基于二維碼的移動巡檢新系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

曾曉輝 ，文成玉 ，陳 超 ，練 藝

（1．電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，四川 成都 610000；2．成都信息工程學(xué)院 通信學(xué)院，四川 成都 610000；3．摩托羅拉系統(tǒng)有限公司成都分公司，四川 成都 610000）

物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)可分為標(biāo)識、感知、處理和信息傳送四大環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵技術(shù)跨越無線通信、計算機(jī)技術(shù)、信息傳感、識別等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過射頻識別(RFID)、無線傳感器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連，從而實現(xiàn)物與物、人與物之間的信息交互與通信[1]。電力設(shè)備智能巡檢系統(tǒng)的實現(xiàn)，首先依賴于對電力設(shè)備各個環(huán)節(jié)運行參數(shù)的在線監(jiān)測和實時信息掌控，而物聯(lián)網(wǎng)作為“智能信息感知末梢”，可成為推動智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)手段[2-4]。只有實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，才能提高電力系統(tǒng)信息化水平，實現(xiàn)電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)的全面智能化。

本文首先分析了電力設(shè)備的巡檢現(xiàn)狀，然后針對某水電站巡檢的實際需求，設(shè)計了基于二維碼掃描識別的智能移動巡檢系統(tǒng)，并在智能手機(jī)平臺上實現(xiàn)了該移動巡檢服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)的設(shè)計不僅具備“智能終端”便捷通信的技術(shù)特征，且與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)巡檢系統(tǒng)相比，具備諸多優(yōu)勢，因此對于行業(yè)內(nèi)推動電力設(shè)備智能移動巡檢的普及具有重大的現(xiàn)實意義。

1 電力巡檢系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

目前，電力企業(yè)巡檢人員通常采用“看、聞、聽、摸、問、測”六方法進(jìn)行移動式巡回檢查，以維持電力生產(chǎn)設(shè)備的正常性能；或者采用手持移動計算設(shè)備（PDA）獲取設(shè)備信息，利用射頻技術(shù)（RFID）技術(shù)來標(biāo)識和輔助定位智能電網(wǎng)中的電力設(shè)備[5-6]。但要使巡檢操作和統(tǒng)計管理更加智能化，普及率更高，目前國內(nèi)電力設(shè)備的智能移動巡檢軟件仍然存在較大的提升空間，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)是高度集成的開放式通信系統(tǒng)。因此，第四代智能移動巡檢系統(tǒng)應(yīng)該更多地融合3G移動技術(shù)、智能移動終端、二維碼信息技術(shù)等前沿技術(shù)。

（2）普遍使用的RFID設(shè)備[7]標(biāo)識，必須配備相應(yīng)的手持機(jī)PDA，方可讀取設(shè)備信息。而PDA配套設(shè)備等多數(shù)造價昂貴，導(dǎo)致電力系統(tǒng)內(nèi)智能巡檢的覆蓋率和普及率低，巡檢規(guī)模大大受限于設(shè)備數(shù)量和業(yè)務(wù)復(fù)雜度。

（3）巡檢的移動性導(dǎo)致設(shè)備服務(wù)的位置和所處的環(huán)境不斷變化。目前，手持PDA系統(tǒng)定位通?；诿绹鳪PS系統(tǒng)或者我國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)[8-9]，定位精度的改進(jìn)還依賴于我國北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完善和成熟；并且對于非戶外的電力設(shè)備巡檢并不理想。此外，巡檢前的任務(wù)內(nèi)容通常必須由RS232接口連接傳輸至PDA，實時更新性不好，個性化更改任務(wù)的功能也不具備。

（4）另外，RFID還有一個很大的缺點，它會不時地發(fā)出射頻信號，從而可能泄露用戶的地址，因此不利于用戶或者專網(wǎng)的信息安全與隱私保護(hù)等。

2 基于二維碼的移動智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計

2.1 二維碼的技術(shù)特性

二維信息碼是通過特定幾何圖形在二維平面上有規(guī)律地分布而形成的黑白相間的圖像來記錄信息，在代碼編制上利用構(gòu)成計算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念[10-11]。在識別時，即采用智能手機(jī)的拍照功能對二維碼進(jìn)行掃描，通過其內(nèi)置二維碼閱讀引擎識讀該條碼后，就能自動識別、處理、解讀其中所隱含的信息。

由于前文所提到的RFID的種種局限性，本設(shè)計從可擴(kuò)展性、資源有限性、安全實時性和環(huán)境的動態(tài)變化性幾個方面進(jìn)行分析，在智能手機(jī)平臺上設(shè)計并開發(fā)了該智能移動巡檢新系統(tǒng)。本系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于：

（1）以前的巡檢系統(tǒng)只是單向的數(shù)據(jù)采集，而安裝了智能巡檢系統(tǒng)客戶端的手機(jī)終端以3G網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)為依托，能夠?qū)崟r地接收到系統(tǒng)推送的服務(wù)通知等，也可以實時、雙向地對用戶發(fā)布大量信息，快捷方便。

