基于安卓的在線氣體分析儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玉嬌，謝文蘭，劉玉航

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，青島 266580）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，氣體分析儀可以運(yùn)行在腐蝕性、刺激性、高粉塵濃度等多種嚴(yán)苛工藝環(huán)境中，檢測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中氧氣濃度、透光率、環(huán)境溫度、壓力等參數(shù)。為保障生產(chǎn)安全，設(shè)計(jì)一種針對(duì)激光氣體分析儀的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使得對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和指令控制不受時(shí)空限制。

現(xiàn)有遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可大致分為兩大類，第一類是以DCS 分布式控制系統(tǒng)為核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，一般面向大型工廠的監(jiān)控系統(tǒng)使用；第二類是以PLC 為控制核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，一般面向中小型系統(tǒng)使用。這兩類監(jiān)控系統(tǒng)都適用于多臺(tái)監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)，例如，陳智國(guó)以PLC 為控制核心，通過Modbus 協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)的空壓機(jī)等設(shè)備進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)監(jiān)控電腦。與此類似，鄭鵬的監(jiān)控系統(tǒng)同樣以PLC 為核心，使用了MPI 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。關(guān)于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所使用的通信技術(shù)，主要有藍(lán)牙、ZigBee 等短距離通信技術(shù)，和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、長(zhǎng)距離無線傳輸技術(shù)（LoRa）等具備廣覆蓋特性的技術(shù)。例如，蘇世雄等利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于Zigbee 的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)便捷、低功耗等特點(diǎn)。程力等也使用ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)，采集大棚內(nèi)參數(shù)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，通過GPRS無線傳輸至后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行處理分析。而孫潔等則利用NB-IoT 技術(shù)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程糧情監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)較廣范圍糧倉(cāng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，李彥吉等使用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線和CANOPEN協(xié)議，運(yùn)用了擴(kuò)頻原理的長(zhǎng)距離無線傳輸技術(shù)，通過訪問瀏覽器訪問客戶端，實(shí)現(xiàn)牽引變電所室內(nèi)氣體含量和積水情況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。林飛設(shè)計(jì)了一種基于LIN總線的采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使用SCI/UART 協(xié)議，使得數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。王琛琛等開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、信息技術(shù)、組態(tài)技術(shù)和智能控制技術(shù)，保障裝置自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)高效。關(guān)于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式有兩種，B/S 模式和C/S 模式。B/S 即Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，客戶端采用瀏覽器運(yùn)行即可。例如，李錦華等使用了B/S 模式下的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，結(jié)合了瀏覽器和服務(wù)器的功能，管理人員可通過任意一部能上網(wǎng)的設(shè)備訪問瀏覽器進(jìn)行管理。吳雙玉等也設(shè)計(jì)了一種基于B/S的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利 用Modbus、FOCAS、OPC UA、A2 和LSV-2 等技術(shù)采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的數(shù)據(jù)等。C/S 又稱Client/Server 或客戶/服務(wù)器模式，客戶端需要安裝專用的客戶端軟件。例如丁濤等通過API Cloud 移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，在云端進(jìn)行編譯，采用HTMLICSS 和Java Script 等Web 技術(shù)進(jìn)行編碼，設(shè)計(jì)開發(fā)了安卓APP 監(jiān)控端。劉文娟利用C#開發(fā)數(shù)據(jù)的可視化面板，設(shè)計(jì)了基于安卓的工業(yè)化氣體濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車間氣體參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有很好的兼容性。湯春球等通過Qt 平臺(tái)設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)用戶對(duì)車間設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和指令控制。也可以使用兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，使兩種模式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，駱東松等開發(fā)了Win Form 窗體應(yīng)用軟件和基于ASP.NET 的遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站，利用互聯(lián)網(wǎng)將溫室參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。劉麗靜等利用電控系統(tǒng)的PLC、4G 全網(wǎng)通網(wǎng)絡(luò)和云平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端通過網(wǎng)頁(yè)或者APP 客戶端實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的通信和交互。

綜上所述，目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)的方式是傳輸數(shù)據(jù)到企業(yè)中控室的DCS 或PLC 系統(tǒng)上，其數(shù)據(jù)僅供中控室操作人員監(jiān)視使用，并且面向多臺(tái)氣體分析儀使用。在現(xiàn)有疫情的基礎(chǔ)下，隔離、居家辦公成為疫情防控應(yīng)對(duì)常態(tài)，常規(guī)監(jiān)控方式不能滿足疫情防控要求。而由于氣體分析在工業(yè)生產(chǎn)方面的重要性，本系統(tǒng)面向一臺(tái)TDLS 激光氣體分析儀，使用JAVA 語(yǔ)言在Android Studio 平臺(tái)開發(fā)APP，設(shè)計(jì)基于安卓的在線氣體分析儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的氣體分析儀進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。操作人員通過在安卓系統(tǒng)上安裝該APP，可以在平板或手機(jī)上直接觀看、分析和管理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的氣體濃度含量等信息。該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠響應(yīng)疫情防控要求，隨時(shí)隨地線上辦公，還能提高工作效率。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 TSLD激光氣體分析儀

