基于Android的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程故障監(jiān)測終端系統(tǒng)

楊光友, 謝 旺, 陳學(xué)海

(1 湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計院，湖北 武漢 430068；2 湖北省農(nóng)機(jī)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430068)

由于聯(lián)合收割機(jī)[1-3]結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，其工作過程中的故障多樣化。常見的故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)大多運行在PC端，雖然實現(xiàn)了遠(yuǎn)程故障監(jiān)測，減輕了故障診斷的工作量和難度，但不易攜帶，難以滿足實際需要[4]。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備的不斷發(fā)展[5]，如能將聯(lián)合收割機(jī)的故障通過移動端顯示或發(fā)出預(yù)警信息，則對聯(lián)合收割機(jī)的運維具有重要意義。目前，有關(guān)移動端故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)的研究已經(jīng)在飛機(jī)航電系統(tǒng)[6]、汽車[7-9]和工業(yè)設(shè)備[10]等領(lǐng)域展開。本文以聯(lián)合收割機(jī)故障監(jiān)測為背景，開展基于Android移動設(shè)備的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程故障監(jiān)測終端系統(tǒng)研究，為聯(lián)合收割機(jī)故障監(jiān)測和診斷提供解決方法，提高運維效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于Android的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由車載數(shù)據(jù)采集端、云服務(wù)器端和Android移動端組成(圖1)。

圖 1 總體框架

1.1 車載數(shù)據(jù)采集端

以雷沃RG50型聯(lián)合收割機(jī)為試驗樣機(jī)，根據(jù)收割機(jī)工作情況，在收割機(jī)工作時易發(fā)生故障的部位安裝速度傳感器，以監(jiān)測風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、輸送鏈耙轉(zhuǎn)速、喂入攪龍轉(zhuǎn)速、雜余攪龍轉(zhuǎn)速、籽粒攪龍轉(zhuǎn)速、逐稿器和割刀往復(fù)頻率等。車載數(shù)據(jù)采集端通過數(shù)據(jù)采集模塊將這些傳感器數(shù)據(jù)利用4G通信模塊上傳至云服務(wù)器端。

1.2 云服務(wù)器端

作為整個系統(tǒng)的核心樞紐，云服務(wù)器端負(fù)責(zé)調(diào)用故障模型進(jìn)行故障預(yù)警和故障模型的更新：云服務(wù)器端接受車載端上傳的數(shù)據(jù)并解析保存到數(shù)據(jù)庫—調(diào)用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)警—得到預(yù)警結(jié)果實時發(fā)送到Android移動端。同時，云服務(wù)器端獲取Android移動端人工反饋的實際故障結(jié)果，并與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中模型預(yù)警的故障狀態(tài)進(jìn)行一致性判斷，以此結(jié)果作為模型是否需要更新的重要條件之一。

1.3 Android移動端

Android移動端軟件采用TCP/IP協(xié)議與云服務(wù)器端建立socket通信，實時接收云服務(wù)器端發(fā)送的監(jiān)測模型預(yù)警結(jié)果。當(dāng)其結(jié)果是故障狀態(tài)時，即斷開移動端與云服務(wù)器的連接，由操作員判斷是否與實際故障相符，同時上傳同一時刻操作員判斷給出的故障狀態(tài)，以便服務(wù)器端計算故障預(yù)警模型的準(zhǔn)確率。通過連接訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，操作員根據(jù)不同故障類型查詢相應(yīng)故障原因以及解決方案，實現(xiàn)故障快速定位和排除。

2 Android移動端開發(fā)平臺

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到系統(tǒng)開發(fā)的軟件運行在Android移動端，選用ARMv8-A架構(gòu)的Cortex-A53的四核處理器，以滿足Android6.0系統(tǒng)的運行需求。Android移動端需要與服務(wù)器通信，連接訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。開發(fā)平臺選用廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)監(jiān)控場合的4G無線傳輸模塊ME3630[11]。4G無線傳輸模塊ME3630可以提供50 Mbps上行速率，以及150 Mbps的下行速率，并支持回退到3G或2G網(wǎng)絡(luò)。該模組也支持GPS定位功能，完全符合系統(tǒng)功能要求。Android移動端開發(fā)平臺帶有OTG接口，便于軟件開發(fā)的調(diào)試。

Android移動端開發(fā)平臺硬件系統(tǒng)(圖2)主要由CPU處理器、觸控顯示屏、OTG接口，4G模塊，12V/2A主電源輸入接口、藍(lán)牙模塊和WIFI模塊等組成。

圖 2 移動端開發(fā)平臺硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開發(fā)平臺硬件系統(tǒng)實物如圖3所示。

圖 3 開發(fā)平臺硬件系統(tǒng)實物

2.2 軟件開發(fā)工具

Android Studio是谷歌專門為AndroidAPP開發(fā)設(shè)計的IDE工具。該工具基于IDEA設(shè)計，引進(jìn)了新的項目構(gòu)建工具Gradle，優(yōu)化了模擬器運行慢、內(nèi)存大的問題，提供了更好的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。本文選用Android Studio 3.4.2作為Android移動端的軟件開發(fā)工具。

