(1)中H0为塌落前洞体最大高度，m；k为岩石松散(涨余)系数，灰岩k取1.2，黏土k取1.05本公式使用范围：适用于顶板为中厚层、薄层，裂隙发育，易风化的岩层，顶板有塌陷可能的溶洞，或仅知洞体高度时。公式如下：

(1)启动蓝牙

首先检查手机是否支持蓝牙，如果支持，则获取蓝牙适配器对象，并在AndroidManifest中申明蓝牙使用权限，开启蓝牙。

(2)搜索采集站蓝牙设备

在手机端搜索采集站蓝牙设备前，先要设置采集站端蓝牙设备可见，以便手机端发现采集站蓝牙设备进行配对。手机端通过使用BluetoothAdapter的startDiscovery()方法来搜索蓝牙设备，在这个过程中，系统会发送以下3个广播：

图2 手机端整体流程图

手机端可以注册相应的BroadcastReceiver对象来接收相应的广播，以便做出响应。

(3)请求建立连接

手机端搜索到采集站蓝牙设备后，可以获取其BluetoothService，然后利用listenUsingRfcomm_WithServiceRecord(String,UUID)方法获取对应的BluetoothSocket，最后调用BluetoothSocket的connect()方法请求连接。如果手机端的UUID同采集站蓝牙设备的UUID匹配，并且连接被采集站端蓝牙设备接受，则连接成功。

(4)接收指令和数据

请求连接成功后，手机端和采集站的蓝牙设备分别监听端口。当手机端向采集站发送一个读取数据指令，采集站收到该指令后，首先根据自定义的协议对数据进行封装，然后利用蓝牙协议传输到手机端。手机端的主Activity监听数据端口，当接收到数据后，对其进行解析，得到发送的原始数据，为后期的数据预处理和曲线绘制做准备。

(5)对接收到的数据进行绘图显示，其中可以通过选项来控制是否需要在显示之前对数据进行平滑。

3.2 曲线绘制

本系统选择开源类库Achartengine[9]作为绘图工具。该类库针对Android系统开发，易于二次开发，能够绘制折线图、饼状图、柱状图等多种曲线。在本系统中，数据以折线图的形式显示。

对于CSAMT数据曲线，由于发射频率和幅值都相差多个数量级，因此，需要以对数坐标的形式显示。而Achartengine不直接支持对数坐标，本文通过对坐标轴的改进，实现了自定义坐标轴，从而实现了数据的对数显示。主要步骤如下：

(1)将x轴改造为对数坐标

利用addXTextLabel函数实现x轴坐标转换，该函数的基本格式为：addXTextLabel(double x，String text)，其中x为x轴坐标点，text为转换后显示在x点的坐标值，如果不显示，则可以设为空。x和text之间的关系为x=log10(text)。利用该方法，可以添加一系列的x轴对数坐标点。

(2)将y轴改造为对数坐标

原理和x轴相同，利用addYTextLabel(double y，String text)函数实现y坐标转换。

(3)数据显示

将接收到的数据转换成对数，并利用series.add()添加到绘图中显示。图3显示了手机中基于Achartengine绘制的数据曲线图。因为本系统所应用的采集站有4个通道，所以共有8条曲线，包括4条幅频特性曲线(上半部分)与4条相频特性曲线(下半部分)。

图3 采集数据的曲线图

Achartengine为静态绘图，为达到实时更新的动态效果，需要对其进行动态刷新，即每当有新数据到来时，便进行一次点集的更新和绘图的刷新。点触曲线中某点，可以显示该点对应的值，方便现场分析和判断。

3.3 曲线平滑滤波

CSAMT法测量过程中，容易受到噪声的干扰，在数据中出现“飞点”现象，会对后期的数据处理造成极大的干扰，甚至导致假结果。本文使用基于各向异性扩散的滤波方法[10]对数据进行预处理，算法模型为：

该方法以梯度的降函数做扩散速度，在梯度大的点扩散量较小，在梯度小的点扩散量较大，其优点是在滤除噪声的同时能保护曲线的局部特征。梯度的降函数相当于边界保护函数的作用，如式(2)所示：

其中，k为阈值参数。

利用该算法对数据进行平滑的效果如图4所示。

图4 基于各向异性扩散算法的数据平滑效果图

本文根据CSAMT法工作环境的特点，将蓝牙无线数据传输技术引入CSAMT法的数据采集过程中，手机端在接收到采集数据后可以进行平滑处理，并通过对Achartengine类库中坐标轴的改进，实现对数坐标显示，在实际应用中得到了较好的效果。本系统既有利于进行CSAMT数据的集中监测，也可以为现场工作人员观察数据采集质量、判断故障点提供参考和支持，提高其工作效率。本系统的应用可以使采集设备不再配备显示屏，有助于进一步减小体积，降低功耗。

蓝牙的数据传输距离有限，不能达到远距离数据监测的目的，下一步工作是基于GPRS或WiFi无线传输技术，实现手机中的远距离数据监测。

[1]汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙：中南大学出版社，2005.

[2]张文秀.CSAMT与IP联合探测分布式接收系统关键技术研究[D].长春：吉林大学，2012.

[3]石明明，鲁周迅.三种无线通信协议综述[J].通信技术，2011，7(44)：0072-0073.

[4]杨瑞.基于蓝牙通信的短信平台设计与实现[J].计算机应用与软件，2011，2(28)：218-219.

[5]钱志宏，刘丹.蓝牙技术数据传输综述[J].通信学报，2012，4(33)：0143-0152.

[6]陈健.宽频带时频电磁接收机关键技术研究[D].长春：吉林大学，2012.

[7]BRUCE H，RANJITH A.Bluetooth for java[M].Berkeley：Apress，2003.

[8]方跃坚，余枝强，翟磊，等.一种混合并行XML解析方法[J].软件学报，2013，24(9)：1196-1206.

[9]Google.Achartengine-Charting library for Android Google Project[EB/OL].(2010-08)[2013-12-10].http：//code.google.com/p/achartengine.

[10]严家斌，刘贵忠.基于各向异性扩散的ROBUST阻抗估计方法[J].地球物理学进展，2007，22(5)：1403-1407.