基于物聯(lián)網(wǎng)的大型電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的移動(dòng)端設(shè)計(jì)

徐志祥，牛小剛，李春秋，曹冰冰

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

大型電機(jī)是船舶、能源、軍工等行業(yè)重要裝備的關(guān)鍵動(dòng)力裝置。大型電機(jī)在運(yùn)行過程中突然發(fā)生故障，將帶來不可估量的損失，確保其安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行事關(guān)重大。如何對大型電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測受到廣泛關(guān)注。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得通過移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)大型電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測變?yōu)榭赡堋?/p>

鑒于此，本文以物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)為基礎(chǔ)研究基于Android平臺(tái)的大型電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)，將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)通過物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)在智能手機(jī)上，幫助用戶隨時(shí)隨地掌握電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對大型電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，并為大型電機(jī)的故障診斷打下基礎(chǔ)。

1 移動(dòng)端功能設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的大型電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。其中，感知層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示和人機(jī)交互。不同的用戶通過應(yīng)用層對不同的大型電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除大型電機(jī)的故障，避免造成嚴(yán)重的后果。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的大型電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)框圖

移動(dòng)端為了能夠反映大型電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和歷史運(yùn)行狀態(tài)，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能和參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能；為了能夠及時(shí)通知用戶處理大型電機(jī)的故障，需要實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能；為了能夠反映大型電機(jī)的故障歷史，需要實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警歷史查詢功能。

（1）登錄功能

移動(dòng)端根據(jù)登錄用戶的不同加載不同的電機(jī)數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能

移動(dòng)端根據(jù)用戶選擇的電機(jī)和參數(shù)，以折線圖的方式顯示某個(gè)電機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（3）參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能

移動(dòng)端根據(jù)用戶選擇的電機(jī)、參數(shù)和時(shí)間，以折線圖的方式顯示某個(gè)電機(jī)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶的操作對折線圖進(jìn)行縮放和平移。

（4）故障報(bào)警功能

當(dāng)某個(gè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，移動(dòng)端將產(chǎn)生故障的電機(jī)、產(chǎn)生故障的時(shí)間、產(chǎn)生故障的參數(shù)等以通知的方式告知用戶，以及時(shí)處理故障，避免造成更嚴(yán)重的后果。

（5）故障報(bào)警設(shè)置功能

移動(dòng)端根據(jù)用戶的操作判斷是否允許接收故障報(bào)警以及在允許接收故障報(bào)警時(shí)是否開啟聲音和振動(dòng)。

（6）故障報(bào)警歷史查詢功能

移動(dòng)端根據(jù)用戶選擇的電機(jī)，以二級(jí)列表的方式顯示某個(gè)電機(jī)的故障報(bào)警歷史。

（7）故障報(bào)警歷史清除功能

移動(dòng)端根據(jù)用戶的操作判斷是否清除緩存的故障報(bào)警歷史。

2 移動(dòng)端架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，移動(dòng)端架構(gòu)模式主要有MVC（Model-View-Controller）、MVP（Model-View-Presenter）、MVVM（Model-View-View Model）三種。與其他兩種架構(gòu)模式相比，MVP架構(gòu)模式不僅實(shí)現(xiàn)了Model層與View層的分離，而且具有較高的代碼復(fù)用性。因此，移動(dòng)端采用MVP架構(gòu)模式，其中，Model層負(fù)責(zé)移動(dòng)端的數(shù)據(jù)處理，View層負(fù)責(zé)移動(dòng)端的數(shù)據(jù)顯示，Presenter層負(fù)責(zé)Model層與View層的數(shù)據(jù)通信。MVP架構(gòu)模式框架如圖2所示。

圖2 MVP架構(gòu)模式

3 移動(dòng)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

目前，移動(dòng)端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式主要有文件存儲(chǔ)、SharedPreferences文件存儲(chǔ)以及SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。其中，文件存儲(chǔ)適合存儲(chǔ)無格式的數(shù)據(jù)，SharedPreferences文件存儲(chǔ)適合存儲(chǔ)格式簡單、批量較小的數(shù)據(jù)，SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)適合存儲(chǔ)格式復(fù)雜、批量較大的數(shù)據(jù)。

移動(dòng)端需要存儲(chǔ)用戶信息和電機(jī)信息。由于用戶信息格式簡單、批量較小，所以采用SharedPreferences文件存儲(chǔ)，用戶信息的存儲(chǔ)格式見表1所列；由于電機(jī)信息格式復(fù)雜、批量較大，所以采用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，電機(jī)信息的存儲(chǔ)格式見表2所列。