3 Android移動端軟件開發(fā)

Android作為一個以Linux為基礎(chǔ)完全開源的移動設(shè)備操作系統(tǒng)，提供了豐富的開發(fā)資源。Android移動端軟件基于Android平臺開發(fā)，該平臺支持GUI開發(fā)，能夠提供良好的交互體驗，同時還支持輕量級的SQLite數(shù)據(jù)庫，可用作結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲。Android移動端軟件的功能模塊如圖4所示。

圖 4 Android移動端軟件功能模塊

3.1 Android移動端軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫連接JDBC(Java Database Connectivity)是Java語言中用來訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序接口，提供一種與平臺無關(guān)的用于執(zhí)行SQL語句的標(biāo)準(zhǔn)javaAPI，方便實現(xiàn)多種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一操作[12]。Android平臺基于Java語言開發(fā)，可以通過添加第三方依賴庫調(diào)用JDBC驅(qū)動，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的操作。本文選用Mysql數(shù)據(jù)庫測試。

導(dǎo)入連接Mysql數(shù)據(jù)庫的依賴包mysql-connector-java-5.1.48-bin.jar后，調(diào)用Class.for.Name(com.mysql.jdbc.Driver)程序語句初始化驅(qū)動類，調(diào)用DriverManager類的getConnection()與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫建立連接。最后，通過調(diào)用SQL語句對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。該功能的具體流程如圖5所示。

圖 5 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫連接流程

3.1.2故障查詢遠(yuǎn)程服務(wù)端利用Navicat Premium數(shù)據(jù)庫可視化管理工具，根據(jù)故障信息特點搭建故障數(shù)據(jù)庫。創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫包括有以下幾列: 編號id、故障位置 error_location、故障類型error_type、故障原因 error_reason、解決方案 error_solution。其中分為發(fā)動機(jī)、電氣系統(tǒng)、割臺裝置、進(jìn)料裝置、脫粒裝置、清選裝置、集糧裝置等7個部位。故障查詢數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖 6 故障查詢數(shù)據(jù)庫

Android移動端通過JDBC技術(shù)連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，根據(jù)預(yù)警故障或反饋結(jié)果確定故障類型，通過該故障類型即可查詢相應(yīng)的故障原因以及解決方案。故障查詢流程如圖7所示。

圖 7 故障查詢流程

3.1.3故障反饋接收到云服務(wù)端的預(yù)警結(jié)果為故障后，Android移動端會提示操作員進(jìn)行反饋。操作員需要根據(jù)實際情況進(jìn)行判斷，確定實際故障之后會將反饋結(jié)果和完成反饋的時刻一起記錄保存。然后將故障Id、故障數(shù)據(jù)的上傳時間、故障數(shù)據(jù)的預(yù)警碼、反饋結(jié)果和完成反饋的時刻一起轉(zhuǎn)化成JSON字符串。通過連接Redis數(shù)據(jù)庫，調(diào)用rpush()方法存入Redis列表。云服務(wù)端通過該Redis列表獲取Android移動端的反饋值。該功能實現(xiàn)流程如圖8所示。

圖 8 故障反饋流程

3.1.4LitePal開源數(shù)據(jù)庫框架LitePal是一款開源的Android數(shù)據(jù)庫框架。它采用了對象關(guān)系映射(ORM)的模式，并將我們平時開發(fā)最常用到的一些數(shù)據(jù)庫功能進(jìn)行了封裝，使得不用編寫一行SQL語句就可以完成各種建表和增刪改查的操作[13]。LitePal很“輕”，jar包不到100 kb，而且基本上零配置。使用LitePal開源框架可以讓操作數(shù)據(jù)庫更簡單。LitePal的使用方法如下。

1)引入jar包：打開app/build.gradle文件，在dependencies閉包中添加如下代碼：

implementation 'org.litepal.android:core:2.0.0'

2)配置litepal.xml文件：在app/src/main目錄下新建文件夾assets，然后在assets文件夾中新建litepal.xml文件。配置文件內(nèi)容如下：

標(biāo)簽用于指定數(shù)據(jù)庫名稱；用于指定數(shù)據(jù)庫版本號，當(dāng)新添加了表要更新數(shù)據(jù)庫時，將version中的value值加1即可；標(biāo)簽用于指定所有的映射模型；每個映射模型用標(biāo)簽聲明，class指定映射模型類名(完整類名)，User為一個模型類的名字，類中定義的變量對應(yīng)著數(shù)據(jù)庫表中的列。