（2）二維碼高密度編碼，信息容量大，編碼范圍廣，譯碼可靠性高，可引入加密措施，易制作，且成本低廉，易推廣。

（3）系統(tǒng)服務(wù)器端可以針對企業(yè)的特殊要求，按需部署各項服務(wù)，更能針對后期數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計，建立QoS評估模型，展開科學(xué)化的統(tǒng)計分析及預(yù)測，更加有利于后期的服務(wù)選擇和服務(wù)組合。

（4）本系統(tǒng)真正結(jié)合了3G移動通信技術(shù)和智能手機(jī)終端技術(shù)，既能降低資源消耗，同時還保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木_率，真正地實現(xiàn)了7×24小時的移動巡檢。這都是之前所有傳統(tǒng)的巡檢系統(tǒng)所不能辦到的。

2.2 基于二維碼的移動巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

由上面分析可知，基于智能終端的物聯(lián)網(wǎng)相較于現(xiàn)有電力通信網(wǎng)，在環(huán)境動態(tài)變化性、安全實時性和資源可擴(kuò)展性等方面都具有較大優(yōu)勢。因此，針對企業(yè)電力設(shè)備的巡檢現(xiàn)狀和具體任務(wù)需求，本文設(shè)計了基于二維碼掃描識別的智能手機(jī)端新移動巡檢系統(tǒng)，將帶有攝像頭的智能手機(jī)終端作為識讀二維碼的工具，通過客戶端軟件識讀設(shè)備上的二維碼，進(jìn)行本地解析，執(zhí)行業(yè)務(wù)，并與應(yīng)用服務(wù)器發(fā)生在線交互，進(jìn)而獲取各項巡檢任務(wù)和巡檢設(shè)備信息，實現(xiàn)各種巡檢功能。

該系統(tǒng)主要由客戶端、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器端三部分構(gòu)成，其中網(wǎng)絡(luò)主要由Internet、3G、WLAN構(gòu)成。下面就這三部分的軟件設(shè)計及功能實現(xiàn)做詳細(xì)闡述。

2.2.1 系統(tǒng)客戶端設(shè)計

本系統(tǒng)客戶端軟件界面采用了C++編程技術(shù)，在智能手機(jī)的Android操作系統(tǒng)平臺上，基于Qt Quick（Qt User Interface Kit）來編寫應(yīng)用程序。同時，采用基于Java語言開發(fā)并搭建符合理念和框架的移動巡檢服務(wù)平臺。

圖1為該移動巡檢客戶端平臺的模塊界面九宮格圖。

由圖1所示，在功能界面上共有9個模塊，而智能移動巡檢客戶端的用戶登錄權(quán)限共有5個，分為系統(tǒng)管理、領(lǐng)導(dǎo)、維護(hù)組長、維護(hù)人員、運行人員。系統(tǒng)設(shè)計的5種權(quán)限將從以上9種模塊中選擇不同的功能模塊組合在一起，進(jìn)而完成其各自工作任務(wù)。

其中，二維碼掃描模塊的實現(xiàn)采用了ZXing開放源碼庫以及用Java實現(xiàn)的多種格式的1D/2D條碼圖像處理庫。因此只要智能手機(jī)終端安裝了本系統(tǒng)的客戶端軟件，并支持近拍功能，就可以通過掃描電力設(shè)備上的二維碼，以移動終端和移動互聯(lián)網(wǎng)作為巡檢項目內(nèi)容信息的存儲、解讀、處理和傳播渠道而實現(xiàn)巡檢客戶端的各項操作業(yè)務(wù)。

圖1 客戶端軟件界面

巡檢人員（5種權(quán)限均可）手持安裝本系統(tǒng)軟件的智能手機(jī)終端執(zhí)行一般日常巡檢任務(wù)的情況如圖2所示。

圖2 智能巡檢主要業(yè)務(wù)流程圖

首先，對巡檢路線的所有設(shè)備按順序生成加密二維碼并存到中心服務(wù)器，同時將對應(yīng)設(shè)備二維碼條碼粘貼在巡檢設(shè)備上。巡檢人員在執(zhí)行日常任務(wù)時，用智能手機(jī)終端軟件掃描設(shè)備二維碼，再次從服務(wù)器獲取該設(shè)備待檢查的內(nèi)容項。如發(fā)現(xiàn)故障，可以詳細(xì)記錄問題，同時拍攝照片，將圖文發(fā)送到服務(wù)器；如果該設(shè)備沒有問題，則標(biāo)記通過，根據(jù)提示掃描下一個待檢設(shè)備。當(dāng)所有設(shè)備都檢查完后，就可以通過手機(jī)客戶端在線或者離線方式保存此次巡檢的結(jié)果，上傳至服務(wù)器。

2.2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互設(shè)計

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互層設(shè)計包含手機(jī)智能終端[6]的數(shù)據(jù)上傳、服務(wù)器端的數(shù)據(jù)展現(xiàn)等，采用Web Service技術(shù)及SOAP協(xié)議的方式實現(xiàn)智能終端和服務(wù)器端的實時高效交互，同時對交互接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以減少在3G條件下的流量消耗。