橫河TDLS 8000 波長(zhǎng)可變半導(dǎo)體激光光譜儀，即TDLS 激光氣體分析儀，將行業(yè)內(nèi)氣體分析儀的所有特點(diǎn)集中到了一臺(tái)堅(jiān)固的設(shè)備中。其可用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量O、CO、CH、NH、HO 及更多種其它NIR 吸收氣體，不需要樣品取出和樣品處理。由于TDLS 激光氣體分析儀可用于多種應(yīng)用中，使得使用和維護(hù)更加方便。

1.2 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端和氣體分析儀之間的數(shù)據(jù)通信，是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前TDLS 氣體分析儀本身支持HART 和Modbus TCP 兩種通信協(xié)議。對(duì)于HART 協(xié)議，它是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道幵放協(xié)議，最初由美國(guó)羅斯蒙特推出，經(jīng)過多年的應(yīng)用，目前己經(jīng)成為一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如果采用HART 協(xié)議，由于安卓設(shè)備不直接支持HART通信協(xié)議，需要考慮通過HART協(xié)議轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙、TCP 等協(xié)議，實(shí)現(xiàn)通信接口轉(zhuǎn)換。如果采用Modbus TCP 通信協(xié)議，則不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換器，直接將氣體分析儀連接有線網(wǎng)絡(luò)或者加裝無線WiFi 模塊，即可建立數(shù)據(jù)鏈接。在本文中，采用Modbus TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)在線分析儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與在線分析儀的數(shù)據(jù)通信。在安卓開發(fā)環(huán)境下，利用jmod 開發(fā)包實(shí)現(xiàn)與在線氣體分析儀的Modbus TCP 通信，從而實(shí)現(xiàn)氣體含量的數(shù)據(jù)通信，其通信結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 通信結(jié)構(gòu)框圖

1.3 系統(tǒng)模塊組成

基于安卓的在線氣體分析儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過Modbus TCP 協(xié)議，以氣體分析儀作為上位機(jī)，安卓客戶端作為移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)在線氣體分析儀的數(shù)據(jù)傳輸功能。該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)在線氣體分析儀的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)配置等功能，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有功能強(qiáng)大、監(jiān)控距離遠(yuǎn)、便捷等優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通信組網(wǎng)模塊、氣體曲線分析模塊、報(bào)警模塊、信息顯示模塊和設(shè)定標(biāo)定模塊組成，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)模塊組成

2 安卓客戶端界面設(shè)計(jì)

安卓客戶端界面的設(shè)計(jì)采用樹狀界面結(jié)構(gòu)?？蛻舳私缑姘?主界面、曲線顯示、報(bào)警、信息顯示以及設(shè)置界面?？蛻舳私缑娴撞吭O(shè)有導(dǎo)航欄的控件，用戶可通過觸摸不同的圖案進(jìn)入不同的界面?？蛻舳瞬僮髁鞒倘鐖D3所示。

圖3 客戶端操作流程

2.1 主界面設(shè)計(jì)

主界面的設(shè)計(jì)用來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過添加控件，實(shí)現(xiàn)了通過儀表盤的方式進(jìn)行氣體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，儀表盤的制作使用Canvas 繪制儀表刻度盤，通過填充數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前氣體的濃度值的數(shù)值，表盤指針根據(jù)數(shù)值的變化而變化。如圖4所示，主界面中顯示的具體數(shù)據(jù)包括氣體類型及其含量、透光率、環(huán)境溫度、氣壓。

圖4 主界面

2.2 曲線界面設(shè)計(jì)

曲線界面通過繪制二維坐標(biāo)系，描繪目標(biāo)氣體對(duì)激光光源的吸收峰值，以此判斷氣體的成分及其含量，進(jìn)而顯示氣體參數(shù)的變化趨勢(shì)，給用戶提供更加直觀的顯示方式。如圖5 所示，曲線界面中可顯示某氣體氧含量及其透光率、溫度、壓力的二維曲線圖，各數(shù)據(jù)與主界面中的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。曲線界面的坐標(biāo)系共用一個(gè)時(shí)間橫軸，數(shù)據(jù)更新時(shí)間間隔為一分鐘；縱坐標(biāo)的設(shè)置根據(jù)測(cè)量目標(biāo)量程范圍的不同而自適應(yīng)，從而做到界面的美觀、協(xié)調(diào)。

圖5 曲線顯示界面

2.3 報(bào)警界面設(shè)計(jì)

報(bào)警界面可以根據(jù)自動(dòng)識(shí)別實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)所表示的危險(xiǎn)程度，做出相應(yīng)的報(bào)警，給予合理措施。根據(jù)TDLS 氣體分析儀的參數(shù)配置，先大體分析出氣體異常方向。例如，當(dāng)TDLS 氣體分析儀報(bào)警序號(hào)為6 時(shí)，表示氣體1 濃度偏高。此時(shí)系統(tǒng)以彈窗的形式彈出異常警報(bào)，不斷在系統(tǒng)右上角指示燈的位置閃爍紅燈發(fā)出警報(bào)，并調(diào)取該氣體具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成報(bào)告后在報(bào)警界面以表格的形式呈現(xiàn)給用戶。