表1 用戶信息的存儲(chǔ)格式

表2 電機(jī)信息的存儲(chǔ)格式

對于故障報(bào)警設(shè)置功能，移動(dòng)端需要存儲(chǔ)用戶設(shè)置。與用戶信息相比，用戶設(shè)置具有相同的特點(diǎn)，所以采用SharedPreferences文件存儲(chǔ)，用戶設(shè)置的存儲(chǔ)格式見表3所列。

表3 用戶設(shè)置的存儲(chǔ)格式

對于故障報(bào)警歷史查詢功能，移動(dòng)端需要存儲(chǔ)故障報(bào)警歷史信息。與電機(jī)信息相比，故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)與其具有相同的特點(diǎn)，所以采用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，故障報(bào)警歷史信息的存儲(chǔ)格式見表4所列。

表4 故障報(bào)警歷史信息的存儲(chǔ)格式

4 移動(dòng)端數(shù)據(jù)處理

移動(dòng)端主要通過Activity組件、Fragment控件及Service組件實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。以下主要介紹登錄功能、實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能、參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能、故障報(bào)警功能與故障報(bào)警歷史查詢功能的數(shù)據(jù)處理。

4.1 登錄功能

移動(dòng)端登錄功能的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。在用戶登錄時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)判斷SharedPreferences文件中是否存在用戶的賬號(hào)和密碼。如果存在用戶的賬號(hào)和密碼，則從SQLite數(shù)據(jù)庫中的電機(jī)信息表加載電機(jī)數(shù)據(jù)；如果不存在用戶的賬號(hào)和密碼，則顯示登錄頁面。用戶通過登錄的方式使移動(dòng)端從服務(wù)端獲取電機(jī)數(shù)據(jù)。如果登錄成功，應(yīng)用程序會(huì)首先將用戶的賬號(hào)和密碼寫入SharedPreferences文件，并將電機(jī)數(shù)據(jù)寫入SQLite數(shù)據(jù)庫中的電機(jī)信息表，然后從SQLite數(shù)據(jù)庫中的電機(jī)信息表加載電機(jī)數(shù)據(jù)并顯示主頁面；登錄失敗時(shí)，顯示登錄頁面并通過Toast通知用戶登錄失敗。

圖3 登錄功能的數(shù)據(jù)處理流程

4.2 實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能

控制器將采集的參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)端，服務(wù)端將其解析后寫入數(shù)據(jù)庫并在移動(dòng)端請求，從數(shù)據(jù)庫讀出發(fā)送給移動(dòng)端，移動(dòng)端將其解析后以折線圖的方式向用戶展示。

移動(dòng)端實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。應(yīng)用程序根據(jù)用戶選擇的電機(jī)和參數(shù)，以1 s為時(shí)間間隔，不斷向服務(wù)端發(fā)送獲取該電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的請求。如果從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)成功，以折線圖的方式向用戶展示；如果從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)失敗，應(yīng)用程序會(huì)根據(jù)用戶的操作判斷是否重新向服務(wù)端發(fā)送獲取該電機(jī)該參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的請求。如果不重新向服務(wù)端發(fā)送獲取該電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的請求，顯示操作失敗頁面。

圖4 實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能的數(shù)據(jù)處理流程

4.3 參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能

除實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能外，移動(dòng)端允許用戶查詢?nèi)我怆姍C(jī)任意時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù)。移動(dòng)端參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能的數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。應(yīng)用程序根據(jù)用戶選擇的電機(jī)、參數(shù)和時(shí)間，向服務(wù)端發(fā)送獲取該電機(jī)該參數(shù)該時(shí)刻歷史數(shù)據(jù)的請求。如果從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)成功，則以折線圖的方式向用戶展示，并允許用戶根據(jù)需要對折線圖進(jìn)行縮放和平移；如果從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)失敗，則應(yīng)用程序會(huì)根據(jù)用戶的操作判斷是否重新向服務(wù)端發(fā)送獲取該電機(jī)該參數(shù)該時(shí)刻歷史數(shù)據(jù)的請求。如果不重新向服務(wù)端發(fā)送獲取該電機(jī)該參數(shù)該時(shí)刻歷史數(shù)據(jù)的請求，顯示操作失敗頁面。

圖5 參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能的數(shù)據(jù)處理流程

4.4 故障報(bào)警功能

控制器采集參數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)數(shù)據(jù)閾值判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)異常，就立即向服務(wù)端發(fā)送故障報(bào)警信息；服務(wù)端接收到故障報(bào)警信息后會(huì)立即將其發(fā)送給移動(dòng)端；移動(dòng)端通知用戶及時(shí)處理故障，以避免造成更嚴(yán)重的后果。由于Android系統(tǒng)的限制，移動(dòng)端接收服務(wù)端發(fā)送的故障報(bào)警信息情況分為在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)接收和在應(yīng)用程序未運(yùn)行時(shí)接收兩種情況。