3)配置LitePalApplication：操作數(shù)據(jù)庫需要用到Context，LitePal通過在AndroidManifest.xml中配置LitePalApplication，簡化了Context參數(shù)，使用數(shù)據(jù)庫操作時就無需再傳Context。如以下代碼所示：

android:name="org.litepal.LitePalApplication"

android:allowBackup="true"

android:icon="@mipmap/ic_launcher"

android:label="@string/app_name"

android:roundIcon="@mipmap/ic_launcher_round"

android:supportsRtl="true"

android:theme="@style/AppTheme">

4)初始化和操作數(shù)據(jù)庫：每個Activity需要應(yīng)用LitePal時，調(diào)用一次LitePal.getDatabase()即可進(jìn)行初始化。根據(jù)對象關(guān)系映射模式的理論，新建一個User模型類，類中元素對應(yīng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表User中的列數(shù)據(jù)編號id、賬號user、密碼password和用戶姓名username。操作User數(shù)據(jù)表只需要分別調(diào)動模型類User對象的user.save()和user.delete()方法即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)表的保存和刪除操作。這樣就可以應(yīng)用LitePal框架對Android數(shù)據(jù)庫進(jìn)行賬號信息的添加和刪除，實現(xiàn)用戶注冊和用戶注銷功能。SQLite數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。

圖 9 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 軟件功能界面程序設(shè)計

Android移動端的軟件基于Android平臺開發(fā)，利用Android平臺強(qiáng)大的UI開發(fā)功能為軟件各功能模塊設(shè)計界面，實現(xiàn)良好的人機(jī)交互。

3.2.1Intent技術(shù)Intent技術(shù)作為Android開發(fā)的核心技術(shù)之一，用來協(xié)助各應(yīng)用的交互和通訊。Intent負(fù)責(zé)對應(yīng)用中一次操作的動作、動作涉及數(shù)據(jù)、附加數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。根據(jù)Intent的描述，Android負(fù)責(zé)找到對應(yīng)的組件，將Intent傳遞給調(diào)用的組件，并完成組件的調(diào)用。Intent不僅可用于應(yīng)用程序之間，也可以開啟一個activity、發(fā)送廣播消息和開啟Service服務(wù)。調(diào)用startActivity()方法跳轉(zhuǎn)到指定Activity，可以實現(xiàn)登錄界面到注冊界面和功能界面的跳轉(zhuǎn)。還可以調(diào)用putExtra()方法實現(xiàn)Activity間的數(shù)據(jù)傳遞，將LoginActivity獲取的操作員信息傳遞到MainActivity。

3.2.2Button控件Button是進(jìn)行UI開發(fā)時用于與用戶交互的重要控件。其中Button的點擊事件功能是實現(xiàn)交互的關(guān)鍵，設(shè)置點擊相應(yīng)事件有實現(xiàn)OnClickListener接口、匿名內(nèi)部類和定義內(nèi)部類三種方法，用戶根據(jù)需求點擊相應(yīng)的Button。登錄界面設(shè)置登錄和注冊兩個Button觸發(fā)Activity跳轉(zhuǎn)事件。

3.2.3Spinner控件Spinner控件是一個列表下拉框，在用戶點擊之后彈出一個數(shù)據(jù)列表供用戶選擇。對于Spinner列表顯示的數(shù)據(jù)源，有兩種方法進(jìn)行設(shè)定：一是通過Adapter設(shè)置，調(diào)用xml資源文件獲取數(shù)據(jù)源通過Adapter綁定到Spinner控件顯示，xml資源文件結(jié)構(gòu)如圖10所示；二是通過布局文件在Spinner控件的設(shè)置中添加android:entries="@array/error_data"代碼直接調(diào)用xml文件顯示到界面。但是通過布局文件設(shè)置的Spinner不能對選擇事件響應(yīng)，不利于用戶交互。軟件界面利用Adapter設(shè)置Spinner，調(diào)用AdapterView.OnItemSelectedListener()方法實現(xiàn)列表項被選擇時觸發(fā)響應(yīng)事件。

圖10 xml文件結(jié)構(gòu)

3.2.4ScrollView控件ScrollView是一種特殊類型的FrameLayout。它可以使用戶滾動顯示一個占據(jù)的空間大于物理顯示的視圖列表。ScrollView只能包含一個子視圖或視圖組，通常包含的是一個垂直的LinearLayout。在Activity中添加ScrollView控件將整個頁面轉(zhuǎn)化成滾動視圖，以便于瀏覽數(shù)據(jù)。

利用Android平臺中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和UI控件進(jìn)行軟件界面設(shè)計，相關(guān)界面如圖11所示。

圖11 軟件界面

4 結(jié)束語

通過Android技術(shù)實現(xiàn)了移動端與遠(yuǎn)程服務(wù)器的交互，實時獲取云服務(wù)器端的故障預(yù)警結(jié)果，并由操作員結(jié)合實際判斷預(yù)警結(jié)果是否準(zhǔn)確，實時將反饋結(jié)果上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，為服務(wù)器端的模型更新提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)標(biāo)簽。利用云服務(wù)器端的故障數(shù)據(jù)庫，終端系統(tǒng)可根據(jù)故障類型查詢相應(yīng)的故障原因和故障解決方案。該終端系統(tǒng)的應(yīng)用可以移植于多種Android移動設(shè)備，比如Android智能手機(jī)和Android智能平板等，減少了傳統(tǒng)PC端遠(yuǎn)程監(jiān)測的局限性，提高了戶外操作員故障監(jiān)測和排除故障的實時性和便利性，具有很好的應(yīng)用前景。