如圖6所示，表格中針對(duì)每條數(shù)據(jù)按照各個(gè)氣體的標(biāo)準(zhǔn)濃度分析出不同的危險(xiǎn)程度，以超出設(shè)定值百分比的形式顯示報(bào)警值。例如，當(dāng)氧含量出現(xiàn)異常偏高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)獲取異常時(shí)間點(diǎn)，通過分析給出報(bào)警內(nèi)容“氧含量偏高”，同時(shí)給出具體的報(bào)警值，以便于用戶結(jié)合情況做出具體的應(yīng)對(duì)措施。本系統(tǒng)的報(bào)警項(xiàng)主要有溫度偏高、溫度偏低、壓力偏高、壓力偏低、透光率偏高、透光率偏低、氣體xx 含量偏高、氣體xx 含量偏低、AI-1（壓力）偏高、AI-1（壓力）偏低、AI-2（溫度）偏高、AI-2（溫度）偏低等。其中，報(bào)警項(xiàng)的具體參數(shù)設(shè)置可以在設(shè)置界面中進(jìn)行配置。

圖6 報(bào)警界面

2.4 信息顯示界面設(shè)計(jì)

信息顯示界面（圖7）是給科技人員提供數(shù)值分析的界面，主要對(duì)應(yīng)模擬輸入設(shè)置和數(shù)字輸出設(shè)置的功能。模擬輸入用于計(jì)算4～20 mA 模擬輸入范圍內(nèi)的壓力值和溫度值。設(shè)定壓力值和溫度值，分別對(duì)應(yīng)于4 mA和20 mA。

圖7 信息顯示界面

模擬輸入設(shè)置根據(jù)TDLS 8000 的狀態(tài)設(shè)置模擬輸出的過程測(cè)量值并保持輸出。從啟動(dòng)TDLS 8000 的電源到第一次測(cè)量結(jié)果更新期間，模擬輸出值固定在4.0 mA，但如果將輸出保持設(shè)置為預(yù)熱狀態(tài)，則該值與該設(shè)定值一致。在3.8 mA 至20.5 mA 范圍內(nèi)的測(cè)量值為輸出值（符合Namur NE 43 標(biāo)準(zhǔn)）。數(shù)字輸出設(shè)置是用于在TDLS 8000 進(jìn)入以下特定狀態(tài)時(shí)打開數(shù)字輸出，數(shù)字輸出有DO-1 和DO-2 兩種情況。當(dāng)預(yù)警、校準(zhǔn)和驗(yàn)證、維修、預(yù)熱任何一種特定狀態(tài)時(shí)，DO-1 打開。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，DO-2 打開，此接點(diǎn)專門用于故障通知，不能禁用。

2.5 設(shè)置界面設(shè)計(jì)

設(shè)置界面包括設(shè)定標(biāo)定功能和報(bào)警項(xiàng)參數(shù)表配置功能。設(shè)定標(biāo)定功能可以將實(shí)時(shí)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，依次進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、驗(yàn)證、循環(huán)檢查等操作。報(bào)警參數(shù)配置功能，通過在輸入框中輸入目標(biāo)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值和預(yù)警觸發(fā)界限，確定報(bào)警項(xiàng)報(bào)警參數(shù)。

設(shè)定標(biāo)定功能在TDLS 氣體分析儀原有校正功能的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化操作，采用較為簡(jiǎn)單的單向性操作模式，只在一個(gè)窗口就可以完成所有操作。以數(shù)據(jù)校正為例，先用一個(gè)零氣體和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)濃度的氣體對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。測(cè)定時(shí)，系統(tǒng)控制儀器將待測(cè)氣體濃度產(chǎn)生的光譜信號(hào)同標(biāo)準(zhǔn)濃度的光譜信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算得到準(zhǔn)確的氣體濃度值，再對(duì)比這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。遠(yuǎn)程維護(hù)界面進(jìn)行氣體分析儀的設(shè)定標(biāo)定，使用戶通過安卓設(shè)備即可對(duì)氣體分析儀進(jìn)行標(biāo)定和數(shù)據(jù)校正，無需再去現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備信息進(jìn)行矯正維護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)工業(yè)車間嚴(yán)苛的生產(chǎn)環(huán)境，本文通過使用Android Studio 強(qiáng)大的UI 編輯器，結(jié)合JAVA 編程以及互聯(lián)網(wǎng)通信開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控安卓客戶端。該監(jiān)控系統(tǒng)界面美觀、功能完善，操作簡(jiǎn)便，同時(shí)克服了監(jiān)控地點(diǎn)的限制，使用戶通過安卓設(shè)備即可查看在線氣體分析儀中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，無需再去現(xiàn)場(chǎng)檢查和操作，避免了現(xiàn)場(chǎng)危害氣體對(duì)工作人員的危害，提高了工作效率和工作人員滿意度。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)不能現(xiàn)場(chǎng)查看數(shù)據(jù)等突發(fā)情況，對(duì)當(dāng)下疫情常態(tài)化境況具有重要的社會(huì)價(jià)值。