Web Services體系結(jié)構(gòu)[12]是面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計的一種合理發(fā)展，包括SOA中的3種角色和操作、UDDI和 WSDL；而面向服務(wù)架構(gòu) SOA（Service-Oriented Architecture）是一種組件模型。因此，基于SOA巡檢網(wǎng)的核心價值在于，在實時數(shù)據(jù)和信息感知的基礎(chǔ)上，通過對數(shù)據(jù)和信息的分析處理，更智能地實現(xiàn)動態(tài)感知、實時跟蹤和定位、基于位置信息的服務(wù)發(fā)現(xiàn)和部署。服務(wù)器端與智能終端數(shù)據(jù)交互的詳細(xì)設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互框架設(shè)計圖

在整個巡檢系統(tǒng)中，以數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)為依托，巡檢人員不斷通過Android智能終端的Web Service交互模塊向服務(wù)器端上傳巡檢任務(wù)內(nèi)容、巡檢位置軌跡和巡檢設(shè)備數(shù)據(jù)；智能巡檢系統(tǒng)Web Service服務(wù)器端的終端數(shù)據(jù)上傳與下載模塊接收之后，會立刻向客戶端確認(rèn)上傳巡檢點的數(shù)據(jù)；然后巡檢數(shù)據(jù)會分別存儲至服務(wù)器端的各模塊中。

2.2.3 系統(tǒng)服務(wù)器端設(shè)計

本系統(tǒng)即該智能移動巡檢系統(tǒng)的服務(wù)器端，主要包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。該管理服務(wù)器軟件采用了B/S架構(gòu)，從技術(shù)上引入分層的體系架構(gòu)，分別是：用戶應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。

如圖4所示，系統(tǒng)服務(wù)器利用Heritrix框架進(jìn)行特定信息數(shù)據(jù)的收集，并結(jié)合基于Web Service的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲取信息。它面向多客戶端類型（包含智能終端和PC端）提供統(tǒng)一的用戶訪問接口，業(yè)務(wù)功能上采用模塊化的思路進(jìn)行設(shè)計，圍繞對移動巡檢設(shè)備的支撐、數(shù)據(jù)分析和信息挖掘等展開。

圖4 基于Web Service的系統(tǒng)服務(wù)器

該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一共包括“基礎(chǔ)資料管理”、“平臺管理”、“巡檢資料管理”、“設(shè)備數(shù)據(jù)管理”和“用戶數(shù)據(jù)管理”五大類信息管理模塊。同時，也可以通過不同的導(dǎo)出結(jié)果生成相應(yīng)的圖表或者保存數(shù)據(jù)內(nèi)容。具體查詢結(jié)果如圖5所示。

圖5 巡檢系統(tǒng)結(jié)果查詢

該系統(tǒng)服務(wù)器端具有非常大的伸縮性和跨平臺特性，能夠根據(jù)訪問量的大小對服務(wù)器端的部署進(jìn)行靈活配置。在安全性方面使用加密的Https協(xié)議、數(shù)據(jù)加密，以滿足企業(yè)對信息安全的要求。

2.2.4 系統(tǒng)應(yīng)用

通過模擬調(diào)試和現(xiàn)場測試，整個智能移動巡檢系統(tǒng)運行良好，在信息安全實時性、智能化服務(wù)和部署靈活方面都充分達(dá)到了企業(yè)巡檢的要求。該系統(tǒng)具體測試結(jié)果如下：

（1）響應(yīng)能力：當(dāng)用戶數(shù)小于 200人時，登入系統(tǒng)和登出系統(tǒng)的響應(yīng)時間維持在0.5 s之內(nèi)；管理員信息修改、保存功能的響應(yīng)時間小于1 s；顯示界面的響應(yīng)時間小于 2 s。

（2）可靠性：經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，服務(wù)器系統(tǒng)能連續(xù)不間斷地運作30天，未出現(xiàn)任何程序崩潰、服務(wù)中斷訪問或者功能異常等情況。

（3）負(fù)載能力：受條件限制，在單位內(nèi)進(jìn)行了簡單測試，同時用戶在線的最大的負(fù)載量不超過200時，響應(yīng)延遲都在系統(tǒng)正常的響應(yīng)時間范圍內(nèi)。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于二維碼的智能手機(jī)移動終端的新型電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持包括Android系統(tǒng)的多類型智能手機(jī)終端，并具有“傻瓜”式的用戶接口，對人員技術(shù)要求低，極大地方便了用戶的維護(hù)和使用。與傳統(tǒng)的PDA巡檢方式相比，整個巡檢系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、資源有限性、安全實時性和環(huán)境的動態(tài)變化性等方面都有所提升，對發(fā)電設(shè)備的透明化監(jiān)測、高效化管理具有現(xiàn)實意義。同時，該巡檢系統(tǒng)方案已經(jīng)在某大型水電站進(jìn)行了現(xiàn)場實施和運行，達(dá)到企業(yè)預(yù)期要求。相信未來在我國電力設(shè)備巡檢行業(yè)中的應(yīng)用前景良好。

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