基于3G和Android的建筑施工安监系统设计

摘 要：针对目前建筑施工安全监管存在的问题，基于3G网络和Android开放平台，设计了一种建筑施工安全监管系统，同时阐述了智能终端的硬件、软件体系结构，给出了采用H.264编码进行数据压缩处理的方法，从而实现了包括自动采集模式和人工监控模式的信息管理系统，为有效改善目前建筑行业安全监管现状提供了新手段。

关键词：3G网络；Android系统；建筑安全监控；危险源；隐患排查

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）07-0035-03

0 引 言

随着网络技术的发展，实时视频监控技术已经在众多安全监管领域获得应用，并取得了很好的应用效果[1，2]。但是，建筑施工安全监控存在监控目标多样、监控对象繁杂、监控内容变化较快、监控区间不稳定的特征，尤其是在施工现场布线困难，传统基于有线视频监控的方式不能适应建筑施工安全监管的需要。

基于最新的ARM处理器、先进的Android操作系统和成熟的3G网络[3，4]设计的固定、移动两用智能监控终端，可以跟随现场施工情况自由部署，也可以由安全管理人员随身携带。通过自主开发设计的管理信息系统，彻底改变了笔记收录的传统模式，借助智能终端快速录入隐患信息，监控终端集成了拍照、录像和实时视频功能，可以通过多媒体手段还原隐患现场，满足建筑施工安全监管的现场勘查和移动监控的要求。

1 系统整体架构

建筑施工现场的危险源有高处坠落、机械伤害、物体打击、触电伤害、坍塌施工、起重伤害、危险品等，危险源辨识的主要手段有现场观察、资料观察、外部信息搜集、询问和沟通、安全检查表、工作任务分析等[5]。基于3G网络的建筑施工安全移动监管系统主要由智能终端、监控中心和3G网络三部分构成，系统整体设计方案如图1所示。

图1 系统整体设计方案

智能终端运行系统的采集端软件，通过文字、表格、图（照）片、视频等方式，采集施工现场的信息，再由ARM处理器进行信息的编辑和处理，最后通过3G模块，将信息传输到中心服务器。安全监管人员可以通过远程监控中心和本地监控终端，在客户端软件上对现场的安全隐患进行监控和处理。

2 智能终端设计

2.1 设计思想

智能终端具有信息采集和本地监控的双重功能，在工地现场，既可以作为建筑施工现场安全监管的信息采集设备，也可以由安全监管人员作为本地监控设备进入系统监控中心，现场处理隐患排查工作。智能终端包括硬件设计和软件设计两部分。硬件结构方面，以S5PV210处理器为核心，通过图像采集模块接收图像采集的数据，经过MFC硬件编码后通过3G模块发送到中心服务器。软件体系方面，基于Android系统设计了自动采集和人工监控两种模式：在自动采集模式下启动视频实时监控功能，应用软件负责视频信息的接收、压缩和传输等；在人工监控模式下，进入监控模式，可以进行安全隐患登记、上报以及安全整改通知下发等功能。

2.2 硬件体系结构

S5PV210处理器是一个32位低成本、低功耗、高性能的移动处理器，基于Cortex-A8核心，运行主频1 GHz，内部采用64位总线架构，内置强大的硬件加速的视频处理器、显示控制器和多格式音视频解码器。其内置的PowerVR SGX540高性能图形引擎，支持MPEG4、H.263/H.264等，具备IVA3硬件加速器，具备出色的图形解码性能，可以支持全高清、多标准的视频编码，流畅播放和录制30帧/s的1920×1080像素（1080p）的视频文件，可以更快解码更高质量的图像和视频，同时，内建的HDMIv1.3可以将高清视频输出到外部显示器上，可运行Android2.3、Linux-2.6.35等嵌入式操作系统。智能终端的硬件体系结构如图2所示。

图2 智能终端硬件体系结构

2.3 软件体系结构

Android是移动设备的开发平台，其层次结构自下而上分为四层，包括操作系统层、各种库和运行环境层、应用程序框架层和应用程序层，具体结构如图3所示。Android对操作系统的使用包括核心和驱动程序两部分，Android的Linux核心为标准的Linux2.6内核，其驱动程序部分主要包括显示驱动、视频驱动、3G驱动、USB驱动等；库和运行环境层相当于中间件层，主要包括C库、多媒体框架、SGL、SSL、OPENGL及界面管理工具等；应用程序框架层主要为应用程序层的开发者提供APIs，包括UI程序中所需要的各种控件；应用程序层通常用JAVA程序编写，应用程序开发者可以应用程序框架层的APIs来开发自己的程序，本文中设计的安全隐患排查系统客户端软件即在该层开发，主要包括显示模块、上传模块、现场数据采集模块、隐患登记模块、安全复查模块、设置模块等功能模块。