在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，移動(dòng)端通過消息中間件的方式接收故障報(bào)警信息。目前主流的消息中間件有RabbitMQ、ActiveMQ和Kafka等，其中RabbitMQ因具有擴(kuò)展性高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。RabbitMQ的工作原理如圖6所示，消息生產(chǎn)者將消息通過交換器傳遞到與交換器綁定的消息隊(duì)列中存儲(chǔ)，消息消費(fèi)者與服務(wù)端建立連接后從消息隊(duì)列中取出消息進(jìn)行處理。

圖6 RabbitMQ的工作原理

移動(dòng)端故障報(bào)警功能的數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示，應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)故障報(bào)警服務(wù)。故障報(bào)警服務(wù)會(huì)創(chuàng)建消費(fèi)者并與服務(wù)端連接，一旦監(jiān)聽的消息隊(duì)列不為空，應(yīng)用程序根據(jù)Shared Preferences文件中的通知效果發(fā)送通知，通知用戶發(fā)生故障的時(shí)間、發(fā)生故障的電機(jī)、發(fā)生故障的參數(shù)、發(fā)生故障的參數(shù)的值。

圖7 故障報(bào)警功能的數(shù)據(jù)處理流程

因?yàn)锳ndroid系統(tǒng)在運(yùn)行內(nèi)存不夠時(shí)會(huì)殺死故障報(bào)警服務(wù)，所以為了保證應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)能夠接收故障報(bào)警信息，應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)，會(huì)注冊廣播接收器。一旦故障報(bào)警服務(wù)終止，就發(fā)送廣播；廣播接收器接收到廣播后會(huì)重新啟動(dòng)故障報(bào)警服務(wù)。在應(yīng)用程序未運(yùn)行時(shí)，移動(dòng)端通過短信或郵件的方式接收故障報(bào)警信息。

4.5 故障報(bào)警歷史查詢功能

由于故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)規(guī)模較小，移動(dòng)端采用在SQLite數(shù)據(jù)庫的故障報(bào)警歷史信息表緩存故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)的方式，以提高應(yīng)用的響應(yīng)速度。

移動(dòng)端故障報(bào)警歷史查詢功能的數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示，應(yīng)用程序根據(jù)用戶選擇的電機(jī)，向服務(wù)端發(fā)送獲取該電機(jī)未獲取過的故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)的請求。如果從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)成功，應(yīng)用程序會(huì)首先將該電機(jī)未獲取過的故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)寫入SQLite數(shù)據(jù)庫中的故障報(bào)警歷史信息表，然后從SQLite數(shù)據(jù)庫中的故障報(bào)警歷史信息表加載該電機(jī)的故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)，并以二級(jí)列表的方式向用戶展示；如果從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)失敗，應(yīng)用程序會(huì)直接從SQLite數(shù)據(jù)庫中的故障報(bào)警歷史信息表加載該電機(jī)的故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)，并以二級(jí)列表的方式向用戶展示并通過Toast通知用戶操作失敗。

圖8 故障報(bào)警歷史查詢功能的數(shù)據(jù)處理流程

5 移動(dòng)端測試

為測試移動(dòng)端能否正常運(yùn)行，我們在基于Android10的HuaWei nova5Pro設(shè)備上進(jìn)行測試。

實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能的測試結(jié)果如圖9所示，移動(dòng)端能夠正常顯示用戶選擇的電機(jī)和參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖9 實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能

參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能的測試結(jié)果如圖10所示，移動(dòng)端能夠正常顯示用戶選擇的電機(jī)、參數(shù)和時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)。

圖10 參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能

故障報(bào)警功能的測試結(jié)果如圖11所示，移動(dòng)端能夠正常顯示產(chǎn)生故障的電機(jī)、產(chǎn)生故障的時(shí)間、產(chǎn)生故障的參數(shù)以及產(chǎn)生故障的參數(shù)的值。

圖11 故障報(bào)警功能

故障報(bào)警歷史查詢功能的測試結(jié)果如圖12所示，移動(dòng)端能夠正常顯示用戶選擇的電機(jī)的故障報(bào)警歷史數(shù)據(jù)。

圖12 故障報(bào)警歷史查詢功能

6 結(jié) 語

本文基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)的大型電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測功能、參數(shù)監(jiān)測歷史查詢功能、故障報(bào)警功能以及故障報(bào)警歷史查詢功能等，具有不受時(shí)空限制的優(yōu)點(diǎn)，能夠幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除大型電機(jī)的故障，避免造成嚴(yán)重的后果。