图3 Android软件体系结构

2.4 H.264算法的优化选择

系统的关键技术是编码器的设计，将终端设备采集到的视频信号采用H.264编码进行压缩处理，然后通过3G网络将数据传输到监控中心的数据服务器完成实时显示。3G网络虽然在移动环境下支持的带宽有限，但是H.264采用了与以往不同的视频编码标准，基于高清度、多模式预测技术提高了压缩比来减低码流，经过优化选择后，能够很好地满足系统实时监控的需求。

3 系统的功能与实现

智能终端软件系统的设计包括自动采集模式和人工监控模式两种。自动采集模式主要是针对施工现场安全监管的对象，主要由施工方进行使用，允许智能终端长期、自动、实时地采集建筑施工的相关信息，如可以固定在深坑作业的上方，全程监控整个作业过程，实时上传作业视频等，主要包括显示模块、上传模块、采集模块和设置模块。人工监控模式主要由施工方安全员或者监理方安全员使用，用于现场安全隐患的排查、登记、复查等，可以采取文字录入、表格填报、照相录像等方式进行现场监管。系统主要功能结构图如图4所示。

3.1 自动采集模式主要功能实现

显示模块主要负责实时显示施工现场的状态信息，显示采集的数据、画面等。

采集模块主要实现工程施工现场安全管理工作的数据自动采集，包括工程概况、危险源及重大危险源、安全教育、技术交底、安全方案、安全投入情况、大型设备（如塔吊、施工电梯）等。

图4 系统功能结构图

上传模块主要实现通过3G网络实时上传数据到监控中心的服务器上。系统设置了上传的规则，终端按照预设的程序向服务器端发送数据，由服务器端进行相应的处理。一旦数据采集开始，在网络条件允许的情况下（用户可以选择实时上传，也可以根据网络情况选择缓存后上传），通过socket连接监控中心的服务器，按照预设规则发送采集来的数据。为保持连续采集的数据能够不断地上传和更新，消除线程控制在时间上的不确定性，系统采用定时器机制来保证时间的准确性；同时，系统设置一个全局变量来存储终端设备的状态数据，显示模块和上传模块则同时读取变量的数据来实现更新和上传数据的一致性。

设置模块主要是对系统的相关参数依据不同的工作场所进行设置。

3.2 人工监控模式的主要功能实现

安全监管的主要内容是隐患的排查工作，包括人的不安全行为、物的不安全状态、环境不安全因素和管理上的缺陷。系统在人工监控模式下，允许根据不同的要求将隐患分为A级、B级、C级、D级和E级隐患；支持用户根据不同生产性质、工作范围、作业特点、危害因素等来编制隐患排查卡；支持用户根据实际情况定义隐患排查台账，由系统从各隐患排查卡自动汇总生成；支持用户对危险性较大的工程（如基坑支护、降水工程、模板工程及支撑体系、起重吊装及安装拆卸工程等）进行单项设置隐患排查基本内容。人工监控模式下的主要功能包括隐患录入、隐患上报、隐患复查和隐患分析与汇总。

隐患录入主要是通过智能终端的输入设备，将现场发现的问题和处理意见输入系统，并通过上报功能按照隐患等级分类发送至不同的管理部门；隐患复查则是在施工现场根据安全隐患责任部门提交的整改措施和完成情况进行现场核查；隐患分析和汇总则是系统提供的综合信息分析功能，根据隐患的分类，对发现隐患的工程类型、隐患类型、隐患时间、隐患所在位置以及整改落实情况等信息分类汇总，对常见隐患进行重点标识，对于隐患平均数量过多的工程进行重点督查等。系统部分功能实现截图如图5所示。

图5 系统部分功能实现截图

4 结 语

随着3G网络的发展，移动通信网络为更多的数据应用系统提供了有力保障。本文根据建筑施工安全监管的实际需求，设计了基于ARM处理器、Android开放平台和3G网络的智能监控终端，并实现了包括自动采集模式和人工监控模式的信息管理系统，为有效改善目前建筑行业安全监管现状提供了新手段。随着国家对安全生产监控水平要求的不断提高，以及网络技术的进一步发展，基于3G和Android的建筑生产安全监管系统将会拥有更加广泛的应用空间。

参 考 文 献

[1] 任守华，王胜华，刘士雷，等.基于3G和H.264技术的无线视频监控系统[J].计算机应用研究，2010，27（4）：1554-1556，1559.

[2] 吴延昌.基于物联网的矿用危险品监控系统设计[J].工矿自动化，2012（7）：71-73.

[3] 李昂，宋海声，苏小芸.基于Android的视频监控系统设计与实现[J].电子技术应用， 2012， 38（7）： 138-139，143.

[4] 耿东久，索岳，陈渝，等.基于Android手机的远程访问和控制系统[J].计算机应用， 2011， 31（2）： 559-561.

[5] 张磊，李新春，张旭，等.浅谈煤矿危险源的辨识方法与评估[J].煤矿安全， 2010（7）： 158-160.